Исследование накопления элементов-загрязнителей в культурных растениях составляет важное звено экологических исследований. В отличие от других объектов окружающей среды (воздух, вода), где протекают процессы самоочищения, почва обладает этим свойствам в незначительной мере. Для некоторых веществ, в частности для тяжелых металлов почва является кумулятором. Загрязнение атмосферы, почвы и воды в ландшафтах вызывает тревогу не только потому, что оно может заметно снизить продуктивность растений, нарушить естественно сложившиеся фитоценозы, привести к нарушению нормальных процессов органогенеза, но и потому, что оно неизбежно ухудшает гигиеническое качество среды обитания человека, включая и гигиеническое качество получаемых продуктов. Поэтому знание природных концентраций элементов в растениях дает возможность судить о состоянии чистоты или загрязненности региона [2].
Способность растений накапливать тяжелые металлы реализуется на разных уровнях организации: клеточном, тканевом и органном, что связано, прежде всего, со способностью растений накапливать металлы в клеточных оболочках и вакуолях клеток разных тканей и органов, а также с существованием барьерных тканей, ограничивающих передвижение ряда тяжелых металлов. Многие виды растений способны накапливать тяжелые металлы, причем их содержание в органах растений может в десятки и даже сотни раз превышать их содержание в окружающей среде. По способности к аккумуляции тяжелых металлов выделяют две контрастные группы растений: исключатели, у которых тяжелые металлы накапливаются главным образом в корневой системе, и аккумуляторы, у которых они накапливаются в больших количествах в надземных органах [5].
Ключевую роль в успешном проведении очистки загрязненных тяжелыми металлами почв методом фиторемедиации имеет правильный подбор растений среди культурных и диких видов, характерных для данных почвенно – климатических условий и типа загрязнения. Растения – фиторемедианты соответствуют следующим параметрам: обладают высокой биологической продуктивностью, поглощают в больших концентрациях тяжелые металлы, основная часть которых должна аккумулироваться в надземных частях растений, отчуждаемых при уборке. По мнению многих исследователей, особенно высоким потенциалом для целей фитоэкстракции обладают так называемые растения – гипераккумуляторы, которые способны концентрировать металлы в надземной биомассе в концентрациях, намного превышающих таковые в почве.
Рис. 1. Изменение содержания тяжелых металлов в органах рапса
Рис. 2. Миграция тяжелых металлов в органах горчицы
В настоящее время в мире идентифицировано порядка 400 видов гипераккумуляторов различных металлов из 22 семейств. Семейство «крестоцветных» содержит наибольшее количество растений – гипераккумуляторов по отношению к широкому спектру тяжелых металлов. В настоящее время исследователи продолжают поиски растений, пригодных для целей фиторемедиации [1, 3, 4].
Исследования проводились в 2014 году на базе лаборатории кафедры экологии и естествознания ФГБОУ ВО Красноярский ГАУ.
Для вегетационно–полевых опытов использовались соли тяжелых металлов: кадмий сернокислый 3CdSO4·8H2O в концентрации 5 и 10 мг/кг почвы, что соответствует 5 и 10 ПДК соответственно, и никель хлористый NiCl2·6H2O в концентрации 425 и 850 мг/кг почвы (5 и 10 ПДК соответственно). В качестве растений-фиторемедиантов были выбраны: горчица белая сорта Семеновская, рапс сорта Надежный 92. Посев семян в количестве 30 штук на одну емкость, площадью 0,3 м2, производили в почву чернозем–выщелоченный, повторность опыта 4-х кратная.
Концентрацию тяжелых металлов определяли в растениях после завершения полевого опыта. Содержание тяжелых металлов в образцах почвы и растениях определялся атомно – абсорбционным анализатором «Pin AACle-900». Статистическую обработку проводили с использованием программ Microsoft Excel, SNEDECOR.
В результате исследований выявлена закономерность распределения тяжелых металлов в тканях рапса и горчицы, в зависимости от вида и концентрации тяжелых металлов (рис. 1, 2).
При выращивании рапса, на загрязненной тяжелыми металлами почве, было установлено, что в корневой системе и семенах рапса содержание тяжелых металлов меньше, чем в других органах растения.
В стеблях и листьях рапса наблюдается наибольшая аккумуляция тяжелых металлов, причем содержание металлов увеличивается с их концентрацией.
Выводы
Таким образом, распределение тяжелых металлов по органам рапса на загрязненной почве следующее: для кадмия – стебли > листья > семена > корни; для никеля – листья > стебли > корни > семена.
В результате проделанного опыта с использованием горчицы и рапса было обнаружено, что концентрация тяжелых металлов в корневой системе ниже, чем в других органах горчицы и рапса. Наблюдается аккумуляция тяжелых металлов в надземной части растений, что свидетельствует о фиторемедиационной способности горчицы и рапса.
Выявлено следующее распределение тяжелых металлов по органам горчицы: для кадмия – листья > стебли > семена > корни; для никеля – стебли > листья > семена>корни.