Роль различных тканей растений в передвижении и накоплении тяжёлых металлов
Реализация спοсοбнοсти растений аккумулировать тяжелые металлы происходит на различныхх урοвнях οрганизации – от клетοчного до тканевого и οрганнοго. Этο связанο как с существοванием барьерных тканей, которые ограничивают транслокацию ряда тяжелых металлοв, так и с возможностью растений аккумулировать металлы в клетοчных οбοлοчках и вакуοлях клетοк разных тканей и οрганοв. Существует бοльшοе кοличествο данных, касающихся тοксическοгο действия тяжелых металлοв и их распределения пο οрганам растений, меньше известно об их тканевом распределении. Данные о распределении металлов на тканевом уровне являются важным фактором для понимания механизмов их токсического действия. Многие виды растений способны накапливать тяжелые металлы, причем их содержание в органах растений может в десятки и даже сотни раз превышать их содержание в окружающей среде. По способности к аккумуляции тяжелых металлов выделяют две контрастные группы растений: исключатели, у которых тяжелые металлы накапливаются, главным образом, в корневой системе, и аккумуляторы, у которых они накапливаются в больших количествах в надземных органах (Baker, 1981). Для выяснения принципов гипераккумуляции, накопления металлов у исключателей и гипераккумуляторов, особенностей передвижения тяжёлых металлов по тканям необходимо тщательное изучение механизмов транслокации тяжёлых металлов. Особый интерес представляет применение гипераккумуляторов для очистки окружающей среды от тяжелых металлов – фиторемедиации и рекультивации почвы, что в последнее время активно разрабатывается. Кроме того, механизмы и принципы аккумуляции тяжёлых металлов в растении важны для выяснения физиологических и структурных особенностей исключателей, которые определяют минимальное поступление металлов в надземные органы, что является важным аспектом, представляющим особый интерес для видов и сортов, плоды которых используются в пищу.
Объекты и методы исследований
По данным мониторинговых исследований состояния качества природной среды изучаемой местности а также по результатам собственных исследований можно сделать вывод о локальных загрязнениях почвенного и растительного компонентов среды города Оренбурга. Превышения ПДК наблюдаются по Zn, Pb, Cu.
Сроки работ и объекты исследования.
Иследования проводились на территории города Оренбурга и Оренбургского района в период с 2015 г. по 2018 г. Исследованы следующие территории:
участок № 1 – г. Оренбург, ул. Чкалова;
участок №2 – г. Оренбург, пр. Победы;
участок №3 – г. Оренбург, аллея в п. Ростоши;
участок №4 – г. Оренбург, улица Салмышская;
участок №5 – г. Оренбург, парк имени Гуськова;
участок №6 – г. Оренбург, сквер «Дельфин»;
участок №7 – Оренбургский р-н, п. Пригородный;
участок №8 – г. Оренбург, сквер 8 марта.
Объектами исследования послужили:
• представители семейства Rosaceae Juss., используемые в озеленении улиц г. Оренбурга - Rosa majalis Herrm., Sоrbus aucupаria L., Malus cerasifera Likh. и Malus prunifolia (Willd.) Borkh.
• почвы территорий г. Оренбурга в местах произрастания исследуемых представителей семейства Rosaceae Juss.
При проведении исследований были использованы следующие общепринятые методики:
- оценка жизненного состояния растений по Алексееву (1989);
- фенологические наблюдения по методике Бейдемана И. Н. (1974);
- оценка засухоустойчивости растений на основании модификации трех методик, предложенных Карпун Ю. М. (1995), Дюваль-Строевым М. Р. (1966), Кохно Н. А. (1983);
- оценка степени устойчивости древесных растений к высоким температурам по Мацкову Ф. Ф.;
- оценка зимостойкости по Тюриной М. М. (1978);
методика кодирования декоративных признаков лиан (Калмыкова, 2008), и проведенной кодировки шкалы оценки декоративных особенностей Malus (Нигматянова, 2012).
- атомно – абсорбционный метод определения ТМ в образцах вегетативных и генеративных частях растений, на спектрофотометре FORMULA FM 400 в соответствии с требованиями ГОСТ 23957.1-2, ГОСТ 30178;
- гистохимические методы определения локализации тяжёлых металлов и стронция в тканях высших растений по разработке Серегина И. В. и Кожевниковой А. Д.
С целью изучения роли отдельных тканей растений в распределении тяжелых металлов, были использованы гистохимические методы определения Сu, Pb и Zn. Используемые реагенты обладают высокой чувствительностью к изучаемым металлам и способны проникать в неповрежденные клетки. Изучение распределения металлов проводилось с помощью современных методов световой микроскопии, что позволило проанализировать распределение металлов по тканям корня и побега изучаемых растений семейства Rosaceae. Анализ проводили непосредственно после приготовления срезов корня или побега в условиях, при которых возможность перераспределения металлов ограничена, о чем свидетельствуют результаты специально проведенных серий экспериментов, более подробно описанных в диссертации. Результаты гистохимического анализа были подтверждены данными количественного определения металлов методами атомно-абсорбционной спектрофотометрии.
3 Экологические характеристики исследуемых представителей семейства Rosaceae г. Оренбурга
Оценка жизненного состояния изучаемых представителей проводилась визуально за период вегетации. Результаты исследований представлены в таблицах 1 – 4.
Таблица 1 - Оценка жизненного состояния Malus prunifolia (Willd.)
«-» отсутствие признака «+» присутствие признака
| Категория жизненного состояния | № исследуемой территории | |||||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | |
| Здоровое растение (I) | ||||||||
| Внешних признаков повреждения кроны и ствола не обнаружено | - | - | + | - | - | - | + | - |
| В нижней части кроны обнаружены мертвые и отмирающие ветви | + | + | - | + | - | - | - | + |
| Имеются единичные отмирающие ветви по периферии | - | - | - | - | - | - | - | - |
| Поврежденное растение ( II ) | ||||||||
| Густота кроны снижена на 30 %, скелетная часть кроны частично изрежена | _ | _ | _ | _ | + | + | - | _ |
| В верхней половине кроны обнаружено 30 % мертвых ветвей. В верхней половине кроны обнаружено 30 % усыхающих ветвей. | _ | _ | _ | _ | + | + | - | _ |
| Повреждения охватывают ствол и корневые лапы, в результате чего жизненное состояние дерева снижается на 30 %. | _ | _ | _ | _ | _ | _ | - | _ |
| Сильно поврежденное растение ( III ) | - | - | - | - | - | - | - | - |
| Отмирающее растение (IV) | - | - | - | - | - | - | - | - |
| Итого категория | I | I | I | I | II | II | I | I |
По шкале оценки жизненного состояния изучаемые образцы Malus prunifolia (Willd.) на участках № 1, 2, 3, 4, 7, 8 относятся к здоровым. Образцы же на участках 5 и 6 являются повреждёнными, что связано с расположением данных участков в экологически неблагополучных районах города.
Таблица 2 - Оценка жизненного состояния Malus cerasifera Likh.
«-» отсутствие признака «+» присутствие признака
| Категория жизненного состояния | № исследуемой территории | |||||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | |
| Здоровое растение (I) | ||||||||
| Внешних признаков повреждения кроны и ствола не обнаружено | _ | _ | + | _ | _ | _ | + | _ |
| В нижней части кроны обнаружены мертвые и отмирающие ветви | + | + | _ | + | _ | _ | _ | + |
| Имеются единичные отмирающие ветви по периферии | _ | _ | _ | _ | _ | _ | _ | _ |
| Поврежденное растение ( II ) | ||||||||
| Густота кроны снижена на 30 %, скелетная часть кроны частично изрежена | _ | _ | _ | _ | + | + | - | _ |
| В верхней половине кроны обнаружено 30 % мертвых ветвей. В верхней половине кроны обнаружено 30 % усыхающих ветвей. | _ | _ | _ | _ | + | + | - | _ |
| Повреждения охватывают ствол и корневые лапы, в результате чего жизненное состояние дерева снижается на 30 %. | _ | _ | _ | _ | _ | _ | - | _ |
| Сильно поврежденное растение ( III ) | - | - | - | - | - | - | - | - |
| Отмирающее растение (IV) | - | - | - | - | - | - | - | - |
| Итого категория | I | I | I | I | II | II | I | I |
Оценка жизненного состояния образцов Malus cerasifera Likh. показывает, как и в случае с Malus prunifolia (Willd.) что образцы растений на изучаемых участках № 1, 2, 3, 4, 7, 8 относятся к здоровым, а на участках 5 и 6 являются повреждёнными.
Таблица 3 - Оценка жизненного состояния образцов Sоrbus aucupаria L.
«-» отсутствие признака «+» присутствие признака
| Категория жизненного состояния | № исследуемой территории | |||||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | |
| Здоровое растение (I) | ||||||||
| Внешних признаков повреждения кроны и ствола не обнаружено | + | + | + | + | _ | _ | + | + |
| В нижней части кроны обнаружены мертвые и отмирающие ветви | _ | _ | _ | _ | + | + | _ | _ |
| Имеются единичные отмирающие ветви по периферии | _ | _ | _ | _ | _ | _ | _ | _ |
| Поврежденное растение ( II ) | ||||||||
| Густота кроны снижена на 30 %, скелетная часть кроны частично изрежена | _ | _ | _ | _ | _ | _ | _ | _ |
| В верхней половине кроны обнаружено 30 % мертвых ветвей. В верхней половине кроны обнаружено 30 % усыхающих ветвей. | _ | _ | _ | _ | _ | _ | _ | _ |
| Повреждения охватывают ствол и корневые лапы, в результате чего жизненное состояние дерева снижается на 30 %. | _ | _ | _ | _ | _ | _ | _ | _ |
| Сильно поврежденное растение ( III ) | _ | _ | _ | _ | _ | _ | _ | _ |
| Отмирающее растение (IV) | _ | _ | _ | _ | _ | _ | _ | _ |
| Итого категория | I | I | I | I | I | I | I | I |
Образцы Sоrbus aucupаria L. на всех участках относятся к категории «здоровое растение», однако на участках № 5 и 6 в нижней части кроны обнаружены мёртвые и отмирающие ветви.
Таблица 4 - Оценка жизненного состояния образцов Rosa majalis Herrm.
«-» отсутствие признака «+» присутствие признака
| Категория жизненного состояния | № исследуемой территории | |||||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | |
| Здоровое растение (I) | ||||||||
| Внешних признаков повреждения кроны и ствола не обнаружено | _ | _ | _ | _ | _ | _ | _ | _ |
| В нижней части кроны обнаружены мертвые и отмирающие ветви | _ | _ | _ | _ | _ | _ | _ | _ |
| Имеются единичные отмирающие ветви по периферии | _ | _ | _ | _ | _ | _ | _ | _ |
| Поврежденное растение ( II ) | ||||||||
| Густота кроны снижена на 30 %, скелетная часть кроны частично изрежена | _ | _ | + | _ | _ | _ | + | _ |
| В верхней половине кроны обнаружено 30 % мертвых ветвей. В верхней половине кроны обнаружено 30 % усыхающих ветвей. | + | + | _ | + | + | + | _ | + |
| Повреждения охватывают ствол и корневые лапы, в результате чего жизненное состояние дерева снижается на 30 %. | _ | _ | _ | _ | _ | _ | _ | _ |
| Сильно поврежденное растение ( III ) | _ | _ | _ | _ | _ | _ | _ | _ |
| Отмирающее растение (IV) | _ | _ | _ | _ | _ | _ | _ | _ |
| Итого категория | II | II | II | II | II | II | II | II |
Оценка жизненного состояния показывает, что растения Malus prunifolia (Willd.) и Malus cerasifera Likh. характеризуются как здоровые на участках менее затронутых влиянием автодорог и промышленности, образцы Sоrbus aucupаria L. характеризуются как здоровые на всех изученных территориях, растения вида Rosa majalis Herrm. на всех изученных территориях г.Оренбурга повреждены и ослаблены.
Оценка засухоустойчивости - важный показатель способности растений успешно вегетировать в зоне с недостаточным увлажнением и периодически повторяющимися засухами.
Определение засухоустойчивости изучаемых образцов выполнялось полевым методом, при этом фиксировалось повреждение листьев, их осыпание, а также подвядание и осыпание плодов.
Наиболее засухоустойчивым видом оказался Sоrbus aucupаria L., менее устойчивыми сорта Malus prunifolia (Willd.) и Malus cerasifera Likh., IV балла по засухоустойчивости получают растения вида Rosa majalis Herrm. на всех изученных территориях за исключением одной, а значит данный вид не устойчив к засухе.
Для оценки зимостойкости исследуемых образцов использовался полевой метод определения общей степени подмерзания по М.М. Тюриной (1978).
Анализ метеорологических данных показал, что минимальная температура воздуха в г. Оренбурге в 2016 году составила – 28 °С, в 2017 – 34 °С, в 2018 – 32 °С. Оценка зимостойкости исследуемых растений показала, что у Malus prunifolia (Willd.) и Malus cerasifera Likh. не обнаружено никаких признаков подмерзания, у Sоrbus aucupаria L. обнаружено очень слабое подмерзание только на одной из восьми исследуемых территорий, образцы Rosa majalis Herrm. подвержены очень слабому подмерзанию на шести исследуемых территориях, отмечается слабое подмерзание древесины на двух исследуемых территориях.
Для определения декоративности исследуемых видов и сортов была использована модифицированная методика кодирования декоративных признаков лиан (Калмыкова, 2008), и кодировка шкалы оценки декоративных особенностей Malus Mill. (Нигматянова, 2012). Оценка декоративности показывает, что растения Sоrbus aucupаria L высокодекоративными являются на всех изученных территориях; растения Malus cerasifera Likh . и Malus prunifolia (Willd.) являются высокодекоративными на изучаемых участках 3 и 7, декоративными на участках 1, 2, 4, 5, 6, 8; растения Rosa majalis Herrm. являются малодекоративными на всех изученных участках.
Оценка жизненного состояния деревьев, засухоустойчивости, зимостойкости и декоративности исследуемых представителей семейства Rosaceae Juss. в условиях города Оренбурга показывают, что изучаемые растения Sоrbus aucupаria L., Malus cerasifera Likh. и Malus prunifolia (Willd.) адаптированы к естественным стрессовым условиям резко континентального климата в отличии от вида Rosa majalis Herrm., растения которого характеризуются низкими показателями жизненного состояния, слабой засухоустойчивостью и морозостойкостью и ввиду этого, являются малодекоративными.
4 C одержание тяжёлых металлов в органах и локализация тяжёлых металлов в тканях исследуемых растений на территории города Оренбурга
Для изучения распределения тяжёлых металлов в тканях Sorbus aucuparia L. были использованы гистохимические методы, так как они являются незаменимыми для анализа передвижения и распределения металлов в живых тканях растений. Срезы тканей производили при помощи микротома, реактив для окрашивания готовили по методике Серёгина И. В., Кожевниковой А. Д. (2011). Для окрашивания каждого исследуемого металла применялись селективные аналитические реагенты: для определения Pb использовали дитизон C13H12N4S (Mr = 256.3) металлохромный индикатор; для определения Zn применялся цинкон C20H15N4NaO6S (Mr = 462.4) металлохромный индикатор; для определения Cu использовали раствор диэтилдитиокарбамата натрия.
При использовании гистохимических методов по интенсивности и площади окрашивания анализировали процесс распределения металлов в тканях Malus cerasifera Likh., Malus prunifolia (Willd.), Sorbus aucuparia L. и Rosa majalis Herrm. Анализ полученных данных свидетельствует о локализации цинка, свинца и меди преимущественно в корнях исследуемых образцов, где наблюдается интенсивное окрашивание тканей. У растительных образов Malus cerasifera Likh., Malus prunifolia (Willd.) Sorbus aucuparia L., отобранных на участках 1, 2, 4, 8 отмечаются единичные, локальные очаги окрашивания при определении Cu, Pb и часто видны в поле зрения очаги окрашивания при определении Zn в ксилеме стебля, в листьях и плодах присутствуют лишь окрашивания при определении Zn. Отмечаются единичные очаги окрашивания при определении Zn и Pb в тканях плодов Malus cerasifera Likh. и Malus prunifolia (Willd.) на участке 3. Гистохимический анализ тканей листьев и плодов Malus cerasifera Likh. и Malus prunifolia (Willd.) на участке 7 показал отсутствие окрашивания по всем исследуемым металлам, однако в ксилеме стебля отмечены единичные окрашивания при определении Zn. На участках 5 и 6 в тканях плодов встречаются единичные окрашивания при определении Pb и частые окрашивания при определении Zn, частые окрашивания по Zn и Pb обнаружены в ксилеме стебля у Malus cerasifera Likh., Malus prunifolia (Willd.) и Sorbus aucuparia L. Гитохимические исследования позволили выявить, что на всех изучаемых участках, кроме участка № 7 у растений Rosa majalis Herrm. локализация Zn и Pb осуществляется в тканях плодов, ксилеме и эпидерме стебля а также в эпидерме листа.
Важно заметить, что при проверке данных гистохимических исследований с помощью атомно-абсорбционного метода, результаты которого представлены в таблицах 5-12, наблюдается наличие тяжёлых металлов как в листьях, так и в плодах в незначительных количествах во всех органах. Отсутствие окрашивания при определении этих металлов в листьях и плодах объясняется недостаточным их количеством для образования окрашенного комплекса с аналитическим реагентом.
Таблица 5 - Cодержание тяжёлых металлов в органах исследуемых растений на исследуемом участке № 1
| Металл | Cu (мг/кг) | Zn (мг/кг) | Pb (мг/кг) | |||||||||
| Исследуемый орган | корень | стебель | листья | плод | корень | стебель | листья | плод | корень | стебель | листья | плод |
| Сорт/вид | ||||||||||||
| Malus prunifolia (Willd.) | 1.6 | 4.5 | 2.1 | 1.5 | 8.4 | 4.2 | 2.1 | 7.5 | 3.9 | 0.36 | 0.11 | 0.54 |
| Malus cerasifera Likh. | 3.3 | 2.5 | 1.2 | 1.6 | 8.6 | 5.0 | 3.0 | 8.5 | 4.2 | 0.56 | 0.11 | 0.26 |
| Sоrbus aucupаria L. | 5.0 | 1,9 | 0,8 | 1,3 | 12.1 | 4,7 | 1,8 | 2,2 | 2.0 | 0,33 | 0,13 | 0,17 |
| Rosa majalis Herrm. | 13.5 | 13,2 | 4,8 | 8,1 | 28.0 | 22,1 | 13,1 | 18,3 | 2.0 | 0,58 | 0,22 | 0,42 |
| ПДК | н/у | н/у | н/у | 5.0 | н/у | н/у | н/у | 10.0 | н/у | н/у | н/у | 0.4 |
Таблица 6 - Cодержание тяжёлых металлов в органах исследуемых растений на исследуемом участке № 2
| Металл | Cu (мг/кг) | Zn (мг/кг) | Pb (мг/кг) | |||||||||
| Исследуемый орган | корень | стебель | листья | плод | корень | стебель | листья | плод | корень | стебель | листья | плод |
| Сорт/вид | ||||||||||||
| Malus prunifolia (Willd.) | 4.9 | 2,5 | 1,3 | 3,3 | 11.0 | 5,3 | 3,1 | 9,8 | 1.6 | 0,29 | 0,7 | 0,33 |
| Malus cerasifera Likh. | 5.1 | 2,8 | 1,4 | 3,8 | 10.0 | 5,8 | 3,4 | 11,2 | 1.8 | 0,38 | 0,8 | 0,38 |
| Sоrbus aucupаria L. | 5.0 | 1,9 | 0,11 | 1,8 | 10.0 | 4,9 | 2,3 | 4,1 | 1.4 | 0,31 | 0,18 | 0,28 |
| Rosa majalis Herrm. | 18.0 | 18,1 | 5,2 | 10,3 | 20.0 | 22,8 | 14,8 | 20.8 | 1.0 | 0,62 | 0,28 | 0,48 |
| ПДК | н/у | н/у | н/у | 5.0 | н/у | н/у | н/у | 10.0 | н/у | н/у | н/у | 0.4 |
Таблица 7 - Cодержание тяжёлых металлов в органах исследуемых растений на исследуемом участке № 3
| Металл | Cu (мг/кг) | Zn (мг/кг) | Pb (мг/кг) | |||||||||
| Исследуемый орган | корень | стебель | листья | плод | корень | стебель | листья | плод | корень | стебель | листья | плод |
| Сорт/вид | ||||||||||||
| Malus prunifolia (Willd.) | 4.6 | 6.2 | 6.6 | 1.2 | 18.4 | 7.3 | 6.6 | 9.2 | 2.0 | 0.56 | 0.13 | 0.43 |
| Malus cerasifera Likh. | 5.0 | 3.3 | 0.8 | 1.3 | 14.3 | 8.8 | 6.3 | 9.6 | 1.2 | 0.46 | 0.12 | 0.38 |
| Sоrbus aucupаria L. | 4.0 | 1,9 | 0,11 | 1,7 | 8.0 | 4,8 | 1.6 | 2,1 | 0.96 | 0,21 | 0,15 | 0,22 |
| Rosa majalis Herrm. | 8.0 | 11,1 | 3,2 | 7,3 | 13.0 | 15,8 | 8,8 | 11.1 | 1.0 | 0,42 | 0,23 | 0,41 |
| ПДК | н/у | н/у | н/у | 5.0 | н/у | н/у | н/у | 10.0 | н/у | н/у | н/у | 0.4 |
Таблица 8 - Cодержание тяжёлых металлов в органах исследуемых растений на исследуемом участке № 4
| Металл | Cu (мг/кг) | Zn (мг/кг) | Pb (мг/кг) | |||||||||
| Исследуемый орган | корень | стебель | листья | плод | корень | стебель | листья | плод | корень | стебель | листья | плод |
| Сорт/вид | ||||||||||||
| Malus prunifolia (Willd.) | 6.0 | 3.3 | 0.7 | 1.3 | 10.0 | 5,1 | 2,2 | 8,2 | 1.0 | 0,22 | 0,12 | 0,18 |
| Malus cerasifera Likh. | 7.0 | 3.6 | 0.8 | 1.6 | 11.0 | 5,5 | 2,7 | 8,8 | 1.1 | 0,32 | 0,22 | 0,28 |
| Sоrbus aucupаria L. | 5.0 | 1,3 | 0,5 | 0,9 | 7.3 | 3,7 | 1,4 | 2,1 | 0.6 | 0,23 | 0,15 | 0,17 |
| Rosa majalis Herrm. | 12.0 | 12,3 | 3,6 | 6,2 | 24.7 | 21,1 | 13,3 | 13,7 | 0.66 | 0,33 | 0,18 | 0,29 |
| ПДК | н/у | н/у | н/у | 5.0 | н/у | н/у | н/у | 10.0 | н/у | н/у | н/у | 0.4 |
Таблица 9 - Cодержание тяжёлых металлов в органах исследуемых растений на исследуемом участке № 5
| Металл | Cu (мг/кг) | Zn (мг/кг) | Pb (мг/кг) | |||||||||
| Исследуемый орган | корень | стебель | листья | плод | корень | стебель | листья | плод | корень | стебель | листья | плод |
| Сорт/вид | ||||||||||||
| Malus prunifolia (Willd.) | 4.9 | 2,5 | 1,3 | 3,3 | 9.0 | 4,3 | 3,0 | 9,3 | 2.0 | 0.56 | 0.13 | 0.43 |
| Malus cerasifera Likh. | 5.1 | 2,8 | 1,4 | 3,8 | 9.0 | 4,8 | 2,4 | 9,2 | 1.2 | 0.46 | 0.12 | 0.38 |
| Sоrbus aucupаria L. | 5.0 | 1,9 | 0,11 | 1,8 | 10.0 | 4,9 | 2,3 | 4,0 | 0.96 | 0,21 | 0,15 | 0,22 |
| Rosa majalis Herrm. | 18.0 | 18,1 | 5,2 | 10,3 | 16.1 | 17.9 | 9.0 | 12.3 | 1.0 | 0.38 | 0.12 | 0.52 |
| ПДК | н/у | н/у | н/у | 5.0 | н/у | н/у | н/у | 10.0 | н/у | н/у | н/у | 0.4 |
Таблица 10 - Cодержание тяжёлых металлов в органах исследуемых растений на исследуемом участке № 6
| Металл | Cu (мг/кг) | Zn (мг/кг) | Pb (мг/кг) | |||||||||
| Исследуемый орган | корень | стебель | листья | плод | корень | стебель | листья | плод | корень | стебель | листья | плод |
| Сорт/вид | ||||||||||||
| Malus prunifolia (Willd.) | 1.6 | 4.5 | 2.1 | 1.5 | 8.4 | 4.2 | 2.1 | 7.5 | 3.9 | 0.36 | 0.11 | 0.54 |
| Malus cerasifera Likh. | 3.3 | 2.5 | 1.2 | 1.6 | 8.6 | 5.0 | 3.0 | 8.5 | 4.2 | 0.56 | 0.11 | 0.26 |
| Sоrbus aucupаria L. | 5.0 | 1,9 | 0,8 | 1,3 | 12.1 | 4,7 | 1,8 | 2,2 | 2.0 | 0,33 | 0,13 | 0,17 |
| Rosa majalis Herrm. | 5.0 | 5.8 | 2.8 | 5.2 | 23.0 | 28.0 | 11.2 | 17.3 | 1.9 | 0.64 | 0.32 | 0.57 |
| ПДК | н/у | н/у | н/у | 5.0 | н/у | н/у | н/у | 10.0 | н/у | н/у | н/у | 0.4 |
Таблица 11 - Cодержание тяжёлых металлов в органах исследуемых растений на исследуемом участке № 7
| Металл | Cu (мг/кг) | Zn (мг/кг) | Pb (мг/кг) | |||||||||
| Исследуемый орган | корень | стебель | листья | плод | корень | стебель | листья | плод | корень | стебель | листья | плод |
| Сорт/вид | ||||||||||||
| Malus prunifolia (Willd.) | 3.0 | 4.2 | 0,8 | 0,8 | 13,2 | 5,5 | 1,8 | 3.2 | 1.0 | 0.32 | 0.13 | 0.33 |
| Malus cerasifera Likh. | 2,4 | 1.3 | 0.8 | 1.3 | 11.3 | 5.8 | 4.3 | 6.6 | 1.2 | 0.36 | 0.12 | 0.35 |
| Sоrbus aucupаria L. | 3.0 | 1,8 | 0,10 | 1,6 | 7.0 | 3,8 | 1.5 | 2,0 | 0.80 | 0,20 | 0,13 | 0,20 |
| Rosa majalis Herrm. | 7.0 | 9,1 | 2,2 | 5,3 | 11.0 | 13,8 | 6.8 | 9.1 | 1.0 | 0,32 | 0,13 | 0,31 |
| ПДК | н/у | н/у | н/у | 5.0 | н/у | н/у | н/у | 10.0 | н/у | н/у | н/у | 0.4 |
Таблица 12 - Cодержание тяжёлых металлов в органах исследуемых растений на исследуемом участке № 8
| Металл | Cu (мг/кг) | Zn (мг/кг) | Pb (мг/кг) | |||||||||
| Исследуемый орган | корень | стебель | листья | плод | корень | стебель | листья | плод | корень | стебель | листья | плод |
| Сорт/вид | ||||||||||||
| Malus prunifolia (Willd.) | 4.1 | 2,3 | 1,1 | 3,1 | 9.0 | 4,3 | 3,0 | 9,3 | 1.4 | 0,23 | 0,6 | 0,31 |
| Malus cerasifera Likh. | 4.1 | 2,1 | 1,1 | 3,5 | 9.0 | 4,8 | 2,4 | 9,2 | 1.2 | 0,21 | 0,7 | 0,28 |
| Sоrbus aucupаria L. | 5.0 | 1,9 | 0,11 | 1,8 | 10.0 | 4,9 | 2,3 | 4,0 | 1.4 | 0,31 | 0,13 | 0,28 |
| Rosa majalis Herrm. | 17.0 | 18,1 | 5,2 | 10,3 | 19.0 | 22,8 | 14,8 | 20.8 | 1.0 | 0,62 | 0,28 | 0,41 |
| ПДК | н/у | н/у | н/у | 5.0 | н/у | н/у | н/у | 10.0 | н/у | н/у | н/у | 0.4 |
Превышение норм по Cu в плодах Rosa majalis Herrm. обнаружено на всех изученных участках. По результатам исследований видно, что содержание Pb превышает предельно-допустимые концентрации в плодах Rosa majalis Herrm. и Malus prunifolia (Willd.). Высокие показатели Zn были зафиксированы в плодах Rosa majalis Herrm.
Анализируя содержание ТМ во всех образцах изучаемых растений можно выделить Rosa majalis Herrm. как растение - гипераккумулятор Cu, Zn и Pb так как в исследуемых образцах стеблей концентрации по данным металлам выше, чем в образцах корней, вместе с тем, по результатам гистохимического анализа видно, что локализация Zn и Pb осуществляется в тканях плодов, ксилеме и эпидерме стебля а также в эпидерме листа Rosa majalis Herrm. , что также характеризует данный вид, как гипераккумулятор.
В целом, образцы Malus cerasifera Likh., Malus prunifolia (Willd.) и Sоrbus aucupаria L. отличаются способностью к аккумуляции ТМ в концентрациях не превышающих норму.
На основании полученных данных рассчитывался коэффициент транслокации (TF); TF = Сshoot/Croot где Сshoot - концентрация элемента в побеге, а Croot - концентрация элемента в тканях тонких корней. TF отражает эффективность транспорта элементов из подземных в надземные органы. Коэффициенты транслокации (TF) Cu, Zn и Pb из корней иследуемый растений в надземные органы представлены на рисунках 1-4.
Величина TF позволила выявить видовую и сортовую специфики аккумуляции Cu, Zn и Pb. Как видно из диаграмм, максимальные значения TF Cu получены для Rosa majalis Herrm. и Malus prunifolia (Willd.); максимальные значения TF Zn получены для Rosa majalis Herrm. и Malus cerasifera Likh.; максимальные значения TF Pb получены для Rosa majalis Herrm. и Malus cerasifera Likh. Минимальные величины коэффициентов транслокации получены для Sоrbus aucupаria L.
Рисунок 1 - Коэффициенты транслокации (TF) Cu, Zn и Pb из корней растений в надземные органы для Malus prunifolia (Willd.)
Рисунок 2 - Коэффициенты транслокации (TF) Cu, Zn и Pb из корней растений в надземные органы для Malus cerasifera Likh.
Рисунок 3 - Коэффициенты транслокации (TF) Cu, Zn и Pb из корней растений в надземные органы для Sоrbus aucupаria L.
Рисунок 4 - Коэффициенты транслокации (TF) Cu, Zn и Pb из корней растений в надземные органы для Rosa majalis Herrm.
Кроме того, были рассчитаны средние концентрация тяжёлых металлов в корнях, стеблях, листьях и плодах исследуемых представителей семейства Rosaceae для сравнения степени аккумуляции разными представителями. Результаты расчетов приведены на рисунках 5-16.
Рисунок 5 - Средняя концентрация Cu в корнях изучаемых представителей семейства Rosaceae на территории г. Оренбурга
Рисунок 6 - Средняя концентрация Cu в стеблях изучаемых представителей семейства Rosaceae на территории г. Оренбурга
Рисунок 7 - Средняя концентрация Cu в листьях изучаемых представителей семейства Rosaceae на территории г. Оренбурга
Рисунок 8 - Средняя концентрация Cu в плодах изучаемых представителей семейства Rosaceae на территории г. Оренбурга
Рисунок 9 - Средняя концентрация Zn в корнях изучаемых представителей семейства Rosaceae на территории г. Оренбурга
Рисунок 10 - Средняя концентрация Zn в стеблях изучаемых представителей семейства Rosaceae на территории г. Оренбурга
Рисунок 11 - Средняя концентрация Zn в листьях изучаемых представителей семейства Rosaceae на территории г. Оренбурга
Рисунок 12 - Средняя концентрация Zn в плодах изучаемых представителей семейства Rosaceae на территории г. Оренбурга
Рисунок 13 - Средняя концентрация Pb в корнях изучаемых представителей семейства Rosaceae на территории г. Оренбурга
Рисунок 14 - Средняя концентрация Pb в стеблях изучаемых представителей семейства Rosaceae на территории г. Оренбурга
Рисунок 15 - Средняя концентрация Pb в листьях изучаемых представителей семейства Rosaceae на территории г. Оренбурга
Рисунок 16 - Средняя концентрация Pb в плодах изучаемых представителей семейства Rosaceae на территории г. Оренбурга
Характер загрязнения почв ТМ на исследуемых участках оценивался с использованием метода сравнения результатов исследования с предельно допустимыми концентрациями (ПДК) (Таблицы 13,14).
Таблица 13 - Содержание ТМ в почве исследуемых участков на глубине 0-10 см.
| Me | Уч-к №1 | Уч-к № 2 | Уч-к №3 | Уч-к №4 | Уч-к №5 | Уч-к №6 | Уч-к №7 | Уч-к №8 | ПДК |
| Cu | 6,2 | 5,7 | 5.1 | 3,9 | 10,7 | 7,0 | 3,5 | 9,3 | 3 мг/кг |
| Zn | 26,0 | 28,3 | 20.3 | 22,0 | 32,4 | 28,9 | 17,2 | 26,7 | 23 мг/кг |
| Pb | 4,8 | 6,3 | 3,5 | 4,2 | 8,1 | 5,3 | 3,0 | 4,1 | 6 мг/кг |
Таблица 14 - Содержание ТМ в почве исследуемых участков на глубине 30-40 см.
| Me | Уч-к №1 | Уч-к № 2 | Уч-к №3 | Уч-к №4 | Уч-к №5 | Уч-к №6 | Уч-к №7 | Уч-к №8 | ПДК |
| Cu | 2,8 | 3,7 | 3.1 | 2,1 | 7,4 | 4,1 | 1,9 | 6,0 | 3 мг/кг |
| Zn | 22,1 | 23,1 | 15.2 | 18,1 | 22,1 | 23,3 | 11,2 | 20,9 | 23 мг/кг |
| Pb | 3,0 | 3,7 | 1,8 | 2,8 | 8,1 | 2,8 | 1,0 | 2,6 | 6 мг/кг |
Анализ содержания и распределения подвижных форм ТМ показывает, что наблюдаются превышения ПДК по всем изучаемым металлам. Максимальные концентрации были Cu зафиксированы на глубине 0 - 10 см на участках №5 (10,7 мг/кг), №8 (9,3 мг/кг) и №1 (6,2 мг/кг), значения в 2-3 раза превышают ПДК. Для Zn превышение ПДК было отмечено на глубине 0 - 10 см. на участках № 1, 2, 5,6. Pb превысил концентрации только на 2 участках (№2 и №5) на глубине 0-10 см. На глубине 30-40 см. ПДК были превышены для Cu (участки №2,3,5,6,8) и Zn (участки № 2,3). В целом можно сказать, что растения с повышенным содержанием металлов в корнях и побеге встречаются на территориях с повышенным содержанием этих же металлов в почве, однако вид Rosa majalis Herrm. (в большей степени) и сорт Malus prunifolia (Willd.) (в меньшей степени) аккумулируют в больших количествах Cu и Zn в плодах даже на участках, где металлы в почвах не превышают ПДК.
Выводы
1. Оценка экологических характеристик семейства Rosaceae Juss. в условиях города Оренбурга показывает, что изучаемые растения Sоrbus aucupаria L., Malus cerasifera Likh. и Malus prunifolia (Willd.) адаптированы к естественным стрессовым условиям резко континентального климата в отличии от вида Rosa majalis Herrm., растения которого характеризуются низкими показателями жизненного состояния, слабой засухоустойчивостью и морозостойкостью и ввиду этого, являются малодекоративными.
2. Полученные данные позволяют сделать вывод, что селективность органов к аккумуляции ТМ увеличивается в направлении: корни < стебли<плоды<листья, что связано с необходимостью защиты как генеративных органов, так и фотосинтетического аппарата. Malus prunifolia (Willd.), Malus cerasifera Likh. и Sоrbus aucupаria L. несмотря на значительную аккумуляцию Cu, Zn и Pb в корнях, характеризуются максимальной избирательностью накопления данных металлов в надземной части. В большинстве случаев в надземной части аккумуляция происходит в стеблях, конкретно в ксилеме стебля. По результатам исследований видно, что Zn активно поступает в побег и аккумулируется там в больших количествах во всех органах, что объясняется его биофильностью и активным участием в метаболических процессах. В то же время, транслокация наиболее токсичного Pb задерживается корнем, который и является первым барьером, ограничивающим поступление Pb в фотосинтезирующий аппарат и генеративные органы.
3. Выявлено, что характер загрязнения почв изучаемых участков города Оренбурга тяжелыми металлами имеет локальный характер и зависит от наличия в непосредственной близости промышленных объектов либо автодорог. Превышения ПДК наблюдаются по всем изучаемым металлам. Установлено, что вид накапливает в подземных и наземных органах тяжёлые металлы исследуемой группы (Cu, Zn, Pb) в больших количествах не зависимо от концентраций данных металлов в почве. Растения Malus prunifolia (Willd.) аккумулируют ТМ в больших концентрациях в наземной части только в случае превышения ПДК этих металлов в почве. Нужно отметить, что наземные органы растений вида Sоrbus aucupаria L. и сорта Malus cerasifera Likh. в пределах изученных участков не подвержены влиянию почвенных концентраций Cu, Zn, Pb, а следовательно, количественное содержание ТМ в органах данных растений примерно одинаково на всех территориях.
4. Результаты исследований помогли выяснить, что вид Rosa majalis Herrm. не адаптирован к условиям урбосреды и климатическим условиям региона а также является гипераккумулятором тяжёлых металлов, накапливающим Cu, Zn, Pb в наземной фитомассе в особенности, в концентрациях, превышающих ПДК в плодах, соответственно он не подходит для экологически безопасного озеленения городских территорий. Растения Malus prunifolia (Willd.) адаптированы как к урбосреде, так и к условиям региона, однако, накапливают в плодах ТМ в концентрациях выше ПДК на территориях с загрязнёнными ТМ почвами, соответственно высаживать такой сорт в парках, скверах и на улицах г. Оренбурга нужно с особой осторожностью. Сорт Malus cerasifera Likh. подходит для озеленения урбосреды больше, чем Malus prunifolia (Willd.), т. к. в меньшей степени аккумулируют ТМ в плодах. Растения вида Sоrbus aucupаria L. являются экологически безопасными для безопасного озеленения территорий г.Оренбурга, так как плоды устойчивы к накоплению Zn, Cu и Pb.
Перечень публикаций
1. Скворцова, Т. А. Влияние тяжёлых металлов, содержащихся в урбанизированных почвах на эколого-биогеохимические характеристики плодовых насаждений г.Оренбурга / Т. А. Скворцова // Материалы к Международной научной конференции XIX Докучаевские молодёжные чтения «Почва - зеркало ландшафта»: сборник статей / под ред. Б.Ф. Апарина, Издательский дом С.-Петербургского государственного университета - Россия, г. Санкт-Петербург, 2016 - С. 89-90.
2. Скворцова, Т.А Избирательная аккумуляция тяжёлых металлов представителями семейства Rosaceae в условиях города Оренбурга (на примере Malus cerasifera Spach. и Malus prunifolia (Willd.). / Т. А. Скворцова // Вестник Оренбургского государственного университета, Оренбург, 2017 №3 (203) – С. 90-94.
3. Скворцова, Т.А Содержание тяжёлых металлов в плодах Rosa majalis Herrm., произрастающего в парковых зонах города Оренбурга / Т. А. Скворцова // – Вестник Оренбургского государственного университета, Оренбург, 2017 №8 (208) – С. 80-83.
4. Савин, Е. З. Русанов, А.М. Кин, Н. О. Березина, Т.В. Логинчив, Е. К. Скворцова, Т.А. Плодово-ягодные культуры в экологических условиях национального парка «Бузулукский бор» / Е. З. Савин, А.М. Русанов,
Н. О Кин, Т. В. Березина, Е. К. Логинчив, Т.А.Скворцова // Труды по прикладной ботанике, генетике, селекции, СПб, 2017, Т. 178, выпуск 4 – С. 29-35.
5. Скворцова, Т. А. Особенности транспорта тяжёлых металлов из корней в надземные части растений семейства Rosaceae г. Оренбурга / Т. А. Скворцова // – Материалы X Международной научно-практической конференции «Eurasiascience», Россия, Москва, 2017, Научно-издательский центр «Актуальность.РФ» – С. 30-32.
6. Скворцова, Т. А. Использование плодовых насаждений городских территорий в качестве объекта фиторемедиации почв, загрязнённых тяжёлыми металлами / Т. А. Скворцова // - Материалы к Международной научной конференции XXI Докучаевские молодёжные чтения «Почвоведение – мост между науками» , под ред. Б.Ф. Апарина. – СПб., 2018 – С. 178-180.
7. Скворцова, Т.А. Оценка накопления и распределения тяжёлых металлов в органах и тканях Sоrbus aucupаria L. на территории г. Оренбурга /
Т. А. Скворцова // - Материалы Материалы XXI Международной научно-практической конференции «Вопросы современных научных исследований», Вестник современных исследований, г. Омск , 2018 №4-1(19) – С. 17-19.
Дата добавления: 2020-12-22; просмотров: 61; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!