СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ЦЕОЛИТА, ВЕРМИКОМПОСТА И СУСПЕНЗИИ CHLORELLA VULGARIS ПРИ ФИТОРЕМЕДИАЦИИ ЧЕРНОЗЁМА, ЗАГРЯЗНЁННОГО МЫШЬЯКОМ
СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ЦЕОЛИТА, ВЕРМИКОМПОСТА И СУСПЕНЗИИ CHLORELLA VULGARIS ПРИ ФИТОРЕМЕДИАЦИИ ЧЕРНОЗЁМА, ЗАГРЯЗНЁННОГО МЫШЬЯКОМ
Аннотация
В статье представлены результаты сравнительного изучения эффективности трёх мелиорантов различной природы — цеолита (минеральный сорбент), вермикомпоста (органическое удобрение) и суспензии CHLORELLA VULGARIS (микробный биопрепарат) — при фиторемедиации чернозёма, загрязнённого мышьяком. Эксперимент проведён в вегетационно-полевых условиях с использованием рапса ярового сорта «Надежный 92» в качестве растения-фиторемедианта. Установлено, что внесение мышьяка в концентрации 10 мг/кг почвы вызывает достоверное угнетение ростовых и репродуктивных процессов рапса: высота надземной части снижается на 34,2%, длина корня — на 19,1%, количество стручков — на 60,4%, количество семян на одном растении — на 91,7%. Применение цеолита наиболее эффективно для иммобилизации мышьяка в почве (снижение содержания на 18,2%) и восстановления линейного роста растений; вермикомпост стимулирует формирование репродуктивных органов (количество стручков возрастает до 22,35 шт.); биопрепарат обеспечивает максимальное снижение содержания мышьяка в почве (на 39,9%) и активизирует поглотительную функцию корневой системы. Наибольший детоксицирующий эффект в системе почва–растение показал биопрепарат, однако для целей фиторемедиации загрязнённых чернозёмов наиболее целесообразным признано сочетание минерального сорбента для иммобилизации токсиканта и органического мелиоранта для стимуляции продуктивности растений.
1. Введение
Мышьяк относится к числу приоритетных высокотоксичных загрязнителей окружающей среды и включён в перечень наиболее опасных для здоровья человека химических элементов
. В условиях России источниками поступления мышьяка в почвы являются предприятия горнодобывающей и металлургической промышленности, химическое производство, сжигание угля, использование пестицидов прошлого поколения, а также накопленные техногенные отвалы и шламоотстойники. В зонах их влияния формируются участки техногенно нарушенных земель, где содержание мышьяка в почве достигает и превышает предельно допустимые и ориентировочно допустимые концентрации, что повышает риск его поступления в пищевые цепи .Особую тревогу вызывает загрязнение мышьяком чернозёмов, являющихся основным агроресурсом страны и обеспечивающих значительную долю валовой продукции растениеводства. Даже локальные очаги техногенного загрязнения на чернозёмных почвах приводят к выпадению участков из сельскохозяйственного использования, снижению урожайности и ухудшению качества продукции, что сопровождается экономическими потерями и повышением эпидемиологического риска для населения прилегающих территорий
. Мониторинговые исследования последних лет показывают, что в ряде агроэкосистем фиксируются превышения нормативов по мышьяку и другим токсичным элементам, что требует разработки эффективных и экологически безопасных подходов к ремедиации .Традиционные технологии очистки почв, основанные на снятии и вывозе загрязнённого слоя, химической промывке или термической обработке, отличаются высокой стоимостью, энергозатратностью и зачастую сопровождаются вторичным загрязнением окружающей среды. Кроме того, такие методы нарушают структуру и гумусовый профиль чернозёмов, что практически необратимо снижает их плодородие. В этих условиях особенно актуальными становятся мягкие, природоподобные технологии ремедиации, позволяющие снижать экологический риск без разрушения почвенной системы
.К числу таких подходов относится фиторемедиация — использование растений для извлечения, стабилизации или трансформации загрязнителей в почве. Эффективность фиторемедиации мышьяка во многом определяется доступностью элемента для растений и состоянием почвенно-микробного комплекса, поэтому перспективным направлением является её сочетание с применением природных и биологических мелиорантов
. Цеолиты, обладая развитой поверхностью и ионообменными свойствами, могут снижать подвижность и биодоступность мышьяка в чернозёмах. Вермикомпост, как высокоактивное органическое удобрение, способствует восстановлению плодородия и микробиологической активности почвы, одновременно влияя на формы нахождения мышьяка. Микробные биопрепараты способны усиливать устойчивость растений к токсиканту, изменять распределение мышьяка по формам и способствовать его включению в биологический круговорот .В научной литературе накоплен значительный материал по использованию природных сорбентов, в том числе цеолитов, для детоксикации загрязнённых почв. Установлено, что цеолиты способны снижать подвижность мышьяка, переводить его в менее доступные формы и уменьшать поступление токсиканта в растения
. Достаточно активно изучено и применение органических мелиорантов, включая компосты и вермикомпосты, в технологиях рекультивации и фиторемедиации загрязнённых почв. Показано, что вермикомпост улучшает агрохимические, физические и биологические свойства почвы, стимулирует развитие микробиоты, повышает устойчивость растений к токсическому воздействию . В области применения микробных биопрепаратов хорошо разработаны подходы к фиторемедиации почв, загрязнённых углеводородами и тяжёлыми металлами, включая создание штаммов и консорциумов, стимулирующих рост растений и ускоряющих очистку .Однако, как показал анализ литературы, отдельные аспекты применения цеолита, вермикомпоста и биопрепаратов изучены достаточно широко, однако их сравнительная эффективность в единой системе фиторемедиации чернозёма, загрязнённого мышьяком, остаётся недостаточно исследованной. Это определяет цель настоящей работы — провести сравнительную оценку эффективности цеолита, вермикомпоста и суспензии хлореллы при фиторемедиации чернозёма, загрязнённого мышьяком, на основе анализа влияния мелиорантов на рост и продуктивность рапса, динамику мышьяка в почве и его накопление в органах растений.
Научная новизна работы заключается в том, что в единых экспериментальных условиях проведена сравнительная оценка эффективности трёх разных по природе ремедиационных агентов — минерального сорбента, органического мелиоранта и биологического препарата — в отношении одного и того же загрязнителя и одного типа почвы. Такой подход позволил установить не только общий эффект снижения токсичности мышьяка, но и выявить различия в механизмах действия исследуемых вариантов.
Практическая значимость работы определяется возможностью использования полученных результатов для выбора наиболее эффективного способа фиторемедиации чернозёма, загрязнённого мышьяком. Результаты исследования могут быть положены в основу рекомендаций по снижению биодоступности мышьяка, уменьшению его токсического действия на растения и восстановлению экологического состояния почвы.
2. Методы и принципы исследования
Объектом исследования являлся рапс яровой (Brassica napus L.) сорта Надежный 92, использованный в качестве растения-фиторемедианта. Сорт характеризуется следующими агрономическими показателями: урожайность семян достигает 21,9 ц/га, урожайность зелёной массы — 315–380 ц/га, масличность семян составляет 42–44%, содержание белка в семенах — 22,8%
. Выбор рапса обусловлен его практической значимостью как масличной культуры и способностью служить чувствительным тест-объектом для оценки устойчивости растений к загрязнителям.Исследования проводили в условиях вегетационно-полевого эксперимента на чернозёме с нейтральной реакцией среды типичном для сельскохозяйственных угодий Красноярского края. Каждый вариант опыта был представлен 4 вегетационными сосудами площадью 0,2 м2, объемом 80 л с отверстием в дне. Загрязнитель — мышьяк в форме арсената натрия (Na₃AsO₄·12H₂O) — вносили в концентрации 10 мг/кг почвы, что соответствует ориентировочно допустимой концентрации (ОДК) согласно ГН 2.1.7.020-94.
Схема опыта включала пять вариантов:
1. Контроль (фон, без загрязнения и мелиорантов).
2. Мышьяк (модель токсической нагрузки).
3. Мышьяк + Цеолит (5 г/кг почвы).
4. Мышьяк + Вермикомпост (5 г/кг почвы).
5. Мышьяк + Суспензия Chlorella vulgaris (концентрация 1:100, 0,5 мл/кг почвы).
Выбор концентрации мышьяка 10 мг/кг обоснован соответствием ОДК для суглинистых и глинистых почв с нейтральной реакцией среды, а также возможностью изучения процессов миграции, накопления и транслокации поллютанта в системе «почва–растение» в условиях сублетального стресса, не вызывающего острой гибели тест-культуры.
Биометрические измерения проводили по окончании вегетационного периода (через 90 суток после посева) в соответствии с Методикой государственного сортоиспытания сельскохозяйственных культур (1985). Определяли следующие показатели: высоту надземной части растений, длину корня, количество стручков, длину стручков, массу семян на одном растении и количество семян на одном растении. Определение содержания мышьяка в почве и растительных образцах выполняли методом атомно-абсорбционной спектрометрии (ААС) на аналитической длине волны 193,7 нм с использованием генерации летучего гидрида для повышения чувствительности анализа. Почвенные пробы отбирали до и после вегетационного опыта, растительные пробы — по окончании эксперимента с разделением на надземную часть и корневую систему.
Подготовка почвенных образцов включала высушивание до воздушно-сухого состояния, измельчение и просеивание. Подготовка растительных образцов включала высушивание до постоянной массы при 70 °С, измельчение и минерализацию. Для оценки миграции мышьяка в системе «почва–растение» рассчитывали:
1. Коэффициент накопления (КН) = содержание As в растении / содержание As в почве.
2. Коэффициент транслокации (Кт) = содержание As в надземной части / содержание As в корнях.
Статистическую обработку результатов проводили с использованием пакета прикладных программ. Для каждого признака рассчитывали средние значения, стандартные отклонения, минимальные и максимальные значения. Достоверность различий между вариантами оценивали с использованием t-критерия Стьюдента при уровне значимости p < 0,05.
3. Основные результаты
Результаты биометрических измерений представлены в таблице 1. Рапс проявил высокую чувствительность к загрязнению почвы мышьяком.
В контрольном варианте растения характеризовались следующими показателями: высота надземной части — 63,32 см, длина корня — 12,32 см, количество стручков — 12,14 шт., длина стручков — 6,82 см, количество семян — 91,55 шт., масса семян — 1,39 г.
Внесение мышьяка вызвало достоверное снижение всех учитываемых показателей. Высота надземной части уменьшилась на 34,2% (до 41,69 см), длина корня — на 19,1% (до 9,97 см). Количество стручков снизилось на 60,4% (до 4,81 шт.), длина стручков — на 57,6% (до 2,89 см), количество семян — на 91,7% (до 7,63 шт.). Масса семян с одного растения составила 1,32 г, что не отличалось достоверно от контрольного значения.
Применение цеолита способствовало увеличению высоты надземной части до 71,74 см (на 13,2% выше контроля и на 72,1% выше варианта с мышьяком), длины корня до 15,00 см (на 21,7% выше контроля). Количество стручков увеличилось до 14,22 шт., количество семян — до 112,43 шт., что превысило контрольный уровень на 22,8%. Масса семян составила 0,42 г, что достоверно ниже контроля и варианта с мышьяком.
Использование вермикомпоста в качестве мелиоранта способствовало увеличению высоты растений до 65,53 см, длины корня до 14,37 см. Количество стручков достигло максимального значения — 22,35 шт. (на 84,1% выше контроля), количество семян составило 108,91 шт., масса семян — 0,65 г.
В варианте с суспензией Chlorella vulgaris на фоне мышьякового загрязнения отмечены следующие показатели: высота растений — 69,62 см, длина корня — 18,48 см, количество стручков — 19,33 шт., длина стручков — 7,57 см, количество семян — 128,95 шт., масса семян — 3,72 г.
Биометрические показатели рапса в различных вариантах опыта
* – отличие от контроля статистически значимо (p < 0,05); ** – отличие от варианта «Мышьяк» статистически значимо (p < 0,05)
Вариант | Высота надземной части, см | Длина корня, см | Количество стручков, шт. | Длина стручков, см | Количество семян, шт. | Масса семян, г |
Контроль | 63,32±2,14 | 12,32±0,87 | 12,14±1,02 | 6,82±0,31 | 91,55±4,28 | 1,39±0,12 |
Мышьяк | 41,69±1,98* | 9,97±0,76* | 4,81±0,54* | 2,89±0,22* | 7,63±0,89* | 1,32±0,11 |
Мышьяк + Цеолит | 71,74±2,56** | 15,00±0,94** | 14,22±1,18** | 7,48±0,35** | 112,4±5,12** | 0,42±0,04** |
Мышьяк + Вермикомпост | 65,53±2,31** | 14,37±0,91** | 22,35±1,87** | 7,19±0,33** | 108,9±4,96** | 0,65±0,06** |
Мышьяк + Суспензия Chlorella vulgaris | 69,62±2,43** | 18,48±1,12** | 19,33±1,54** | 7,57±0,36** | 128,9±5,87** | 3,72±0,28** |
Для оценки эффективности исследуемых мелиорантов на снижение подвижности мышьяка в чернозёме определяли содержание этого металлоида в почве до и после вегетационного опыта (табл. 2). Исходное содержание мышьяка в загрязнённых вариантах составляло 10 мг/кг. В варианте без мелиорантов содержание мышьяка снизилось на 5,3% (до 9,47 мг/кг). Применение цеолита обеспечило снижение на 18,2% (до 8,18 мг/кг), вермикомпоста — на 24,7% (до 7,53 мг/кг), суспензии Chlorella vulgaris — на 39,9% (до 6,01 мг/кг). Все различия с вариантом «Мышьяк» статистически значимы (p < 0,05).
Содержание мышьяка в почве до и после вегетационного опыта
* – отличие от варианта «Мышьяк» статистически значимо (p < 0,05)
Вариант | Содержание As до опыта, мг/кг | Содержание As после опыта, мг/кг | Снижение, мг/кг | Снижение, % |
Контроль | 0 | 0 | 0 | - |
Мышьяк | 10 | 9,47±0,12 | 0,53 | 5,3 |
Мышьяк + Цеолит | 10 | 8,18±0,10* | 1,82 | 18,2 |
Мышьяк + Вермикомпост | 10 | 7,53±0,09* | 2,47 | 24,7 |
Мышьяк + Суспензия Chlorella vulgaris | 10 | 6,01±0,09* | 3,99 | 39,9 |
Наибольшее количество мышьяка во всех вариантах аккумулировалось в корневой системе (табл. 3). В варианте без мелиорантов содержание в корнях составило 25,74 мг/кг. Цеолит способствовал снижению содержания As в корнях на 39,6% (до 15,54 мг/кг). Вермикомпост не оказал достоверного влияния на содержание As в корнях (30,19 мг/кг). Суспензия Chlorella vulgaris вызвала достоверное увеличение содержания As в корнях почти в 2 раза (до 50,14 мг/кг).
В надземной части содержание мышьяка в варианте без мелиорантов составило 5,10 мг/кг. Цеолит не оказал достоверного влияния (4,34 мг/кг). Вермикомпост и суспензия Chlorella vulgaris достоверно увеличили содержание As в надземной части до 8,17 и 10,30 мг/кг соответственно.
Содержание мышьяка в органах рапса
* – отличие от варианта «Мышьяк» статистически значимо (p < 0,05)
Вариант | Содержание As в корнях, мг/кг воздушно-сухой массы | Содержание As в надземной части, мг/кг воздушно-сухой массы | Кт, мг/кг воздушно-сухой массы | Кн, мг/кг воздушно-сухой массы |
Мышьяк | 25,74 ± 1,89 | 5,10 ± 0,42 | 0,198 | 3,26 |
Мышьяк + Цеолит | 15,54 ± 1,12* | 4,34 ± 0,35 | 0,279 | 2,43 |
Мышьяк + Вермикомпост | 30,19 ± 2,21 | 8,17 ± 0,61* | 0,271 | 5,09 |
Мышьяк + Суспензия Chlorella vulgaris | 50,14 ± 3,45* | 10,30 ± 0,78* | 0,205 | 10,06 |
Коэффициент транслокации (Кт) варьировал от 0,198 в варианте с мышьяком до 0,279 в варианте с цеолитом. Значения Кт во всех вариантах были ниже 0,3, что свидетельствует о преимущественном накоплении мышьяка в корневой системе.
Наибольший коэффициент накопления отмечен в варианте с суспензией Chlorella vulgaris (10,06). Наименьший КН отмечен в варианте с цеолитом (2,43).
4. Обсуждение
Проведённые исследования подтвердили высокую фитотоксичность мышьяка для рапса. Угнетение ростовых процессов (снижение высоты на 34,2%, длины корня на 19,1%) и репродуктивных показателей (снижение количества семян на 91,7%) согласуется с данными других авторов
, . Токсическое действие мышьяка связано с нарушением фосфорного обмена и ингибированием активности ферментов .Внесение цеолита способствовало снижению остаточного содержания мышьяка в почве на 18,2% по сравнению с вариантом без мелиоранта. Наблюдаемое снижение содержания As в почве может быть связано с сорбцией ионов мышьяка на поверхности минерала, что согласуется с литературными данными о сорбционной способности цеолитов
, . В варианте с цеолитом отмечено наименьшее значение коэффициента накопления (КН = 2,43), что указывает на ограничение поступления токсиканта в растения. Вместе с тем следует отметить, что снижение остаточного содержания As в почве само по себе не является прямым доказательством иммобилизации — для подтверждения этого требуются дополнительные исследования с определением форм нахождения мышьяка. Масса семян в варианте с цеолитом оказалась минимальной (0,42 г) при максимальном количестве семян (112,43 шт.). Это может указывать на перераспределение пластических веществ в пользу количественных репродуктивных признаков в условиях сохраняющегося токсического стресса.Применение вермикомпоста привело к максимальному увеличению количества стручков (22,35 шт.) и снижению остаточного содержания As в почве на 24,7%. Вместе с тем отмечено увеличение содержания мышьяка в надземной части растений (8,17 мг/кг) по сравнению с вариантом без мелиоранта. Это может быть связано с повышением биодоступности элемента в ризосфере вследствие выделения корневых экссудатов, стимулированного органическим удобрением
, либо с изменением форм нахождения мышьяка в почве. Для проверки этого предположения необходимы дополнительные исследования.Наибольшее снижение остаточного содержания мышьяка в почве (на 39,9 %) отмечено в варианте с суспензией Chlorella vulgaris. Вместе с тем наблюдалось максимальное содержание As в корнях (50,14 мг/кг) и надземной части (10,30 мг/кг) растений. Коэффициент накопления в этом варианте был наибольшим (10,06). Это указывает на активизацию поглотительной функции корневой системы, что подтверждается максимальной длиной корня (18,48 см). Однако является ли это следствием стимуляции роста корней или изменения проницаемости мембран под действием биопрепарата, требует дополнительного изучения. Высокий коэффициент накопления в варианте с Chlorella vulgaris также означает, что значительная часть мышьяка, извлечённого из почвы, концентрируется в растительной биомассе, что следует учитывать при оценке эффективности фиторемедиации.
Значения коэффициента транслокации (Кт) во всех вариантах были ниже 0,3, что свидетельствует о наличии у рапса физиологического барьера, ограничивающего транспорт мышьяка в надземные органы. Это характерно для растений, не являющихся гипераккумуляторами
. Наименьшие значения Кт (0,198–0,205) отмечены в вариантах с мышьяком и с суспензией Chlorella vulgaris.Для объективной оценки распределения мышьяка в системе «почва–растение» был рассчитан приблизительный материальный баланс (табл. 5). Исходное количество мышьяка в почве (10 мг/кг) распределялось между тремя основными пулами: остаточное содержание в почве, аккумуляция в растениях и неидентифицированная часть (дефицит баланса).
Приблизительный материальный баланс мышьяка в системе «почва–растение»
аккумуляция As в растениях рассчитана на 1 кг почвы с учётом массы растений
Вариант | Исходное содержание As, мг/кг | Остаточное содержание As в почве, мг/кг | Аккумуляция As в растениях, мг/кг | Дефицит баланса, мг/кг | Дефицит баланса, % |
Мышьяк | 10,00 | 9,47 | 0,31 | 0,22 | 2,2 |
Мышьяк + Цеолит | 10,00 | 8,18 | 0,20 | 1,62 | 16,2 |
Мышьяк + Вермикомпост | 10,00 | 7,53 | 0,38 | 2,09 | 20,9 |
Мышьяк + Суспензия Chlorella vulgaris | 10,00 | 6,01 | 0,60 | 3,39 | 33,9 |
Дефицит баланса, составивший от 2,2% (вариант с мышьяком) до 33,9% (вариант с Chlorella vulgaris), может быть обусловлен следующими причинами: потерями мышьяка с дренажными водами, сорбцией на стенках сосудов, образованием летучих форм (арсина) в результате микробной трансформации, а также возможными аналитическими погрешностями. Для уточнения баланса необходимы дополнительные исследования с контролем всех путей миграции токсиканта.
Сравнительная оценка эффективности исследуемых мелиорантов позволяет говорить о целесообразности комплексного подхода к фиторемедиации чернозёмов, загрязнённых мышьяком, однако для обоснованных практических рекомендаций требуются дополнительные исследования. Минеральные сорбенты (цеолиты) в условиях проведённого опыта показали наибольшую эффективность в ограничении поступления токсиканта в растения (наименьший КН = 2,43), органические мелиоранты (вермикомпост) — в стимуляции формирования репродуктивных органов, а микробный препарат (Chlorella vulgaris) –в снижении остаточного содержания мышьяка в почве при одновременном увеличении его накопления в растениях. Перспективным направлением дальнейших исследований является изучение комбинированного применения различных типов мелиорантов для достижения синергетического эффекта при фиторемедиации.
5. Заключение
1. Установлено фитотоксическое действие мышьяка на рапс сорта Надежный 92 в концентрации 10 мг/кг почвы: высота надземной части снижается на 34,2%, длина корня — на 19,1%, количество стручков — на 60,4%, количество семян — на 91,7%.
2. Внесение цеолита (5 г/кг почвы) на фоне мышьякового загрязнения способствует снижению остаточного содержания мышьяка в почве на 18,2% и увеличению высоты растений на 13,2%, длины корня — на 21,7% по сравнению с контролем. Коэффициент накопления в этом варианте наименьший (2,43).
3. Применение вермикомпоста (5 г/кг) обеспечивает максимальное увеличение количества стручков (22,35 шт.) и снижение остаточного содержания мышьяка в почве на 24,7%. Отмечено увеличение содержания мышьяка в надземной части растений.
4. Суспензия Chlorella vulgaris на фоне мышьякового загрязнения обеспечивает наибольшее снижение остаточного содержания мышьяка в почве (на 39,9%) и стимулирует развитие корневой системы. Этот эффект сопровождается максимальным накоплением мышьяка в растениях (КН = 10,06).
5. Полученные результаты могут быть использованы для выбора мелиорантов при фиторемедиации чернозёмов, загрязнённых мышьяком, в условиях модельного эксперимента. Для разработки обоснованных практических рекомендаций требуются дополнительные исследования с построением полного материального баланса мышьяка и определением его форм нахождения в почве.