THE INFLUENCE OF HEAVY METAL IONS (ON THE EXAMPLE OF COPPER AND LEAD) ON PLANTS' CONDITION AND GROWTH
THE INFLUENCE OF HEAVY METAL IONS (ON THE EXAMPLE OF COPPER AND LEAD) ON PLANTS' CONDITION AND GROWTH
Abstract
In the present work, the results of model experiments carried out to study the effect of copper and lead ions on the growth and cumulative properties of pectin-containing plants are analysed. A number of model soil samples contaminated with copper and lead ions by the "dry" method were prepared for the experiment. A soil sample with biohumus acted as a control sample. Seeds of pectin-containing plants such as meadow clover, pea "Sakharny2", parsley leaf "Gigant" and vegetable bean "Malachit" were planted in the control and model soil samples. At the end of cultivation, the content of copper and lead was determined in soil and plant samples by atomic absorption spectroscopy. It was found that copper ions had a greater influence on the sensitivity of the growth processes of the studied pectin-containing crops compared with lead ions. At the same time, all the studied plant species are resistant to lead contamination.
1. Введение
На сегодняшний день актуальной является проблема антропогенного загрязнения окружающей среды. По данным многочисленных исследований показано, что степень загрязнения биологических объектов различными ксенобиотиками неуклонно возрастает [1], [4], [9], [10].
Загрязнение окружающей среды ионами тяжелых металлов оказывает отрицательное воздействие на систему почва-растение. Культуры и растения, выращенные на загрязненной почве, поглощают большую часть загрязнения, что является следствием транслокации тяжелых металлов и других полютантов в продукты питания [5].
Загрязнение почвы может повлиять на накопление токсичных веществ в пищевых цепях. Растения в большинстве случаев не способны приспособиться к резким изменениям химического состава почвы, что влияет на микроорганизмы, находящиеся в ней. Посредством этого влияния начинаются процессы деградации почвы, вследствие чего огромные участки земли становятся бесплодными и непригодными для возделывания культур. Тем не менее те растения, которые развиваются на этих загрязненных территориях, сохраняют и накапливают токсичные элементы, и, двигаясь по пищевой цепи попадают в организм человека [8].
В организме человека происходит биоаккумуляция токсинов, вызывающая хронические отравления и приводящая к различным заболеваниям. Репродуктивное здоровье, врожденные дефекты и дефекты развития, неврологические эффекты, мутации в клетках организма, ведущие к онкологическим заболеваниям, все эти факторы находятся на подъеме сегодня [6].
Свинец является наиболее опасным токсичным тяжелым металлом в окружающей среде. Анализ медицинских данных по регистрации токсичных веществ выводит этот металл на первое место среди тяжелых металлов и на второе место среди всех ксенобиотиков [11].
Нервная система больше всего страдает от воздействия высоких концентраций свинца как у детей, так и у взрослых. Повышенные концентрации свинца могут привести к нарушению нейроповеденческого развития, нарушениям речи, плохой концентрации внимания. Анализ ряда исследований показал, что свинец может проникать через плацентарный барьер у беременных женщин с высоким его уровнем в крови, вызывая аномалии плода, такие как, энцефалопатию, неврологические расстройства, нарушение уровня кальция в нервных клетках [7].
Медь является очень распространенным элементом, который естественным образом встречается в окружающей среде и распространяется в окружающей среде в результате природных процессов.
Медь можно найти во многих видах пищи, в питьевой воде и в воздухе. Из-за этого мы поглощаем огромное количество меди каждый день с едой, питьем и дыханием. Поглощение меди необходимо, потому что медь является микроэлементом, необходимым для здоровья человека. Несмотря на то, что человек может справляться с пропорционально большими концентрациями меди, слишком большое ее количество может вызвать серьезные проблемы со здоровьем [2].
Длительное воздействие меди может вызвать ряд изменений в организме человека, такие как раздражение слизистой оболочки и глаз, головные боли, нарушение действия желудочно-кишечного тракта, головокружение, высокое потребление меди может вызвать повреждение печени и почек и даже смерть. В настоящее время есть ряд исследований, указывающих на связь между длительным воздействием высоких концентраций меди и снижением интеллекта у подростков [3].
Таким образом, природа минимизирует опасности для жизни и здоровья человека, а человек их максимизирует. Последние два столетия были свидетелями неизбирательного освоения и чрезмерной эксплуатации природных ресурсов человеком, что привело к изменению и ухудшению нашей собственной окружающей среды. Современным методом извлечения токсичных веществ из почв является фиторемедиация, сущность которой заключается в использовании объектов растительного происхождения в качестве биоремедиантов. С этой целью проводятся исследования по выявлению толерантных к металлам культурных растений.
2. Методы и принципы исследования
Для достижения цели исследования нами были поставлены следующие задачи:
- изучение литературных данных по химическому составу ряда растений;
- оценка роста и накопления меди и свинца растениями, подвергшимися воздействию различных уровней в разные периоды роста;
- определение способности растений переносить и перемещать высокие концентрации меди и свинца.
На начальном этапе эксперимента в качестве контрольного образца был выбран образец почвогрунта с биогумусом (рН) = 6,5.
С целью изучения влияния ионов меди и ионов свинца на рост и развитие растений, а также их кумулятивной способности, нами были подготовлены модельные образцы почвогрунта с биогумусом (рН) = 6,5, которые подверглись загрязнению ионами тяжелых металлов. В качестве загрязнителей были взяты нитрат свинца Pb(NO3)2 (хч.) и пентагидрат сульфата меди CuSO4×5H2O (техн.). Реагенты были введены «сухим» 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» (ПДК Pb – 6,0 мг/кг; ПДК Cu – 3,0 мг/кг).
В качестве экспериментальных были выбраны следующие растения, содержащие повышенное количество пектина:
• клевер луговой;
• горох «Сахарный 2»;
• петрушка листовая «Гигант»;
• фасоль овощная «Малахит»;
В контрольный и модельные образцы почв были высажены семена вышеприведенных растений. Выращивание производилось при температуре +200С - +250С, при интенсивном солнечном освещении. Частота полива зависела от влажности почвы.
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 чего проводилась пробоподготовка образцов почв и растений: объекты разлагались концентрированной азотной кислотой, после чего подвергались обработке в системе микроволнового разложения проб MARS 6.
Подготовленные пробы анализировались на содержание концентраций свинца и меди с помощью метода атомно-абсорбционной спектроскопии по методике М 04-64-2017, включенной в перечень стандартов технического регламента «О безопасности пищевой продукции».
3. Основные результаты
В ходе эксперимента первым пророс Клевер луговой, при этом более быстрые всходы были в образце с чистой почвой.
Результаты первого этапа экспериментальных исследований показали, что в образцах, выращенных как на чистой почве, так и на почве, загрязненной ионами тяжелых металлов, в течение всего времени наблюдения, растения развивались интенсивно, всходы были дружные, стебель и листья имели насыщенный зеленый цвет. Образцы к концу наблюдений не теряли окраски, рост растения не замедлялся.
Также следует отметить, что повышенная концентрация свинца в почве, не повлияла на замедление развития растений, богатых пектином. При этом установлено, что более активный рост растений наблюдался в почве, загрязненной свинцом (рис. 1-4).
Рисунок 1 - Всходы Клевера лугового, чистая почва
Рисунок 2 - Интенсивный рост растений, модельная почва (Pb)
Рисунок 3 - Рост растений, модельная почва (Pb)
Рисунок 4 - Рост растений, модельная почва (Cu)
Таблица 1 - Результаты определения ионов свинца и меди
Концентрация ионов тяжелых металлов | Контрольный образец почвы, мг/кг | Модельный образец почвы, мг/кг | Растения, мг/кг |
Клевер луговой | |||
Свинец (Pb) | не обнаружен | 27,10 | не обнаружен |
Медь (Cu) | 11,58 | 32,85 | 45,8 |
Горох «Сахарный 2» | |||
Свинец (Pb) | не обнаружен | 96,40 | не обнаружен |
Медь (Cu) | 12,4 | 35,2 | 41,5 |
Петрушка листовая «Гигант» | |||
Свинец (Pb) | не обнаружен | 76,60 | не обнаружен |
Медь (Cu) | 3,01 | 28,36 | 20,16 |
Фасоль овощная «Малахит» | |||
Свинец (Pb) | не обнаружен | 42,00 | не обнаружен |
Медь (Cu) | 1,97 | 20,50 | 17,96 |
Выполненные исследования позволили установить, что под влиянием свинцового загрязнения такие пектинсодержащие культуры, как клевер, горох, петрушка и фасоль не проявляют кумулятивных свойств по данному металлу, ни в одном из исследуемых образцов не обнаружено содержание ионов свинца.
Под влиянием загрязнения почв ионами меди, выявлено, что большей кумулятивной способностью обладает Клевер луговой и Горох «Сахарный2», концентрация ионов меди составила 45,8 мг/кг и 41,5 мг/кг соответственно. Наименьшей кумулятивной способностью обладают Петрушка листовая «Гигант» и Фасоль овощная «Малахит» - 20,16 мг/кг и 17,96 мг/кг соответственно.
4. Заключение
Таким образом, по результатам проведенного эксперимента установлено, что на чувствительность ростовых процессов пектинсодержащих культур, большее влияние оказывают ионы меди по сравнению с ионами свинца. Все исследуемые фитоэкстрактивные виды устойчивы к свинцовому загрязнению.
Считаем необходимым проведение дальнейших исследований по изучению механизма попадания тяжелых металлов в различные части культурных растений (прикорневая часть, стебель, плоды), расширению экспериментальных точек ионами других тяжелых металлов, таких как кадмий, цинк, кобальт. В дальнейшем планируется изучение корреляции между содержанием ионов тяжелых металлов в почве и различных растений.