Исследование химических элементов в овощной продукции городских и сельских территорий

Для полноценной жизнедеятельности организма необходимы безопасная высококачественная пища и благоприятная экологическая среда. Агроценоз формирует определенную, необходимую для человека биопродукцию, которая характеризуется не только продуктивностью, но и показателями качества, которые зависят от уровня плодородия почв, одной из характеристик которого является сбалансированное для фитоценоза соотношение макро- и микроэлементов [2], [8].

Качество продукции, как результирующее метаболических и регуляторных процессов в растениях, более чувствительно к нарушению сбалансированной обеспеченности их элементами питания (N, P, K) и микроэлементами. Безопасность продукции обусловлена присутствием в ней химических элементов в количествах, не превышающих установленные для человека и животных уровни потребления [7].

Баланс необходимых макро- и микроэлементов в почве имеет важное значение.

Многочисленными исследованиями было установлено, что растения могут усвоить любой элемент из почвы, если он находится в растворимой и доступной для корневой системы, форме. Этот процесс зависит от показателя кислотности почвы (рН). Так, например, при уровне рН менее 5,5 (слабокислые и кислые почвы) такие элементы как медь, цинк, марганец и железо хорошо доступны для усвоения растениям. И наоборот, при рН равном 7 и выше (нейтральная и щелочная реакция почвы) медь, марганец, молибден, железо, цинк становятся малоподвижными и переходят в неусвояемую форму, накапливаясь в почве в виде тяжелых металлов [1], [12].

Чаще всего, ТМ аккумулируются в почве благодаря внесению большого количества пестицидов для уничтожения или прекращения развития насекомых, клещей, бактерий, вирусов, спор грибов, сорной растительности. При поступлении в почву токсичные элементы трансформируются. При бесспорной пользе и экономической эффективности пестицидов в защите растений имеется ряд негативных последствий, что связано с загрязнением окружающей среды, включая продукты питания человека и увеличение контакта с ними сельскохозяйственных животных, это может стать причиной острых и хронических отравлений [4].

Уровень содержания ТМ в растениях, величина их урожая, химический состав и технологические показатели с различной степенью коррелируют с содержанием ТМ в почве. Поэтому важной задачей является нормирование токсических веществ в почве, которая имеет свои специфические особенности. При разработке ПДК ТМ в почве применяются данные об их валовом содержании. Этот принцип нашел наибольшее распространение. А. Кабата-Пендиас и Х. Пендиас (1989) приводят данные различных авторов о валовом содержании ТМ в поверхностном слое почв, которое считается предельным по фитотоксичности [5].

В условиях антропогенного прессинга накопление ТМ в кормовых и овощных культурах часто достигает уровня, оказывающего вредное влияние на организм человека и животных [6].

Существенную важную роль в протекании всех физиологических и биохимических процессов, даже на уровне отдельно взятой клетки, играет содержание в почве питательных веществ. Особую реакцию растительные организмы проявляют на недостаток макро- и микроэлементов, а также на превышение уровней токсических загрязнений, оказывающих негативное влияние на рост и развитие растениеводческой продукции [3], [11].

При проведении исследований были использованы методы системного анализа, инструментальные методы оценки химического загрязнения, методы статистического анализа.

Подготовка и минерализация проб осуществлялись по следующим методикам:

ГОСТ 26929-94 Сырье и продукты пищевые. Подготовка проб. Минерализация для определения содержания токсичных элементов. - М.: Стандартинформ;

ГОСТ 31218-2003 (ISO 6498:1998) Межгосударственный стандарт. Корма, комбикормовое сырье. Подготовка испытуемых проб;

ГОСТ 32343-2013 (ISO 6869:2000) Межгосударственный стандарт. Корма, комбикорма. Определение содержания кальция, меди, железа, марганца, магния, калия, натрия и цинка методом атомно-абсорбционной спектрометрии. [10]

Содержание токсичных элементов и тяжелых металлов - на Атомно-абсорбционном спектрометре СоntrAA 300 и пакета программ.

Лабораторные исследования в 2017 г. были проведены в условиях Лаборатории ИНИЦ Южно-Уральского ГАУ г. Троицк, Челябинской области, в последующие года в лаборатории Агробиотехнологического центра ГАУ Северного Зауралья. Согласно общепринятым методикам, были отобраны образцы овощных культур: морковь посевная – Daucus carota L., свекла обыкновенная – Beta vulgaris L., картофель – Solanum tuberosum L., лук репчатый – Allium cepa L., выращенных на приусадебных участках городских и сельских территорий без учёта внесения минеральной подкормки.

При проведении исследований определялись химические элементы в моркови посевной, а анализируя уровень Mn, Fe, Cu и Co, можно заключить, что концентрации данных элементов были не велики и колебались в пробах моркови посевной в незначительных пределах. Содержание Mn варьировало от 0,6±0,15 до 5,81±0,35 мг/кг, Fe находилось в пределах от 1,02±0,17 до 5,32±0,39 мг/кг, а Co скорее проявлял следовые концентрации менее 0,01 мг/кг. При этом уровень Сu с установленной допустимой концентрацией равной 5,0 мг/кг, достигал максимум 2,09±1,12 мг/кг, что составило 0,42 допустимого уровня.

Системный анализ на основе корреляции для исследуемых элементов в корнеплодах моркови, выращенных на участках городских территорий в большинстве случаев показал прямую среднюю и сильную связь исследуемых элементов с подвижными формами металлов в почвах. Также выявлена закономерность обратной корреляционной связи Мn в корнеплодах моркови посевной c подвижной формой Fe (r=-0,5), Co (r=-0,42), и прямую сильную с Cd (r=0,65).

На величину концентрации Fe в корнеплодах при корреляционном анализе, обратное влияние оказывали большинство исследованных подвижных форм элементов: Zn (r=-0,89), Ni (r =-0,7), Cr (r=-0,56), а содержание Co зависело от концентраций подвижных Мn (r=0,85) и Ni (r=0,99).

В корнеплодах моркови корреляционная зависимость содержания микроэлементов выглядела следующим образом: Zn положительно коррелировал с Ni (r=0,98), Cd (r=0,99) и Cr (r=0,54), и находился в обратной зависимости с Pb (r=0,98) и Cu (r=0,95). Также отмечалась прямая связь Мn c Pb (r=0,99) и Cu (r=0,99). Сопоставляя полученные данные по содержанию исследуемых микроэлементов в корнеплодах свеклы обыкновенной, отмечено, что концентрации Mn и Fe отличались большей величиной и диапазоном. Так, высокая концентрация Mn выявлена в корнеплодах свеклы сельских территорий, где их количество достигло 12,67±0,76 мг/кг. Также в данных пробах отмечалось высокое содержание Fe – до 6,82±0,81 мг/кг. Большое количество Fe содержится и в свеклы.: до 5,31±0,55 мг/кг в корнеплодах, выращенных на городских территориях [9].

При проведении корреляционного анализа было установлено, что содержание элементов в корнеплоде зависело от количества их подвижных форм в почве (r=0,36-0,98). Наибольшими связями с подвижными формами среди исследуемых элементов обладали Fe (r=0,98) и Cu (r=0,89). Содержание элементов в корнеплодах свеклы также тесно коррелировало с подвижными формами других ТМ. Так, Mn растений находился в сильной прямой связи с подвижными Zn (r=0,98), Ni (r=0,91), Pb (r=0,87) и Cu (r=0,77). А Сu коррелировала с обратной связью: Fe (r=-0,76), Ni (r=-0,93) и Cd (r=-0,79).

В растениеводческой культуре взаимосвязь исследуемых элементов проявлялась в средней и сильной степени корреляционных связей друг с другом. Следует отметить, что на величину Fe в растении влияло содержание Ni (r=0,99) и Cd (r=0,98), а Со находился в обратных корреляционных связях с Cd (r=-0,42), Сr (r=-0,75) и Pb (r=-0,76).      

На следующем этапе наших исследований был определен уровень микроэлементов в клубнях картофеля, выращенных на территориях с разной антропогенной нагрузкой.

Нами установлено, что концентрации Cu во всех исследуемых пробах не превышали допустимого уровня (5,0 мг/кг) и находились в пределах 0,43 ± 0,07 – 1,66 ± 0,21 мг/кг, что составило 33 % от допустимой величины. Количество Mn варьировало от 0,45 ± 0,15 мг/кг до 6,25 ± 0,32 мг/кг, самая высокая концентрация Mn выявлена в корнеплодах картофеля, в городских территориях. Концентрации Fe в пробах колебались в небольших пределах: 1,36 ± 0,18 – 2,67 ± 0,17 мг/кг и максимальное содержание его выявлено в пробах картофеля из г. Тюмень (городская местность).

В большем количестве проб картофеля содержание Co не было обнаружено, при этом максимальная его концентрация составила 0,05 ± 0,019 мг/кг в корнеплодах городских территорий.

Проведение корреляционного анализа выявило закономерность влияния на концентрации данных микроэлементов в культуре картофеля подвижных форм элементов в почве. Наибольшая связь с подвижной формой элемента обнаружена у Сu и Co (r=0,97 и r=0,96 соответственно), в культурах, выращенных на городских территориях.

Кроме того, исследуемые микроэлементы коррелировали и с другими подвижными формами ТМ. Выявлены прямые связи концентрации Мn c подвижными Zn (r=0,86), Cd (r=0,96) и Со (r=0,91), а также Fe коррелировало с Pb (r=0,82).

При помощи корреляционного анализа установлено, что интенсивной взаимосвязью между собой обладают концентрации элементов в корнеплоде картофеля: Fe находилось в обратной связи с содержанием Mn (r=-0,68) и прямой зависимостью от Ni (r=0,93) и Co (r=0,91). При этом величина Со в картофеле на всех исследуемых участках зависела от концентрации Сr (r=0,58-0,98). Также установлено, что концентрации Cr находились в обратной связи с Cd (r=-0,89), Cu (r=-0,91) и Mn (r=-0,64).

При определении концентраций микроэлементов Мn, Fe, Cu и Со в луковицах лука репчатого, выращенных на городских и сельских территориях, получены данные, которые позволили охарактеризовать содержание Сu как референсное, не превышающее допустимой концентрации (5,0 мг/кг). При этом максимальное количество Сu было обнаружено в пробах лука репчатого, отобранного с городских участков и составило 0,45 ± 0,14 мг/кг. В сельских территориях концентрации Сu в луковицах меньше в 2 – 5 раз (до 0,17 ± 0,03 мг/кг).

Концентрации других элементов находились в пределах: Mn – 0,54 ± 0,11 – 1,75 ± 0,30 мг/кг, Fe – 1,74 ± 0,21 – 3,78 ± 0,35 мг/кг и Со менее 0,01 мг/кг.

Проведенный корреляционный анализ показал, что величина концентрации элементов в луке репчатом находились в прямой средней степени связи от содержания подвижных форм элемента в почве. Максимальными корреляционными связями данного вида, для изучаемых территорий, обладали Mn (r=0,65-0,72) и Cu (r=0,84-0,87). 

Кроме того, для концентрации тяжелых металлов в растениях лука репчатого было характерно влияние их друг на друга. Так, на содержание Mn оказывали влияние Zn (r=0,62) и Cd (r=-0,98), а Fe коррелировало с Сr (r=0,57) и Zn (r=-0,72).

Таким образом, при проведении исследований и анализе полученных данных установлено, что наибольшим суммарным содержанием Fe обладали свекла и картофель, что составило 6,82 ± 0,81 и 2,67 ± 0,17 мг/кг соответственно. В луке репчатом содержание Fe почти в 2 раза меньше, чем в свекле и в 1,4 раза меньше, чем в моркови. Суммарное содержание Mn в культурах варьировало в больших пределах (от 0,45 ± 0,15 до 12,75±1,15 мг/кг).

Максимальная общая концентрация Со – 0,18 ± 0,095 мг/кг была выявлена в пробах свеклы и 0,095 ± 0,035 мг/кг в моркови на участках городских территорий. Для остальных проб овощных культур, характерно невысокое содержание Со, не превышающее 0,01 мг/кг.