Транслокация некоторых тяжелых металлов в ткани овса посевного (Avena Sativa)

Работа посвящена изучению транслокации Cu, Zn, Fe и Mn в ткани овса посевного, при модельном загрязнении минеральной и органогенной почвы сульфатами этих металлов в концентрации, соответствующей 2 ПДК. В тканях овса наблюдалась высокая аккумуляция Cu и Mn, по сравнению с Zn и Fe. Выращивание овса посевного на равнозагрязненной органогенной и минеральной почве привело к большему накоплению металлов в тканях растений в эксперименте с минеральной почвой, что предположительно связано с большей способностью металлов к транслокации в минеральной среде. Особенно высокое содержание Cu, Zn, Fe, Mn было обнаружено в подземной части растений, находящейся в непосредственном контакте с токсикантами.

Целью работы стало: изучение процесса транслокации мягких (Cu2+ Zn2+) и жестких катионов (Fe2+ Mn2+) раздельно и совместно в ткани овса посевного.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи: 1. Изучение всхожести семян овса при их прорастании в загрязненной почве и песке; 2. Измерение морфометрических показателей растений по окончании эксперимент; 3. Определение содержания тяжелых металлов в золе и тканях растений; в почвах в водорастворимой подвижной и валовой форме.

В настоящее время активная антропогенная деятельность приводит  к загрязнению окружающей среды тяжелыми металлами (ТМ). В почве корни растений поглощают вместе с водой и питательными веществами ТМ, что приводит к их накоплению в фитоценозе. Высокое содержание тяжелых металлов в растениях приводит к нарушениям жизнедеятельности растений на организменном и клеточном уровне, и в конечном итоге к их гибели [1].

Материалом для исследований стали проростки овса посевного. В качестве поллютантов были выбраны Cu, Zn, Fe, Mn в виде сульфатов: CuSO₄*5H₂O, ZnSO₄*7H₂O, FeSO₄*7H₂O, MnSO₄*5H₂O. Уровень загрязнения был выбран на отметке в 2 ПДК по валовому содержанию соответствующих металлов в почве [2]. Для Fe, в силу отсутствия нормативов по содержанию в почве, было решено использовать его в 2 различных количествах: 23,5 г/кг и в содержании, равном количеству вносимого Mn (3,00 г/кг). Использовалось два типа почв: органогенная (торфяная) и минеральная (песок). Соответствующие сульфаты, находившиеся в виде порошка, перемешивали с почвой, а затем помещали в нее семена овса. Варианты опыта представлены в таблице 1.

Таблица 1. Сведения об экспериментах

Тип почвы	Вариант опыта	Модельное загрязнение, г/кг
		Эксперимент I		Эксперимент II
		Cu	Zn	Mn	Fe
					Вариант a	Вариант б
Органогенная	К	-	-	-	-	-
	О1	0,11	-	3,00	-	-
	О2	-	0,20	-	3,00	23,5
	О3	0,20	0,20	3,00	3,00	23,5
Минеральная	К	-	-	-	- - 3,00 3,00
	О1	0,11	-	3,00
	О2	-	0,20	-
	О3	0,20	0,20	3,00

Каждый вариант состоял из 10 параллелей, в каждой повторности использовалось 30 растений, эксперимент длился две недели.  Было измерено содержание Cu, Zn, Fe, Mn: 1) в семенах, надземной и подземной части растений после проращивания овса, при этом использовалась стандартная методика [3]. Также исследовали всхожесть семян и морфометрические показатели растений. Полученные результаты были подвергнуты стандартной статистической обработке [4]. 

Накопление Cu в корневых частях растений, выращенных на загрязненной почве, оказывается более выражено, чем для Zn, максимальный уровень – 25 мг/кг. Абсолютное содержание Zn в растениях оказывается больше: максимальное значение составляет 47 мг/кг в подземной части растений в опыте с органогенной почвой и 65 мг/кг в надземной части в опыте с минеральной почвой – различие с контролем в 2-3 раза. В аналогичных опытах с загрязнением почвы Cu превышение уровня контроля (К) в подземной части растения доходит до 10 раз.

В целом, абсолютное содержание Mn в тканях овса было выше, чем содержание Fe. Токсичным уровнем Mn в тканях растений считается 300-500 мг/кг сухой массы [5] Было обнаружено, что выращивание овса в загрязненной Mn почве приводит к его аккумуляции от 360 до 2750 мг/кг, что выше рекомендуемого безопасного уровня.  Аккумуляция Mn растениями относительно контроля составляла 15 – 40 раз и была более выражена, по сравнению с аккумуляцией Fe (5-7 раз). Накопления Fe в тканях овса, выращенного на органногенной почве, не наблюдалось. О слабой аккумуляции железа растениями известно из 57].

Также обращает на себя внимание то, что количество меди в варианте с комбинированным действием двух металлов (О3) оказывается меньше (3-5 мг/кг), чем в моноопыте О1 (10 мг/кг). Очевидно, присутствие цинка, имеющего, в силу меньшей комплексообразующей способности, меньшее сродство к органическим хелатообразующим лигандам, содержащимся в почвенном гумусе, конкурентно снижает транслокацию меди. Содержание цинка, в свою очередь, в вариантах О3 и О2 различается не так существенно. Полученные данные об антагонистическом поглощении Cu  и Zn согласуются с данными литературы [5]. 

Был обнаружен антагонизм Fe и Mn в эксперименте с минеральной почвой. В эксперименте с использованием торфа определенной закономерности во взаимодействии данных элементов выявить не удалось.

Содержание Cu, Zn, Fe, Mn в тканях овса, выращенного в минеральной почве, оказалось больше, чем в опыте с органогенной почвой. Это подтверждает то, что в органогенной почве ТМ связываются гумусом, что приводит к снижению их подвижности и меньшей транслокации в растения, по сравнению с минеральной почвой.

Примечательно, что в подземной части растения всех металлов накапливалось больше, чем в надземной части, поскольку корень находится в непосредственном контакте с поллютантом, а также является первым органом на пути тяжелых металлов в остальную часть растения [1]. В минеральной почве распределение тяжелых металлов между надземной и подземной частью растения, особенно меди и железа, было более неравномерным. Вероятно, что в условиях большего поступления меди в растения, барьерная функция корней усиливается.

1) Ильин, В.Б. Тяжелые металлы в системе почва-растение / В.Б. Ильин – Новосибирск: Наука, 1991. – 152 с.
2) Мукатанов, А. Х. Вопросы эволюции и районирования почвенного покрова Республики Башкортостан / А.Х. Мукатанов Уфа: Гилем, 1999. - 228 с.
3) Методика определения содержания тяжелых металлов в золе растений – М.: Высшая школа, 1990. – 32 с.
4) Лакин, Г. Ф. Биометрия / Г.Ф. Лакин - М.: Просвещение, 1980. - 213 с.
5) Каббата-Пендиас, А., Пендиас, Х. Микроэлементы в почвах и растениях / А. Каббата Пендиас, Х. Пендиас – М.: Мир, 1989. – 440 с.

The article is devoted to research of Cu, Zn, Fe, Mn translocation into tissues of oat. The model contamination of mineral and organogenic soil by sulfates of these metals in concentration of 2 MPL was used in the experiment. It was discovered that Cu and Mn accumulation in tissues of oat is greater than accumulation of Zn and Fe. Growth of oat on equally polluted organogenic and mineral soil resulted into greater accumulation of metals in the experiment with mineral soil, which can be related to greater ability of metals to translocate in mineral soil. Especially high concentration of Cu, Zn, Fe, Mn was detected in underground part of plant, which is in the contact with pollutants.