Биотестирование почв техногенных зон городских территорий с использованием растительных организмов

Введение

В современных условиях природная среда подвержена мощному, разностороннему техногенному загрязнению. Известно, что в связи с жизнедеятельностью человеческой цивилизации синтезируются и попадают в окружающую среду сотни тысяч новых соединений с неясными токсическими свойствами. Поэтому в почве накапливаются различные соединения природного и антропогенного происхождения, вызывающие загрязнение и токсичность.
Методы биотестирования все чаще используются для определения токсических свойств окружающей нас среды: воздуха, воды, почвы, промышленных отходов и материалов. Это связано с несколькими обстоятельствами. Во-первых, эти образования обычно содержат большое количество компонентов, токсикологические свойства которых не всегда характеризуются простой суммой индивидуальных свойств при количественном составе, определяемом аналитическим методом. Во-вторых, окружающая среда часто загрязнена нестабильными взаимодействиями и продуктами разложения, которые более токсичны, чем исходный материал. В-третьих, количество загрязняющих веществ, присутствующих в окружающей среде, значительно превышает количество удовлетворительных физико-химических аналитических методов контроля их содержания на уровне ПДК. Кроме того, поскольку большинство загрязняющих веществ аналитически не определяются из-за недостаточности оборудования, методов и стандартов, комплексные токсикологические характеристики природной среды могут быть получены независимо от состава загрязняющих веществ. Он известен и представлен повсюду.
Проведение экспериментов по влиянию различных поллютантов на растительные популяции в контролируемых условиях решает многие проблемы. Выяснить причины склонности растений к адаптации к разным резистентным и ядовитым веществам, выявить действие одних веществ, исключить влияние других факторов внешней среды, определить смертельную дозу поллютантов и т. д.
Городские почвы являются средой осаждения почти всех загрязняющих веществ и очень полезны для геохимических исследований транспортных и селитебных ландшафтов.
В связи с этим представляется целесообразным разработать комплексный метод биологического тестирования почв с разной интенсивностью автомобильно-транспортного и промышленного воздействия и оценить чувствительность различных тест-реакций к повышенному содержанию тяжелых металлов в почвах в одном и том же тесте. Сравнение чувствительности системы и других тест-систем.
Цель настоящего исследования – это биотестирования токсичности почвенного покрова техногенных зон города с различным по интенсивности автотранспортным и промышленным воздействием с помощью растительных тест-систем (на примере г. Махачкалы).
Для достижения цели решались следующие задачи:
1. Определение содержания подвижных форм меди, свинца, кадмия, цинка и хрома в почвах техногенных зон исследуемых пунктов г. Махачкалы.
2. Установление наиболее чувствительной тест-системы к загрязнению почв техногенных зон городских территорий.
3. Выявление качественного проявления реакций индикаторных признаков тест-растений на повышенное содержание тяжелых металлов в почвах.
4. Проведение корреляционного анализа и выявление взаимосвязи между содержанием тяжелых металлов в почвах и количественным проявлением тест-откликов модельных растений.


ГЛАВА 1. ОСОБЕННОСТИ ВЛИЯНИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ НА РАСТЕНИЯ
1.1. Понятие тяжелых металлов, их влияние на организм растений
Почва – это источник биологической продукции, она выполняет важнейшую экологическую функцию в масштабах как конкретного биогеоценоза (экосистемные функции), так и всей биосферы (глобальные функции – атмосферные, гидросферные, литосферные, общебиосферные) [Хазиев Ф.Х., 2017].
Особенное внимание следует уделить загрязнению тяжелыми металлами, поскольку данная группа токсикантов практически не выводится из биосферы, аккумулируется и по пищевым цепочкам поднимается к человеку. На все живые организмы тяжелые металлы действуют крайне негативно, вызывая болезни практически всех органов и их систем.
Тяжелыми называются металлы, плотность которых превышает 5 г/см3, относительная атомная масса – 40 а.е.м. Это более 40 наименование, среди которых Mn, Co, Fe, Mo, Zn, Cu, Hg, Pb и др. Источниками тяжелых металлов в почвах является деятельности человека. Так, цветная металлургия является источником Pb, Zn, Cu, Hg, Mn, Sb, W, Co, Cd, черная – Ni, Mn, Pb, Cu, Zn, W, Co, энергетика – As, Sb, Se, нефтяная промышленность – Pb, Cu, Ni, Zn, Mn и т.д. [Ларионов Н.М., 2020].
Тяжелые металлы – это одна из самых токсичных групп химических веществ. Именно поэтому крайне важно не допускать попадание тяжелых металлов в организм человека, в том числе с продуктами питания [Кульмакова Н.И., 2017].
Одним из живых организмов, которые страдают от воздействия тяжелых металлов, являются растения.
Так, тяжелые металлы тормозят рост растений. В частности, проведенные многочисленные опыты говорят о том, что под влиянием тяжелых металлов у растений снижаются линейные размеры корней, побегов, снижается биомасса. Так, например, Иванов В.Б., Быстрова Е.И., Серегин И.В. инкубировали двухнедельные проростки кукурузы на растворах солей Ag, Pb, Cd, Zn, Cu, Co, Ti, Hg. Уровень токсичности оценивался через прирост корня на 1-е, 2-е и 3-е сутки после начала инкубации, а также через изменение длины боковых корней. Было выявлено, что самым токсичным металлов оказался Ti. Далее следовали Ag, Cd, Hd, Co, Zn, Pb. Отношение летальной концентрации тяжелых металлов к минимальной, при которой начинается замедление роста, составило около 10 [Иванов В.Б., 2003].
Казнина Н.М., Титов А.ф., Батова Ю.В., Лайдинен Г.Ф. указывают на то, что кадмий вызывает замедление роста побегов щетинника зеленого. Вместе с тем это не влияет на рост корневой системы, накопление биомассы. Авторы обнаружили негативное влияние кадмия на устричный аппарат растения [Казнина Н.М., 2014].
Установлено, что степень ингибирования роста, его характер зависит токсичности металла, его концентрации, продолжительности воздействия на растение, биологических особенностей вида растений, его возраста. В частности, Казнина Н.М., Титов А.Ф., Топчиева Л.В., Лайдинен Г.Ф., Бытова Ю.В. изучали возрастные различия в реакции 3-х дневных и 7-ми дневных растений ячменя сорта Зазерский 85 на действие 40 мкМ кадмия. Было выявлено, что при 4-х дневной экспозиции на растворе кадмия у прорастающих семян происходит торможение роста корня, снижается активность фотосинтеза. Вместе с тем у проростков активный рост корня, фотосинтез сохраняются [Казнина Н.М., 2012].
Выявлено, что тормозящее действие металлов на рост растений связано с их воздействием на деление, растяжение клетки. В частности, под действием тяжелых металлов происходит снижение интенсивности клеточного деления, снижается число клеток на всех фазах митоза, растет продолжительность отдельных фаз митоза, всего митотического цикла [Титов А.Ф., 2014]. Если концентрация тяжелых металлов высока, то наблюдаются цитогенетические нарушения, в частности спирализация хромосом, нарушение процесса расхождения хромосом к полюсам клетки вплоть до полного отсутствия расхождения. Наблюдаются тетраплоидные клетки. Например, Довгалюк А.И., Калиняк Т.Б., Блюм Я.Б. изучили данный эффект на примере лука репчатого. Было установлено, что самыми токсичными в данном случае выступают ZnSO4, Pb(CH3COO)2, Al(NO3)3. Далее идут NiSO4, CdCl2 и CuSO4 [Довгалюк А.И., 2001].
Тяжелые металлы крайне негативно влияют не только на рост, но и на развитие растений. Так, при увеличении концентрации тяжелых металлов в среде происходит задержка развития растений, задержка в наступлении фенологических фаз. Это приводит к увеличению продолжительности вегетационного периода. В ряде случаев нарушения такие тяжелые, что генеративная фаза не наступает вовсе. Например, Казнина Н.М., Лайдинен Г.Ф., Титов А.Ф. показали, что при наличии в среде цитрата кадмия в концентрации 800 мг/кг происходит снижение длины конуса нарастания, число закладываемых соцветий, замедляется онтогенез в целом, снижается продуктивность колоса. При этом в более поздние сроки развития растения более устойчивы, чем на ранних этапах своего онтогенеза. Если концентрация очень высокая, то развитие растения может полностью остановится. Авторы связывают данный эффект с нарушением метаболизма в меристеме, нарушением минерального питания [Казнина Н.М., 2006].
Еще одна «мишень» для воздействия тяжелых металлов на растения – это процесс фотосинтеза. При этом снижение скорости фотосинтеза связывается как со структурными нарушениями, которые вызываются тяжелыми металлами, так и с функциональным дефицитом. В частности, в присутствии тяжелых металлов происходит изменение анатомический структуры листа – становятся меньше размеры клеток его мезофилла, толщина клеточной стенки, наблюдается снижение числа, размера хлоропластов, размера замыкающих клеток устьиц.
Так, например, Кособруков А., Князева М., Мудрик В. изучали влияние свинца на фотосинтез, анатомию подорожника большого. Было показано, что Суммарная сухая масса растений при 500 и 2000 мг/кг Pb в почве составляла соответственно 70 и 54 % от контрольных растений. Уменьшение площади листа и изменение структуры листа вызывали снижение фотосинтеза [KosobrukhovA., 2004].
Нарушается и микроструктура, в частности строение хлоропластов. Это проявляется в снижении числа гран, тилакоидов, в снижении проницаемости клеточных мембран [MolasJ., 1997].
Таким образом, тяжелые металлы – это опасная группа токсикантов, которая попадает в окружающую среду, преимущественно, вследствие деятельности промышленных предприятий. Эта группа химических веществ отличается устойчивости к вымыванию из почв, в которой они могут содержаться до нескольких тысяч лет. Тяжелые металлы наносят вред любому живому организму, в том числе человеку. Это позволяет говорить о необходимости контроля попадания тяжелых металлов в организм человека, в том числе с продуктами питания растительного происхождения.
1.2. Проблема загрязнения почв тяжелыми металлами
Исследование почв на предмет содержания в них тяжелых металлов проводится в рамках почвенного экологического мониторинга (далее – ПЭМ). ПЭМ – это система, в рамках которой проводится регулярный контроль почв, анализ их состояния в динамике. Такой мониторинг может быть глобальным, региональным, локальным [Семенова И.В., 2016].
Определение содержания тяжелых металлов в почвах начинается с отбора проб, который проводится на основании специальных методик и норм, например, в соответствии с ГОСТ 17.4.3.01-83 [ГОСТ 17.4.3.01-83].
В целом источниками тяжелых металлов в окружающей среде является деятельности человека. Так, цветная металлургия является источником Pb, Zn, Cu, Hg, Mn, Sb, W, Co, Cd, черная – Ni, Mn, Pb, Cu, Zn, W, Co, энергетика – As, Sb, Se, нефтяная промышленность – Pb, Cu, Ni, Zn, Mn и т.д. Весомый вклад вносит и автотранспорт. Также источниками свинца в почвах могут быть карьеры и шахты полиметаллических руд, химические сверстав защиты сельскохозяйственных культур от заболеваний и вредителей.
Так, Соболева Е.В., Ковековдова Л.Т. изучали содержание свинца в почвах г. Уссурийска и Уссурийского района Приморского края. Явно видно, что рост концентрации свинца в почве идет пропорционально мощности грузопотока. Так, при грузопотоке в 570 автомашин в част концентрация свинца составила 40,6 мг/кг, 1163 автомашины в час – 61,1 мг/кг. Авторы провели анализ содержания свинца в растениях и показали, что она также остается высокой. Авторы сделали вывод, что древесные растения накапливают больше свинца в листовых пластинах, травянистые – в корневой системе. Например, береза плосколистная в листьях накапливает до 2,7 мг/кг свинца, в коре – до 13,7 мг/кг свинца, в ауксиблстах – до 7,2 мг/кг свинца. При этом одуванчик накапливает до 2,5 мг/кг свинца в соцветии, до 14,9 мг/кг свинца в листьях и до 17,8 мг/кг свинца в корнях [Соболева Е.В., 2003].
Важно понимать, что эти металлы накапливаются в растениях, затем с детритом попадают в почву.
Кроме того, аналогичными свойствами обладают и пищевые растения, что приводит к попаданию тяжелых металлов в организм человека. Так, Петровой Е.Е. и Райхер Е.В., которые изучали концентрацию свинца в пшенице на территории Алтайского края, показали, что данное растение поглощает свинец более всего в 50-200 метровой зоне вблизи автомагистралей. Концентрация свинца при этом превышает ПДК [Петрова Е.Е., 2013].
Залывская О.С., Хрущева С.В., Бабич Н.А. также отмечают, что наибольший поток тяжелых металлов характерен для промышленных предприятий, особенно для предприятий цветной металлургии и автотранспорта. При этом урбанизация приводит к постоянному повышению