The use of Indian mustard and English ryegrass in phytoremediation of lead-contaminated soils.pdf Актуальность изучения способов очищения почвы от свинца обусловлена постоянным ростом степени загрязнения почвы вследствие ежегодного увеличения объёма производства и применения свинца и авто-транспортной нагрузки [1]. В последние годы в инду-стриально развитых странах возрос интерес к развитию технологии фиторемедиации - очистке почв, загряз-нённых тяжёлыми металлами, с помощью растений [2-9]. Данная технология является перспективной, т.к. является «мягкой» и недорогой по сравнению с ради-кальными механическими и физико-химическими спо-собами ремедиации почв [3, 4, 8, 10-14].Для применения технологии фиторемедиации необ-ходимо подобрать растения-аккумуляторы тяжёлых металлов, соответствующие данным климатическим условиям [15]. Цель работы - изучение влияния иссле-дуемых растений на содержание свинца в почве, а так-же воздействия свинца на рост и развитие растений.Материалы и методыДля исследования были выбраны два растения: гор-чица сарептская (Brassica juncea (L.) Czern.), являющая-ся гипераккумулятором свинца [16-18], и райграс паст-бищный (Lolium perenne L.) - растение, широко исполь-зуемое в городском озеленении, перспективность кото-рого в качестве фиторемедианта мало изучена.Для проведения вегетационных опытов в УОПЭЦ «Чашниково» (Московская область) была отобрана поч-ва верхнего Апах. горизонта с глубины 5-20 см. В первом опыте по 800 г почвы было помещено в 32 ёмкости, на дне которых находилось по 60 грамм перлита (впиты-вающее вещество), отделённого от почвы марлевой про-слойкой. Семена растений были помещены в почву, в которую предварительно был внесен свинец в виде соли Pb(NO3)2 в возрастающих концентрациях: 150, 250, 550 мг/кг почвы, что соответствует низкой, средней и высокой степени загрязнения почв согласно шкале эко-логического нормирования тяжелых металлов [19].Семена также были помещены в почву с внесенным раствором антигололёдного покрытия - CaCl2 в возрас-тающих концентрациях - 2,16, 4,31 и 6,47 мг/кг почвы. Каждая концентрация, а также контроль были продуб-лированы.Во втором вегетационном опыте по 300 г почвы бы-ло помещено в 12 ёмкостей. Семена растений былипомещены в почву, в которую предварительно был внесен свинец в виде соли Pb(NO3)2 в концентрациях 1000 и 1500 мг/кг почвы, что соответствует очень вы-сокой степени загрязнения почв.При искусственном поливе растения произрастали в течение месяца, после чего надземная биомасса, корни растений и почва были отобраны для анализов на со-держание в них свинца.Два аналогичных полевых опыта были заложены в УОПЭЦ «Чашниково» (Московская область) и в г. Курске. На расстоянии 3 и 10 м от дороги на участ-ках 50 × 50 см были высажены горчица сарептская и райграс пастбищный. В течение месяца растения росли в естественных условиях, после чего биомасса расте-ний и почва были отобраны для анализов на содержа-ние в них свинца.Свинец в почве и растениях определялся на атомно-абсорбционном спектрофотометре AAS30. Подготовка проб к анализу проводилась согласно методике, пред-ложенной А.И. Обуховым и И.О. Плехановой [20].Результаты и обсуждениеПо истечении месяца были получены следующие ре-зультаты: семена горчицы, посаженные в раствор CaCl2, не проросли за исключением 2-3 проростков на мини-мальной концентрации. Прорастание семян райграса бы-ло значительно выше, однако на концентрации 4,31 и 6,47 мг/кг CaCl2 наблюдались лишь 2-3 растения в угне-тённом состоянии, из чего можно сделать вывод о боль-шей устойчивости райграса к антигололёдному реагенту.Семена растений, посаженных в почву с внесённым свинцом в концентрациях 150-550 мг/кг почвы, дали всходы. Биомасса растений, как горчицы сарептской, так и райграса пастбищного, увеличивалась с ростом концен-трации добавленного Pb(NO3)2. Прорастание семян, по-саженных в почву с внесённым свинцом в концентрации 1000 и 1500 мг/кг почвы, было значительно ниже. Расте-ния явно находились в угнетённом состоянии.У горчицы сарептской на концентрации свинца 550 мг/кг почвы заметно замедление роста растения в высоту, а также отсутствие цветения. А на более высо-ких концентрациях свинца (1000 и 1500 мг/кг почвы) растения имеют угнетённый вид и небольшую биомассу. Торможение роста может происходить из-за нарушения метаболизма и в результате прямого действия свинца на350рост [21-23]. Более того, свинец может влиять на длительность митоза и всего цикла, а также вызывать нарушения в прохождении митоза [22].Для горчицы и для райграса содержание валового и подвижного свинца различно (рис. 1), что свидетельствует о связывающей способности почвы.5001000добавлено РЬ мг/кг почвы5001000добавлено РЬ мг/кг почвыРис. 1. Сравнение содержания валовых и подвижных соединений свинца в почве под райграсом пастбищным (А) и горчицей сарептской (Б): ♦ валовое содержание свинца; - -Соотношение валового и подвижного свинца неодинаково, с ростом концентрации добавленного свинца, особенно при концентрации больше 1000 мг/кг почвы, доля подвижного свинца по отношению к валовому растёт (рис. 2). По-видимому, это связано с постепенным насыщением свинцом адсорбционных центров и образованием при избытке свинца подвижных соединений.В первом вегетационном опыте сравнение выноса свинца разными органами райграса и горчицы показало, что несмотря на то, что у райграса с ростом концентрации свинца в почве растёт его содержание в биомассе корней (рис. 3, А), сам рост корней угнетён, что и определяет резкое снижение количества поглощённого свинца на максимальной концентрации. О влиянии свинца на ингибирование роста растений было сказано выше. Количество свинца, связываемого корнями рай-- содержание подвижного свинцаграса, значительно превышает его вынос с надземной биомассой.У горчицы на контроле большее количество свинца связывается надземной биомассой (рис. 3, Б), затем, при росте концентрации свинца в почве, преобладает корневое поглощение. Кривая корневого поглощения свинца горчицы сарептской выполаживается и, предположительно, выходит на плато, тогда как кривая выноса листьями горчицы, наоборот, приобретает прямолинейный характер, что, возможно, свидетельствует о безбарьерном поглощении свинца.При рассмотрении зависимостей выноса свинца надземной биомассой (рис. 4) и корневого поглощения (рис. 5) горчицы и райграса видно, что большее количество свинца горчица выносит с надземной биомассой, в то время как райграс связывает свинец корнями.050010001500добавлено РЬ мг/кг почвыРис. 2. Соотношение валовых и подвижных соединений свинца в почве: Ф почва под горчицей сарептской -■- почва под райграсом пастбищным600200400РЬ мг/кг почвыА200400РЬ мг/кг почвы600Рис. 3. Вынос свинца разными органами райграса (А) и горчицы (Б) при различном уровне загрязнения:-Ф- листья-А- стебли-■- корни351200400Pb мг/кг почвы600200400Pb мг/кг почвы600Рис. 4. Сравнение выноса свинца надземной биомассой -- горчицы сарешской -■- райграса пастбищногоОбъединением данных первого и второго вегетационных опытов были получены следующие результаты: горчица в надземной биомассе накапливает свинец в количестве, значительно превышающем его содержание в райграсе пастбищном. Горчица безбарьерно поглощает свинец, однако при высоком содержании свинца в почве растения плохо развиваются, что и определяет небольшой реальный вынос свинца из почвы с биомассой (рис. 6).Как показали результаты опытов, уже на концентрации свинца 550 мг/кг почвы у растений горчицы заметно замедление роста, на больших концентрациях растения угнетены и не достигают необходимой биомассы. Растения райграса более устойчивы к высоким концентрациям свинца, однако поглощают небольшое количество свинца.Было также рассчитано процентное соотношение свинца подвижного и вынесенного с надземной биомассой: при применении горчицы сарептской для фи-тоэкстракции извлекается до 0,35-0,37% подвижного свинца. Принимая во внимание то, что в вегетационном опыте растения искусственно прореживались и, т.к. опыт проводился в течение месяца, не достигли своей максимальной биомассы, при выращивании растений в естественных условиях можно ожидать более высоких показателей. Так, растения горчицы, выращиваемые в Подмосковье, за месяц достигли биомассы в 2 раза большей, а в Курске в 5-6 раз большей, чем в вегетационном опыте. При подобной урожайности количество извлечённого свинца может составить 2-3%Рис. 5. Сравнение поглощения свинца корнями -горчицы сарептской -■-райграса пастбищногоот подвижного, при использовании эффектов фитоэкс-тракции и, собирая 2 урожая растений за лето, данный показатель может быть ещё выше.При анализе полевых опытов были сделаны выводы, что придорожная почва Курска загрязнена меньше, чем почва Подмосковья. Также было заметно уменьшение содержания как подвижного, так и валового содержания свинца по мере удаления от дороги. Наиболее ярко это прослеживается в придорожной почве Подмосковья, что связано с большей автотранспортной нагрузкой и, как следствие, более высоким уровнем загрязнения придорожной полосы. В отличие от почвы, содержание свинца в которой зависело от удаления от дороги и отличалось в двух городах, содержание свинца в растениях практически одинаково (таблица), что объясняется скорее их биологическими особенностями, а также свидетельствует о том, что даже на расстоянии от дороги (10 м) растения подвержены загрязнению так же, как и в непосредственной близости от неё (3 м).Горчица сарептская безбарьерно поглощает свинец, проявляя свойства гипераккумулятора. При применении горчицы сарептской в вегетационном опыте для фитоэкстракции извлекалось до 0,35-0,37% подвижного свинца. При более высокой урожайности растений в естественных условиях количество извлечённого свинца может составить 2-3% от подвижного, а при использовании эффекторов фитоэкстракции и, собирая 2 урожая растений за вегетационный период, данный показатель может быть ещё выше.0 250 500 750 1000 1250 1500 Pb мг/кг почвы352Рис. 6. Сравнение выноса свинца надземной биомассой - горчицы сарептской -■- райграса пастбищногоСреднее содержание свинца (мг/г сухой биомассы райграса и горчицы) в Подмосковье и КурскеСреднее содержание свинца мг/г сухой биомассы райграса пастбищного (Подмосковье)Среднее содержание свинца мг/г сухой биомассы горчицы сарептской (Подмосковье)Содержание РЬ мг/г в сухой биомассе3 м от дороги10 м от дорогиСодержание РЬ мг/г в сухой биомассе3 м от дороги10 м от дорогиНадземная биомасса0,030,03Надземная биомасса0,030,05Корни0,050,03Корней0,050,03Среднее содержание свинца мг/г сухой биомассы райграса пастбищного (Курск)Среднее содержание свинца мг/г сухой биомассы горчицы сарептской (Курск)Содержание РЬ мг/г в сухой биомассе3 м от дороги10 м от дорогиСодержание РЬ мг/г в сухой биомассе3 м от дороги10 м от дорогиНадземная биомасса0,040,02Надземная биомасса0,030,03Корни0,030,03Корни0,020,02Райграс пастбищный обладает меньшей, по сравнению с горчицей, способностью к фитоэкстракции, однако поглощает свинец корнями, временно иммобилизуя его, к тому же он более устойчив к неблагоприятным условиям среды (высокие концентрации загрязняющих веществ, антигололёдного покрытия, вытаптывание и пр.), поэтому может быть рекомендован в качестве газонной травы для озеленения обочин дорог и городского озеленения.По опыту двух лет рекомендуется использовать данные растения при среднем уровне загрязнения почв свинцом (до 550 мг/кг почвы), т.к. при выращивании на почве с более высоким уровнем загрязнения резко снижается прорастаемость семян и биомасса растений.Можно сделать вывод о перспективности дальнейшего исследования данных растений на предмет ис-пользования для фиторемедиации почв со средним уровнем загрязнения свинцом: горчицу сарептскую в технологии фитоэкстракции и райграс пастбищный в технологии фитостабилизации.У технологии фитоэкстракции есть потенциал стать практическим ремедиационным мероприятием, в частности там, где наблюдается поверхностное (в пределах корневой зоны) загрязнение почвы тяжёлыми металлами, в особенности в регионах с перекрывающейся промышленной и сельскохозяйственной деятельностью, т.к. в отличие от почвы, содержание свинца в которой зависит от удаления от источника загрязнения, содержание свинца в растениях практически одинаково как в непосредственной близости от источника, так и на расстоянии от него.

Скачать электронную версию публикации