Почвоведение, 2023, № 3, стр. 393-404

ВВЕДЕНИЕ

Прогрессирующее загрязнение окружающей среды соединениями тяжелых металлов антропогенного происхождения представляет серьезную опасность для растений, животных и человека. Около 11% почв территории России имеют высокий уровень техногенного загрязнения этими элементами, в ряде регионов данный показатель значительно больше среднего уровня, что приводит к нарушению естественных биогеохимических циклов веществ, накоплению токсичных элементов в трофических цепях, первым звеном которых является растение, а конечным – человек [17, 24, 25, 27, 34, 36]. Этому способствуют такие свойства тяжелых металлов (ТМ), как токсичность, низкая миграционная способность многих из них и недоступность биоразложению. Загрязнение окружающей среды ТМ стало серьезной и широко распространенной экологической угрозой, особенно в городах и крупных промышленных агломерациях [22].

Бóльшая часть антропогенных выбросов ТМ в той или иной форме аккумулируется в почвах, делая их токсичными для живых организмов [8]. Как показали исследования последних лет, техногенные соединения ТМ в почвах ведут себя сложным образом. В естественных условиях они термодинамически нестабильны и потому более реакционноспособны по сравнению с соединениями ТМ в незагрязненных почвах. В процессах трансформации соединения ТМ переходят в более устойчивые формы, которые накапливаются в почвах до концентраций, многократно превышающих фон и значения предельно допустимых концентраций (ПДК) [20]. В Европейском союзе запрет на использование этилированного бензина вышел в 2000 г. Отдельные страны-участницы ЕС ввели запрет на него еще раньше. Несмотря на использование свободного от свинца топлива и катализаторов, поглощающих вредные выбросы, в придорожных экосистемах постоянно обнаруживается высокое остаточное содержание свинца, что представляет серьезную экологическую проблему [11, 18, 27, 33, 37]. Следует отметить, что самоочистка почв от загрязнения ТМ – процесс весьма медленный. Уменьшение концентрации ТМ в почвах в 2 раза зависит от типа почвы и занимает для кадмия – 13–110 лет, цинка – 70–510 лет, ртути – 250 лет, меди – 310–1500 лет, свинца – 770–5900 лет при сохранении их токсических свойств [16].

Токсичность ТМ по отношению к живым организмам обусловлена целым рядом физических и химических особенностей соединений металлов, условий среды и свойств организмов: электронной конфигурацией ТМ, электроотрицательностью, потенциалом ионизации, величиной окислительно-восстановительного потенциала, сродством к отдельным химическим группам твердых фаз, а также способностью проникать через клеточные оболочки растений и образовывать прочные соединения на поверхности и внутри клетки [1, 10, 29]. По токсичности к живым организмам ТМ в общем образуют ряд: Hg > Cu > Zn > > Ni > Pb > Cd > Cr > Sn > Fe > Mn > Аl [21], хотя в зависимости от вида организма и критериев оценки, порядок элементов в рядах токсичности может изменяться [3]. ТМ обладают кумулятивным действием и способны накапливаться в живых организмах [31, 32, 35].

Свойства почвы играют важнейшую роль в биодоступности тяжелых металлов. Уровень накопления этих соединений в растениях помимо прочего зависит от pH среды, влажности почвы, состава и свойств твердых фаз, свойств самого металла и вида растения [22, 23, 25, 26, 28].

В настоящее время среди ученых и специалистов достигнуто понимание того, что сорбция ТМ почвами и их компонентами является ключевым фактором, регулирующим их поведение и функции в системе почва–раствор–растение, в том числе возможность вхождения ТМ в трофические цепи [38]. Однако механизмы стабилизации ТМ в почвах изучены недостаточно. Почва является поликомпонентным гетерофазным природным телом, в котором реализуются разнообразные механизмы взаимодействия тяжелых металлов с твердыми компонентами почв и компонентами почвенного раствора. Показана возможность образования внешне- и внутрисферных поверхностных комплексов (неспецифическая и специфическая адсорбция), формирование поверхностных и собственных малорастворимых соединений, соосаждение с солями других металлов, гетеровалентное изоморфное замещение центральных атомов в структуре глинистых минералов почв и образование собственных аутигенных минералов [12–14]. Все эти механизмы и условия их реализации крайне слабо изучены в комплексе и, особенно, их взаимосвязь с составом, свойствами почв и поведением ТМ.

Цель работы – исследование влияния состава и свойств почв, загрязненных разными дозами ацетата меди, на морфометрические характеристики растений ярового ячменя и разработка метода оценки ПДК Cu на основе полученных данных.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

Для выявления роли физических, химических и биологических (питание) факторов на развитие растений в присутствии ионов Cu²⁺ в почвах был поставлен многофакторный эксперимент с использованием двух почв, почвенно-песчаных субстратов на их основе и ацетата меди (Cu(OAc)₂·H₂O). Ацетат меди использовали, чтобы не вносить в почву дополнительных элементов питания в виде нитрат иона. За основу для приготовления субстратов брали верхние гумусовые горизонты (0–20 см) серой лесной почвы (Haplic Luvisol Siltic) с опытной полевой станции Института физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН (Московская область) и чернозема обыкновенного карбонатного (Haplic Calcic Chernozem) из особо охраняемой природной территории Персиановская степь (Ростовская область). Образцы почв высушивали, удаляли неразложившиеся растительные остатки, аккуратно разминали комочки почвы пестиком с резиновым наконечником и просеивали через сито с размером ячеек 1 мм.

Речной песок отмывали раствором 0.1 М HCl несколько раз, затем водопроводной водой до полного удаления растворимых в кислоте солей и высокодисперсных фракций, затем дистиллированной водой до отсутствия реакции на Cl. Высушивали и просеивали через сито с размером ячеек 1 мм. Песок использовали для приготовления почвенно-песчаных субстратов в качестве относительно нейтральной добавки, которая обладает очень низкими физико-химическими характеристиками и не оказывает существенного влияния на развитие растений, но разбавляет почву и тем самым уменьшает количественные характеристики аддитивных показателей состава и свойств почвы при сохранении их качественных характеристик. Основные физические и химические свойства исследуемых почв и почвенно-песчаных субстратов на их основе представлены в табл. 1.

Вегетационные эксперименты проводили в соответствии со схемой, представленной в табл. 2 в трехкратной повторности. Влияние состава и свойств субстратов и разных доз ацетата Cu на развитие растений ячменя исследовали методом проростков. В качестве растений использовали ячмень яровой сорта “Ратник” (Hordeum sativum distichum). Предварительно оценивали всхожесть и силу прорастания семян по методикам, описанным в ГОСТ 12038-66 и 12040-66.

Для вегетационных экспериментов готовили 4 серии сосудов с субстратом в трех повторностях. Предварительно готовили соответствующие субстраты почвы с песком сразу для трех сосудов и вносили туда необходимые количества растертого порошка Cu(ОAc)₂·H₂O. Смесь тщательно перемешивали и помещали в вегетационные сосуды по 1 кг в каждый. Затем в сосуды добавляли дистиллированную воду в количестве 60% полной влагоемкости и оставляли на 14 сут при постоянной температуре (22–25°С) и влажности и периодическом перемешивании в сосудах. При этом учитывали изменения полной влагоемкости при добавлении песка (вес. %): почва (100%) – 33.4, почва + 25% песка – 28.0, почва + 50% песка – 24.1, почва + 75% песка – 17.8, песок (100%) – 15.0. В каждый сосуд высаживали по 10 зерен ярового ячменя, сосуды взвешивали на технических весах. Влажность в сосудах поддерживали периодическим поливом дистиллированной водой. Необходимое количество влаги определяли взвешиванием. Выращивание ячменя продолжали в течение месяца при неизменных условиях. Через месяц растения ячменя убирали, измеряли длину и массу целого растения, надземной части и корней, а также сухую биомассу растений.

В качестве общего контроля использовали чернозем обыкновенный и серую лесную почву без каких-либо добавок. В качестве частного контроля использовали почвенно-песчаные субстраты без внесения Cu, а также чернозем и серую лесную почву без внесения песка, но с внесением Cu в дозах 250, 500, 1000 и 2000 мг/кг почвы.

Приготовленные таким образом почвенно-песчаные субстраты имели разные количественные показатели основных физических и химических свойств, но при этом сохранялся качественный состав и основные свойства носителей этих свойств. В исходных почвах и приготовленных на их основе почвенно-песчаных субстратах рассчитывали буферность по отношению к тяжелым металлам (Q_buf) по [6]. Как известно, она равна сумме показателей: рН_водн + содержание гумуса, % + CO_{2 карб}, % + (Fe + Al)_подв, % + содержание частиц < 0.01 мм, %. Каждому показателю, используемому в расчетах, соответствует определенное количество баллов в зависимости от его величины и вклада в буферные свойства почв и, таким образом, сама буферность также выражается в баллах. Цена балла для каждого показателя определена эмпирически [4–6]. Таким образом, показатель буферности включает все основные характеристики почв, определяющие поведение и функции ТМ в системе почва–растение. Величины буферностей почв и субстратов представлены в табл. 1.

Градации буферности почв по отношению к тяжелым металлам, согласно работе Ильина и Сысо [7], позволяют оценить буферность почв и почвенно-песчаных субстратов на их основе в пределах повышенная–низкая (верхние границы) для чернозема обыкновенного и низкая в пределах средняя–низкая для серой лесной почвы.

Методы анализа. Для определения основных физических и химических свойств почв и субстратов использовали стандартные методы, обычно применяемые для общей характеристики почв: С_орг – титриметрический вариант метода Тюрина с окислением в термостате при 140°С; значения ${\text{p}}{{{\text{H}}}_{{{{{\text{H}}}_{2}}{\text{O}}}}}$ – потенциометрический метод с использованием рН-метра Sartorius Basic Meter PB-11, 2012 при соотношении почва : вода 1 : 2 . 5; обменные Ca²⁺, Mg²⁺ – в образцах вытеснением 1 M раствором СН₃СООNН₄ при рН 6 (анализ Ca²⁺ и Mg²⁺ в растворах проводили на атомно-абсорбционном спектрометре Perkin Elmer Analyst 400, США); гранулометрический состав определяли методом пипетки с пептизацией пирофосфатом натрия; СО₂ карбонатов – ацидометрическим методом; емкость катионного обмена – методом Бобко–Аскинази–Алешина в модификации ЦИНАО.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Влияние меди и песка на всхожесть и энергию прорастания. Основные результаты вегетационного эксперимента представлены в табл. 3. Используемый в опыте яровой ячмень сорта “Ратник” отличался высокой дружностью прорастания и почти стопроцентной всхожестью в серой лесной почве и черноземе. Увеличение содержания песка в субстратах практически не влияло на эти показатели, а увеличение дозы вносимой меди заметно снижало их. Причем с увеличением содержания песка в субстратах влияние меди усиливалось (рис. 1).

Внесение в почву ацетата меди оказывает сильное влияние на растения уже на ранних стадиях развития. В целом зависимости всхожести и энергии прорастания семян близки по форме. Однако влияние Cu на данные показатели в субстратах с высоким содержанием песка более сильное, чем в исходных почвах. При дозах Cu в почвах <250 мг/кг влияние металла на всхожесть слабое или отсутствует (рис. 1a). Затем происходит быстрое уменьшение всхожести и энергии прорастания (примерно до дозы 500 мг/кг), после чего продолжается более медленное снижение этих показателей. В опытах с субстратами серой лесной почвы семена не прорастали при дозах >1000 мг/кг. Из полученных данных можно сделать два вывода. Во-первых, добавление песка в почву сопровождалось уменьшением буферности почвенно-песчаных субстратов по отношению к Cu и, следовательно, усилением негативного влияния Cu на всхожесть и энергию прорастания семян [4]. Во-вторых, при относительно высоких дозах Cu в субстратах и низкой буферности последних, очевидно, нарушаются защитные механизмы в самом зерне. Медь проникает через внешние оболочки непосредственно к зародышу и влияет на его развитие [9].

Влияние песка в почвенно-песчаных субстратах на развитие растений ячменя. На рис. 2 представлены данные по влиянию содержания песка в почвенно-песчаных субстратах на морфометрические характеристики растений. Сам по себе песок не обладает токсическим эффектом. Его негативное действие проявляется косвенным образом и связано с уменьшением буферности почв по отношению к ТМ и содержания элементов питания в субстратах по мере увеличения в них доли песка. Так, при внесении песка в количестве 75% в чернозем обыкновенный длина корней уменьшилась на 21.0%, надземной части – на 24.0%, вес сухой биомассы – на 9.1% относительно исходной почвы; в серой лесной почве – на 26.0, 26.9 и 16.2% соответственно. Таким образом, длина корней и надземной части являются более чувствительными маркерами, реагирующими на изменение условий роста растений по сравнению с сухой биомассой. При этом найдена достаточно сильная связь между этими двумя морфометрическими показателями – траектории рассчитанных зависимостей для двух разных почв лежат в непосредственной близости друг от друга (рис. 3).

Интересно, что при дозе песка <25% длины корней и надземной части растений несколько увеличиваются. Очевидно, это связано с некоторым улучшением физических характеристик почвы: облегчением гранулометрического состава и связанное с этим улучшением водопроницаемости и воздушного режима при относительно удовлетворительном количестве элементов питания. Увеличение проницаемости почвы увеличивает доступность подвижных форм элементов питания и усвоение их растениями [30]. Одновременно увеличивается доступность Cu. При дальнейшем увеличении содержания песка в субстратах морфометрические показатели растений ухудшаются вследствие недостатка элементов питания и негативного влияния Cu.

Влияние концентрации меди на развитие ячменя при разных значениях буферности. Увеличение доли песка в почвенно-песчаных субстратах ведет к уменьшению буферности почв по отношению к ТМ, а это неизбежно приводит к усилению негативного действия ТМ на растения. Так, увеличение концентрации экзогенной меди в субстратах оказывает возрастающий негативный эффект на развитие растений (рис. 4). Во всех случаях с увеличением концентрации Cu происходит значительное снижение морфометрических показателей. Общий характер изменений длины корней и сухой биомассы растений одинаков как в субстратах серой лесной почвы, так и в субстратах чернозема. Однако в субстратах серой лесной почвы негативный эффект выражен сильнее, чем в субстратах чернозема обыкновенного, что связано с более высокой буферностью чернозема и его субстратов. Так, в субстратах серой лесной почвы в интервале концентрации Cu до 500 мг/кг уменьшение длины корней происходит очень быстро, а при концентрации >1000 мг/кг практически не изменяется. В субстратах чернозема параболический характер уменьшения длины корней в целом выражен намного слабее и продолжается при концентрации Cu > 1000 мг/кг.

Зависимости длины надземной части растений от концентрации Cu имеют более сложный характер. Для растений на серой лесной почве и черноземе, а также субстрате чернозема с 25% песка наблюдается плечо в интервале концентраций Cu 250–500 мг/кг, свидетельствующее о кратковременной стабилизации развития растений и последующем снижении длины надземной части вплоть до самых высоких доз Cu. При содержании песка 75% в субстрате серой лесной почвы и дозах >1000 мг/кг наблюдалась гибель растений ячменя.

Как и в случае с длиной корней, уменьшение сухой биомассы в интервале концентраций Cu до 500 мг/кг происходит значительно быстрее, чем при более высоких концентрациях. Причем переход от быстрой стадии к более медленной выражен достаточно резко. Особенно четко это проявляется в субстратах с низкой буферностью при содержании Cu около 500 мг/кг. По-видимому, это связано с изменением механизмов воздействия Cu с растениями. При концентрации Cu < 500 мг/кг почвы, ингибируются наиболее активные и доступные механизмы, определяющие развитие растений. При этом тяжелые металлы активно поглощаются растениями посредством метаболических механизмов. При бóльших концентрациях ТМ их поступление осуществляется пассивно посредством диффузии в свободное пространство корня [9]. Во всех случаях влияние Cu на развитие растений в черноземе слабее, чем в серой лесной почве.

Буферные свойства почв и нормирование ТМ в почвах. На морфометрические характеристики растений влияют свойства самого растения, концентрация ТМ, а также буферные свойства почв и субстратов. Для выявления количественных закономерностей влияния каждого из этих факторов был проведен регрессионный анализ исследуемой системы. В частности, построены уравнения множественной регрессии, включающие морфометрические характеристики растений (МХ), концентрацию Cu в субстратах (C_Cu), буферность субстратов (Q_buf) по Ильину [6]. При выполнении регрессионного анализа характеристики почв, субстратов и морфометрические показатели растений были объединены в общую базу данных. Из трех морфометрических показателей для анализа была выбрана длина надземной части растений ячменя как наиболее чувствительная к условиям развития и функционально тесно связанная с длиной корня характеристика.

В общем виде уравнения множественной регрессии с тремя переменными имеют вид:

где MX – морфометрическая характеристика растений; C_Cu – концентрация Cu в почвах и субстратах, мг/кг; Q_buf – буферность, балл; a, b, c, d – положительные значения коэффициентов при параметрах уравнения (1), представленные в табл. 4.

Напомним, что буферность почв является комплексным показателем, который учитывает влияние важнейших компонентов и свойств почв на поведение и функции ТМ в почвах. Таким образом, уравнение (1) по существу значительно шире, чем в случае, когда переменные соответствуют одному какому-либо свойству или функции. Во всех используемых регрессионных моделях переменные значимы и линейно независимы по критерию, представленному в работе [19].

Для оценки ошибок в буферности почв Q_buf использовали уравнение множественной регрессии вида:

где a', b', c', d ' – коэффициенты регрессионного уравнения (2), и рассчитали значения буферности при разных концентрациях Cu и значениях МХ. Ошибку Q_buf оценивали как стандартное отклонение разности между измеренными и предсказанными этой моделью значениями Q_buf.

Чтобы получить представление о точности используемых моделей, провели сравнение измеренных и предсказанных значений L_abg, рис. 5. Из графика видно, что измеренные и рассчитанные по уравнению (1) длины надземной части плотно ложатся вблизи прямой линии с коэффициентом детерминации R² = 0.898 при уровне значимости Р < 10^–6. Ошибки буферности (Q_Buf) для разных морфометрических показателей составляют 3.98 балла по W, 4.24 балла по L_abg и 4.29 балла по L_R. Ошибки MX составляют 3.90 см по L_R, 4.55 см по L_abg и 0.15 г/сосуд по W.

Для оценки ПДК Cu в почвах рассмотрим взаимосвязь длины надземной части растений с буферностью почв и субстратов и концентрации меди в них. Из экспериментальных данных известно, что максимальные значения MX соответствуют 52.1 см для длины надземной части (L_abg). Примем, что критические значения MX₀ соответствуют 15%-ному снижению морфометрических показателей относительно незагрязненной почвы и эта величина соответствует достижению ПДК Cu в почвах. В условиях настоящего эксперимента величина MX₀ будет соответствовать длине надземной части 44.3 см. Фиксируя критическое значение MX₀, находим из уравнения (1):

Подставим в уравнение (3) значения постоянных a, b, c, d из табл. 4 и рассчитаем величину Q_buf при нескольких концентрациях Cu для субстратов чернозема, серой лесной почвы и почвенно-песчаных субстратов в диапазоне 17–2047 мг/кг (рис. 6).

Уравнение (3) позволяет на плоскости в координатах концентрация меди–буферность построить зависимость, каждая точка которой соответствует значениям МХ₀ и, следовательно, значениям ПДК Cu, которые делят поле на две зоны: снижение длины надземной части растений ячменя на ≤15% и на ≥15%. Выделенная серым область диаграммы показывает зону неопределенности шириной в две стандартных ошибки (±4.24 балла). Граница между этими зонами в каждой точке соответствует величине ПДК для почв, загрязненных Cu, на которых выращивается ячмень. Она выражается как функция буферности почв, концентрации Cu и вида растения. Очевидно, что для других растений при постоянных прочих условиях граница будет другой. А сама величина ПДК не является постоянной величиной по отношению к ТМ и изменяется в зависимости от буферности почв и концентрации ТМ и вида растения. В области, расположенной выше этой кривой, ячмень яровой развивается в пределах допустимых ПДК, ниже – он угнетен больше допустимых значений из-за слишком низкой буферности почвы и/или чрезмерно высокой концентрации меди.

В качестве примера с учетом неопределенности рассмотрим возможное значение ПДК Cu при буферности почвы 30 баллов (черноземы и среднесуглинистые серые лесные почвы). Из рис. 6 следует, что ПДК Cu составляет 190 ± 130 мг/кг. Полученные данные несколько выше установленных для почв Росси ОДК [15]. Вместе с тем эти границы с учетом неопределенности входят в принятые в Германии безопасные концентрации Cu в почвах сельхозугодий, занятых овощными культурами, 50–200 мг/кг [7]. Рассчитанные значения ПДК_Cu также удовлетворительно соответствуют результатам, полученным для кормовых бобов в вегетационных опытах на дерново-подзолистой супесчаной почве и черноземе обыкновенном [2].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Всхожесть семян ячменя ярового и энергия их прорастания в значительной степени зависят от содержания песка в почвенно-песчаных субстратах или связанного с ним значения буферности по отношению к ТМ, оцененной по Ильину, при одних и тех же концентрациях меди, но в еще большей степени от концентрации меди в субстратах.

При низком содержании песка (<25%) наблюдается эффект усиления роста корней и надземной части растений вследствие улучшения водно-воздушного режима почв при достаточном содержании питательных веществ.

Величины морфометрических показателей уменьшаются с увеличением дозы Cu в субстратах и уменьшением буферности почв к ТМ. При этом зависимости длины корней и сухой биомассы растений при дозах Cu ≥ 500 мг/кг уменьшается. Длина надземной части изменяется более сложным образом. Наблюдаемые изменения объяснили сменой механизма действия меди на растения с метаболического на диффузионный.

Полученные уравнения множественной регрессии позволяют с высокой точностью описывать взаимосвязь между буферностью почв к ТМ, морфометрическими характеристиками растений и концентрацией меди в почвах. На их основе построена зависимость на плоскости в координатах буферность почв к ТМ–концентрация Cu, позволяющая отделить зону допустимого развития растений ячменя (ниже принятого ПДК Cu в исследуемых системах) от зоны превышения принятого значения ПДК Cu (уменьшение на 15% и более величин морфометрических показателей растений относительно контроля).