CC BY
1УДК 631.4 Байназарова Т.Б., СагитоваГ.Ф.
Байназарова Т.Б.
магистрант кафедры экологии и химии Международный Казахско-турецкий университет им. Ходжи Ахмеда Ясави (г. Туркестан, Казахстан)
Сагитова Г.Ф.
канд. техн. наук, профессор кафедры экологии Южно-Казахстанский университет им. Мухтара Ауезова (г. Шымкент, Казахстан)
ОСОБЕННОСТИ НАКОПЛЕНИЯ ТЯЖЁЛЫХ МЕТАЛЛОВ В КЛЕВЕР В УСЛОВИЯХ ТЕХНОГЕННОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОЧВЫ
Аннотация: данная работа посвящена исследованию транслокации тяжёлых металлов (кадмия, свинца и меда) в клевер (Trifolium pratense L.) на фоне техногенного загрязнения почвы. В рамках исследования был проведён эксперимент по искусственному загрязнению почвы растворами тяжёлых металлов, а затем определены их концентрации в корнях и надземных частях растения. Анализ концентрации металлов в почве и растениях проводился с использованием метода атомно-абсорбционной спектрометрии. Результаты показали, что клевер способен накапливать кадмий и свинец в своих корнях, при этом коэффициент транслокации был низким, что указывает на ограниченную способность растения переносить тяжёлые металлы в надземные части. Полученные данные могут быть полезны для разработки методов фиторемедиации и восстановления загрязнённых почв.
Ключевые слова: тяжёлые металлы, клевер, транслокация, биодоступность, техногенное загрязнение, почва, фиторемедиация, накопление, кадмий, свинец.
На сегодняшний день загрязнение почвы тяжёлыми металлами является одной из наиболее актуальных экологических проблем. Накопление тяжёлых металлов в почве ведет к их проникновению в растительный мир, что в дальнейшем сказывается на экосистемах и пищевых цепях, создавая угрозу здоровью человека и животных. Несмотря на значительные достижения в области научных и промышленных технологий, развитие этих отраслей привело к увеличению выбросов загрязнителей в окружающую среду, включая тяжёлые металлы [1]. Эти элементы широко используются в различных промышленных секторах, и их попадание в почву происходит через сточные воды, выбросы и другие источники. Тип и концентрация тяжёлых металлов зависят от характера производственной деятельности, что прямо влияет на экологическое состояние окружающей среды [2].
Почва - это биологически активная и динамичная среда, которая образуется в результате выветривания горных пород и других природных процессов. Она состоит из минеральных и органических компонентов, воды, воздуха и живых организмов, обеспечивая тем самым рост растений. Однако, с развитием индустриализации и сельского хозяйства, антропогенная деятельность значительно увеличилась, что привело к загрязнению почвы тяжёлыми металлами, ухудшая её плодородие и качество [3].
Загрязнение почвы тяжёлыми металлами стало одной из главных экологических проблем, так как эти вещества могут накапливаться в растениях, а через пищевые цепи попадать в организм человека и животных. Биодоступность тяжёлых металлов в почвах и их токсичность зависят от множества факторов, таких как тип и концентрация металлов, химические и физические характеристики почвы, а также биологические и физико-химические процессы, влияющие на их преобразование и передвижение в растениях [4].
Таким образом, исследование закономерностей движения тяжёлых металлов в почве, а также взаимодействие почвы, растений и микроорганизмов позволит более глубоко понять, как эти элементы распространяются через
экосистему «почва-растение». Это знание может значительно повлиять на методы восстановления загрязнённых почв и разработку эффективных подходов к фиторемиадации [5].
Клевер (Trifolium pretense L.) является представителем семейства бобовых, широко используемым в сельском хозяйстве как кормовая культура. Благодаря своей способности к фиксации азота и высокой продуктивности клевер играет важную экологическую и экономическую роль. Однако его способность аккумулировать тяжёлые металлы делает его объектом научных исследований, особенно в контексте фиторемедиации.
Целью данного исследования является изучение закономерностей транслокации тяжёлых металлов в растениях клевера, что позволит оценить их роль в экосистеме «почва-растение» и определить возможности использования клевера для фиторемедиации загрязнённых почв.
Для проведения эксперимента использовались растения клевер (Trifolium pratense L.), который был выбран как объект исследования из-за его способности к фиксации азота и способности аккумулировать тяжёлые металлы. Клевер был выращен на почве, загрязнённой тяжёлыми металлами, с целью изучения транслокации свинца (Pb) и кадмия (Cd) в растениях в условиях техногенного загрязнения.
Материалы и методы исследования:
Для проведения эксперимента были выбраны растения клевер (Trifolium pretense L.), известные своей способностью к фиксации азота и аккумулированию тяжёлых металлов, что делает их подходящими для исследования транслокации загрязнителей. Семена клевера были выбраны в возрасте 4-6 недель, так как на этом этапе растения обладают активным ростом и хорошо воспринимают внешние воздействия, включая загрязнение тяжёлыми металлами. Эксперимент был проведён на почве, искусственно загрязнённой тяжёлыми металлами, чтобы моделировать техногенное загрязнение. Для этого в почву были добавлены растворы ацетата свинца (Pb(NO3)2) и нитрата кадмия
(Сё(К03)2) с различными концентрациями: 100, 200 и 500 мг/кг почвы. Эти концентрации были выбраны с целью оценки влияния различных уровней загрязнения на способность растений аккумулировать и транслоцировать тяжёлые металлы. Почва была тщательно подготовлена путём равномерного добавления химических растворов свинца и кадмия. После введения загрязнителей почва была перемешана для достижения однородности распределения металлов. Полученная почва использовалась для посева семян клевера, который был выращен в лабораторных условиях при температуре 22°С и влажности 60%, что соответствует оптимальным условиям для роста данного растения.
В ходе эксперимента пробы почвы и растений были отобраны на различных стадиях их роста. Для анализа были использованы как корни, так и надземные части растения, что позволило оценить степень аккумуляции тяжёлых металлов в различных органах растения. Пробы почвы были взяты с разных глубин для изучения вертикального распределения загрязнителей в почвенном профиле. Для точного определения концентрации тяжёлых металлов в растениях и почве использовалась методика атомно-абсорбционной спектрометрии (ААС). Этот метод позволяет с высокой точностью измерять концентрацию металлов, что необходимо для оценки транслокации и аккумуляции тяжёлых металлов на разных стадиях роста растений. Перед анализом растения были высушены, измельчены и подвергнуты сжиганию для удаления органических веществ, а почва была обработана кислотами для извлечения металлов.
Одним из ключевых показателей, использованных для оценки способности растений переносить тяжёлые металлы, является коэффициент транслокации (ТР). Этот коэффициент вычисляется как отношение концентрации тяжёлого металла в надземной части растения к концентрации в корнях. Высокий коэффициент транслокации свидетельствует о способности растения эффективно переносить тяжёлые металлы из почвы в свою воздушную часть. Все полученные данные были обработаны с использованием
стандартных методов статистического анализа, в том числе анализа дисперсии (ANOVA). Статистическая значимость различий между группами была оценена при уровне значимости p<0,05.
Результаты и обсуждения.
В ходе эксперимента были изучены концентрации тяжёлых металлов в почве и растениях, а также их транслокация из корней в надземные части растения клевер (Trifolium pretense L.). Результаты показали, что концентрация свинца (Pb) и кадмия (Cd) в растениях значительно зависела от концентрации загрязняющих веществ в почве, а также от стадии роста растений. На первом этапе эксперимента почва была загрязнена различными концентрациями свинца и кадмия: 100, 200 и 500 мг/кг. Концентрация тяжёлых металлов в почве после добавления растворов значительно возросла, что подтверждается результатами измерений. Наибольшие значения концентрации тяжёлых металлов наблюдались при максимальной дозировке (500 мг/кг), что указывает на успешное моделирование техногенного загрязнения.
В таблице 1 представлены данные о концентрации свинца и кадмия в почве, корнях и листьях, а также коэффициент транслокации для каждой из этих тяжелых металлов при концентрации 100 мг/кг в почве (таблица 1).
Таблица 1. Концентрация свинца и кадмия в почве, корнях и листьях,
а также коэффициент транслокации.
Металл Концентрация в почве (мг/кг) Концентрация в корнях (мг/кг) Концентрация в листьях (мг/кг) Коэффициент транслокации
Свинец (Pb) 100 15.2 5.3 0.35
Кадмий (Cd) 100 18.5 7.1 0.38
Рис. 1. Накопление тяжелых металлов в клеверных растениях.
Анализ показал, что концентрация свинца и кадмия в надземных частях клевера (стеблях и листьях) была значительно выше по сравнению с корнями, что подтверждает наличие транслокации металлов. При концентрации 100 мг/кг в почве концентрация металлов в растениях была низкой, однако с увеличением концентрации загрязнителей в почве наблюдалось значительное накопление тяжёлых металлов как в корнях, так и в надземных частях растения.
Таблица 2. Коэффициент транслокации свинца и кадмия в зависимости от концентрации загрязнителей в почве.
Концентрация (мг/кг) Коэффициент транслокации для свинца Коэффициент транслокации для кадмия
100 0,3 0,4
200 0,4 0,5
500 0,6 0,7
Коэффициент транслокации свинца и кадмия варьировался в зависимости от уровня техногенного загрязнения почвы. При концентрации свинца в почве 100 мг/кг коэффициент транслокации составлял 0,3, что
свидетельствует о низкой степени перемещения металла из корневой системы в надземные части растения. Однако при увеличении концентрации свинца до 500 мг/кг данный показатель возрастал до 0,6, что указывает на более активное перемещение металла внутри растения. Для кадмия наблюдалась аналогичная динамика: его коэффициент транслокации был выше по сравнению со свинцом, что свидетельствует о большей биодоступности кадмия при повышенных концентрациях загрязнителя.
Растения, произрастающие в условиях загрязнённой почвы, демонстрировали замедление роста, особенно при концентрации тяжёлых металлов в почве на уровне 500 мг/кг. Наиболее значительное угнетение роста наблюдалось в надземных частях растений, где концентрация тяжёлых металлов была выше. Это может быть связано с их токсическим воздействием на клетки растений, нарушающим метаболические процессы. Тем не менее, клевер продолжал расти и развиваться, что указывает на его способность адаптироваться к неблагоприятным условиям окружающей среды.
Полученные данные подтверждают, что клевер (Trifolium pretense L.) может быть использован в качестве биоиндикатора загрязнения почвы тяжёлыми металлами, а также как перспективный объект для фиторемедиации. Более высокий коэффициент транслокации кадмия по сравнению со свинцом может быть объяснён химической природой этих элементов и их доступностью для растений. Для свинца высокая концентрация в почве может снижать его биодоступность, тогда как кадмий остаётся более подвижным, что облегчает его перемещение внутри растения.
Таким образом, загрязнение почвы тяжёлыми металлами оказывает значительное влияние на экосистему, включая рост растений и их роль в пищевых цепях. Полученные результаты подчёркивают необходимость глубокого изучения процессов трансформации и миграции тяжёлых металлов в системе «почва - растение» для разработки эффективных методов фиторемедиации и восстановления загрязнённых территорий.
Заключение.
В результате проведённого исследования выявлены особенности накопления тяжёлых металлов (свинца и кадмия) в растении клевер луговой (Trifolium pratense L.) в условиях техногенного загрязнения почвы. Полученные данные показали, что коэффициент транслокации для кадмия был выше, чем для свинца, что указывает на большую доступность кадмия для растений. При этом свинец, несмотря на его высокую концентрацию в почве, демонстрировал более низкую степень переноса из корней в надземные части растения. Загрязнение почвы тяжёлыми металлами значительно влияет на рост и развитие растений. При концентрациях 500 мг/кг отмечено замедление роста надземных частей, что связано с токсическим воздействием металлов на клетки растений. Тем не менее, способность клевера адаптироваться к высоким уровням загрязнения подчёркивает его потенциал как индикаторного растения и объекта для фиторемедиации.
Полученные результаты подчёркивают важность изучения механизмов аккумуляции и транслокации тяжёлых металлов в растениях для разработки экологически безопасных методов восстановления загрязнённых территорий. Клевер луговой, благодаря своей устойчивости к тяжёлым металлам и способности к их перераспределению, может быть эффективным средством для снижения техногенной нагрузки на окружающую среду. Таким образом, данное исследование подтверждает необходимость дальнейших изысканий в области фиторемедиации, чтобы определить оптимальные условия и методы для использования растений в очистке загрязнённых тяжёлыми металлами экосистем.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Казакова Н.А. Загрязнение почвы тяжелыми металлами // Вестник Ульяновской ГСХА. 2009. №1 (8);
2. Щелкова Ю.А. Исследование влияния тяжелых металлов на рост растений и микрофлору почвы // Успехи в химии и химической технологии. 2011. №11 (127);
3. Сердюкова А.Ф. Последствия загрязнения почвы тяжелыми металлами // Молодой ученый. — 2017. — № 51 (185). — С. 131-135;
4. Al-Rashdi T., Sulaiman H. Bioconcentration of Heavy Metals in Alfalfa (Medicago sativa) from Farm Soils around Sohar Industrial Area in Oman // A.P.C.B.E.E. Procedia. — 2013. — Vol. 5. — P. 271-278. — DOI: 10.1016/j.apcbee.2013.05.047;
5. Mbarki S., Talbi Zribi O., Skalicky M., Vachova P., Hejnak V., Hnilicka F., Al-Ashkar I., Abdelly C., Rahman M., El Sabagh A., Tlustos P. Comparison of grain sorghum and alfalfa for providing heavy metal remediation of sandy soil with different soil amendments and salt stress // Frontiers in Environmental Science. — 2022. — Vol. 10. — DOI: 10.3389/fenvs.2022.1022629
Bainazarova T.B., Sagitova G.F.
Bainazarova T.B.
Khoja Akhmet Yassawi International Kazakh-Turkish University
(Turkestan, Kazakhstan)
Sagitova G.F.
Mukhtar Auezov South Kazakhstan University (Shymkent, Kazakhstan)
FEATURES OF HEAVY METAL ACCUMULATION IN CLOVER UNDER CONDITIONS OF TECHNOGENIC SOIL POLLUTION
Abstract: this study focuses on the translocation of heavy metals (cadmium and lead) in clover (Trifolium pretense L.) under conditions of technogenic soil contamination. The research involved an experiment with artificial soil contamination using solutions of heavy metals, followed by the determination of their concentrations in the roots and aerial parts of the plant. The analysis of metal concentrations in soil and plants was carried out using the atomic absorption spectrometry method. The results showed that clover has the ability to accumulate cadmium and lead in its roots, while the translocation coefficient was low, indicating the plant's limited ability to transport heavy metals to its aerial parts. The data obtained can be useful for developing phytoremediation methods and restoring contaminated soils.
Keywords: heavy metals, clover, translocation, bioavailability, technogenic pollution, soil, phytoremediation, accumulation, cadmium, lead.
