Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Экология arrow ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ТОКСИКОЛОГИЯ
Посмотреть оригинал

Накопление химических элементов растительными организмами

Концентрации химических элементов в подземных органах растений.

Накопление химических элементов в растениях начинается на этапе их корневого всасывания. Кажется очевидным, что увеличение содержания химических элементов в почве приводит к повышению их уровней в растениях. Имеет ли место прямая пропорциональная зависимость между содержанием тяжелых металлов в почвах и подземных органах растений?

В качестве примера приведем результаты наших исследований по изучению взаимосвязи между содержанием тяжелых металлов в почвах фоновых и техногенно нарушенных территорий и элементным составом травянистых растений этих биотопов (Жуйкова, 2009). На изученных нами участках (токсическая нагрузка от 1,00 до 22,78 отн. ед.) средние концентрации элементов в почвах увеличиваются от двух до пяти раз по Zn, Pb, Cd, Мп и почти в 50 раз по Си (табл. 5.5). Остальные элементы не показали четкой закономерности изменения в рассмотренном нами градиенте загрязнения.

В качестве примера в табл. 5.6 приведены концентрации химических элементов в корнях пяти видов растений, встречающихся во всем градиенте загрязнения в районе аэрогенных выбросов крупного металлургического комбината (Свердловская область, г. Нижний Тагил, 60° в. д., 58° с. ш.). Из таблицы видно, что с увеличением уровня токсической нагрузки содержание почти всех элементов в корнях возрастает.

Для анализа взаимосвязи между концентрацией химических элементов в корнях и содержанием соответствующих элементов почву отбирали пробы в непосредственной близости от корневых систем растений. В градиенте загрязнения были рассмотрены некоторые виды доми- нантов и содоминантов: Pimpinella saxifraga L., Taraxacum officinale s.l., Leontodon autumnalis L., Alchemilla vulgaris L., Artemisia vulgare L., Agrostis tenuis Sibtb., Dactylis glomerata L., Calamagrostis epigeios (L.) Roth.

В результате регрессионного анализа установлена корреляционная связь между содержанием тяжелых металлов в корнях растений и их концентрацией в почвах (табл. 5.7). Подобная зависимость была установлена и другими авторами (Алексеев, 1987; Алексеенко и др., 2014; Ильин, 2012). Однако не всегда имеет место прямая пропорциональность между содержанием химических элементов в почве и в корнях. Так, при увеличении содержания цинка в почве в 5 раз его концентрация в корнях изменяется в 3,5 раза, при росте содержания меди в почве в градиенте загрязнения в 50 раз ее содержание в корнях увеличивается лишь в 8 раз.

Отмеченные концентрационные особенности растений в значительной мере определяются наличием корневого барьера, как правило, препятствующего поступлению их избыточных количеств в ткани корня и побега (Алексеев, 1987; Безель и др., 1998а; Безель и др., 2007; Кабата-Пендиас и др., 1989). Роль корневого барьера в накоплении химических элементов растениями можно оценить при сравнении уровней элементов в почве и содержания соответствующих металлов в корневой системе (рис. 5.6). График показывает, что все точки, соответствующие кратности увеличения концентраций металлов в корнях, расположены ниже штриховой прямой, отражающей прямую пропорциональность увеличения их содержания в почвах. Следовательно, возрастание концентрации химических элементов в почвах сопровождается непропорционально низким их содержанием в корневой фитомассе, что свидетельствует о наличии биогеохимического барьера в системе «почва — корень» (Безель и др., 2007; Жуйкова и др., 2006).

Средние концентрации химических элементов в почвах, мкг/г (М ± т)

Si, отн. ед.

Zn

Си

Cd

РЬ

Со

Ni

Мп

Сг

Fe

1,00

44,71 ± 2,99

19,55 ± 1,06

0,13 ± 0,07

14,67 ± 0,72

21,13 ± 2,86

52,3 ± 3,59

587,72 ± 36,82

39,00 ± 6,14

10 123,38 ± 440,76

3,33

66,46 ± 5,59

30,85 ± 1,26

0,08 ± 0,01

17,51 ± 0,61

9,21 ± 1,10

54,43 ± 5,68

501,93 ± 45,55

61,34 ± 7,49

5808,38 ± 698,14

6,19

160,08 ± 27,70

75,74 ± 14,75

0,87 ± 0,29

36,29 ± 5,30

4,72 ± 1,29

44,64 ± 3,69

564,22 ± 38,74

32,32 ± 4,95

8941,67 ± 587,79

8,36

179,15 ± 22,79

118,33 ± 16,71

0,79 ± 0,35

43,56 ± 5,32

13,54 ± 5,12

58,89 ± 6,97

327,29 ± 24,71

42,77 ± 4,45

9967,32 ± 884,16

22,78

198,48 ± 15,14

964,10 ± 136,10

1,21 ± 0,14

69,47 ± 11,65

25,03 ± 3,23

69,17 ± 6,28

1395,61 ± 149,69

43,43 ± 3,14

9589,44 ± 506,95

— суммарная токсическая нагрузка на участках исследования.

Таблица 5.6

Концентрации химических элементов в подземных органах растений, мкг/г (М ± ш)

Токсическая нагрузка, отн. ед.

Zn2+

Cu2+

Cd2+

Pb2+

Co2+

Ni2+

Mn2+

Cr3+

Fe3+

Бедренец камнеломка (Pimpinella saxifraga L.)

1,00

31,9 ± 2,7

4,9 ± 0,8

0,1 ± 0

3,1 ± 1,1

1,7 ± 1,3

8,4 ± 1,45

17,3 ± 0,6

6,8 ± 0,1

818,8 ± 196,2

3,33

34,7 ± 7,8

19,7 ±4,7

0,2 ± 0,1

1,6 ± 0,6

1,8 ± 0,7

4,8 ± 2,6

24,4 ± 2,1

11,9 ± 1,3

765,2 ± 231,0

Токсическая нагрузка, отн. ед.

Zn2+

Cu2+

Cd2+

Pb2+

Co2+

Ni2+

Mn2+

Cr3+

Fe3+

8,36

58,40 ± 4,70

17,12 ± 4,18

0,1 ± 0,01

3,63 ± 0,60

3,09 ± 0,68

3,78 ± 0,00

25,20 ± 8,98

7,62 ± 4,2

255,03 ± 67,32

22,78

110,19 ± 48,64

22,80 ± 2,98

1,24 ± 0,1

4,30 ± 0,86

8,6 ± 2,7

18,1 ± 6,7

58,66 ± 5,05

11,1 ± 4,2

704,4 ± 145,6

Одуванчик лекарственный (Taraxacum officinale s.l.)

1,00

14,7 ± 1,8

5,3 ± 0,7

0,2 ± 0

1,2 ± 0,2

10,9 ± 5,5

4,9 ± 2,6

48,0 ± 16,1

27,2 ± 12,1

151,9 ± 46,3

3,33

37,8 ± 4,4

9,7 ± 1,1

3,38 ± 0,2

0,45 ± 0,13

71,98 ± 52,8

5,57 ± 1,8

31,3 ± 12,8

93,88 ± 28,9

421,23 ± 85,9

6,19

96,7 ± 20,4

88,99

2,4 ± 0,4

219,84

10,81 ± 4,3

80,92 ± 3,6

51,72

441,51

8,36

82,6 ± 17,8

13,4 ± 4,0

2,2 ± 0,01

3,9 ± 1,2

212,2 ± 0,4

10,7 ± 8,6

88,4 ± 10,1

13,5 ± 4,3

1013,2 ± 289,8

22,78

97,4 ± 29,3

212,4 ± 26,5

2,3 ± 1,6

53,1 ± 8,9

150,4 ± 51,0

121,2 ± 19,3

527,5 ± 70,9

34,1 ± 9,4

7236,9 ± 139,7

Кульбаба осенняя {Leontodon autumnalis L.)

1,00

39,49 ± 2,93

13,17 ± 3,55

4,29

0,35

10,80 ± 5,91

75,41 ± 36,67

10,23 ± 4,90

4152,98 ± 2078,39

3,33

36,43 ± 15,50

13,52 ± 0,49

0,47

5,16

12,20 ± 3,51

5,10 ± 4,44

159,9 ± 400,53

6,19

243,9 ± 1,0

166,0

3,8

1,4

23,5

181,5

14,2

423,7

Токсическая нагрузка, отн. ед.

Zn2+

Cu2+

Cd2+

Pb2+

Co2+

Ni2+

Mn2+

Cr3+

Fe3+

22,78

194,2 ± 36,2

42,95 ± 1,28

3,4

9,89 ± 1,2

10,6 ± 1,4

136,2 ± 12,4

336,7 ± 65,9

16,1 ± 5,7

8328,8 ± 209,8

Манжетка обыкновенная (Alchemilla vulgaris L.)

1,00

62,08 ± 11,06

7,08 ± 0,63

3,64

0,44

3,21 ± 0,47

40,47 ± 8,77

8,08 ± 1,94

322,03 ± 26,26

3,33

42,8 ± 14,9

18,9 ± 4,0

0,2 ± 0,1

6,8 ± 2,5

3,0 ± 1,2

1,54 ± 0,1

25,64 ± 8,8

24,3 ± 10,4

352,4 ± 19,2

6,19

31,3 ± 4,5

4,9 ± 0,3

4,6 ± 0,8

8,1 ± 2,7

8,6 ± 2,5

1,23 ± 0,2

229,0 ± 8,0

8,36

48,2

13,7

7,1

2,2

37,9

3,3

2634,5

22,78

161,4 ± 24,9

14,6

1,0

10,5

1,9 ± 0,7

3,35 ± 1,9

25,24 ± 1,87

12,20 ± 5,6

2251,73 ± 22,14

Полынь обыкновенная (Artemisia vulgare L.)

1,00

20,50 ± 3,98

10,64 ± 2,77

0,26

1,81 ± 0,11

0,35

5,76 ± 1,44

21,71 ± 5,18

6,24 ± 0,42

312,29 ± 86,59

3,33

33,34 ± 12,53

9,99 ± 0,76

1,69 ± 0,18

4,70 ± 2,72

12,84 ± 2,45

3,21 ± 0,55

417,20 ± 65,80

22,78

75,09 ± 24,88

13,97 ± 1,92

0,53

1,74 ± 0,91

6,67 ± 2,18

20,32 ± 1,41

1,38 ± 0,58

510,24 ± 128,77

Результаты регрессионного анализа зависимости содержания в корнях тяжелых металлов от их концентрации в почвах (характер зависимости Скорни = а + Ь • Спочва)

Элемент

N

R2

a ± sa

b ± sb

Zn

82

0,27***

30,8 ± 9,6

0,37 ± 0,07

Си

91

0,10**

9,53 ± 1,96

0,11 ± 0,04

РЬ

69

0,07*

4,75 ± 0,83

0,03 ± 0,01

Cd

49

0,0005

1,33 ± 0,39

0,0027 ± 0,01

Со

42

0,24***

3,5 ± 5,0

0,43 ± 0,12

Ni

63

0,008

4,9 ± 2,2

0,11 ± 0,16

Mg

81

0,07*

-1,2 ± 0,34

0,22 ± 0,09

Cr

60

0,03

11,2 ± 2,6

-0,23 ±0,17

Fe

76

0,10**

-882,4 ± 758,2

1,92 ± 0,71

* — р < 0,05; ** — р < 0,01; *** —р < 0,001.

Отмеченная кратность увеличения концентрации часто выражается в виде коэффициента накопления

где Скорни и Спочва — концентрации элементов в корнях и почвах соответственно.

Кратность накопления меди корневыми системами растений в зависимости от кратности ее изменения в почвах (по

Рис. 5.6. Кратность накопления меди корневыми системами растений в зависимости от кратности ее изменения в почвах (по: Жуйкова и др., 2006):

? — бедренец; ? — одуванчик; ? — кульбаба; О — полынь

Как правило, корневой барьер хорошо работает в диапазоне низких и средних концентраций металлов в почвах (Безель и др., 1998а; Жуйкова, 1999). В первую очередь среди механизмов защиты можно рассматривать иммобилизацию тяжелых металлов клеточными стенками корня. Последнее позволяет снизить их проникновение из почвы в цитоплазму и является одним из важнейших процессов, влияющих на устойчивость растений к избытку поллютантов в почве (Алексеева- Попова, 1991; Безель и др., 1998а; Гуральчук, 1994; Tyler, 1972). Кроме того, при накоплении большого количества тяжелых металлов в тканях корня начинают работать более высокоэффективные механизмы их детоксикации, к которым можно отнести образование различных хелаторов (органические кислоты, аминокислоты, фитохелатины и металлотионеины).

При достаточно высоких концентрациях металлов барьерная функция корней может нарушаться, коэффициент накопления стабилизируется вследствие пропорционального увеличения металлов в почве и корнях. В наших исследованиях (Безель и др., 1998а) были определены пороговые концентрации металлов в почвах, при которых нарушается эта барьерная функция у двух форм одуванчика лекарственного (Г. off. f. dahlstedtii и Т. off f. pectinatiforme, мкг/г): для цинка — 100, меди — 40, свинца — 70, кадмия — 0,3 (рис. 5.7).

Коэффициенты накопления металлов в зависимости от их содержания в почве Т. off. f. dahlstedtii (7) и Т. off. f. pectinatiforme (2)

Рис. 5.7. Коэффициенты накопления металлов в зависимости от их содержания в почве Т. off. f. dahlstedtii (7) и Т. off. f. pectinatiforme (2)

В силу видовой специфичности накопительных особенностей значения пороговых концентраций у разных видов растений могут существенно различаться. Так, в случае клевера лугового {Trifolium pratense L.) пороговые концентрации цинка в почве, при которых происходит нарушение корневого барьера, варьируют в пределах 30 мкг/г, по меди — 90 мкг/г (Жуйкова и др., 2012).

Уровни химических элементов в надземной части растений.

Следующим барьером, контролирующим депонирование растениями химических элементов, является процесс их поступления из корней в надземные органы. Значение этого барьера можно оценить, сравнивая кратности увеличения концентраций металлов в подземных и надземных органах растений. Концентрации металлов в надземных органах, как правило, меньше, чем в корнях тех же видов (рис. 5.8).

Содержание цинка у Alchemilla vulgaris [а) и меди у Pimpinella saxifrage (б) в фитомассе (у)

Рис. 5.8. Содержание цинка у Alchemilla vulgaris [а) и меди у Pimpinella saxifrage (б) в фитомассе (у): в корнях (7) и надземных органах (2) в зависимости от уровня соответствующего элемента в почвах (х)

Следовательно, поступающие в корни химические элементы могут прочно ими фиксироваться, не переходя полностью в надземную часть. Рисунок 5.9 свидетельствует о наличии подобного биогеохимического барьера в системе «почва — надземные органы».

Кратность изменения запаса химических элементов в подземной (а) и надземной (б) фитомассах луговых растений в зависимости от изменения кратности их концентраций в почвах (по

Рис. 5.9. Кратность изменения запаса химических элементов в подземной (а) и надземной (б) фитомассах луговых растений в зависимости от изменения кратности их концентраций в почвах (по: Безель и др., 2007)

Естественно, что при аккумуляции тяжелых металлов имеет место избирательное накопление некоторых элементов специфичными видами растений. При этом экологические условия определяют уровень содержания элементов в среде, а биологические особенности вида обусловливают колебания в накоплении химических элементов в фитомассе.

 
Посмотреть оригинал
< Предыдущая   СОДЕРЖАНИЕ   Следующая >
 

Популярные страницы