ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАННЕГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ СИСТЕМЫ ПОЧВА-РАСТЕНИЕ ОРГАНИЧЕСКИМИ ТОКСИКАНТАМИ

Курочкина Г.Н.

Кандидат химических наук, старший научный сотрудник. Учреждение Российской академии наук Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения (ИФХиБПП РАН)

 ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАННЕГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ  СИСТЕМЫ

ПОЧВА-РАСТЕНИЕ ОРГАНИЧЕСКИМИ ТОКСИКАНТАМИ   

Аннотация

В модельном эксперименте комплексом физико-химических методов исследования (адсорбционного, ЭПР- спектроскопии и люминесцентного микроспектрального анализа) установлена возможность раннего предупреждения об опасной концентрации органических загрязняющих веществ – компонентов топлива (нефтепродуктов, компонентов ракетного топлива и др.) в системе почва-растение. Пределы изменения интенсивности спектра ЭПР для гумуса почв, а также значения фотосинтетического потенциала растения, определяемого отношением интенсивности люминесценции хлорофилла (680 нм) к интенсивности люминесценции флавопротеинов (530 нм) – характеристический параметр “X”, зависит от вида и концентрации загрязняющего вещества в почве.

Ключевые слова: почва, растения, органические токсиканты,  гумус, спектры, интенсивность люминесценции.

 Kurochkina G.N.

Candidate Chemistry, Senior Research Fellow. Establishment of the Russian Academy of Sciences Institute of Physicochemical and Biological  Problems of Soil Science.  Pushchino, Moscov Region

 PHYSICOCHEMICAL STADY OF EARLY  CONTAMINATION OF THE SYSTEM

“SOIL-PLANT” BY ORGANIC TOXICANTS

Abstract

A possibility of early warning abaut hazardais concentration of organic pollutants: fuel components (petroleum products, rocket prope-llants etc.) has been ascetained in model experimentin the system “soil-plant” with the help of a set of physico-chemical investigative methods (adsorption, EPR– spectroscopy and luminescent micro-spectral analysis. The limits for changing intensity of EPR spectrum for soil¢s chumus, as well as the volne of plant photosynthetic potential determined by the ratio of the intensity of chlorophyll luminescence (650 nm) and the intensity of flavoproteins luminescence (530 nm), i.e. characteristic parameter “X”, depend on the type and concentration of contaminant in the soil.

 Keywords: soil, plants, organic toxicants, chumus, intensity luminescence  Введение.  Экологические проблемы, связанные с антропогенным загрязнением компонентов биосферы – почвы, растений, воды органическими токсикантами различной природы (нефтепродукты, компоненты ракетного топлива, поверхностно-активные вещества и др.) приняли глобальный характер. Это обусловлено резким увеличением масштабов их производства и применения, а также способностью поступать, трансформироваться  в не менее токсичные соединения и накапливаться в почвенно-растительной системе, вызывая необратимые изменения в ее структуре, часто приводящие к деградации почвы и гибели растений [3, 4].  Актуальной задачей в связи с этим становится раннее предупреждение об опасной концентрации органических загрязняющих веществ в системе почва-растение.

В данной работе в модельном эксперименте с целью ранней диагностики загрязнения комплексом физико-химических методов исследования  изучено влияние природы и концентрации органических токсикантов на примере азот- и углеводородсодержащих компонентов топлива на первичные химические процессы, протекающие в системе почва-растение.

 ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

В работе в качестве объекта исследования  использовали  серую лесную почву Московской области Верхнеокского района. Использовали пахотный горизонт (0-20 см) серой  лесной почвы, имеющей следующие физико-химические характеристики: содержание гумуса, % : 2,3  ±  0.05; рН солевой  -  5,5  ± 0,07; гидролитическая кислотность, мг-экв./100 г : 2,4 ±0,09;  сумма обменных оснований, мг-экв./100 г : 17,8 ± 0,52;  физическая глина, % : 37,4  ± 0,31; физический песок, %  : 62,6 ± 0,31; частицы менее 0,001 мм,%  : 14,3 ±0,28.

В качестве загрязняющего вещества использовали компонент ракетного топлива, в частности, главный из них и наиболее токсичный - несимметричный диметилгидразин (НДМГ) с характеристиками, подробно описанными в работах  [5-7]. По химическим свойствам НДМГ относится к ряду ор-ганических аминов (производное гидразина),  он обладает сильными восстановительными свойствами. При окислении НДМГ кислородом воздуха  образуется до 130 токсичных компонентов, в том числе нитрозоамины, диметилнитроамины, диметиламин, диазометан и др. По санитарным нормам НДМГ относится к 1 классу опасности (чрезвычайно вредные), обладает канцерогенными и мутагенными свойствами.  Его ПДК в почве составляет 0,1 мг/кг. НДМГ вносили в почву  от 0,05 до 1 г на кг почвы (до 1000 мг/кг, или до 10000 ПДК). В частности, были использованы 7 концентраций НДМГ, мг/г почвы, внесенных в серую лесную почву, и для этих образцов рассчитаны величины интенсивности спектра. Дозы НДМГ составляли, мг/г: 0;  0,05;  0,10;  0,20;   0,40;   1,0;   3,0  и изученным образцам почвы соответствовали  величины интенсивности спектра ЭПР:  31,25;   50,21;   63,43;  38,60;  30,62;  22,54;  16,45. В качестве органических загрязнителей были также использованы углеводородсодержащие компоненты топлива – бензин, дизельное топливо и моторное масло.

Реакция гумуса почвы на воздействие загрязнителей оценивалась методом ЭПР по трем параметрам: g-фактору, ширине и интенсивности спектра. [1]. Спектры ЭПР снимали на радиоспектрометре типа РЭ-1306. Состояние растения на примере проростков гороха, выращенных на почве, загрязненной компонентами топлива, изучали по изменению фотосинтетического потенциала с помощью люминесцентного микроспектрального анализа (компьютеризированный вариант) [2]. Пределы изменения интенсивности спектра ЭПР для гумуса почв, а также значение фотосинтетического потенциала растения, определяемого отношением интенсивности люминесценции хлорофилла (680 нм) к интенсивности люминесценции окисленных флавопротеинов митохондрий (530 нм) – характеристический параметр «Х», устанавливали в зависимости от вида и концентрации загрязняющего вещества в почве.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Показано, что НДМГ, в зависимости от концентрации, инициируя или ингибируя окислительно–восстановительные процессы в почве, вызывают незначительную деструкцию гумуса, что доказывается сохранением в большинстве случаев величины g-фактора (характеризующего состояние гумуса в почве). При этом небольшие дозы НДМГ (10-200 мг/кг почвы) повышают интенсивность спектра почвы по сравнению с контролем (табл.1.), что свидетельствует об инициировании процесса образования парамагнитных центров (ПМЦ) и, следовательно, о повышении химической активности почвы.

Таблица 1 - Влияние НДМГ на интенсивность спектра ЭПР серой лесной почвы и на фотосинтетический потенциал листьев проростков гороха, выращенного на этой почве.

 

Несмотря на токсические свойства НДМГ, малые дозы его интенсифицируют и рост растений, что установлено по снижению интенсивности спектра гетеротрофной компоненты при одновременном повышении интенсивности спектра хлорофилла (табл. 1 и рис.1). Выявленную закономерность влияния

концентрации НДМГ на парамагнитную активность почв проверили на растении – проростках гороха, выращенных на серой лесной почве. Оценка состояния проростков гороха, выращенных на серой лесной почве, загрязненной НДМГ проводилась по изменению фотосинтетического потенциала.

Рис. 1 - Спектры люминесценции листьев гороха, выращенного на серой лесной почве, загрязненной НДМГ при концентрации мг/кг почвы 1 - контроль, 2 - 10, 3 - 100.

Пределы изменения интенсивности спектра ЭПР для гумуса почв, а также значение фотосинтетического потенциала растения, подтвердили влияние концентрации НДМГ, загрязняющего почву, на рост растений. Так, несмотря на токсические свойства изученного компонента ракетного топлива, малые его дозы в почве интенсифицируют рост растений, что установлено по снижению интенсивности спектра  гетеротрофной компоненты при одновременном повышении интенсивности спектра хлорофилла. Повышение концентрации НДМГ от 100 мг/г почвы и выше приводит к повышению интенсивности спектра гетеротрофной компоненты растений при одновременном снижении спектра хлорофилла и, значит, к снижению фотосинтетического потенциала. Повышение концентрации НДМГ (от 400 мг/кг и выше) приводит к снижению ее парамагнитной активности, к еще большему повышению интенсивности спектра гетеротрофной компоненты растений при одновременном снижении спектра хлорофилла. Дальнейшее повышение концентрации НДМГ мало влияет на характер спектра ЭПР, величина g-фактора не изменяется, что свидетельствует об отсутствии деструкции гумуса. Однако высокие дозировки этого вещества оказывают стрессовое воздействие на почвенную микробиоту и разрушающее действие на гумус, а также приводят к явным нарушениям в росте и структуре листьев растения (пожелтение, появление пятен, хлороз и др.).

Аналогичное воздействие на почву и растение оказывают и углеводородсодержащие токсиканты, однако их негативное влияние проявляется при более высоких концентрациях. При повышенных концентрациях углеводородных загрязняющих веществ значительно ухудшаются водно-физические свойства почвы, в частности, повышаются ее олеофильные свойства и снижается ее способность сорбировать воду (табл.2).  

Таблица 2 - Статическая активность серой лесной почвы, загрязненной химическими веществами, к парам воды и бензина

Заключение. Таким образом, проведенные исследование первичных химических процессов при загрязнении системы почва-растение органическими азот- и углеводородсодержащими веществами с помощью физико-химических методов исследования позволяют заключить, что с их помощью можно получить оперативную информацию на молекулярном уровне о состоянии почвы на стадии изменения химической активности гумуса и растения по реакции автотрофного организма через состояние энергетической системы.

Полученные пределы изменения интенсивности спектра ЭПР для чистой и загрязненной почвы, а также значения фотосинтетического потенциала растений, выращенных на этой почве, позволяют выработать оценочные критерии для ранней диагностики загрязнения системы почва-растение органическими токсикантами. Эти исследования представляют практический интерес для проведения экологических обследований загрязненных территорий как вблизи, так и вдали от источника загрязнения.

Литература

1. Вертц Дж., Болтон Дж. Теория и практические приложения метода ЭПР. М.: Мир.1975. 548 с.
2. Карнаухов В.Н. Спектральный анализ клеток в экологии и охране окружающей среды. Пущино. 1988. 123 с.
3. Керженцев А.С. Режимы почв как основа их изменчивости в пространстве и во времени. Автореферат дис. доктора биол .наук. Новосибирск. 1993. 24 с.
4. Ковда В.А. «Почвенный покров, его улучшение, использование и охрана» М.: Наука. 1981. 182 с.
5. Курочкина, Г. Н., Керженцев А.С., Соколов О.А. Физико-химическое исследование загрязнения почв компонентами ракетного топлива // Почвоведение. 1999. № 3. С. 359-369.
6. Курочкина, Г.Н., Гайдалович В.Г., Хакимов Ф.И. Парамагнитная активность органического вещества почв Убсу-Нурской котловины // Почвоведение. 2006. № 7. С. 812-823.
7. Курочкина, Г.Н., Гайдалович В.Г. Влияние загрязнения несимметричным диметилгидразином на почвы Убсу-Нурской котловины // Агрохимия. 2010. № 5. С. 59-71.