Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2021, T. 501, № 1, стр. 86-93

ВВЕДЕНИЕ

Повышение урожайности и устойчивости культур, а также воспроизводство почвенного плодородия зависят от применения пестицидов и органо-минеральных удобрений, содержащих в своем составе различные биогенные макро- и микроэлементы, к числу которых относят и медь. Ежегодно с удобрениями в агроландшафты вносится порядка 94 тыс. т меди [1]. Больше всего меди содержится в простом суперфосфате. В 20 тоннах навоза содержится порядка 40 г меди [2]. Также среди источников поступления меди в экосистемы можно выделить выбросы металлургических предприятий [3]. Таким образом, в результате работы химической промышленности в педосферу ежегодно поступает около 155 тыс. т ионов меди.

В естественных условиях, при поступлении из почвы в растения, медь связывается с энзимами-оксидазами, участвующими в редокс-гомеостазе клеток. Почти вся ее доля в низких концентрациях прочно связана с различными белками [4]. В частности, медь входит в состав пластоцианина, голубого белка, осуществляющего перенос электронов между фотосистемами I и II в процессе фотосинтеза. Значительна роль меди и в азотном обмене растений. Также медь участвует в регулировании водного баланса. Поэтому при ее недостатке растения теряют тургор, и, несмотря на достаточное количество воды в почве, их листва поникает.

Вариабельность природного фона по валовому содержанию меди в разных типах почв составляет 2–30 мг/кг. Предельно допустимая концентрация (ПДК) составляет 50–55 мг/кг. Столь резкий переход обусловлен тем фактором, что ионы меди сильно связаны с высокоселективными обменными центрами твердой фазы почв, в том числе, с гумусовыми макромолекулами пахотного слоя (особенно с фульвокислотами), содержащими функциональные группы, способные к образованию не только ионных, но и ковалентных или донорно-акцепторных связей [5]. Так, дерново-подзолистая и черноземная почвы, согласно классическим моделям сорбции Ленгмюра и Фрейндлиха, характеризуются наибольшими показателями емкости катионного поглощения (ЕКО) и прочности связывания ионов Cu²⁺.

При переизбытке накопления меди в почвах из эссенциального микроэлемента она становится токсичным поллютантом второго класса опасности – тяжелым металлом (ТМ) [6], обладающим высокой реакционной способностью по отношению к произрастающим на данной территории культиварам. Период полуудаления (выщелачивания) для данного токсиканта из почв составляет от 310 до 1500 лет.

Избыточная аккумуляция меди в растениях при транслокации из почвы приводит к нарушению многих метаболических реакций [7], что отражается в снижении биомассы и качестве сельскохозяйственной продукции, либо полной гибели культуры. При этом важно отметить, что диапазон концентраций меди, не оказывающих выраженного токсического воздействия, весьма узок для разных растений.

На подвижность меди в почвах и ее поступление в растения влияет величина кислотности (pH) среды. При повышении значений pH прочность связи меди с почвенными компонентами увеличивается.

В многочисленных работах отмечено, что внесение органических биоудобрений, в том числе гуматов сапропеля или донного ила в загрязненную почву, уменьшает миграционную подвижность токсикантов вследствие образования различных низкомолекулярных органоминеральных комплексов, обладающих низкой растворимостью и доступностью для растений [8, 9]. То есть данные соединения, помимо ростостимулирующей функции, связанной с оптимизацией и мобилизацией питательного режима у растений, за счет участия своих активных функциональных групп гуминовых кислот способны также оказывать и фитопротекторное действие.

Применение биодобавок на основе полигуматов можно использовать как триггер в регулировании выноса поллютантов за пределы экосистем или нормировании их содержания в растительной биомассе в пределах ПДК при возделывании культур, используемых на пищевые и кормовые цели на загрязненных территориях.

По мнению ряда авторов, в исследованиях, связанных с изучением воздействия поллютантов на растения, наиболее информативным показателем по чувствительности культур является их биомасса [10, 11].

Бобовые культуры более толерантны к воздействию Cu²⁺, чем зерновые, но менее, чем пропашные. Дифференциальная устойчивость зернобобовых смесей к возрастающим дозам меди приведена в [12].

Характер распределения меди при транслокации в растения меняется в течение онтогенеза. Сведения о распределении ее по органам весьма противоречивы. Так, для представителя из семейства бобовых, сои характерен базипетальный тип накопления микроэлемента [13].

Целью настоящей работы было провести сравнительную оценку роста и развития различных сортов гороха посевного (Pisum sativum L.) в условиях загрязнения дерново-подзолистой почвы токсичными концентрациями меди и изучить фитопротекторный эффект на аккумуляцию токсиканта в различных частях растения при интродукции сапропелевых полигуматов.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

В качестве объектов для исследований были выбраны коммерческие высокопродуктивные сорта гороха посевного: Софья, Альфа и Триумф. Перед посадкой семена стерилизовали 5.0% гипохлоридом натрия в течение 10 мин для элиминации их от всех возможных эндофитных патогенных бактерий и грибов. Тщательно промытые после стерилизации дистиллированной водой семена проращивали в чашках Петри на фильтровальной бумаге в темноте в течение 3 сут. Лабораторная всхожесть семян (энергия прорастания) составила – 84, 65 и 81% соответственно.

Растения культивировали в пластиковых сосудах, содержащих 2.0 кг залежной дерново-подзолистой почвы, просеянной через сито с диаметром ячеек 2 мм и доведенной до воздушно-сухого состояния. Агрохимическая характеристика почвы: рН(_KCl) – 4.46 ± 0.01; рН(_{H$_{{_{2}}}$O}) – 5.20 ± 0.01; Нг (по Каппену) – 2.07 ± 0.01 мг-экв/100 г; ЕКО 7.30 ± 0.70 мг-экв/100; подвижный Р₂О₅ (по Кирсанову) – 85.0 ± 6.9 мг/кг; подвижный К₂О (по Масловой) – 95.1 ± 1.3 мг/кг; гумус (по Тюрину) – 1.62% ± 0.03. Исходное содержание валовой формы меди в почве составляло 2.48 мг/кг, подвижной (нативной) – 0.06 мг/кг. Кислотность с помощью известкования была доведена до нейтральной. Влажность субстрата в опыте поддерживалась весовым методом путем ежедневного полива на уровне 60% ППВ. Растения выращивали до фазы цветения (35–40 дней).

Перед посевом в почву вносили удобрения в виде питательного раствора солей из расчета конечного содержания их в почве (мг/кг): NH₄NO₃ – 15; KNO₃ – 200; KH₂PO₄ – 200; MgSO₄ – 35; CaCl₂ – 25; H₃BO₃ – 3; MnSO₄ – 3; ZnSO₄ – 3; Na₂MoO₄ – 2.

Для моделирования загрязнения почвенной среды ионами меди использовали водные растворы сульфата (CuSO₄ ∙ 5H₂O) в количестве 3ПДК по валовой форме или 55ПДК по нативной форме – 165 мг/кг. Концентрация была выбрана на основании литературных источников [14, 15].

Экологически чистый сапропель был получен из месторождения деревни Ермолино Псковской области. Жидкая суспензия ультрадисперсной фракции гумато-сапропеля (УДГСС) с частицами размера 86–89 нм получена в результате ультразвуковой кавитации гелиевой структуры на установке ПСБ-ГАЛС 18035-05 (частота 35 кГц, ультразвуковое давление 2.0 Вт/см²), обогащенной ионами калия, фосфора, натрия и микроэлементами [16]. Экстракт вносился разово при посадке под корень в дозе 50 ppm (0.005%). Данная концентрация была выбрана на основании другой работы с горохом [17]. Контролем служили варианты без добавления сульфата меди или УДГСС в почву.

Опыт закладывали двукратно в четырехкратной аналитической повторности. На каждый сосуд приходилось по 4 семени или 16 штук на вариант.

В первом опыте исследования проводили в модельном вегетационном опыте в регулируемых условиях на базе биополигона Агрофизического НИИ (Санкт-Петербург), во втором – на площадке экспериментальной лаборатории научно- производственного объединения ООО “БиоЭкоТех” (Санкт-Петербург) (рис. 1).

Рис. 1.

Культивирования растений гороха посевного (Pisum sativum L.) в условиях заданных характеристик климата и полной светокультуры.

Нормируемые параметры микроклимата внутреннего пространства составляли: относительная влажность воздуха 60–65%, фотопериод (день/ночь) – 14/10 ч, температура (день/ночь) – 23/18°С и скорость воздушного потока (день/ночь) – 3.0/1.2 м/с. Для оценки влияния разного типа инсоляции на процесс фотоморфогенеза в первом опыте использовались четыре лампы ДНАЗ Reflux (Russia) по 400 Вт каждая. Облученность растений на занимаемой площади составила 80–85 Вт/м² в области фотосинтетической активной радиации (ФАР). При повторном эксперименте в качестве источника освещения были взяты девять современных светодиодных LED-светильников G-Ray V2 UV полного белого света (SpecLED, Ukraine) по 100 Вт. Оба данных фитосветильника могут использоваться в технологиях интенсивной светокультуры [18], однако кардинально отличаются друг от друга по энерго-спектральному приходу ФАР. Дистанция подвеса светильников в обоих опытах до апикальной точки роста побега составляла 50 см. Замеры приходящего энергопотока света на рабочую площадь проводили с помощью люксметра (Voltcraft LX-1108, Germany) и спектрофотометра (OceanOptics STS-VIS, USA). Сверку при перерасчете люксов (Лк) в микромоли в секунду на квадратный метр полезной площади проводили согласно формуле для белого света. Графическое моделирование и светотехнические расчеты проводили с помощью программ SolidWorks 2014 и Dialux Evo 8.1.

Изменение содержания общего хлорофилла в листьях выполняли неинвазивным методом с использованием оптического счетчика SPAD 502 (“Minolta Camera Co, Ltd”, Япония), позволяющим проводить замеры без разрушения биологической ткани листьев, в том числе и дистанционно. В России исследования с использованием указанного прибора носят фрагментарный характер. Также общее содержание хлорофиллов в пересчете на мг/г определяли на спектрофотометрах ПЭ-5300В (Экоприбор, Россия) и СФ-2000 (ОКБ Спектр, Россия) в ацетоновой вытяжке (80%).

О влиянии поллютанта, с или без использования УДГСС, на растения судили по изменению морфометрических показателей (сухой биомассы надземных и подземных органов).

Анализ аккумуляции меди в корнях и стеблях проводили в аккредитованной на техническую компетентность и независимость Испытательной лаборатории Агрофизического НИИ Россельхозакадемии (Санкт-Петербург).

Результаты эксперимента обрабатывали в пакете программы Excel 2007 с расчетом уровней значимости р < 0.001.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЯ

Использование двух разных типов освещения в опытах при сохранении остальных показателей микроклимата позволило выявить одну закономерность. При культивировании растений под светодиодными лампами период цветения наступал раньше на 5 сут (35 дней). По остальным показателям на данной фазе вегетации статистически значимых отличий не обнаружено, что, вероятно, было связано с малым числом повторностей на каждый вариант.

При повышении концентрации меди в почве до 3ПДК общая сухая фитомасса всех сортов в среднем за вегетацию снизилась в 2 раза по отношению к контролю (рис. 2). Для сорта Триумф изменения по морфометрии не превышали 45% (отличия не достоверны), тогда как для двух других сортов они составили 57% (р < 0.001). Использование УДГСС значительно повысило металлоустойчивость растений (р < 0.05).

Рис. 2.

Масса различных сортов гороха посевного (Pisum sativum L.), выращенного на дерново-подзолистой супесчаной почве с внесением ионов меди в высокой концентрации, а также полигуматов сапропеля. Бары на диаграмме показывают ошибки средних значений по двум экспериментам.

Анализ влияния Cu на фотосинтетические пигменты выявил накопление общего хлорофилла у сорта Триумф: увеличение его показателей в результате измерения с использованием SPAD 502 составило 16%, колориметрическим методом – 14%. Для двух других сортов отмечено снижение значений содержания пигмента в листьях в среднем на 24–26% по значениям тестера SPSD и 40–52% – по значениям спектрофотометров (рис. 3).

Рис. 3.

Содержание хлорофилла в листьях коммерческих сортов гороха посевного (Pisum sativum L.), выращенных на загрязненной медью дерново-подзолистой почве и измеренных под конец эксперимента с помощью прибора SPAD 502 и колориметрическим методом на спектрофотометрах. Показаны средние значения по двум экспериментам.

Полигуматы сапропеля, внесенные в почву в концентрации 50 ppm, значительно улучшили содержание общего хлорофилла у сортов Софья и Альфа, по фону сопоставимого с образцами в контроле.

Увеличение пула хлорофилла у сорта Триумф при внесении ионов токсичной меди в ассимилирующих органах можно связать с металл-индуцированным синтезом низкомолекулярных белков, связывающих избыток токсиканта в растениях и нивелируя тем самым негативное действие стресса. По-видимому, устойчивость Триумфа также может быть связана и с активацией накопления в растениях свободного пролина – полифункционального протекторного соединения, обладающего в том числе антиоксидантными свойствами.

Как и ожидалось, корневая система, как основной буфер для поступления токсикантов в растения [19], задерживала в себе наибольшее количество ионов меди при транслокации их в побеги. При этом, при одинаковом уровне загрязнения, характер закономерностей перехода токсиканта в фитомассу различался у разных сортов (р < 0.001). Наименьшие значения по аккумуляции отмечены у сорта Триумф, что отражает его достаточно высокий элементо-статический барьер, препятствующий накоплению поллютантов в надземных органах (рис. 4).

Рис. 4.

Распределение содержания меди по органам у различных сортов гороха посевного (Pisum sativum L.). Бары указывают ошибки средних по двум экспериментам для каждого варианта ±5.0%.

За счет электростатического взаимодействия между функциональными группами (карбоксильными, гидроксильными, карбонильными и др.), гуминовых кислот УДГСС и ионами меди происходило детоксицирующее воздействие, вероятнее всего сопряженное с образование нерастворимых малоподвижных комплексов ГК-ТМ в ризосфере.

Содержание меди в сухой биомассе побегов составляло лишь 7.13 мг/кг, тогда как для сортов Альфа и Софья при данной, относительно небольшой концентрации загрязнения субстрата, накопление элемента достигало половины от максимально допустимого его содержания в кормах для сельскохозяйственных животных (30 мг/кг) [20]. Интродукция УДГСС снижала значения данного показателя до 5.86 мг/кг, т.е. приближая его к стандарту.

Приведенные результаты позволяют сделать вывод о потенциальной возможности возделывания гороха Триумф на почвах, загрязненных медью. Несмотря на ингибирование показателей его биомассы почти вдвое, сорт отличается экологически более чистым выходом конечной продукции в сравнении с сортами Альфа и Софья.

Использование биопрепаратов, созданных на основе гуматов сапропеля, позволит еще более повысить физиолого-биохимических процессы устойчивости растительного организма к неблагоприятным факторам среды и регулирование механизма передвижения токсикантов в системе “почва–растение”.

В перспективе представляется возможным провести изучение реакции растительно-микробного симбиоза на основе гороха посевного сорта Триумф и нитрагинов на присутствие в почвах разного генезиса повышенных концентраций меди в широком диапазоне концентраций, а также различной градации интродукции гуминовых кислот.