Перед человечеством в настоящие время стоит много различных проблем, но одно из первых мест, занимает проблема загрязнения окружающей среды различными химическими веществами, среди которых особую обеспокоенность вызывают тяжёлые металлы (ТМ) [1, с.196].
В связи с этим возникает проблема — в некоторых районах Тульской области концентрация тяжёлых металлов в почве превышает предельно допустимые концентрации (ПДК), поэтому необходимы мероприятия по очистке загрязненных территорий.
Цель работы: оценить уровень устойчивости вида Hordeum vulgare L. (ячмень обыкновенный) к токсическому воздействию ионов цинка и свинца с целью применения данных растений для фиторемедиации почв.
Задачи исследования:
− Изучить основные технологии фиторемедиации, найти преимущества и недостатки данного метода
− Провести модельный эксперимент и исследовать влияние цинка и свинца на рост и развитие вида Hordeum vulgare L
− Оценить возможность использования растений вида Hordeum vulgare L. с целью применения в технологии фиторемедиации.
Гипотеза: Используя растения Hordeum vulgare L. можно уменьшить содержание ионов Zn2+ и Pb2+ в почве.
Данный научно-исследовательский проект включает следующие этапы:
− выдвижение гипотезы и постановка проблемы
− проведение модельного эксперимента
− тестирование на учебно-опытном участке, на базе ГОУ ДО ТО «Областной экологический центр учащихся».
На данном этапе работы над проектом завершен модельный эксперимент и начинается работа по планированию эксперимента на учебно-опытном участке.
Модельный эксперимент состоял из нескольких стадий:
− Опыт по выращиванию растений на растворах солей цинка и свинца.
− Оценка морфологических параметров контрольных и опытных растений.
− Проведение химического анализа растений, сравнение содержание цинка, свинца, и фотосинтетических пигментов в контрольных и опытных образцах.
Объект исследования:
Главными критериями для выбора растений для модельного эксперимента являлись:
− фиторемедиационный потенциал — накопление биомассы и вынос растениями большого количества ТМ [2, с. 24];
− высокий адаптационный потенциал — простота содержания и культивирования.
Данным критериям соответствует Ячмень обыкновенный (лат. Hordéum vulgáre), который по литературным данным, имеет широкий ареал произрастания. Однако оценка фиторемедиационного потенциала этого растения в настоящее время исследована недостаточно.
Результаты исследования:
Интегральной характеристикой роста и развития растений является накопление биомассы. В связи с этим определяли сырую и сухую массу побега растений овса, на 12-е сутки эксперимента (рис.1, рис.2). Полученные результаты приведены ниже.
Рис. 1. Зависимость сырой биомассы растений Hordeum vulgare L. от концентрации ионов цинка и свинца
Рис. 2. Зависимость сухой биомассы растений Hordeum vulgare L. от концентрации ионов цинка и свинца
Рис.3. Зависимость содержания суммарного хлорофилла от концентрации ионов цинка и свинца
Результаты проведенных экспериментов показали, что характер изменения параметров роста и развития растений находился в прямой зависимости от концентрации ионов цинка и свинца в среде.
Полученные результаты свидетельствуют о том, что увеличение концентрации ионов цинка приводило к повышению сырой массы побега и корня до концентрации 100 мкМ. В то время как увеличение ионов свинца в среде приводило к снижению данного параметра.
Многие физиологические и биохимические показатели зависят от того, в каком количестве ионы металла проникают внутрь формирующегося растения. Поэтому важным было количественное содержания ионов цинка и свинца в корнях и побегах растений овса и сравнение полученных данных с эффектами изменений, которые были обнаружены нами ранее. В связи с этим необходимым стало определение индекса устойчивости и фактора биоконцентрации.
Индекс устойчивости — отношение сухой массы опытных образцов к контрольному варианту.
Рис. 4. Индекс устойчивости
Биоконцентрация — это отношение содержания ионов ТМ в тканях растений к содержанию ионов ТМ в питательном растворе.
Рис.5. Фактор биоконцентрации
По полученным данным можно утверждать, что ионы Pb2+ оказывают угнетающие действие на растения Hordéum vulgáre во всех выбранных концентрациях.
Так же в концентрациях 1000 мкМ и 10000 мкМ наблюдалось ингибирующие действие иона Pb2+ на синтез хлорофиллов. Можно предположить, что это происходило из-за сильного токсичного свойства иона Pb2+ даже в незначительном количестве. Также наблюдается систематическое снижение биомассы, и индекса устойчивости, что приводит к снижению адаптивного потенциала. И как следствие снижение эффективности использования этого вида для фиторемедиации почв с высоким содержание свинца.
Ион Zn2+ в концентрациях до 100 мкМ оказывает стимулирующее действие на растение данного вида. Наблюдается увеличение биомассы опытных растений относительно контрольных образцов. Причиной этого может являться то, что металл Zn относится к микроэлементу и входит в состав таких белков как алкогольдегидрогеназы, карбоангидразы, супероксиддисмутаз, факторов транскрипции и многих других, кроме того, является кофактором других ферментов.
В высших растениях недостаток цинка ведет к серьезным нарушениям роста, например, мелколистности, ингибированию роста междоузлий. Это связывают в первую очередь с нарушением обмена ростовых веществ при недостатке цинка.
Так же стоит заметить, что этот металл оказывает положительное влияние на индекс устойчивости до 10 мкМ.
Так же можно сказать, что Hordéum vulgáre имеет высокий индекс устойчивости и биоконцентрации в широком диапазоне концентраций солей цинка, что делает это растение пригодным для почв, с содержание ионов цинка до 1000 мкМ.
Выводы:
1. Определили, что Hordeum vulgare L. не подходит для извлечения свинца из почв с высоким его содержанием, так как произойдёт увеличение сроков очистки почвы или повышение содержание этого элемента, в связи с возможной гибелью растений.
2. Hordeum vulgare L. является перспективным растением-фиторемедиатором в отношении ионов цинка в диапазоне концентраций до 1000 мкМ.
Литература:
- Арляпов В. А., Волкова Е. М, Нечаева И. А, Скворцова Л. С. Содержание тяжёлых металлов в почве как индикатор антропогенного загрязнения Тульской области // Тульский государственный университет Естественны науки, 2015. — С. 195, 197–199.
- Паскин И. И. Фиторемедиация: зеленная революция в экологии // Экология современного мира. М.: Планета, 2012. — № 1. — С. 23–25.
