В настоящей работе рассмотрены результаты модельных экспериментов, проведенных с целью изучения влияния ионов меди и свинца на рост и кумулятивные свойства пектинсодержащих растений. Для проведения эксперимента был подготовлен ряд модельных образцов почв, загрязненных ионами меди и свинца «сухим» методом. В качестве контрольного образца выступал образец почвогрунта с биогумусом. В контрольный и модельные образцы почв были высажены семена пектинсодержащих растений, таких как клевер луговой, горох «Сахарный2», петрушка листовая «Гигант» и фасоль овощная «Малахит». По окончании выращивания в образцах почв и растений определялось содержание меди и свинца методом атомно-абсорбционной спектроскопии. Установлено, что на чувствительность ростовых процессов исследованных пектинсодержащих культур, большее влияние оказывают ионы меди по сравнению с ионами свинца. При этом все исследуемые виды растений устойчивы к свинцовому загрязнению.
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).
Всходы Клевера лугового, чистая почва
Интенсивный рост растений, модельная почва (Pb)
Рост растений, модельная почва (Pb)
Рост растений, модельная почва (Cu)
Результаты определения ионов свинца и меди в образцах почв и растений представлены в таблице 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.
The additional file for this article can be found as follows:
Further description of analytic pipeline and patient demographic information. DOI:
None