Наукове обґрунтування механізму зниження вмісту важких металів у ґрунті методом фіторемедіації бобовими багаторічними травами

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вінницький національний аграрний університет

НАУКОВЕ ОБҐРУНТУВАННЯ МЕХАНІЗМУ ЗНИЖЕННЯ ВМІСТУ ВАЖКИХ МЕТАЛІВ У ҐРУНТІ МЕТОДОМ ФІТОРЕМЕДІАЦІЇ БОБОВИМИ БАГАТОРІЧНИМИ ТРАВАМИ

Ткачук О.П., Вергеліс В.І.

Анотація

ґрунт вирощування рухомий люцерна

Досліджено та проведено наукове обґрунтування механізму зниження вмісту рухомих форм важких металів: свинцю, кадмію, міді та цинку у ґрунті після дворічного і чотирирічного вирощування шести видів бобових багаторічних трав: люцерни посівної (Medicago sativa), конюшини лучної (Trifolium pratense), еспарцету піщаного (Onobrychis arenaria), буркуну білого (Melilotus albus), лядвенцю рогатого (Lotus corniculatus) та козлятнику східного (Galega orientalis). Розраховано коефіцієнт накопичення важких металів зерном пшениці озимої у сівозміні при її вирощуванні після досліджуваних видів бобових багаторічних трав.

Представлено дані щодо зміни вмісту рухомих форм важких металів у ґрунті після дворічного та чотирирічного вирощування трав та вмісту важких металів у листостебловій масі досліджуваних рослин. Розраховано коефіцієнти кореляції та детермінації між досліджуваними чинниками, встановлено силу зв'язків та їх напрям. На основі розрахованих кореляційно-регресійних залежностей проведено наукове обґрунтування механізмів фіторемедіації важких металів з ґрунту за вирощування бобових багаторічних трав.

Рослини еспарцету піщаного мають найвищу інтенсивність біонакопичення свинцю, в той час як інші види бобових багаторічних трав таких залежностей не проявляли, тому у всіх видів трав, як фіторемедіантів важких металів, спостерігається поєднання обох методів біоремедіації: біонакопичення рослинами важких металів та метод перерозподілу рухомих форм важких металів у ґрунті за одночасного впливу на біологічну і мінеральну складову ґрунту. Одержана інформація буде корисною при обґрунтуванні механізмів фіторемедіації важких металів бобовими багаторічними травами. Ключові слова: бобові багаторічні трави, фіторемедіація, важкі метали, ґрунт, кореляційно-регресійний зв'язок, наукове обґрунтування.

Annotation

Scientific justification of the heavy metal content reduction mechanism in the soil by the phytoremediation method with perennial legumes. Tkachuk O., Verhelis V.

The mechanism of reducing the content of mobile forms of heavy metals: lead, cadmium, copper and zinc in the soil after two and four years of growing six types of leguminous perennial grasses: alfalfa (Medicago sativa), meadow clover (Trifolium pratense), sand safflower (Onobrychis arenaria), white gorse (Melilotus albus), horned gorse (Lotus corniculatus) and oriental gorse (Galega orientalis). The coefficient of accumulation of heavy metals in winter wheat grain in crop rotation during its cultivation after the studied types of leguminous perennial grasses was calculated.

Data are presented on changes in the content of mobile forms of heavy metals in the soil after two and four years of growing herbs and the content of heavy metals in the leaf mass of the studied plants. The coefficients of correlation and determination between the studied factors were calculated, the strength of the connections and their direction were determined. On the basis of the calculated correlation-regression dependencies, a scientific substantiation of the mechanisms of phytoremediation of heavy metals from the soil during the cultivation of leguminous perennial grasses was carried out.

Asparagus plants have the highest intensity of bioaccumulation of lead, while other types of leguminous perennial grasses did not show such dependences, therefore, in all types of grasses, as phytoremediants of heavy metals, a combination of both bioremediation methods is observed: bioaccumulation of heavy metals by plants and the method of redistribution of mobile forms of heavy metals metals in the soil under simultaneous influence on the biological and mineral composition of the soil. The obtained information will be useful in substantiating the mechanisms of phytoremediation of heavy metals by leguminous perennial grasses. Key words: leguminous perennial grasses, phytoremediation, heavy metals, soil, correlation-regression relationship, scientific justification.

Постановка проблеми

До важких металів належать хімічні елементи з атомною масою понад 40 та густиною більше 5 г/см³, що мають властивості металів. Особливу увагу серед елементів групи важких металів викликають ті, що можуть проявляти сильний токсикаційний ефект, зокрема Zn, Cu, Pb та Cd [1].

Науковими дослідженнями встановлено, що фітотоксичність важких металів, крім хімічних властивостей самих елементів (валентність, іонний радіус, здатність утворювати комплексні сполуки), також залежить від ґрунтово-кліматичних умов (фізико-хімічні властивості ґрунту, температура, волога) та видових особливостей рослин і їх стійкості до забруднення [2].

Аналіз останніх досліджень і публікацій

Важкі метали в ґрунті можуть перебувати у різних за розчинністю та рухомістю формах: нерозчинні, що входять до складу ґрунтових мінералів; обмінні, що перебувають у динамічній рівновазі з іонами даного металу в ґрунтовому розчині; рухомі та розчинні форми. Між різними формами важких металів у грунті існує тісний взаємозв'язок, а також можливе перетворення одних форм в інші. Найнебезпечнішими для рослин у ґрунті є рухомі форми важких металів, які можуть накопичуватися до великих концентрацій та зумовлювати високу токсичність як для ґрунтової біоти, так і для рослин [3].

Встановлено, що свинець і мідь є менш рухомі, ніж інші важкі метали та переважно накопичуються у верхньому шарі ґрунтового покриву [4]. Важливими факторами, що впливають на рухливість цинку в ґрунтах євміст в них глинистих мінералів і величина рН. При підвищенні рН важкі метали переходять в органічні комплекси і зв'язуються ґрунтом. Рухливість кадмію в ґрунті залежить від середовища і окислювально-відновного потенціалу [5].

Рослини по різному накопичують важкі метали [6]. Цинк сильно накопичується рослинами і утримується в них; мідь і кадмій слабо накопичуються і сильно утримуються; свинець - слабо накопичується і слабо утримується в рослинах [7].

Екологічний вплив важких металів на систему «ґрунт - рослина» залежить від виду і хімічних властивостей забруднювача, форм сполук важких металів у ґрунтах і їх трансформації, складу і властивостей ґрунту, біологічних та фізіологічних особливостей рослин, їх фенологічної фази росту і розвитку [8].

У світі проведена значна кількість досліджень з вивчення механізмів переходу важких металів з ґрунту в рослини [9, 10]. Переважна більшість важких металів поглинаються рослинами через кореневу систему, проте деякі елементи, зокрема кадмій - як через корінь, так і шляхом адсорбції поверхнею вегетативної частини.

Інтенсивність утримання важких металів ґрунтами головним чином залежить від рН середовища. Так, для кадмію і свинцю цей вплив виражений більшою мірою, ніж для інших елементів, зокрема міді, значна частина якої зв'язана з органічними комплексами [11].

Альтернативою хімічним методам очистки ґрунту від токсичних важких металів є вирощування на забруднених ґрунтах рослин з підвищеною потребою у тих чи інших мікроелементах. Дослідженнями науковців доведено, що бобові багаторічні трави, зокрема конюшина, здатна накопичувати важкі метали. Це може бути використано як один із методів фітомоніторингу та фіторемідіації грунтів [12].

Мета роботи

Останнім часом багато науковців зосереджують свою увагу на з'ясуванні механізмів засвоєння рослинами важких металів з ґрунту з метою його ефективного очищення. Це питання є надзвичайно актуальним для України. Тому підбір ефективних рослин-поглиначів важких металів з ґрунту має важливе наукове і практичне значення.

Методологія

Дослідженнями передбачалось вивчити та науково обґрунтувати вплив вирощування бобових багаторічних трав на прояв біоремедіації важких металів за параметрами зміни вмісту у ґрунті рухомих форм свинцю, кадмію, міді та цинку, а також величини переходу їх у зерно пшениці озимої при вирощуванні його після попередників шести видів бобових багаторічних трав: люцерни посівної, конюшини лучної, еспарцету піщаного, буркуну білого, лядвенцю рогатого та козлятнику східного.

Польові дослідження проводилися впродовж 2013-2019 рр. у Науково-дослідному господарстві «Агрономічне» Вінницького національного аграрного університету на сірих опідзолених середньосуглинкових грунтах. Агрохімічний склад ґрунту дослідної ділянки характеризується такимипоказниками: вміст гумусу - 2,0%, азоту гідролізованого (за Корнфілдом) - 133 мг/кг ґрунту, рухомих форм фосфору (за Чіріковим) - 390 мг/кг ґрунту, рухомих форм калію (за Чіріковим) - 64 мг/кг ґрунту, кислотність гідролітична - 2,53 мг.-екв./100 г ґрунту, реакція ґрунтового розчину рН_сол. 5,0.

Визначення вмісту у ґрунті рухомих форм важких металів, фізико-хімічних і агроекологічних показників родючості ґрунту, вмісту важких металів у зерні пшениці озимої та зеленій масі бобових багаторічних трав проводили у сертифікованих та акредитованих лабораторіях: Випробувальному центрі Вінницької філії Державної установи «Держґрунтохорона» та Науково-вимірювальній агрохімічній лабораторії кафедри екології та охорони навколишнього середовища Вінницького національного аграрного університету.

Вміст рухомих форм важких металів у ґрунті визначали методом атомно-абсорбційної спектрофотометрії відповідно до ДСТУ 4362:2004, ДСТУ 4770 (2, 3, 9):2007 [13].

Відповідно до стандартизованих методик розраховували коефіцієнт накопичення важких металів у зерні пшениці озимої як відношення вмісту важких металів у зерні до вмісту їх рухомих форм у ґрунті. Застосовували кореляційно-регресійний аналіз на основі математичної обробки одержаних результатів на комп'ютері з використанням сучасних пакетів програм Excel, Sigma, Statistika [14].

Виклад основного матеріалу

Біоремедіація, як метод зниження у ґрунті вмісту важких металів, ґрунтується на здатності певних видів рослин у процесі свого росту та розвитку перетворювати, перерозподіляти або накопичувати у своїй біомасі важкі метали. У ґрунті це проявляється зниженням вмісту рухомих форм важких металів, де ростуть бобові багаторічні трави та зменшенням коефіцієнта накопичення важких металів вегетативною масою наступних культур, що вирощуються після бобових багаторічних трав у сівозміні.

Результатами наших досліджень встановлено, що за дворічного вирощування бобових багаторічних трав вміст у ґрунті рухомих форм свинцю, кадмію, міді і цинку найістотніше знижується після еспарцету піщаного, а за чотирирічного вирощування: свинцю - після еспарцету піщаного, кадмію і міді - після усіх досліджуваних бобових багаторічних трав, цинку - після лядвенцю рогатого. Найменший вплив вирощування бобових багаторічних трав на зниження вмісту рухомих форм у ґрунті свинцю за два роки вегетації спостерігався після козлятнику східного, кадмію - після буркуну білого ікозлятнику східного, міді і цинку - після люцерни посівної. За чотири роки вегетації бобових багаторічних трав найменш істотне зниження вмісту свинцю у ґрунті було виявлено після люцерни посівної, цинку - після еспарцету піщаного (табл. 1).

Нашими дослідженнями встановлено, що найнижчий коефіцієнт накопичення зерном пшениці озимої свинцю, кадмію, міді і цинку спостерігається при її вирощуванні після попередника люцерни посівної, а найвищий - після лядвенцю рогатого (табл. 2).

Екологічний ефект біоремедіації щодо зниження коефіцієнту накопичення важких металів біологічною масою наступної культури у сівозміні після вирощування бобових багаторічних трав зумовлюється переведенням рухомих форм важких металів у ґрунті у важкодоступні сполуки, які не здатні мігрувати у рослину.

Нами визначені кореляційні залежності між коефіцієнтом накопичення свинцю, міді і цинку зерном пшениці озимої та вмістом їх рухомих форм у ґрунті перед вирощуванням пшениці озимої залежно від попередників бобових багаторічних трав. Зокрема коефіцієнт кореляції зміни коефіцієнта накопичення свинцю зерном пшениці озимої залежно від вмісту його рухомих форм у ґрунті становить r = -0,617. Це вказує на середній зворотній зв'язок між коефіцієнтом накопичення свинцю зерном пшениці озимої та вмістом його рухомих форм у ґрунті попередника (табл. 3).

Коефіцієнт кореляції зміни коефіцієнта накопичення міді зерном пшениці озимої залежно від вмісту її рухомих форм у ґрунті становить r = -0,500. Це вказує на середній зворотній зв'язок між коефіцієнтом накопичення міді зерном пшениці озимої та вмістом її рухомих форм у ґрунті попередника.

Коефіцієнт кореляції зміни коефіцієнта накопичення цинку зерном пшениці озимої залежно від вмісту його рухомих форм у ґрунті становить r = -0,880. Це вказує на сильний зворотній зв'язок між коефіцієнтом накопичення цинку зерном пшениці озимої та вмістом його рухомих форм у ґрунті попередника.

Таким чином, встановлено, що чим вищий вміст у ґрунті рухомих форм свинцю, міді і цинку при вирощуванні бобових багаторічних трав у якості попередників пшениці озимої - тим нижчий коефіцієнт їх накопичення має зерно пшениці озимої. Ця залежність є сильною для цинку та середньою - для свинцю і міді.

Таблиця 1

Вміст рухомих форм важких металів у ґрунті залежно від терміну вирощування бобових багаторічних трав, М±ш