Для проверки гипотезы о возможности прямого расчёта концентраций ТМ в составе ядер семян (не подвергая их анализу) на экспериментальной площадке Дача 1 в 2015 году выращена тыква Перехватка 69, вида C. moschata. Полив осуществлялся водой из артезианской скважины глубиной 15 м, количество поливов не учитывалось, удобрения, мелиоранты и пестициды не применялись. Отбор плодов тыквы осуществлялся согласно методике [5] в конце вегетационного периода. Плод тыквы разделили на составные части: кожура, мякоть, оболочка семян, ядра семян. Испытания образцов проводили в лаборатории ФГБУ ГЦАС «Ростовский», атомно-абсорбционным методом на спектрофотометре Спектр-5.
Актуальность проблемы состоит в получении экологически чистой продукции [4].
Научная новизна заключается в том, что в процессе поглощения растениями тяжёлых металлов из водорастворимых соединений почвы в вышеперечисленных частях плода тыквы составлены ряды подвижности элементов, которые в структуре ряда приобретают различные свойства подвижности [6].
Несмотря на то, что в составе разных культур уровень накопления элементов отличается, из аналитических данных следует, что методика расчёта концентраций в ядрах семян на основе вычета концентраций в валовом составе семян минус мякоть плода подтверждается близостью содержаний элементов в ядрах семян и мякоти плода в рамках чувствительности метода анализа. Это означает, во-первых, что концентрации элементов (в условиях отсутствия внешнего источника загрязнения) в плодах и ядрах семян должны быть близки вне зависимости от вида выращиваемой культуры (табл. 1). Во-вторых, это также может означать, что в процессе вегетации растений в каждом последующем поколении зависимость концентраций в ядрах семян (именно там заложена генетическая информация) относится только к способности биологического накопления или поглощения элементов, участвующих во всём биологическом цикле (табл. 2) [3].
Таблица 1
Образцы тыквы Дача 1 для сравнительного анализа миграционных рядов, установленных в томатах [8]
|
Образцы |
Элементы |
|||||||
|
Pb |
Cd |
Zn |
Cu |
Mn |
Ni |
Co |
Fe |
|
|
Кожура тыквы (предельные уровни накопления биофильных элементов и элементов захвата) |
||||||||
|
0,49 |
0,11 |
9,2 |
3,6 |
17 |
0,59 |
0,084 |
26,0 |
|
|
Мякоть тыквы (предельные уровни накопления биофильных элементов и элементов захвата) |
||||||||
|
0,41 |
0,062 |
8,5 |
5,5 |
26 |
0,62 |
0,076 |
72 |
|
|
Ядра семян (предельные уровни накопления биофильных элементов и элементов захвата): |
||||||||
|
0,23 |
0,024 |
9,4 |
8,1 |
15,5 |
1,1 |
0,041 |
67,6 |
|
|
Оболочка семян (предельные уровни накопления биофильных элементов и элементов захвата) |
||||||||
|
0,20 |
0,037 |
9,6 |
9 |
15,1 |
0,54 |
0,046 |
72,3 |
|
|
Семена |
0,43 |
0,061 |
19 |
17,1 |
30,6 |
1,64 |
0,087 |
139,9 |
|
Кожура тыквы – мякоть |
0,08 |
0,048 |
0,7 |
– 1,9 |
– 9 |
– 0,03 |
0,008 |
– 0,46 |
|
Превышение, раз |
1,19 |
1,77 |
1,08 |
1,53 |
1,53 |
1,05 |
1,1 |
2,77 |
|
Среднее превышение кожура, раз: 1,28 Среднее превышение мякоть, раз: 1,72 Всего среднее превышение, раз: 1,5 |
||||||||
|
Семена – мякоть тыквы |
0,02 |
0 |
10,5 |
11,6 |
4,6 |
1,02 |
0,045 |
67,9 |
|
Превышение, раз |
1,05 |
1,0 |
2,23 |
3,11 |
1,18 |
2,64 |
1,14 |
1,90 |
|
Среднее превышение семена: мякоть тыквы:1,78 |
||||||||
|
Мякоть – ядра семян |
0,18 |
0,038 |
– 0,9 |
– 2,6 |
1,05 |
– 0,48 |
0,035 |
4,4 |
|
Превышение, раз |
1,78 |
2,58 |
1,11 |
1,47 |
1,68 |
1,77 |
1,85 |
1,06 |
|
Среднее превышение мякоть, раз: 1,79 Среднее превышение ядра, раз: 1,45 Всего среднее превышение, раз: 1,62 |
||||||||
|
Оболочка семян: ядра семян |
1,15 |
1,54 |
1,02 |
1,11 |
1,03 |
2,04 |
1,12 |
1,07 |
|
Среднее превышение оболочка семян, раз:1,17 Среднее превышение ядра семян, раз:1,4 Всего среднее превышение, раз:1,28 |
||||||||
|
Общее среднее для всех превышений, раз: 1,55 = v2,4 Формула перехода от одного уровня накопления к другому с накоплением биофильных или захватом тяжёлых металлов в процессе загрязнения в основном за счёт подвижных водорастворимых соединений: х = v2,4·т Ошибка: 0,1 = 6,5 %. Находится в пределах ошибки (чувствительности) анализа |
||||||||
Таблица 2
Относительные значения величин подвижности элементов в образцах тыквы
|
№ п/п |
Pb |
Cd |
Zn |
Cu |
Mn |
Ni |
Co |
Fe |
|
1 |
1,19 |
1,78 |
1,08 |
0,65 |
0,02 |
0,95 |
1,10 |
0,36 |
|
2 |
1,14 |
1,64 |
0,48 |
0,21 |
0,55 |
0,36 |
0,96 |
0,18 |
|
3 |
2,45 |
2,97 |
0,96 |
0,40 |
1,13 |
1,09 |
1,83 |
0,36 |
|
4 |
2,13 |
4,58 |
0,98 |
0,44 |
1,13 |
0,54 |
2,05 |
0,38 |
Ряды миграции тяжёлых металлов по принципу расчёта рядов миграции при выращивании томатов [8] выглядят следующим образом:
1. Кожура тыквы: мякоть тыквы:
Mn (0,02) – Fe(0,36) – Cu(0,65) – Ni(0,95) – Zn(1,08) – Co(1,10) – Pb(1,19) – Cd(1,78)
2. Кожура тыквы: семена тыквы:
Fe – Cu – Ni – Zn – Mn – Co – Pb – Cd
3. Кожура тыквы: оболочка семян:
Fe – Cu – Zn – Ni – Mn – Co – Pb – Cd
4. Кожура тыквы: ядро семян:
Fe – Cu – Ni – Zn – Mn – Co – Pb – Cd
То есть самые токсичные металлы Co, Pb, Cd сбрасываются в состав кожуры, а в составе семян остаются преимущественно биофильные элементы накопления и захвата. При этом полностью сохраняется структура рядов подвижности элементов в семенах, кожуре семян, ядрах семян. Как бы мы не срезали кожуру тыквы, в ней всегда содержится часть мякоти тыквы. Поэтому разница между составом мякоти и кожуры тыквы невелика. Тем не менее в составе кожуры тыквы концентрации Cd, Pb, Zn, Co выше при почти нулевых отличиях концентраций железа, меди, кобальта. Повышенные концентрации в мякоти меди и марганца относятся к группе элементов среднего биологического захвата в процессе вегетационного цикла тыквы. Так как по А.И. Перельману [9] степень биологического поглощения элементов оценивается на уровне от 10 до n единиц для Zn (элемент сильного биологического накопления), ассоциации элементов Mn, Fe, Ni, Cu, Co, Pb от n до 0,1n единиц (элементы среднего биологического захвата), а Cd – от 0,01 до 0,001 единиц (элемент слабого и очень слабого биологического захвата) (табл. 4).
В ядрах семян накапливается кадмий и свинец. То есть эти элементы хоть в малых количествах, но участвуют в биохимическом процессе обмена веществ на клеточном уровне. Но доля их в ядрах семян в 2–2,5 раза меньше, чем в мякоти тыквы.
Превышение концентраций в ядрах семян характерно для биофильных элементов цинка и меди. Никель – является элементом захвата и также участвует в обменных процессах на клеточном уровне (табл. 3).
Таблица 3
Концентрации тяжёлых металлов в плодах тыквы относительно их подвижных водорастворимых соединений в почве (мг/кг)
|
Образцы |
Элементы |
|||||||
|
Pb |
Cd |
Zn |
Cu |
Mn |
Ni |
Co |
Fe |
|
|
Подвижные элементы в почве |
1,255 |
0,0165 |
17,33 |
0,412 |
178,76 |
0,58 |
0,228 |
1,087 |
|
Ядра семян тыквы |
0,23 |
0,024 |
9,4 |
8,1 |
15,5 |
1,1 |
0,041 |
67,6 |
|
Оболочка семян тыквы |
0,20 |
0,037 |
9,6 |
9 |
15,1 |
0,54 |
0,046 |
72,3 |
|
Семена тыквы |
0,43 |
0,061 |
19 |
17,1 |
30,6 |
1,64 |
0,087 |
139,9 |
|
Мякоть тыквы |
0,41 |
0,062 |
8,5 |
5,5 |
26 |
0,62 |
0,076 |
72 |
|
Кожура тыквы |
0,49 |
0,11 |
9,2 |
3,6 |
17 |
0,59 |
0,084 |
26,0 |
|
Подвижные ядра семян тыквы |
5,45 |
0,69 |
1,84 |
0,051 |
11,53 |
0,53 |
5,5 |
0,016 |
|
Подвижные: оболочка семян тыквы |
6,275 |
0,44 |
1,80 |
0,04 |
11,84 |
1,07 |
4,95 |
0,015 |
|
Подвижные: семена тыквы |
2,92 |
0,27 |
0,91 |
0,024 |
5,84 |
0,35 |
2,62 |
0,007 |
|
Подвижные: мякоть тыквы |
3,06 |
0,27 |
2,04 |
0,075 |
6,87 |
0,93 |
3,0 |
0,015 |
|
Подвижные: кожура тыквы |
2,56 |
0,15 |
1,88 |
0,11 |
10,51 |
0,98 |
2,71 |
0,042 |
Таблица 4
Ряды биологического поглощения элементов по А.И. Перельману [6]
|
Характер поглощения |
Степень поглощения |
Коэффициент биологического поглощения |
||||
|
100n |
10n |
n |
0,1n |
0,0n–0,00n |
||
|
Элементы биологического накопления |
энергичного |
P, S, Cl, Br, I |
||||
|
сильного |
Ca, Na, K, Mg, Sr, Zn, B, Se |
|||||
|
Элементы биологического захвата |
среднего |
Mn, F, Ba, Ni, Cu, Ga, Co, Pb, Sn, As, Mo, Hg, Ag, Ra |
||||
|
слабого и очень слабого |
Si,Al, Fe, Ti, Zr, Rb, V, Cr, Li, Y, Nb, Th, Sc, Be, Cs,Ta, U, W, Sb, Cd |
|||||
При этом более инертными оказались в ряду подвижности элементы, которые тяготеют к Fe. Ряды подвижности элементов в составных частях тыквы Перехватка 69 почти полностью совпадают с распределением элементов в плодах томатов, выращенных в 2014 г. на экспериментальном участке Дача 1 при тех же почвенных условиях, при поливе водой из артезианской скважины [9].
Ряды подвижности составлены в рамках отношения: подвижные водорастворимые соединения почвы: ядра семян; подвижные водорастворимые соединения почвы: оболочка семян; подвижные водорастворимые соединения почвы: мякоть тыквы; подвижные водорастворимые соединения почвы: кожура тыквы; подвижные водорастворимые соединения почвы: семена тыквы.
Ранжированные ряды от подвижных водорастворимых соединений почвы к инертным элементам в тыкве:
1. Подвижные: ядра семян: Mn – Co – Pb – Zn – Cd – Ni – Cu – Fe
2. Подвижные: оболочка семян: Mn – Co – Pb – Zn – Ni – Cd – Cu – Fe
3. Подвижные: мякоть тыквы: Mn – Pb – Co – Zn – Ni – Cd – Cu – Fe
4. Подвижные: кожура тыквы Mn – Co – Pb – Zn— Ni – Cd – Cu – Fe
5. Подвижные: семена Mn – Pb – Co – Zn – Ni – Cd – Cu – Fe
Предыдущими исследованиями был установлен миграционный ряд подвижности тяжелых металлов на этой же площадке в одинаковых условиях мелиорирования. Ряд оказался аналогичным выше приведённым.
6. Подвижные: к плодам томатов:
Mn – Co – Pb – Zn – Ni – Cd – Cu – Fe
Таким образом, ряды миграции тяжёлых металлов в тыкве и томатах соответствуют одному и тому же закону миграции элементов на площадке Дача 1 [7]. Подвижность тяжёлых металлов Co – Pb – Zn – Cd – Ni – Cu определяется промежуточным их положением между наиболее подвижным Mn и инертным Fe [1].
Ни в одном из рядов подвижности Zn не меняет своего положения, являясь элементом сильного биологического накопления (см. табл. 4) во всех частях тыквы и томатов. Pb и Co, относящиеся к элементам среднего биологического поглощения и элементам биологического захвата, являются наиболее подвижными из всех тяжёлых металлов, что явно указывает на то, что их источниками, как и Mn, являются водорастворимые соединения почвы. К тому же площадка Дача 1 расположена вне влияния автодорог и техногенного загрязнения.
Весьма показательно, что в ядрах семян наиболее токсичный Cd смещается в область Zn с сильным биологическим поглощением. А наличие незначительных концентраций Cd в ядрах семян указывает на то, что он участвует в биохимических процессах формирования семян плода и не может относиться к «запрещённым» элементам биологического обмена.
Ряды подвижности 2 и 4, 3 и 5 идентичны. В обоих случаях ряды миграции очень чувствительны к тому, в какой части культуры тыквы происходит избирательное накопление тяжёлых металлов относительно Mn и Fe.
Таким образом, в рамках полученного исследования основным источником таких тяжёлых металлов является почвенная влага, экстрагирующая под влиянием органических кислот металлы из почвы. Источником Cd и Fe может являться и поливная вода наряду с экстракцией их из почвы органическими кислотами. При этом самыми подвижными являются тяжёлые металлы Pb – Co – Zn, которые вместе с почвенной влагой мигрируют в состав плодов, семян, оболочку семян. Но большая их часть сбрасывается в состав кожуры тыквы и оболочку семян (ряд 2, 3).
В целом наличие тяжёлых металлов в составе плодов, семян тыквы и томатов ещё не означает, что тяжёлые металлы являются источником антропогенного загрязнения. Pb – Co – Zn – Ni могут экстрагироваться из минеральной составляющей почвы (см. табл. 3) под влиянием органических кислот.
Выводы
1. В составе ядрышек семян овощных культур могут накапливаться как элементы биологического поглощения, так и элементы захвата.
2. Биологическое поглощение и захват элементов в основном связан с составом поливной воды и водорастворимыми соединениями почвы.
3. Овощные культуры в процессе вегетации могут накапливать тяжёлые металлы и сбрасывать их различные составные части растений в направлении от ядрышек к оболочке семян, от мякоти плодов к их кожуре по правилу х = v2,4·т, г/т.