XIV Міжнародна наукова інтернет-конференція ADVANCED TECHNOLOGIES OF SCIENCE AND EDUCATION

Русский English




Научные конференции Наукові конференції

Герасимчук Л.О., Кобильник Т.В., Минайлюк І.С. БІОТЕСТУВАННЯ В ЕКОЛОГІЧНИХ ДОСЛІДЖЕННЯХ

Герасимчук Л.О., аспірант

Кобильник Т.В., студентка ОКР «Магістр»

Минайлюк І.С., студент 2-го курсу

Житомирський національний агроекологічний університет

БІОТЕСТУВАННЯ В ЕКОЛОГІЧНИХ ДОСЛІДЖЕННЯХ

Досліджені можливості використання методів біотестування для оцінки фітотоксичності забрудненого важкими металами дерново-підзолистого ґрунту. За критерії оцінки ступеня фітотоксичності слугували показники інтенсивності проростання та росту насіння озимої пшениці (Triticum aestivum). Встановлено, що в комплексі досліджувані важкі метали здатні помітно пригнічувати проростання насіння і ріст проростків рослин. Дія важких металів залежить від їх концентрації в ґрунті та строку експозиції.

Постановка проблеми. Важкі метали - це хімічні елементи періодичної системи Д.І. Менделєєва, атомна маса яких перевищує 50 атомних одиниць маси, а питома вага вища 5 г/см3. До їх числа відносять більше 40 елементів, cеред яких: Pb, Zn, Cd, Hg, Cu, Mo, Mn, Ni, Sn, Co тощо. Також до важких металів часто відносять елементи-неметали, наприклад As, Se, а іноді навіть F, Be та інші елементи, атомна маса яких менша 50 [9, 10].

Серед важких металів багато мікроелементів, які є біологічно важливими для живих організмів. Вони - необхідні й незамінні компоненти біокаталізаторів та біорегуляторів найважливіших фізіологічних процесів. Важкі метали входять до складу деяких білкових комплексів (ферментів) або активізують їх діяльність і необхідні живим організмам, однак в дуже малих кількостях [5, 6].

На жаль, важкі метали займають і одне з провідних місць серед антропогенних забруднювачів педосфери. Надлишкова їх кількість у різних компонентах біосфери (ґрунті, воді, фітомасі) спричиняє пригнічуючий і навіть токсичний вплив на біоту.

Ґрунти є природними накопичувачами важких металів у навколишньому середовищі і основним джерелом забруднення суміжних середовищ, включаючи вищі рослини. Близько 90% важких металів, що потрапили в довкілля, акумулюються саме ґрунтами. Серед важких металів - забруднювачів ґрунту і рослин в урбо- та агроландшафтах на території Житомирської області варто, насамперед, виділити мідь, свинець, кадмій та цинк [4]. Забруднення ґрунтів важкими металами має одразу дві негативні сторони. По-перше, накопичуючись у ґрунті у великих кількостях, важкі метали здатні змінювати його біологічні властивості: знижується загальна чисельність мікроорганізмів, звужується їх видовий склад, змінюється структура мікробоценозів, зменшується інтенсивність основних мікробіологічних процесів і активність ґрунтових ферментів тощо. По-друге, потрапляючи по харчових ланцюгах з ґрунту в рослини, а звідти - в організм тварин і людини, важкі метали викликають у них важкі захворювання [2, 3].

Для визначення вмісту важких металів у ґрунті і рослинах сьогодні застосовують метод атомно - абсорбційної спектрометрії. Він полягає в тому, що за допомогою 1М HNO3 роблять витяжку з ґрунту або зольний розчин рослин, в якому за допомогою атомного спектрофотометра й визначають вміст того чи іншого елемента [9]. Проте, даний метод потребує спеціально обладнаної лабораторії та устаткування, не доступний широкому колу дослідників, особливо початківців, до того ж є високовартісним: вартість аналізу одного зразка ґрунту чи рослин на вміст одного елемента коштує від
26 грн. 88 коп. (якщо аналіз проводить Житомирський обласний державний проектно-технологічний центр охорони родючості ґрунтів і якості продукції) до 53 грн. 76 коп. (за умови виконання досліджень Житомирською обласною санітарно-епідеміологічною службою).

Як же ідентифікувати важкі метали? Насамперед, всі їх умовно можна розділити на фітотоксичні (токсичність для рослин вища, ніж для людини та тварин) і токсичні для людини і тварин. До фітотоксичних важких металів відносяться: мідь, нікель, цинк. Проте, одні й ті ж самі метали неоднаково впливають на різні види рослин. Надходження і накопичення їх у рослинах визначається цілим рядом особливостей:

- різні види рослин володіють неоднаковою здатністю поглинати і накопичувати важкі метали;

- рослини мають фізіолого-біохімічні захисні механізми, що перешкоджають надходженню важких металів в їх організм;

- відсутній прямий зв`язок між рівнем забруднення і інтенсивністю надходження важких металів у рослини [10].

В табл. 1 наведені відомості про основні види порушень, що фіксуються в рослинних організмах за надлишку чи нестачі мікроелементів.

Таблиця 1. Фізіологічні порушення у рослин при надлишку і нестачі вмісту в них мікроелементів [10]

Елемент Фізіологічні порушення
при нестачі при надлишку
Cu Хлороз, меланізм, екзантема, низький урожай, загибель ще до плодоношення. Темно-зелене листя; товсті, короткі або схожі на колючу проволоку корені, пригнічення утворення пагонів.
Zn Міжжилковий хлороз (у однодольних), зупинка росту, фіолетово-червоні крапки на листках, знижується швидкість фотосинтезу. Хлороз і некроз кінців листків, міжжилковий хлороз молодого листя, затримка росту рослин в цілому, пошкоджене коріння.
Cd - Бурі краї листків, хлороз, червонуваті жилки і черешки, скручені листки і бурі недорозвинені корені.
Hg - Деяке гальмування росту проростків і коріння, хлороз листя і бурі крапки.
Pb - Зниження інтенсивності фотосинтезу, темно-зелене листя, скручування старого листя, буре, коротке коріння.

Потрапляючи з ґрунту в рослинні організми у надмірних кількостях, важкі метали порушують в них обмін речовин, що позначається на показниках росту і розвитку рослин, особливо на початкових етапах. Саме цю особливість використовують при біотестуванні забрудненого ґрунту для встановлення його фітотоксичності, під якою розуміють зниження тест-функцій, що знімаються з рослинного тест - об'єкта на досліджуваному ґрунті, в порівнянні з контролем.

Методика проведення досліджень. Нашими дослідженнями було оцінено комплексний вплив поліметалічного забруднення міддю, цинком і свинцем на токсичність дерново-підзолистого глеюватого супіщаного ґрунту по відношенню до озимої пшениці (Triticum aestivum). Вибір в якості тест - об'єкта саме цієї культури зумовлений, насамперед, її широким сільськогосподарським використанням і тим, що вона є однією з основних продовольчих культур.

Дослідження виконували згідно методики, яка прописана в ДСТУ
ISO 11269-1:2004 „Метод визначення гальмівної дії на ріст коренів". Рослини Triticum aestivum вирощували на трьох середовищах - контрольному середовищі (зволожена вата); дерново-підзолистому глеюватому супіщаному ґрунті, не забрудненому важкими металами; дерново-підзолистому глеюватому супіщаному ґрунті, забрудненому важкими металами.

Зразки ґрунту відбирались на варіантах польового мікроділяночного досліду, де було штучно змодельовано комплексне забруднення ґрунту Cu, Zn і Pb на рівні 1, 5 10 і 15 ГДК шляхом внесення в нього ацетатів важких металів. Зразки ґрунту для визначення фітотоксичності відбирали через 1 (травень), 3 (липень) та 6 (жовтень) місяців після внесення комплексу ацетатів Cu, Zn і Pb.

Метод визначення фітотоксичності ґрунту, застосований нами, заснований на здатності проростків озимої пшениці реагувати на наявність важких металів у середовищі, в якому пророщують насіння. Для цього 50 г свіжо висушеного повітряно-сухого ґрунту вміщували у чашку Петрі і зволожували водою до стану густої пасти. На поверхню незабрудненого та забрудненого ґрунту розкладали по 25 насінин озимої пшениці, попередньо замочених у воді протягом доби. Контрольні насінини пророщували на зволоженій ваті. Насіння пророщували 5 діб при температурі 200С. Повторність досліду 3-кратна.

Для оцінки впливу забруднення ґрунту важкими металами на проростання насіння враховували прийняті в насінництві показники: схожість та енергію проростання. Схожість насіння - число насінин, що проросли на
5-ту добу, виражене у % від загальної кількості насінин, взятих для пророщування. Енергія проростання - число насінин, що проросли за перші 3 доби, виражене у % від загальної кількості насінин, взятих для пророщування. Крім показників інтенсивності проростання визначали також інтенсивність початкового росту насіння, яка найбільш повно характеризує життєздатність рослин і має прямий взаємозв'язок з їх продуктивністю. Для визначення інтенсивності початкового росту насіння використовували такі показники: довжину коренів, довжину зелених проростків, виражену в сантиметрах, повітряно - суху масу коренів та зелених проростків, виражену в грамах.

Результати досліджень та їх обговорення. У ході виконання експериментальних досліджень нами були одержані досить цікаві результати (табл. 2). Сумісний вплив Cu, Zn і Pb на проростання насіння озимої пшениці мав свої певні особливості (див. табл. 2).

Таблиця 2. Вплив комплексного забруднення важкими металами (Cu, Zn і Pb) на проростання насіння озимої пшениці, 2009 р.

Варіант досліду Схожість, % Енергія проростання, %
*1 3 6 1 3 6
Без добрив і важких металів 69,3 72,0 76,0 61,3 66,5 70,6
Рівень забруднення 1 ГДК 62,6 66,5 73,3 53,2 56,0 64,0
Рівень забруднення 5 ГДК 37,2 41,3 57,6 26,7 38,5 49,4
Рівень забруднення 10 ГДК 30,7 32,0 45,3 24,0 29,3 34,6
Рівень забруднення 15 ГДК 62,5 68,0 81,3 56,0 64,0 69,4
Абсолютний контроль
  • 82,0 86,0 84,6 80,0 85,3 88,0
    НІР0,5 12,8 15,8 12,7 12,6 8,9 7,7

    Примітка: * - строк експозиції, місяців;

  • - за абсолютний контроль приймали показники, одержані при пророщуванні насінин на зволоженій ваті.

    При забрудненні ґрунту на рівні 5 і 10 ГДК суміші важких металів схожість насіння знижувалась на 18-40%, а енергія його проростання - на 21-37% порівняно з фоном, тоді як за рівнів забруднення 1 і 15 ГДК фітотоксичність ґрунту не проявлялася. Варто зауважити також, що за наявності в дерново-підзолистому ґрунті 15 ГДК досліджуваних елементів-забрудників відмічалась навіть певна стимуляція проростання насіння.

    Встановлено також чітко виражену залежність сумісної фітотоксичності важких металів від строку експозиції. Найкращі показники схожості та енергії проростання насіння озимої пшениці були отримані через 6 місяців після внесення в ґрунт забрудників. Через 1 місяць після забруднення вказані показники мали найменші значення, а надалі спостерігалось їх підвищення, причому, дана тенденція справджувалась для всіх рівнів забруднення - від 1 до 15 ГДК. На варіантах з незабрудненим ґрунтом ця тенденція, навпаки, не прослідковувалась, а різниця між показниками в часі на таких варіантах знаходилась в межах помилки досліду і була несуттєвою.

    Дещо інші результати були отримані нами при вивченні впливу комплексного забруднення дерново-підзолистого ґрунту свинцем, міддю та цинком на показники інтенсивності початкового росту насіння. Якщо тенденція стосовно строку експозиції збереглася, то сумісний вплив Cu, Zn і Pb на довжину і масу коренів та зелених пагонів озимої пшениці мав свої особливості. На варіанті, де насіння пророщували на зволоженій ваті, через 1, 3, та 6 місяців довжина коренів складала відповідно 4,5; 4,5 та 4,6 см; довжина зелених проростків - 3,9; 4,1 та 4,1 см; маса коренів - 0, 193; 0,201 та 0,196 г, а маса зелених проростків - 0,406; 0,537 та 0,485 г відповідно. Дані показники і були взяті за 100%.

    Невисокий (на рівні 1 ГДК) вміст важких металів у ґрунті через 6 місяців після забруднення стимулював ріст і розвиток коренів і пагонів порівняно з варіантом, де був не забруднений грунт; подальше зростання рівня вмісту важких металів до 5 - 10 ГДК негативно позначалось як на довжині коренів і пагонів, так і на їх масі, а на варіантах, де рівень забруднення досягав 15 ГДК, спостерігалось пригнічення росту як кореневої, так і надземної частин Triticum aestivum, хоча проростання насіння за таких рівнів забруднення навпаки, стимулювалось.

    Висновки. За результатами проведених експериментальних досліджень було встановлено, що:

    •1)  показники проростання насіння та показники його росту виявились достатньо інформативними при визначенні фітотоксичності дерново-підзолистого ґрунту;

    •2)  важкі метали в дерново-підзолистому ґрунті в залежності від їх вмісту та строку експозиції як пригнічують, так і стимулюють проростання насіння і ріст проростків озимої пшениці;

    •3) при вмісті важких металів в ґрунті на рівні 15 ГДК спостерігалось стимулювання проростання насіння, але пригнічення росту коренів та зелених проростків.

    Література:

    •1.  Агроекологічний моніторинг та паспортизація сільськогосподарських земель (методично-нормативне забезпечення) / За заг. ред. акад. УААН В.П. Патики, акад. УААН О.Г. Тараріка. - К., 2002. - С. 35 - 37.

    •2. Агроэкология / В.А. Черников, Р.М. Алексахин, А.В. Голубев и др.; Под ред. В.А. Черникова, А.И. Черкеса. - М.: Колос, 2000. - 536 с.

    •3.  Бабьева И.П., Левин С.В., Решетова И.С. Изменение численности микроорганизмов в почвах при загрязнении тяжелыми металлами // Тяжелые металлы в окружающей среде. - М., 1980. - С. 115.

    •4. Валерко Р.А. Забруднення важкими металами ґрунтового покриву і фітоценозів на території м. Житомира та прилеглих до нього агроекосистем // Вісник ДАЕУ. - 2008. - №1. - С. 356-366.

    •5.  Власюк П.А. Биологические элементы жизнедеятельности растений. - К.: Наукова думка, 1969. - 516 с.

    •6.     Власюк П.А. Физиология питания растений. - К.: Урожай, 1964. - 483 с.

    •7.     Жовинский Э.Я., Кураева И.В. Геохимия тяжелых металлов в почвах Украины. - К.: Наукова думка, 2002. - 213 с.

    •8.     Методика агрохімічної паспортизації земель сільськогосподарського призначення / За ред. С. М. Рижука, М. В. Лісового, Д. М. Бенцаровського. - К., 2003. - 64 с.

    •9.     Тяжелые металлы в почвах и растениях и их аналитический контроль : учеб. пособие [для студ. аграр. вузов] / Э. А. Александрова, Н. Г. Гайдукова, Н. А. Кошеленко, З. Н. Ткаченко; под ред. Э. А. Александровой. - Краснодар, 2001. - 166 с.

    •10. Соколов О.А., Черников В.А. Экологическая безопасность и устойчивое развитие. Книга 1. Атлас распределения тяжелых металлов в объектах окружающей среды. - Пущино, ОНТИ ПНЦ РАН, 1999. - 164 с.

     


    Залиште коментар!

    Дозволено використання тегів:
    <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <code> <em> <i> <strike> <strong>