Limits of seed germination of phytomeliorants under conditions of heavy metals toxic concentrations

Cover Page

Abstract


The aim of the study is to conduct biological testing at the initial stages of plant objects viability in the model conditions of heavy metal pollution. The paper presents the results of laboratory experiments to assess the impact of different concentrations of heavy metal salts on the viability of yellow melilot and great trefoil seeds. In the course of the conducted experimental studies the author has been established a direct dependence of the decrease in the indices of germination energy and laboratory germination of seeds with an increase in the concentration of phytotoxicant salts, determined the critical (threshold) concentration of the studied elements and the metal content, in which the processes of growth and development of seeds remain. The concentration of 0,01% cadmium, zinc, lead and copper was optimal for germination of melilot seeds, where germination was equal to 80%, 74%, 69% and 64%, respectively. For great trefoil seeds, high germination rates were noted in case of 0,01% contamination with lead, zinc, cadmium and copper - 82%, 80%, 77% and 76%, respectively, and in 0,1% salt solution of lead, copper and zinc there were recorded 75%, 74% and 72% of seedlings. Zinc in the concentration of 0,01% at the initial stages of germination of phytomeliorant seeds stimulated germination energy. The tendency of resistance to pollution by lead, zinc and copper was observed at sprouts of a great trefoil, and to pollution by cadmium the greatest resistance was shown by a melilot yellow. Defining the limits of the leguminous plant seeds germination in the presence of a toxic agent will allow research and development in respect of biological restoration of contaminated soils and can be used in technologically disturbed lands.

Full Text

Введение Загрязнение природной среды сегодня является острой экологической проблемой. В последние десятилетия в связи с быстрым развитием промышленности во всем мире наблюдается значительное возрастание содержания тяжелых металлов в окружающей среде и продуктах питания [1-5]. В результате хозяйственной деятельности человека тяжелые металлы поступают в окружающую среду в количествах, сопоставимых с количествами металлов, участвующих в природных процессах круговорота, что приводит к ее загрязнению. Земли, включенные в сельскохозяйственный оборот, с каждым годом становятся все более истощенными и экологически уязвимыми [6-11]. Проблема деградации техногенно-нарушенных почв вследствие загрязнения тяжелыми металлами является особенно актуальной. Для устойчивого развития аграрного производства необходимы биометоды и биотехнологии, которые без вреда для растительного и животного мира, в том числе для человека являются безопасными, способствуют повышению качества и количества готовой продукции [12-15]. Возделывание растений-фитомелиорантов, в частности донника желтого и люцерны посевной, способствует очищению почвы, улучшению химических и физических свойств, повышению ее плодородия. Проведение модельных исследований по влиянию различных доз и видов тяжелых металлов на растительные объекты позволит решить следующие задачи: установить границы разной устойчивости растений и тенденции приспособления к токсикантам, выявить влияние конкретного металла, выяснить летальные дозы, а также концентрации при которых сохраняется жизнеспособность тест-объектов. Целью исследований явилось изучение возможности жизнеспособности семян фитомелиорантов в модельных условиях загрязнения тяжелыми металлами. Объекты исследований В качестве тест-объектов были выбраны семена фитомелиорантов - донника желтого (Melilotus officinalis) и люцерны посевной (Medicago sativa). Материалы и методика исследований Эксперимент проводился в лабораторных условиях, семена проращивали в чашках Петри на слое фильтровальной бумаги, смоченной водным раствором соли тяжелых металлов. В качестве токсиканта использовали растворы нитрата свинца, сульфата меди, нитрата кадмия и сульфата цинка следующих концентраций: 0,01%; 0,1%; 0,3%; 0,5%; 1%; 3%; 5% и 6% по каждому металлу в отдельности. В контрольном варианте семена смачивались только дистиллированной водой. Проращивание осуществлялось в соответствии с ГОСТ 12038-84. Семена сельскохозяйственных культур. Методы определения всхожести: энергию прорастания семян определяли на 4-е сутки проращивания; лабораторную всхожесть у семян люцерны - на 7-е сутки, у донника - на 10-е сутки. Результаты исследований и их обсуждение При оценке влияния модельного загрязнения среды на жизнеспособность семян донника желтого и люцерны посевной, представленной на рисунках 1-4, выявлены следующие закономерности: отмечено снижение показателей прорастания семян при повышении концентрации раствора солей свинца, меди, кадмия во всех исследуемых вариантах; наблюдалось некоторое увеличение энергии прорастания семян тестируемых культур при 0,01% концентрации соли цинка, однако для всхожести семян данная тенденция не характерна и наблюдается ингибирующее действие уже при минимальной концентрации раствора. Признаки угнетения энергии прорастания семян донника по отношению к контролю (рис. 1) наблюдались уже при минимальной 0,01% концентрации кадмия, меди и свинца, разница между контрольным вариантом и моделируемым 0,01% образцом составила 8%, 18% и 63% соответственно. При загрязнении среды солью цинка в концентрации 0,01% отмечалось незначительное стимулирование энергии прорастания, что составило 52% всхожих семян при 49% в контрольном варианте. Каждое последующее увеличение концентрации тяжелых металлов приводило к снижению процесса прорастания семян донника. Рисунок 1 - Результаты определения энергии прорастания семян донника желтого в зависимости от концентрации фитотоксиканта, % Рисунок 2 - Результаты определения всхожести семян донника желтого в зависимости от концентрации фитотоксиканта, % Рисунок 3 - Результаты определения энергии прорастания семян люцерны посевной в зависимости от концентрации фитотоксиканта, % Рисунок 4 - Результаты определения всхожести семян люцерны в зависимости от концентрации фитотоксиканта, % При определении всхожести семян донника (рис. 2) можно отметить следующее: с увеличением концентрации раствора солей тяжелых металлов от 0,01% → 0,1% → 0,3% → 0,5% → 1% показатели всхожести значительно снижаются в отличие от контрольного варианта, наименьшее ингибирование прорастания наблюдалось по цинку 74% проросших семян - в варианте 0,01% раствора соли; 54% семян - при 0,1% концентрации; 41% семян - при 0,3% содержании; 17% семян - в среде 0,5% раствора соли и 4% семян - при 1% концентрации элемента. При загрязнении среды медью лабораторная всхожесть семян снизилась на 22-31% в 0,01% и 0,1% растворе соли соответственно, далее с повышением концентрации наблюдалось резкое сокращение количества проростков: 6% проросших семян в 0,3% концентрации раствора, 4% семян - в 0,5% концентрации и 2% семян - в 1% концентрации. В модельном варианте с кадмием и свинцом критической для прорастания стала концентрация 0,5% раствора соли, при которой сохраняют жизнеспособность 6% и 3% всхожих семян соответственно. В концентрациях 0,01%, 0,1% и 0,3% кадмия отклонения от контроля составили 1,2-2,3-5,2 раза; по свинцу 1,2-5-11,9 раз соответственно. Наиболее сильное угнетение энергии прорастания и всхожести семян донника характерно при загрязнении среды солью свинца. Угнетающее действие элементов на процесс прорастания семян донника в порядке убывания можно выразить в следующей последовательности: свинец > кадмий > медь > цинк. По результатам исследований влияния солей тяжелых металлов на процессы прорастания семян люцерны (рис. 3) отмечено ингибирование энергии прорастания: при 0,01% концентрации меди количество проростков снизилось на 3%; в варианте с кадмием - на 10%; при загрязнении свинцом - на 54%; цинк в данной концентрации стимулировал рост семян на 2%. С увеличением концентрации раствора солей токсикантов наблюдалось снижение энергии прорастания семян. Лабораторная всхожесть семян (рис. 4) была ниже контроля во всех моделируемых вариантах. Снижение всхожести семян люцерны было наиболее сильным в варианте с кадмием, где проросло наименьшее количество семян 77% проростков - в 0,01% концентрации раствора, 43% семян - в 0,1% содержании и 2% семян - в 0,3% дозе металла, которая стала критической. В модельном образце с медью и цинком критической установлена концентрация 1% раствора соли, где жизнеспособность сохранили 4% и 8% семян соответственно; для свинца порогом выживаемости семян стало 3% содержание элемента, в котором отмечено 6% проростков. Ингибирование прорастания семян люцерны тяжелыми металлами в порядке убывания можно выразить в следующей закономерности: кадмий > медь > цинк > свинец. Семена донника и люцерны по-разному реагируют на токсичность элементов и их концентраций. В целом донник желтый наиболее чувствителен к загрязненной среде, чем люцерна посевная: снижение показателей всхожести зафиксировано в опыте с медью, свинцом и цинком. Для донника устойчивость в сравнении с люцерной прослеживалась лишь по отношению к кадмию: 6% всхожих семян в 0,5% концентрации, которая для люцерны стала летальной и 19% проростков донника в соотношении с 2% люцерны в 0,3% загрязнении среды. Напротив, для люцерны характерны благоприятные показатели всхожести семян к свинцовому загрязнению, даже при высоких концентрациях: 6% всхожих семян в 3% загрязнении среды, что по доннику составило лишь 3% в 0,5% растворе соли. Полное ингибирование всхожести наблюдается при следующих концентрациях тяжелых металлов: для семян донника - 1% и выше соли свинца и кадмия, 3% и выше соли меди и цинка; для семян люцерны 0,5% и выше - соли кадмия, 3% и выше - соли меди и цинка; 5% и выше соли свинца. Выводы Процесс жизнеспособности семян фитомелиорантов является довольно устойчивым к действию тяжелых металлов при 0,01% концентрации токсикантов, где жизнеспособность проростков составляла 64-80% всхожих семян донника желтого и 76-82% люцерны посевной. Высокие показатели всхожести семян люцерны также отмечены в 0,1% загрязнении цинком, медью и свинцом - 72%, - 74%, - 75% всхожих семян соответственно. Концентрация цинка 0,01% при непродолжительном действии оказывала стимулирование энергии прорастания семян донника на 3% выше контроля, люцерны - на 2%. В сравнении культуры неодинаково реагируют на загрязнение тяжелыми металлами: люцерна посевная проявила устойчивость к загрязнению свинцом, цинком и медью, донник наиболее устойчив к загрязнению кадмием. Знание границ устойчивости фитомелиорантов, оптимальных и критических доз тяжелых металлов позволит проводить научные разработки по биологической рекультивации загрязненных почв и может быть использовано на техногенно-нарушенных территориях.

About the authors

Anastasia Olegovna Oznobihina

Tyumen Industrial University


postgraduate student of Technosphere Safety Department

References

  1. Ознобихина А.О., Скипин Л.Н., Котченко С.Г., Гаевая Е.В., Захарова Е.В. Особенности накопления тяжелых металлов в почвах северной лесостепи районов Тюменской области // Вестник КрасГАУ. 2018. № 5. С. 252-257.
  2. Гаевая Е.В., Захарова Е.В., Скипин Л.Н. Биогеохимия элементов в системе почва - растение - животное в условиях юга Тюменской области // Вестник КрасГАУ. 2013. № 11. С. 149-153.
  3. Наплекова Н.Н., Степанова М.Д. Биоиндикация загрязнения почв свинцом и кадмием по микробным ценозам. Новосибирск, 2000. 124 с.
  4. Ильин В.Б. Тяжелые металлы в системе почва - растение. Новосибирск: Наука, Сибирское отделение, 1991. 151 с.
  5. Кузнецов А.Е., Градова Н.Б., Лушников С.В., Энгельхарт М. Прикладная экобиотехнология: учеб. пособие для студентов. В 2 т. 2-е изд. (электронное). М.: Бином. Лаб. знаний, 2012.
  6. Боме Н.А., Белозерова А.А. Основы биотехнологии растений: учеб. пособие. Тюмень: Изд-во ТюмГУ, 2007. 92 с.
  7. Oznobihina A.O., Gayevaya E.V. Heavy Metals in Soil&Plant System Under Conditions of the South of Tyumen Region // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering (MSE) International Conference on Construction, Architecture and Technosphere Safety, ICCATS 2017. Vol. 262. Chelyabinsk: South Ural State University, 2017. P. 012170.
  8. Савич В.И., Седых В.А., Никиточкин Д.Н., Сердюкова А.В., Шестаков А.К., Саидов Е.И. Агроэкологическая оценка состояния почв в системе почва - растение. М.: Изд-во ВНИИА, 2012. 360 с.
  9. Барсегян А.Г., Гендугов В.М., Глазунов Г.П. и др. Экологическое нормирование и управление качеством почв и земель. М.: НИА-Природа, 2013. 373 с.
  10. Глазовская М.А. Геохимия природных и техногенных ландшафтов. М.: Высшая школа, 1988. 328 с.
  11. Сысо А.И. Закономерности распределения химических элементов в почвообразующих породах и почвах Западной Сибири. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2007. 277 с.
  12. Муха В.Д., Картамышев Н.И., Муха Д.В. Агропочвоведение. М.: КолосС, 2004. С. 480-485.
  13. Черников В.А., Грингоф И.Г., Емцев В.Т. Агроэкология. Методология, технология, экономика. М.: КолосС, 2004. 400 с.
  14. Витол И.С. Экологические проблемы производства и потребления пищевых продуктов: учебное пособие. М.: Издательский комплекс МГУПП, 2000. 93 с.
  15. Давыдова С.Л., Тагасов В.И. Тяжелые металлы как супертоксиканты 21 века. М.: Изд-во РУДН, 2002. 140 с.

Statistics

Views

Abstract - 43

PDF (Russian) - 6

Cited-By


PlumX

Dimensions

Refbacks

  • There are currently no refbacks.

Copyright (c) 2019 Oznobihina A.O.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies