ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ МИГРАЦИИ КАДМИЯ В СИСТЕМЕ ПОЧВА-РАСТЕНИЕ

Из-за быстрого развития индустриализации все актуальнее становится проблема загрязнения окружающей среды и наносимый экологический ущерб. Наиболее заметно, в частности, чрезмерное попадание в почву тяжелых металлов

Кадмий – это тяжелый металл, который встречается в качестве естественного компонента земной коры наряду с медью, свинцом, никелем и цинком. В своих соединениях кадмий проявляет почти исключительно степень окисления +2, наиболее важным соединением кадмия является оксид кадмия CdO. Этот металл широко используется в батареях, гальванических покрытиях, сплавах, различных отраслях промышленности

Организм человека обычно подвергается воздействию кадмия при дыхании и употреблении пищевых продуктов. Бионакопление кадмия в организме человека и в пищевой цепи приводит к острым и хроническим интоксикациям за счет биоусиления. Последствия для здоровья включают нарушение процессов в желудочно-кишечном тракте, переломы костей, нарушение репродуктивной функции и, возможно, даже бесплодие, поражение центральной нервной системы и иммунной системы, психологические расстройства и другие изменения. Кадмий также может вызывать превращение нормальных эпителиальных клеток в канцерогенные клетки путем ингибирования биосинтеза белка

Потоки кадмия с промышленных предприятий попадают в почву, которая может загрязнять как растительное сырье, так и поверхностные воды. Органические вещества в почве поглощают кадмий, препятствуя выживанию различных растений и увеличивая риск поглощения этого токсичного металла с растительной пищей. Кадмий попадает в воздух и связывается с мелкими частицами, где он может соединиться с водой или почвой и вызвать загрязнение всех участников пищевой цепи (растений, морских животных и рыб, млекопитающих и птиц). Разливы на объектах с опасными отходами и неправильная их утилизация могут привести к утечке кадмия в близлежащие места обитания. Кадмий также попадает на пахотные земли в результате различных промышленных процессов и методов ведения сельского хозяйства. Металл занимает 7 место среди 20 крупнейших токсинов

Накоплению кадмия в растении способствует его мобилизация, поглощение и распределение в различных частях растения. Концентрация кадмия в растениях также является показателем его концентрации в почве, однако различные факторы, включая рН почвы, содержание органических веществ, взаимодействие с ионами других металлов, а также виды растений определяют его доступность в растениях

Анализ ряда экспериментальных данных образцов зерна пшеницы и образцов зерна ячменя показал, что концентрация кадмия в зерне положительно коррелирует с общим содержанием кадмия в почве и реакцией почвы (pH). Авторы также подчеркнули тот факт, что более высокая микробиологическая активность, нитрификация и внесение осадка сточных вод увеличивают вероятность токсичности кадмия, но восстановление почвы с помощью известкования может снизить уровень токсичности

Попав в корни, кадмий может сохраняться или транспортироваться к побегам через ксилему. Кадмий подвижен как в ксилеме, так и во флоэме. Прежде чем понять механизм накопления кадмия в растениях, необходимо изучить поглощение и транслокацию кадмия в модельной системе почва-корень-растение.

Для достижения цели исследования нами были поставлены следующие задачи: обзор литературных источников по изучению влияния кадмия на физиологические процессы и продуктивность растений; постановка опытов на модельных почвах; выращивание растений на модельных почвах; изучение влияния ионов кадмия (II) на рост различных растений; определение ионов кадмия (II) в системе почва-растение методом атомно-абсорбционной спектроскопии.

Перед началом эксперимента в качестве контрольного образца был выбран образец почвогрунта с биогумусом (рН) = 6,5.

В качестве загрязнителя был взят хлорид кадмия CdCl2×2,5 H2O (масса навески 0,005 г). Реагент был введен «мокрым» методом в десятикратном превышении предельно допустимой концентрации, установленной СанПиН 1.2.3685-21 «Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов среды обитания». В модельные и контрольные образцы почв были высажены семена горчицы сарептская (люкс) и горчицы микрозелень.

На следующем этапе выращенные на контрольном и модельных образцах почв культурные растения были срезаны и высушены при комнатной температуре в течение 3-5 дней. После этого проводилась пробоподготовка образцов почв и растений: объекты разлагались концентрированной азотной кислотой, после чего подвергались разложению в системе микроволнового разложения проб MARS 6.

Подготовленные пробы анализировались на содержание концентраций кадмия с помощью метода атомно-абсорбционной спектроскопии.

Выращивание растений производилось при температуре +20oС - +25oС, при интенсивном солнечном освещении. Частота полива зависела от влажности почвы. В ходе эксперимента нами оценивались морфологические и физиологические особенности роста и развития растений под действием ионов (II) кадмия.

Горчица росла быстро, плесень не появлялась, первые ростки появились на 3 день. На начальном этапе было отмечено, что в загрязненной кадмием почве зелень росла гуще и выше, чем в чистой (рис. 1, 2).

Рисунок 1 - Рост горчицы сарептская (люкс) на контрольном и модельном образцах

DOI:10.23670/IRJ.2023.138.89.1

Рисунок 2 - Рост горчицы микрозелень на контрольном и модельном образцах

DOI:10.23670/IRJ.2023.138.89.2

Далее в образцах, высаженных на модельной почве, снизилась интенсивность роста, наблюдалось очаговое пожелтение листьев (хлороз).

Следующий этап исследования вновь включал в себя срезания и сушка растений при комнатной температуре в течение 3-5 дней. Затем была проведена пробоподготовка и анализ образцов почв и растений.

В таблицах 1 и 2 и на рисунках 3-7 представлены результаты определения ионов кадмия (II) в системе почва-растения, полученные методом атомно-абсорбционной спектроскопии.

Рисунок 3 - Содержание ионов кадмия (II) в почве до и после посадки

DOI:10.23670/IRJ.2023.138.89.5

Рисунок 4 - Содержание ионов кадмия (II) в горчице сарептская (люкс)

DOI:10.23670/IRJ.2023.138.89.6

Рисунок 5 - Содержание ионов кадмия (II) в горчице микрозелень

DOI:10.23670/IRJ.2023.138.89.7

Рисунок 6 - Содержание ионов кадмия (II) в системе почва-растение

Примечание: горчица сарептская (люкс)

DOI:10.23670/IRJ.2023.138.89.8

Рисунок 7 - Содержание ионов кадмия (II) в системе почва-растение

Примечание: горчица микрозелень

DOI:10.23670/IRJ.2023.138.89.9

По результатам, представленным в таблице 1 и на рисунке 3, показано, что в контрольном образце почв ионы кадмия (II) не обнаружены. Концентрация ионов кадмия (II) в модельном образце измерялась после внесения химического реагента до посадки тест-культур и после их извлечения. Проведенный анализ показывает, что концентрация определяемых ионов в почвах, на которых выращивалась горчица сарептская (люкс) ниже, чем в почвах, используемых для выращивания горчицы микрозелень.

Анализ таблицы 2 и рисунков 4, 5 показывает, что накопление ионов кадмия (II) в системе корень-листья интенсивнее в горчице сарептская (люкс) по сравнению с горчицей микрозелень. Средняя концентрация ионов кадмия (II) составила 114,3 мг/кг-72,9 мг/кг и 68,5 мг/кг-42,5 мг/кг соответственно.

Сравнительный анализ отношения накопления кадмия в корнях горчицы сарептской (люкс) и горчицы микрозелень к накоплению его в побегах, представленный на рисунках 6 и 7 показал, что корневая система аккумулирует большую часть массы тяжелых металлов, по сравнению с ее побегами.

По интенсивности биологического поглощения все элементы делятся на группы:

1 – элементы энергичного накопления (КБП = 10-100);

2 – сильного накопления (КБП = 1-10);

3 – слабого накопления и среднего захвата (КБП = 0,1-1);

4 – элементы слабого и очень слабого захвата (КБП = 0,001-0,1).

По результатам проведенных исследований установлено, что кадмий, как в корнях, так и в листьях исследуемых тест-культур выступает в качестве элемента сильного накопления (КБП = 1-10).

Также в ходе экспериментальных исследований установлено, что горчица микрозелень, выращенная на почвах, загрязненных ионами тяжелых металлов (от 5 до 10 ПДК) по сравнению с горчицей сарептская (люкс) более устойчива к ионам кадмия (II).

Таким образом, по результатам проведенного скрининга тест-культур, выращенных на почвах, загрязненных ионами кадмия (II), показана их неустойчивость к кадмиевому загрязнению. Считаем, что в дальнейшем необходимо проведение полевых опытов по изучению динамики накопления ионов тяжелых металлов в горчице с целью установления накопления их растениями в естественной среде и выработки рекомендаций для фиторемедиации загрязненных территорий.