Russian Federation
The purpose of research is a comparative analysis of the accumulation coefficients of arsenic, lead and cadmium in the above-ground (flower, leaf, stem) and underground (root) organs of species and varieties of the genus Paeonia L. in a settlement (the Ufa City). We studied seven peony taxa introduced into the South Ural Botanical Garden-Institute of the Ural Federal Research Center of the Russian Academy of Sciences (P. peregrina Mill., P. lactifloraPall., P. lactiflora f. rosea, P. delavayiFranch., P. × hybrida Appassionata, Mustai Karim, Jeanned'Arc). The elemental composition of plant samples was carried out by atomic spectroscopy. The data obtained were processed using the methods of variation statistics and using the AgCStat program. It was revealed that the content of chemical elements in plant raw materials varies sufficiently depending on the organ of the introduced species. The calculation of the accumulation coefficient revealed that varieties and species of the genus Paeonia most actively absorbed lead, compared with arsenic and cadmium. leaves and roots; cadmium > lead > arsenic – for stems. The main depositing organ for lead and arsenic in most of the studied samples are leaves, for cadmium – stems. The accumulation coefficient of arsenic in some representatives of the genus Paeonia is on average 0.82; lead – 1.8; cadmium – 1.2. Thus, it was revealed that the introduced plants in the conditions of the Bashkir Cis-Urals absorb arsenic without barriers; lead and cadmium are characterized by a barrier type of absorption.
Paeonia, arsenic, lead, cadmium, accumulation factor
Введение. В условиях городского мегаполиса, в связи с наличием большого количества промышленных предприятий и автотранспортной сети, экологическая составляющая подвержена техногенному загрязнению. Поэтому только растения, в том числе цветочные культуры, используемые в озеленении, могут взять на себя функцию очистки окружающей среды, так как при избытке тяжелых металлов в почве они накапливаются в органах культиваров [1].
Известно, что свинец, кадмий и мышьяк являются токсичными элементами 1-й степени опасности. Поэтому их накопление в окружающей среде может быть опасным и негативно влиять на живые организмы [2].
Согласно литературным источникам, свинец входит в состав фитомассы всех растений. Для большинства видов его концентрация в количестве 5–10 мг/кг считается нормой, а 30–300 мг/кг – уже токсичной дозой [3, 4]. У большинства многолетников свинец аккумулируется в подземных органах, проникая в растения через корневую систему [4, 5]. Свинец является сильным стресс-фактором, который вынуждает растения включать адаптационные механизмы выживания. Кроме того, он влияет на поглощение воды, подавляет процессы фотосинтеза [6].
Кадмий – это редкий рассеянный металл, обладающий кумулятивными свойствами. Соответственно, он токсичен для всего живого на Земле. Известно, что кадмий проникает в растения через листья и корневые системы. Его избыток в почве приводит к замедлению и задержке роста растений, ухудшению формирования семенной продуктивности, повреждению корней и клубней, хлорозу листьев [7].
Мышьяк также является рассеянным элементом, его кларк в верхней части континентальной земной коры, по данным различных авторов, оценивается в диапазоне от 1,7 до 5,6 г/т [8]. Согласно литературным данным, мышьяк – водный мигрант, и основной путь его поступления в растения проходит через корневую систему [9]. Как и в случае с кадмием, большое скопление мышьяка отрицательно влияет на растения: они медленнее растут и развиваются, у них увядают листья и обесцвечиваются корнеплоды [10].
Для того чтобы узнать величину содержания химического элемента в растениях, необходимо сравнить его с содержанием в источнике, откуда он поступает. Данный параметр называется коэффициентом накопления [11].
Цель исследований – проведение сравнительного анализа коэффициентов накопления мышьяка, свинца и кадмия в надземных (цветок, лист, стебель) и подземных (корень) органах растений рода Paeonia L. в условиях урбанизированной территории.
Объекты и методы. В качестве объектов исследования использовали представителей родового комплекса пион (Paeonia L.) (сем. Paeoniaceae Rudolphy) (виды – P. delavayi Franch. (п. Делавея), P. lactiflora Pall. (п. молочноцветковый), P. lactiflora f. rosea (п. молочноцветковый розовый), P. peregrina Mill. (п. иноземный); сорта − P. lactiflora Jeanne d'Arc, Аппассионата, Мустай Карим). Данные культивары были интродуцированы на территорию Южно-Уральского ботанического сада-института – обособленного структурного подразделения Федерального государственного бюджетного научного учреждения Уфимского федерального исследовательского центра Российской академии наук (далее ЮУБСИ УФИЦ РАН) и успешно акклиматизированы.
Микроэлементный состав сырья объектов исследований (цветки, стебли, листья и корни) изучали в течение 2020–2022 гг. на базе аналитической лаборатории НИИ сельского хозяйства. Сбор сырья проводили в фазу цветения генеративных растений с 10 образцов каждого таксона. Для количественного анализа цветки, стебли, листья и корневища высушивали до воздушно-сухого состояния, затем измельчали [1]. Отбор почвенных образцов осуществляли по стандартной методике [12].
Исследование элементного состава сырья проводили по методике № М-02-1009-05 атомной спектроскопии [13], почвы − атомно-абсорбционным методом с электротермической атомизацией в соответствии с нормативным документом № М-02-1009-08 [14].
Для расчета коэффициента накопления (КН) необходимо количественное содержание элемента в сухой массе растений поделить на количество его подвижных форм в почве. В случае, если полученный коэффициент по показателям больше единицы, то это указывает на наличие барьера при поступлении элемента в растение [15].
Полученные данные обрабатывали математическими методами с помощью вариационной статистики, используя пакет программ AgCStat [16].
Результаты и их обсуждение. Полученные аналитические данные свидетельствуют о значительной изменчивости содержания мышьяка, свинца и кадмия в сырье пионов. Установлено, что изучаемые таксоны в большей степени накапливали свинец. Выявлено, что концентрация Pb превышает содержание в почве, значит можно говорить об активном процессе накопления данного элемента. Максимальную концентрацию свинца отметили в листьях большинства изученных таксонов: от 0,62 мг/кг у сорта Мустай Карим до 1,79 мг/кг у Jeanne d'Arc (табл.). Содержание свинца в других органах растений было в 1,2–2,8 раза ниже. Исключение составили таксоны Мустай Карим и P. delavayi, у которых количество свинца было выше в цветках, и вид P. lactiflora f. rosea с высоким содержанием исследуемого элемента в корнях.
Содержание As, Pb, Cd в разных частях растений рода Paeonia L., мг/кг
|
Таксон |
Орган |
As |
Pb |
Cd |
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
|
Аппассионата |
Цветок |
0,593±0,190 |
0,600±0,150 |
0,027±0,007 |
|
Лист |
0,462±0,148 |
1,395±0,349 |
0,017±0,004 |
|
|
Стебель |
0,425±0,136 |
1,107±0,277 |
0,030±0,008 |
|
|
Корень |
0,260±0,083 |
0,505±0,126 |
0,017±0,004 |
|
|
Общее |
1,74 |
3,61 |
0,09 |
|
|
Мустай Карим |
Цветок |
0,392±0,126 |
0,807±0,202 |
0,047±0,012 |
|
Лист |
0,567±0,182 |
0,625±0,156 |
0,050±0,013 |
|
|
Стебель |
0,422±0,135 |
0,565±0,141 |
0,075±0,019 |
|
|
Корень |
0,022±0,007 |
0,675±0,169 |
0,012±0,003 |
|
|
Общее |
1,40 |
2,67 |
0,18 |
Окончание табл.
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
|
Jeanne d'Arc |
Цветок |
0,382±0,122 |
0,757±0,189 |
0,023±0,006 |
|
Лист |
0,662±0,212 |
1,787±0,447 |
0,035±0,009 |
|
|
Стебель |
0,435±0,139 |
0,807±0,202 |
0,042±0,011 |
|
|
Корень |
0,482±0,154 |
0,842±0,211 |
0,020±0,005 |
|
|
Общее |
1,96 |
4,19 |
0,12 |
|
|
P. delavayi |
Цветок |
0,425±0,136 |
1,132±0,283 |
0,040±0,010 |
|
Лист |
0,557±0,178 |
0,776±0,194 |
0,022±0,006 |
|
|
Стебель |
0,485±0,155 |
1,130±0,282 |
0,030±0,008 |
|
|
Корень |
0,467±0,150 |
0,892±0,223 |
0,010±0,003 |
|
|
Общее |
1,93 |
3,93 |
0,10 |
|
|
P. lactiflora |
Цветок |
0,465±0,149 |
0,592±0,148 |
0,037±0,0010 |
|
Лист |
0,920±0,294 |
0,795±0,199 |
0,022±0,006 |
|
|
Стебель |
0,432±0,138 |
0,550±0,137 |
0,030±0,008 |
|
|
Корень |
0,277±0,089 |
0,752±0,188 |
0,027±0,007 |
|
|
Общее |
2,09 |
2,69 |
0,12 |
|
|
P. lactiflora f. rosea |
Цветок |
0,670±0,214 |
0,652±0,163 |
0,105±0,027 |
|
Лист |
0,830±0,266 |
0,875±0,219 |
0,115±0,030 |
|
|
Стебель |
0,690±0,221 |
0,462±0,116 |
0,117±0,030 |
|
|
Корень |
0,315±0,101 |
1,230±0,307 |
0,050±0,013 |
|
|
Общее |
2,51 |
3,22 |
0,39 |
|
|
P. peregrina |
Цветок |
0,467±0,150 |
0,757±0,189 |
0,045±0,012 |
|
Лист |
0,610±0,195 |
1,625±0,406 |
0,027±0,007 |
|
|
Стебель |
0,545±0,174 |
0,597±0,149 |
0,042±0,011 |
|
|
Корень |
0,357±0,114 |
0,845±0,211 |
0,030±0,008 |
|
|
Общее |
1,98 |
3,83 |
0,14 |
|
|
Почва |
0,593±0,190 |
0,48±0,1248 |
0,03±0,008 |
|
Следующим элементом по объему накопления оказался мышьяк. Отмечено, что максимальное его содержание наблюдали в листьях изучаемых таксонов (0,56–0,92 мг/кг). Концентрация изучаемого элемента в других видах сырья была в 1,2–25,8 раза меньше. Отмечено, что только у сорта Аппассионата наибольшее содержание мышьяка отмечали в цветках (0,59 мг/кг).
Отмечено, что кадмий накапливался в 1,7–34,5 раза меньше, чем свинец и мышьяк. Выявлено, что у четырех таксонов (P. lactiflora f. rosea, Jeanne d'Arc, Аппассионата, Мустай Карим) большая концентрация данного элемента отмечена в стеблях (0,03–0,12 мг/кг), у остальных в цветках (0,037–0,045 мг/кг). В других органах содержание кадмия в 1,2–6 раз ниже.
По суммарному содержанию изучаемых элементов в анализируемых частях растений таксоны можно расположить по увеличению их количества в следующие ряды:
мышьяк: Мустай Карим <‘Аппассионата < P. Delavayi < Jeanne d'Arc < P. Peregrina < P. Lactiflora < P. lactiflora f. rosea;
свинец: Мустай Карим < P. Lactiflora < P. Lactiflora f. Rosea <‘Аппассионата < P. peregrina < P. delavayi < Jeanne d'Arc;
кадмий: Аппассионата < P. delavayi < P. Lactiflora < Jeanne d'Arc < P. peregrina < Мустай Карим < P. lactiflora f. rosea.
Анализ полученных коэффициентов накопления (КН) выявил, что представители рода Paeonia из всех изученных элементов максимально аккумулировали свинец (КН в листьях в среднем составлял 2,3; в стеблях − 1,5) в отличие от мышьяка (КН в листьях − 1,1; в корнях − 0,5) и кадмия (КН в стеблях − 1,6; в корнях − 0,72) (рис.).
На основе изучения средних значений коэффициентов накопления изучаемых металлов для разных частей растений рода Paeonia были построены эмпирические ряды. Для цветков, листьев и корней эмпирический ряд имеет следующий вид: Pb > Cd > As; для стеблей: Cd > Pb > As. Анализ рядов накопления показал, что в листьях, цветках и корнях интенсивнее накапливается свинец, в стеблях – кадмий.
Коэффициенты накопления As, Pb, Cd разными частями растений рода Paeonia L.:
а – цветок; б – лист; в − стебель, г – корень
Выявлено, что коэффициент накопления свинца в листьях четырех таксонов (Jeanne d'Arc, Аппассионата, P. lactiflora, P. peregrina) в 1,2–2,7 раза выше, чем в других органах. У сорта Мустай Карим и вида P. delavayi данный параметр был выше в 1,2–1,5 раза в цветках, а у P. lactiflora f. rosea − в 1,4–2,6 раза в корнях.
Коэффициент накопления мышьяка у большинства таксонов оказался выше в 1,2–25,9 раза в листьях, чем в других органах, исключение составил сорт Аппассионата, у которого изучаемый параметр был выше в цветках.
Максимальный коэффициент накопления кадмия отмечался в листьях четырех таксонов (Jeanne d'Arc, Аппассионата, Мустай Карим, P. Lactiflora f. rosea) и цветках трех видов (P. delavayi, P. lactiflora, P. peregrina). Он был выше в 1,2–6 раз по сравнению с другими органами.
Заключение. В ходе проведенных исследований было определено содержание мышьяка, свинца и кадмия в разных частях растений рода Paeonia и показано, что оно изменяется в достаточной степени. Так, содержание кадмия в среднем составляет 0,04 мг/кг; свинца – 0,85; мышьяка − 0,49 мг/кг. Коэффициент накопления мышьяка у некоторых представителей рода Paeonia из коллекции ЮУБСИ УФИЦ РАН в среднем равен 0,82; свинца – 1,8; кадмия – 1,2. Таким образом, в условиях урбанизированной среды растения безбарьерно поглощают мышьяк, а для свинца и кадмия характерен барьерный тип поглощения.
1. Reut A.A., Denisova S.G. Soderzhanie tyazhelyh metallov v syr'e nekotoryh predstaviteley roda Paeonia L. v usloviyah urbanizirovannoy sredy // Vestnik RUDN. Ser. Agronomiya i zhivotnovodstvo. 2021. T. 16, № 4. S. 337–352. DOI:https://doi.org/10.22363/2312-797X-2021-16-4-337-352.
2. Kenzhebaeva A.V. Kadmiy v rasteniyah pribrezhnoy zony Vostochnogo Priissykkul'ya // Voprosy nauki i obrazovaniya. 2019. № 6 (52). S. 5–13.
3. Kabata-Pendis A., Pendis H. Mikroelementy v pochvah i rasteniyah. M.: Mir, 1989. 439 s.
4. Pavlov M.N. Semennaya i klubnevaya produktivnost' sortov topinambura v zavisimosti ot fona mineral'nogo pitaniya i fotoperiodizma v usloviyah CRNZ RF: avtoref. dis. … kand. s.-h. nauk. M., 2017. 21 s.
5. Abramova E.A. Vliyanie razlichnyh koncentraciy ionov nikelya na prorastanie semyan i formirovanie prorostkov viki: avtoref. dis. … kand. biol. nauk. M., 2016. 22 s.
6. Vliyanie svinca na fotosinteticheskiy apparat odnoletnih zlakov / N.M. Kaznina [i dr.] // Izvestiya Rossiyskoy akademii nauk. Ser. biologicheskaya. 2005. № 2. S. 184–188.
7. Alekseenko V.A. Geobotanicheskie issledovaniya. M.: Logos, 2012. 244 s.
8. Makarov V.N., Chibisov N.P. Osobennosti gidrogeohimii zolotorudnyh mestorozhdeniy v usloviyah mnogoletney merzloty // Kolyma. 1974. № 10. S. 41−43.
9. Perel'man A.I., Kasimov N.S. Nakoplenie i raspredelenie mysh'yaka v dikorastuschih rasteniyah Daurskoy stepi v usloviyah tehnogeneza // Geohimiya landshafta. M.: MGU, 1999. S. 548−549.
10. Gamayurova V.S. Mysh'yak v ekologii i biologii. M.: Nauka, 1993. 208 s.
11. Gladkov E.A., Gladkova O.V. Ekobiogeotehnologicheskie podhody dlya povysheniya koefficienta biologicheskogo pogloscheniya rasteniy v fitoremediacii // Izvestiya TulGU. Nauki o Zemle. 2019. Vyp. 4. S. 32−40.
12. Galyamova G.K., Zaycev V.F., Volkova I.V. Cink v pochvah goroda Ust'-Kamenogorska // Yug Rossii: ekologiya, razvitie. 2013. № 2. S. 115−120.
13. Reut A.A., Denisova S.G. Sravnitel'nyy analiz soderzhaniya tyazhelyh metallov v syr'e nekotoryh predstaviteley roda Paeonia L. // Agrarnyy vestnik Urala. 2021. № 11 (214). S. 45−55. DOI:https://doi.org/10.32417/1997-4868-2021-214-11-45-55.
14. Metodika kolichestvennogo himicheskogo analiza. Opredelenie As, Pb, Cd, Sn, Cr, Cu, Fe, Mn i Ni v probah pischevyh produktov i pischevogo syr'ya atomnoabsorbcionnym metodom s elektrotermicheskoy atomizaciey. SPb., 2009. 20 c.
15. Afanas'eva L.V., Ayushina T.A. Nakoplenie i raspredelenie mikroelementov v rasteniyah Arictostaphylos uva-ursi // Himiya rastitel'nogo syr'ya. 2018. № 3. S. 123−128.
16. Gonchar-Zaykin P.P., Chertov V.G. Nadstroyka k Excel dlya statisticheskoy ocenki i analiza rezul'tatov polevyh i laboratornyh opytov // Racional'noe prirodopol'zovanie i sel'skohozyaystvennoe proizvodstvo v yuzhnyh regionah Rossiyskoy Federacii. M.: Sovremennye tetradi, 2003. S. 559−565.
