CC BY
161
Содержание тяжёлых металлов в пахотных почвах Оренбургской области
А.С. Королёв, соискатель,
А.А. Гладышев, к.т.н., Оренбургский ГАУ
На современном этапе развития общества к числу важнейших практических задач геохимической экологии относятся оценка экологогеохимического состояния отдельных территорий, оценка и прогноз развивающихся в их пределах различных эколого-геохимических изменений [1].
Очень важным эколого-геохимическим направлением является фоновый мониторинг природной среды, для осуществления которого необходимо знание закономерностей естественных процессов миграции и концентрации химических элементов в ландшафтах различных природных зон и провинций [2]. Территория Южного Урала представляет собой зону геохимических аномалий, все компоненты которых
характеризуются повышенным содержанием ряда тяжёлых металлов в почве [3].
Почва — главное средство сельскохозяйственного производства и основа агроэкосистем, поэтому забота о сохранении почвенного плодородия должна быть приоритетной в сельскохозяйственном производстве [4]. Почва представляет собой жизненное пространство, обеспечивающее обитание живых организмов [5]. Она обладает плодородием — способностью удовлетворять потребность растений в различных веществах и, следовательно, обеспечивать рост, развитие и биологическую продуктивность сельскохозяйственных культур. От других средств производства почва отличается ограниченностью в пространстве и незаменимостью, поэтому сохранение и улучшение свойств почвы являются приоритетной задачей.
Рост уровня загрязнения почвенной среды в настоящее время приводит к дестабилизации экосистем и существованию организмов в предельных режимах биологических возможностей [6]. При интенсивном воздействии на клетки растений тяжёлых металлов и других радикалинициирующих факторов происходит гиперпродукция активных форм кислорода и развитие окислительного стресса [7]. Тяжёлые металлы входят в число наиболее опасных загрязнителей [1, 2, 8], что обусловливает актуальность исследований по выявлению закономерностей их миграции и перераспределения в компонентах экосистем.
Поэтому целью нашего исследования явилась оценка загрязнения пахотных почв оренбургского Предуралья тяжёлыми металлами.
Зональными типами почв в Оренбургской области являются чернозёмы и тёмно-каштановые почвы, составляющие главное богатство степей региона [5, 8]. Оренбургская область — одна из наиболее развитых в сельскохозяйственном отношении областей в Уральском регионе, и её специализация зерново-животноводческая. Первое место в структуре посевных площадей зерновых культур занимает пшеница, причём значительную долю посевов составляют её твёрдые сорта [8].
По мнению ряда авторов, соединениям тяжёлых металлов принадлежит ведущее место среди веществ, загрязняющих систему почва — растение [8]. В земной коре химические элементы распределены неравномерно и могут составлять биогеохимические провинции — области поверхности Земли, отличающиеся от соседних областей по уровню содержания в них химических элементов и соединений. Вследствие этого указанные провинции вызывают биологическую реакцию со стороны местной флоры и фауны.
Биогенность большинства тяжёлых металлов позволяет отнести их к микро- и ультрамикроэлементам [9]. Поэтому употребление терминов «тяжёлые металлы» и «микроэлементы» связано с их концентрацией в живых организмах и окружающей их среде [9, 10]. В настоящее время биогенность Си, Ъп, Мо, Со, Мп, N1 и некоторых других микроэлементов изучается с точки зрения физиологии и биохимии растений и животных [10]. Величины нормального содержания элементов в растениях сильно варьируют в зависимости от видовой принадлежности, а также от взятых для исследования частей [11]. Формирование химического состава растений, произрастающих в естественных условиях, происходит при одновременном воздействии большого количества факторов внешней среды, что затрудняет изучение закономерностей поглощения химических элементов [2, 11].
Основными факторами, определяющими содержание микроэлементов в тканях растений, являются: 1) содержание элемента в почве; 2) относительное количество биодоступной формы в почве; 3) вид растения, фаза развития и распределение элемента по органам; 4) эволюция растений в данных геохимических условиях и адаптация к ним [2]. Видоспецифические характеристики обмена также обусловливают избирательную способность растений к накоплению одного или нескольких элементов [8, 11].
Принято считать, что растения более устойчивы к повышенным, чем к пониженным, концентрациям тяжёлых металлов в почве, но повышение их концентрации до критических значений отрицательно влияет на организмы растений [10]. Загрязнение пахотных почв тяжёлыми металлами происходит в результате неумеренного внесения удобрений и ядохимикатов, содержащих данные элементы [9], а также в результате поступления промышленных выбросов [2].
Материалы и методы. Для исследования пробы почвы отбирали на глубине пахотного участка 15—20 см по методике, изложенной в ГОСТе Р 53091-2008 от 18 декабря 2008 г. № 490-ст. Для обследования пахотных почв были выбраны Домбаровский, Матвеевский и Александровский р-ны Оренбургской области. В исследуемых образцах методом атомной абсорбционной спектрофотометрии определяли содержание цинка, меди и кобальта [12]. Анализ данных был проведён на базе межкафедральной комплексной аналитической лаборатории факультета ветеринарной медицины и биотехнологий Оренбургского ГАУ.
Результаты исследований. По результатам исследований видно, что содержание цинка в почвах Домбаровского района превышает ПДК на 9—17% (табл. 1). В почвах Матвеевского и Александровского р-нов Оренбургской обл. содержание цинка крайне низкое (рис.) и возможен гипоцинкоз растений (3,2±0,1 и 5,1±0,9
1. Содержание цинка в пахотных почвах Оренбургской области, мг/кг
№ пробы Район
Домба- ровский Матвеев- ский Александ- ровский ПДК
1 25,1 3,1 6,1 23
2 26,8 3,2 6,0 23
3 25,4 3,0 3,2 23
4 26,3 3,1 5,5 23
5 26,7 3,2 6,1 23
6 25,7 3,2 5,8 23
7 26,1 3,1 3,4 23
8 25,5 3,5 6,2 23
9 26,2 3,2 5,4 23
10 25,9 3,1 3,6 23
Погреш- ность 25,9±0,4 3,2±0,1 5,1±0,9 —
2. Содержание кобальта в пахотных почвах Оренбургской области, мг/кг
№ пробы Район ПДК
Домба- ровский Матвеев- ский Александ- ровский
1 3,2 2,6 2,9 5
2 3,2 2,9 2,6 5
3 3,1 2,8 2,8 5
4 3,0 2,7 3,0 5
5 2,9 3,0 2,7 5
6 3,2 3,0 2,7 5
7 3,2 2,8 3,1 5
8 2,9 2,6 2,6 5
9 3,0 2,7 2,8 5
10 3,0 2,6 3,0 5
Среднее 3,1±0,1 2,8±0,1 2,8±0,1 -
3. Содержание меди в пахотных почвах Оренбургской области, мг/кг
№ пробы Район ПДК
Домба- ровский Матвеев- ский Александ- ровский
1 3,0 1,3 1,2 3
2 3,1 1,2 1,6 3
3 3,0 1,3 1,2 3
4 3,0 1,5 1,1 3
5 3,0 1,3 1,6 3
6 3,1 1,6 1,5 3
7 3,1 1,2 1,3 3
8 3,0 1,5 1,2 3
9 3,0 1,3 1,3 3
10 3,0 1,3 1,2 3
Среднее 3,03±0,03 1,4±0,1 1,3±0,1 -
Домбаровский Матвеевский район Александровский ПДК
район район
Содержание тяжёлых металлов в почвах Оренбургской области, мг/кг
і Zn I Со Си
Рис. -
мг/кг). Недостаток цинка в почвах приводит к нарушению обмена веществ и снижению продуктивности растений. Цинковое голодание нарушает углеводный обмен растений, процесс синтеза хлорофилла, приводит к изменению морфологических признаков (например, образованию розеток — побегов с укороченными междоузлиями и мелкими листьями) [2]. Основным источником цинка для растений является почва. Цинк входит в состав активных центров целого ряда ферментов (в том числе и ферментов синтеза полифенолов) и повышает устойчивость растений к засухе и гипертермии [11]. Около 95,5% от площади плодородных почв региона содержат недостаточное количество подвижных форм Ъп [7], что может привести к нарушению метаболизма в тканях культурных растений.
Содержание кобальта в пахотной почве исследуемых районов Оренбургской области отличается незначительно и не превышает установленных предельно допустимых концентраций (табл. 2, рис.). Кобальт является широко распространённым в природе элементом. Среднее содержание кобальта в почве составляет 5—10 мг/кг [9]. По
мнению ряда авторов, наименьшее содержание кобальта отмечается в луговых, песчаных и жел-тозёмных типах почв. Растительные продукты, выращенные на этих почвах, также характеризуются пониженным содержанием кобальта. Заболевание сельскохозяйственных животных акобальтозом развивается при содержании кобальта в кормах и количествах меньше 0,007 мг/кг сухого вещества [7]. В клетках растений кобальт активирует ферменты симбиотической фиксации азота, следовательно, участвует в биосинтезе аминокислот, алкалоидов, в фос-форилировании, а также в синтезе витамина В12 и некоторых других кислородсвязывающих соединений [9, 11]. Поскольку кобальт накапливается в генеративных органах, то ряд исследователей высказывают предположения о стимулировании этим элементом процесса оплодотворения [9].
Содержание меди в почвах Домбаровского района Оренбургской области незначительно превышает ПДК (табл. 3). В пахотных почвах Александровского и Матвеевского р-нов содержание меди находится в пределах нормы (рис.).
Различные типы почв содержат неодинаковое количество меди. Почвы, содержащие медь в количестве меньше 6,0 мг/кг, считаются дефицитными [2]. Содержание меди в растениях и общая усвояемость этого элемента зависят от видовых особенностей и свойств почвы. Медь входит в состав активного центра полифенолоксидаз — ключевых ферментов в биогенезе фенольных соединений [9]. Дефицит меди отрицательно отражается на продуцировании растениями фенольных соединений, также ряда пигментов, некоторых витаминов, ауксинов, белков, сапонинов и алкалоидов [10]. Медьсодержащие белки — пластоцианины участвуют в фотосинтезе [11]. Ионы меди активных центров ферментов участвуют в окислении жирных кислот — дегид-ратаза-бутирил-КоА и продуцировании аскорбиновой кислоты — аскорбатоксидазы [9].
Выводы. 1. Содержание меди и кобальта в пахотных почвах Домбаровского, Матвеевского и Александровского р-нов Оренбургской обл. не превышает установленных предельно допустимых концентраций и свидетельствует о хорошей обеспеченности растений данными микроэлементами.
2. В почвах Домбаровского р-на наблюдается превышение содержания цинка, что может вызывать клеточные нарушения у растений, животных и человека, так как указанный химический элемент в избыточных коцентрациях способен провоцировать свободнорадикальное окисление.
3. Требуются дополнительные исследования содержания цинка в почвах сельхозугодий и тканях культивируемых растений Александровского и Матвеевского районов, т.к. снижение
содержания цинка ниже нормы вызывает гипо-цинкоз растений, что понижает их устойчивость к засухе, гипер- и гипотермии.
Литература
1. Гусев Н.Ф., Филиппова А.В., Немерешина О.Н. Геохимия биосферы. Оренбург: Изд. центр ОГАУ, 2005. 190 с.
2. Немерешина О.Н., Шайхутдинова А.А. Оценка содержания тяжёлых металлов в тканях Polygonum aviculare L. на техногенно загрязнённых территориях // Экология и промышленность России. 2012. № 9. С. 46—49.
3. Семенова И.Н., Ильбулова Г.Р. Оценка загрязнения почвенного покрова г. Сибай Республики Башкортостан тяжёлыми металлами // Фундаментальные исследования. 2011. № 8. С, 492-495.
4. Гладышев А.А., Гусев Н.Ф., Немерешина О.Н. Естественное восстановление растительного покрова на шламовом поле криолитового производства // Безопасность в техносфере. 2012. № 1. С. 20-23.
5. Филиппова А.В., Мелько А.А. О возможности использования осадков бытовых сточных вод для производства безопасной сельскохозяйственной продукции // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2009. № 4 (24). С. 198-201.
6. Немерешина О.Н., Гусев Н.Ф., Чуклова Н.В. и др. Особенности накопления эссенциальных и токсических элементов в надземной части Linariavutgaris L. на шламовом поле криолитового производства // Вестник Оренбургского государственного университета. 2011. № 12 (131). С, 222-225.
7. Немерешина О.Н., Гусев Н.Ф., Карпюк М.С. К вопросу активизации клеточной защиты растений под влиянием выбросов предприятий Газпрома // Проблемы анализа риска. 2011. Т. 8. № 4. С. 36-46.
8. Гусев Н.Ф., Петрова Г.В., Немерешина О.Н. Лекарственные растения Оренбуржья (выращивание и использование). Оренбург: Изд. центр ОГАУ, 2003. 358 с.
9. Гусев П.Ф., Немерешина О.Н., Филиппова А.В. Роль пищевых растений в профилактике заболеваний. LAP LAMBERT Academic Publishing. Saarbrucken, Deutschland. 2012. 372 s.
10. Немерешина O.H., Гусев Н.Ф. О влиянии гипоксии на некоторые компоненты неферментативной антиокислитель-ной защиты LinariavutgarisMiU // Вестник ИрГСХА. 2011. № 4 (44). С, 88-95.
11. Немерешина О.Н., Гусев Н.Ф. К вопросу о содержании микроэлементов в сырье перспективных видов лекарственных растений // Вестник Оренбургского государственного университета. 2006. № 12. С. 167.
12. ГОСТ 30692-2000 Атомно-абсорбционный метод определения тяжёлых металлов. Минск, 2000.
