Россия
Цель исследований − сравнительный анализ коэффициентов накопления мышьяка, свинца и кадмия в надземных (цветок, лист, стебель) и подземных (корень) органах видов и сортов рода Paeonia L. в условиях населенного пункта (город Уфа). Изучили семь таксонов пиона, интродуцированных в Южно-Уральский ботанический сад-институт УФИЦ РАН (P. Peregrina Mill., P. lactifloraPall., P. lactiflora f. rosea, P. delavayiFranch., P. × hybrida Аппассионата, Мустай Карим, Jeanned’Arc). Элементный состав растительных образцов исследовали методом атомной спектроскопии. Полученные данные обработали с помощью методов вариационной статистики с использованием программы AgCStat. Выявлено, что содержание химических элементов в растительном сырье изменяется в достаточной степени в зависимости от органа интродуцентов. Расчет коэффициента накопления выявил, что сорта и виды рода Paeonia наиболее активно поглощали свинец по сравнению с мышьяком и кадмием. На основе изучения средних значений коэффициентов накопления изучаемых металлов для надземных и подземных органов построены эмпирические ряды: свинец > кадмий > мышьяк − для цветков, листьев и корней; кадмий > свинец > мышьяк − для стеблей. Основным депонирующим органом для свинца и мышьяка у большинства изученных образцов являются листья, для кадмия – стебли. Коэффициент накопления мышьяка у некоторых представителей рода Paeonia в среднем равен 0,82; свинца – 1,8; кадмия – 1,2. Таким образом, выявлено, что интродуцированные растения в условиях Башкирского Предуралья безбарьерно поглощают мышьяк; для свинца и кадмия характерен барьерный тип поглощения.
Paeonia, мышьяк, свинец, кадмий, коэффициент накопления
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. Реут А.А., Денисова С.Г. Содержание тяжелых металлов в сырье некоторых представителей рода Paeonia L. в условиях урбанизированной среды // Вестник РУДН. Сер. Агрономия и животноводство. 2021. Т. 16, № 4. С. 337–352. DOI:https://doi.org/10.22363/2312-797X-2021-16-4-337-352.
2. Кенжебаева А.В. Кадмий в растениях прибрежной зоны Восточного Прииссыккулья // Вопросы науки и образования. 2019. № 6 (52). С. 5–13.
3. Кабата-Пендис А., Пендис Х. Микроэлементы в почвах и растениях. М.: Мир, 1989. 439 с.
4. Павлов М.Н. Семенная и клубневая продуктивность сортов топинамбура в зависимости от фона минерального питания и фотопериодизма в условиях ЦРНЗ РФ: автореф. дис. … канд. с.-х. наук. М., 2017. 21 с.
5. Абрамова Э.А. Влияние различных концентраций ионов никеля на прорастание семян и формирование проростков вики: автореф. дис. … канд. биол. наук. М., 2016. 22 с.
6. Влияние свинца на фотосинтетический аппарат однолетних злаков / Н.М. Казнина [и др.] // Известия Российской академии наук. Сер. биологическая. 2005. № 2. С. 184–188.
7. Алексеенко В.А. Геоботанические исследования. М.: Логос, 2012. 244 с.
8. Макаров В.Н., Чибисов Н.П. Особенности гидрогеохимии золоторудных месторождений в условиях многолетней мерзлоты // Колыма. 1974. № 10. С. 41−43.
9. Перельман А.И., Касимов Н.С. Накопление и распределение мышьяка в дикорастущих растениях Даурской степи в условиях техногенеза // Геохимия ландшафта. М.: МГУ, 1999. С. 548−549.
10. Гамаюрова В.С. Мышьяк в экологии и биологии. М.: Наука, 1993. 208 с.
11. Гладков Е.А., Гладкова О.В. Экобиогеотехнологические подходы для повышения коэффициента биологического поглощения растений в фиторемедиации // Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2019. Вып. 4. С. 32−40.
12. Галямова Г.К., Зайцев В.Ф., Волкова И.В. Цинк в почвах города Усть-Каменогорска // Юг России: экология, развитие. 2013. № 2. С. 115−120.
13. Реут А.А., Денисова С.Г. Сравнительный анализ содержания тяжелых металлов в сырье некоторых представителей рода Paeonia L. // Аграрный вестник Урала. 2021. № 11 (214). С. 45−55. DOI:https://doi.org/10.32417/1997-4868-2021-214-11-45-55.
14. Методика количественного химического анализа. Определение As, Pb, Cd, Sn, Cr, Cu, Fe, Mn и Ni в пробах пищевых продуктов и пищевого сырья атомноабсорбционным методом с электротермической атомизацией. СПб., 2009. 20 c.
15. Афанасьева Л.В., Аюшина Т.А. Накопление и распределение микроэлементов в растениях Arictostaphylos uva-ursi // Химия растительного сырья. 2018. № 3. С. 123−128.
16. Гончар-Зайкин П.П., Чертов В.Г. Надстройка к Excel для статистической оценки и анализа результатов полевых и лабораторных опытов // Рациональное природопользование и сельскохозяйственное производство в южных регионах Российской Федерации. М.: Современные тетради, 2003. С. 559−565.
