Содержание тяжелых металлов в сырье некоторых представителей рода Paeonia L. в условиях урбанизированной среды

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Тяжелые металлы являются основными загрязнителями почв, при этом самыми агрессивными считаются их подвижные формы, способные переходить из твердых фаз в почвенные растворы и поглощаться растениями. Выявлено, что вегетативная масса сельскохозяйственных культур способна накапливать большое количество тяжелых металлов. Декоративные цветочные культуры, которые прочно занимают свою экологическую нишу, практически не рассматриваются с данной точки зрения. Цель исследования - изучение особенностей накопления тяжелых металлов в надземных и подземных органах некоторых представителей рода Paeonia L. в условиях урбанизированной среды города Уфы. Объектами исследований являлись четыре вида P. peregrina Mill., P. lactifl Pall., P. lactifl f. rosea , P. delavayi Franch. (сем. Paeoniaceae Rudolphi) и три сорта пиона гибридного Аппассионата, Мустай Карим, Jeanne d’Arc. Изучение элементного состава надземной и подземной частей проводили по методике «Определение As, Pb, Cd, Sn, Cr, Cu, Fe, Mn и Ni в пробах пищевых продуктов и пищевого сырья атомно-абсорбционным методом с электротермической атомизацией». Математическую обработку данных осуществляли с помощью методов вариационной статистики с использованием пакета программ AgCStat в виде надстройки Excel. Для каждой группы сырья проведены исследования по восьми элементам, содержание которых приведено к ммолям/кг воздушно-сухого сырья. Выявлено, что в изученных образцах содержание меди в 4,15…2520,00 раз выше, а содержание кадмия в 0,43…2520,0 раз ниже, чем других элементов. Отмечено, что минимальные концентрации мышьяка (0,0035…0,0064 ммоль/кг), хрома (0,0019…0,0046 ммоль/кг), марганца (0,0174…0,0219 ммоль/кг) и железа (0,0059…0,0125 ммоль/кг) отмечены в корнях; свинца (0,003…0,037 ммоль/кг), кадмия (0,0002…0,001 ммоль/кг) и меди (0,1477…0,2134 ммоль/кг) - в листьях; никеля (0,0082…0,0179 ммоль/кг) - в цветках изучаемых пионов. Максимальное содержание мышьяка (0,0062…0,0123 ммоль/кг) и хрома (0,0028…0,0063 ммоль/кг) обнаружено в листьях; свинца (0,0027…0,0223 ммоль/кг), никеля (0,0167…0,0209 ммоль/кг), марганца (0,0173…0,0212 ммоль/кг) и железа (0,0087…0,0138 ммоль/кг) - в стеблях; кадмия (0,0002…0,0009 ммоль/кг) и меди (0,144…0,244 ммоль/кг) - в цветках. Срезка пионов в осенний период перед уходом на покой позволяет избежать накопления данных микроэлементов в почве. Результаты корреляционного анализа показали, что абсолютные значения концентраций изучаемых элементов у рассматриваемых таксонов пионов коррелируют между собой в средней и сильной степени.

Полный текст

Введение

С ростом градостроительства происходит трансформация городской среды, которая значительно отличается от природной. Существенной характеристикой урбанизированной территории является загрязнение почв тяжелыми металлами, так как они обладают токсическим и мутагенным эффектом на растения. Приоритетное место среди других техногенных токсичных элементов принадлежит именно тяжелым металлам, которые могут концентрироваться в плодородном слое почвы и менять ее свойства, так как не подвергаются процессам биогенного и физико-химического распада. Таким образом, поллютанты длительное время остаются свободными для всасывания корнями растений, а в последствии активно перемещаются по цепям питания в биогеоценозах [1, 2]. Так, известно, что вегетативная масса сельскохозяйственных культур способна накапливать значительно больше тяжелых металлов, чем клубни и корнеплоды, что представляет особую важность в выращивании таких овощных культур [3]. Декоративные цветочные культуры, прочно занимающие свою экологическую нишу, практически не рассматриваются с данной точки зрения [4, 5].

В связи с вышеизложенным цель исследования — изучение особенностей накопления тяжелых металлов в надземных и подземных органах некоторых представителей рода Paeonia L. в условиях урбанизированной среды города Уфы.

Материалы и методы исследования

Исследование проводилось на базе Южно-Уральского ботанического сада-института — обособленного структурного подразделения федерального государственного бюджетного научного учреждения Уфимского федерального исследовательского центра Российской академии наук (далее — ЮУБСИ УФИЦ РАН) в весенне-летний период 2018—2021 гг.

Объектами исследований являлись четыре вида P. peregrina Mill., P. lactiflora Pall., P. lactiflora f. rosea, P. delavayi Franch. (сем. Paeoniaceae) и созданные на основе P. lactiflora Pall. три сорта пиона Аппассионата, Мустай Карим, Jeanne d’Arc, интродуцированные и выращенные на базе ЮУБСИ УФИЦ РАН [6].

Климатические показатели района исследований: зима — продолжительная и холодная, лето — умеренно теплое; наблюдается большая изменчивость температуры воздуха, особенно весной и осенью. Среднегодовая температура воздуха составляет +2,6 °C, среднемесячная температура воздуха в январе — –14,3 °C, в июле — +19,3 °C; абсолютный минимум — –53,0 °C, абсолютный максимум — +37,0 °C; среднегодовое количество осадков — 580 мм [7]. Почва отличается большой уплотненностью и образована из элювиальных и делювиальных желто-бурых суглинков [8].

Изучение микроэлементного состава растительного сырья (цветки, стебли, листья и корни) проводили на базе аналитической лаборатории научно-исследовательского института сельского хозяйства. Для проведения анализа использовали 10 средневозрастных культиваров каждого таксона генеративной стадии развития в фазе цветения (май — июнь). Сбор надземных частей (цветки, листья, стебли) объектов исследования проводили в утренние часы. Корни выкапывали в конце сентября — начале октября (до первых заморозков); их очищали от примесей, промывали в проточной, а затем — в дистиллированной воде. Для количественного анализа сырье высушивали до воздушно-сухого состояния, затем измельчали до размера частиц, проходящих сквозь сито с диаметром отверстий 1 мм [9].

Изучение элементного состава образцов проводили по методике «Определение As, Pb, Cd, Sn, Cr, Cu, Fe, Mn и Ni в пробах пищевых продуктов и пищевого сырья атомно-абсорбционным методом с электротермической атомизацией» [10, 11].

Математическую обработку данных осуществляли с помощью общепринятых методов вариационной статистики с использованием пакета программ AgCStat в виде надстройки Excel и пакета программ статистического и биометрико-генетического анализа AGROS2.09 [12—16].

Результаты исследования и обсуждение

Проанализированы результаты исследования микроэлементного состава цветков, листьев, стеблей и корней семи разных таксонов пионов Аппассионата, Мустай Карим, Jeanne d’Arc, P. delavayi, P. lactiflora, P. lactiflora f. rosea, P. peregrina. Для каждой группы сырья проведены исследования по восьми элементам. Количественные показатели элементов приведены к ммолям/кг воздушно-сухого сырья (табл. 1—4).

Таблица 1. Содержание тяжелых металлов в цветках некоторых таксонов рода Paeonia, ммоль/кг

Таблица 2. Содержание тяжелых металлов в листьях некоторых таксонов рода Paeonia, ммоль/кг

Таблица 3. Содержание тяжелых металлов в стеблях некоторых таксонов рода Paeonia, ммоль/кг

Таблица 4. Содержание тяжелых металлов в корнях некоторых таксонов рода Paeonia, ммоль/кг

Выявлено достаточно высокое содержание меди во всех видах сырья всех изучаемых растений: в 4,15…2520,00 раз выше по сравнению с другими элементами. Максимальное содержание отмечено в корнях, минимальное — в листьях растений.

Таким образом, анализ полученных данных выявил, что минимальные концентрации мышьяка, хрома, марганца и железа отмечены в корнях; свинца, кадмия и меди — в листьях; никеля — в цветках изучаемых пионов. Максимальное содержание мышьяка и хрома обнаружено в листьях; свинца, никеля, марганца и железа — в стеблях; кадмия и меди — в цветках. Поэтому срезка пионов в осенний период перед уходом на покой позволяет избежать накопление данных микроэлементов в почве.

Для удобства расчетов при двухфакторном дисперсионном анализе данные были прологарифмированы. Результаты двухфакторного дисперсионного анализа показали значимые различия по содержанию тяжелых металлов по таксонам и частям растения. Выявлено, что основное влияние на содержание кадмия, хрома, марганца оказывают таксоны, с долей влияния 56,45…70,83 %; на долю второго фактора (часть растения) приходится 2,37…14,87 %; вклад взаимодействия таксон — часть растения составил 17,11…29,23 % (табл. 5). На содержание мышьяка, свинца, меди, никеля и железа основной вклад внесло взаимодействие таксон — часть растения (41,16…68,87 %); на долю первого фактора приходится 14,43…44,19 %, на долю второго — 9,19…33,22 % (табл. 5).

Таблица 5. Результаты двухфакторного дисперсионного анализа элементного состава пионов

Элементы

Источники варьирования

SS

Df

ms

Fфакт

Доля,%

Мышьяк As

Общее

34,57

83,00

Таксон (A)

7,74

6,00

1,29

1605,87

22,39

Часть растения (Б)

11,48

3,00

3,83

4764,83

33,22

Взаимодействие (АБ)

15,30

18,00

0,85

1057,89

44,26

Случайное

0,04

54,00

0,0008

Cвинец Pb

Общее

30,67

83,00

Таксон (A)

9,21

6,00

1,53

5353,04

30,01

Часть растения (Б)

5,74

3,00

1,91

6678,85

18,72

Взаимодействие (АБ)

15,71

18,00

0,87

3044,60

51,21

Случайное

0,02

54,00

0,0003

Кадмий Cd

Общее

36,95

83,00

Таксон (A)

21,32

6,00

3,55

51,83

57,71

Часть растения (Б)

5,49

3,00

1,83

26,71

14,87

Взаимодействие (АБ)

6,32

18,00

0,35

5,12

17,11

Случайное

3,70

54,00

0,0686

Хром Cr

Общее

10,06

83,00

Таксон (A)

5,68

6,00

0,95

709,62

56,45

Часть растения (Б)

1,36

3,00

0,45

339,60

13,51

Взаимодействие (АБ)

2,94

18,00

0,16

122,48

29,23

Случайное

0,072

54,00

0,00133

Медь Cu

Общее

2,68

83,00

Таксон (A)

1,18

6,00

0,20

668,02

44,19

Часть растения (Б)

0,25

3,00

0,08

277,82

9,19

Взаимодействие (АБ)

1,23

18,00

0,07

231,78

46,00

Случайное

0,016

54,00

0,00030

Никель Ni

Общее

5,48

83,00

Таксон (A)

1,66

6,00

0,28

421,16

30,25

Часть растения (Б)

1,53

3,00

0,51

777,33

27,92

Взаимодействие (АБ)

2,25

18,00

0,13

191,00

41,16

Случайное

0,035

54,00

0,00066

Марганец Mn

Общее

0,50

83,00

Таксон (A)

0,35

6,00

0,06

836,37

70,83

Часть растения (Б)

0,01

3,00

0,00

55,97

2,37

Взаимодействие (АБ)

0,13

18,00

0,01

102,48

26,04

Случайное

0,004

54,00

0,00007

Железо Fe

Общее

2,95

83,00

Таксон (A)

0,43

6,00

0,07

21,20

14,43

Часть растения (Б)

0,30

3,00

0,10

30,25

10,30

Взаимодействие (АБ)

2,03

18,00

0,11

33,73

68,87

Случайное

0,181

54,00

0,00335

В результате проведенного корреляционного анализа выявлены соотношения содержания изучаемых элементов друг с другом в разных частях растения (табл. 6—9). Так показано, что количество свинца и кадмия в стеблях, кадмия в цветках находится в прямой зависимости от содержания мышьяка с корреляцией в диапазоне 0,62…0,74. Также выявлена обратная зависимость содержания хрома в листьях, свинца и марганца в цветках, марганца в корнях, хрома в стеблях от количества мышьяка с корреляцией в диапазоне 0,49…0,83.

Таблица 6. Матрица корреляций содержания элементов в цветках пиона

Элементы

As

Pb

Cd

Cr

Cu

Ni

Mn

Fe

As

1,00

 

 

 

 

 

 

 

Pb

–0,49*

1,00

 

 

 

 

 

 

Cd

0,63**

–0,03

1,00

 

 

 

 

 

Cr

–0,05

–0,26

–0,61**

1,00

 

 

 

 

Cu

0,09

–0,48*

–0,41

0,78**

1,00

 

 

 

Ni

0,32

–0,32

0,50*

–0,63**

–0,66**

1,00

 

 

Mn

–0,65**

0,15

–0,36

0,33

0,16

–0,29

1,00

 

Fe

0,21

–0,60**

0,25

–0,34

–0,31

0,84**

0,04

1,00

Примечание. * — значимо на 5 % уровне; ** — значимо на 1 % уровне; отсутствие символа * указывает на незначимость коэффициента.

Таблица 7. Матрица корреляций содержания элементов в листьях пиона

Элементы

As

Pb

Cd

Cr

Cu

Ni

Mn

Fe

As

1,00

 

 

 

 

 

 

 

Pb

–0,34

1,00

 

 

 

 

 

 

Cd

0,38

–0,18

1,00

 

 

 

 

 

Cr

–0,66**

0,65**

–0,02

1,00

 

 

 

 

Cu

–0,14

–0,09

–0,14

–0,27

1,00

 

 

 

Ni

–0,02

–0,03

–0,10

–0,27

0,17

1,00

 

 

Mn

–0,39

0,29

0,08

0,40

0,53*

–0,01

1,00

 

Fe

0,30

–0,13

–0,20

0,02

–0,78**

–0,14

–0,47*

1,00

Примечание. * — значимо на 5 % уровне; ** — значимо на 1 % уровне; отсутствие символа * указывает на незначимость коэффициента.

Таблица 8. Матрица корреляций содержания элементов в стеблях пиона

Элементы

As

Pb

Cd

Cr

Cu

Ni

Mn

Fe

As

1,00

 

 

 

 

 

 

 

Pb

0,74**

1,00

 

 

 

 

 

 

Cd

0,62**

0,77**

1,00

 

 

 

 

 

Cr

–0,83**

–0,60**

–0,32

1,00

 

 

 

 

Cu

–0,03

0,27

0,64**

0,12

1,00

 

 

 

Ni

–0,13

–0,05

–0,04

–0,00

0,26

1,00

 

 

Mn

–0,38

–0,22

0,01

0,23

0,66**

0,13

1,00

 

Fe

–0,20

–0,08

–0,20

0,38

–0,08

–0,06

0,10

1,00

Примечание. * — значимо на 5 % уровне; ** — значимо на 1 % уровне; отсутствие символа * указывает на незначимость коэффициента.

Таблица 9. Матрица корреляций содержания элементов в корнях пиона

Элементы

As

Pb

Cd

Cr

Cu

Ni

Mn

Fe

As

1,00

 

 

 

 

 

 

 

Pb

0,39

1,00

 

 

 

 

 

 

Cd

0,02

0,48*

1,00

 

 

 

 

 

Cr

–0,26

–0,64**

–0,33

1,00

 

 

 

 

Cu

–0,25

–0,17

–0,28

0,61**

1,00

 

 

 

Ni

0,08

–0,08

–0,13

–0,43*

–0,04

1,00

 

 

Mn

–0,64**

–0,19

–0,07

0,35

0,62**

–0,04

1,00

 

Fe

–0,19

–0,27

–0,06

0,80**

0,52*

–0,35

0,26

1,00

Примечание. * — значимо на 5 % уровне; ** — значимо на 1 % уровне; отсутствие символа * указывает на незначимость коэффициента.

Выводы

Анализ содержания восьми элементов в разных образцах сырья некоторых представителей рода Paeonia позволил выявить, что минимальные концентрации мышьяка, кадмия, хрома, марганца и железа наблюдаются в корнях; свинца и никеля — в цветках; меди — в листьях изучаемых пионов. Максимальное содержание мышьяка, свинца, хрома обнаружено в листьях; кадмия, никеля, марганца — в стеблях; железа — в цветках. Показано, что все изучаемые растения имеют достаточно высокое содержание меди (в 4,15…2520,00 раз выше по сравнению с другими элементами) во всех видах сырья. Максимальное содержание отмечено в корнях, минимальное в листьях растений. Отмечена видо- и сортоспецифичность в содержании элементов в надземных и подземных частях растений.

Результаты корреляционного анализа показали, что абсолютные значения концентраций изучаемых элементов у рассматриваемых таксонов пионов коррелируют между собой в средней и сильной степени. Так, положительная сильная связь выявлена между количеством хрома и меди (0,78), никеля и железа (0,84) в цветках; мышьяком и свинцом (0,74), свинцом и кадмием (0,77) в стеблях; хромом и железом в корнях (0,80). Отрицательная сильная связь отмечена между железом и медью (–0,78) в листьях; мышьяком и хромом (–0,83) в стеблях.

Корреляционное исследование пар элементов разрешает выявить синергизм накопления и его отсутствие, что соответствует мнению других авторов.

×

Об авторах

Антонина Анатольевна Реут

Южно-Уральский ботанический сад-институт - обособленное структурное подразделение федерального государственного бюджетного научного учреждения Уфимского федерального исследовательского центра Российской академии наук

Автор, ответственный за переписку.
Email: cvetok.79@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-4809-6449

кандидат биологических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории интродукции и селекции цветочных растений

450080, Российская Федерация, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Менделеева, д. 195/3

Светлана Галимулловна Денисова

Южно-Уральский ботанический сад-институт - обособленное структурное подразделение федерального государственного бюджетного научного учреждения Уфимского федерального исследовательского центра Российской академии наук

Email: svetik-7808@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-9005-9377

кандидат биологических наук, старший научный сотрудник лаборатории интродукции и селекции цветочных растений

450080, Российская Федерация, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Менделеева, д. 195/3

Список литературы

  1. Седельникова Л.Л., Чанкина О.В. Содержание тяжелых металлов в вегетативных органах красоднева гибридного (Hemerocallis hybrida) в урбанизированной среде // Вестник КрасГАУ. 2016. № 2 (113). С. 34-43.
  2. Михальчук Н.В. Тяжелые металлы и микроэлементы в фоновых почвах и агроландшафтах юго-запада Беларуси // Агроекологічний журнал. 2017. № 3. С. 27-31.
  3. Ильинский А.В. Анализ коэффициентов биологического поглощения тяжелых металлов для кормовой свеклы // Евразийский союз ученых. 2020. № 2-6 (71). С. 9-12. doi: 10.31618/ESU.24139335.2020.6.71.612
  4. Мажайский Ю.А., Гальченко С.В., Гусева Т.М., Чердакова А.С. Накопление тяжелых металлов декоративными цветочными культурами // Успехи современной науки и образования. 2016. № 9. Т. 3. С. 203-205.
  5. Елагина Д.С., Архипова Н.С., Сибгатуллина М.Ш. Изучение особенностей накопления тяжелых металлов растениями Amaranthus retroflexus L. // Молодые ученые и фармация XXI века. Москва, 2016. С. 189-195.
  6. Миронова Л.Н., Реут А.А. Пионы. Коллекции ботанического сада-института Уфимского научного центра РАН. Уфа: Башк. энцикл., 2017. 152 с.
  7. Реут А.А., Миронова Л.Н. Редкие виды рода Paeonia L. при культивировании в Башкирском Предуралье // Аграрная Россия. 2018. № 2. С. 30-34.
  8. Абрамова Л.М., Анищенко И.Е., Вафин Р.В., Голованов Я.М., Жигунов О.Ю., Зарипова А.А., Кашаева Г.Г., Лебедева М.В., Полякова Н.В., Реут А.А., Шигапов З.Х. Растения Южно-Уральского ботанического сада-института УФИЦ РАН / под общ. ред. Л.М. Абрамовой. Уфа: Мир печати, 2019. 304 с.
  9. Фотев Ю.В., Шевчук О.М., Сысо А.И. Изучение вариабельности элементного состава семян сортообразцов Vigna unguiculata (L.) Walp. на юге Западной Сибири и в Крыму // Химия растительного сырья. 2021. № 2. С. 217-226. doi: 10.14258/JCPRM.2021027543
  10. Реут А.А., Биглова А.Р., Аллаярова И.Н. Сравнительный анализ химического состава растительного сырья некоторых представителей родов Narcissus L. и Camassia Lindl. // Аграрный вестник Урала. 2021. № 2 (205). С. 79-90. doi: 10.32417/1997-4868-2021-205-02-79-90
  11. Симонова О.А., Симонов М.В., Товстик Е.В. Сортовые особенности биоаккумуляции железа в растениях ячменя // Таврический вестник аграрной науки. 2020. № 3 (23). С. 142-150. doi: 10.33952/25420720-2020-3-23-142-151
  12. Гончар-Зайкин П.П., Чертов В.Г. Надстройка к Excel для статистической оценки и анализа результатов полевых и лабораторных опытов. Режим доступа: http://vniioh.ru/nadstrojka-k-excel-dlyastatisticheskoj-ocenki-i-analiza-rezultatov-polevyx-i-laboratornyx-opytov/ Дата обращения: 28.10.2021.
  13. Чекин Г.В., Никифоров В.М. Развитие корневой системы яровой пшеницы на ранних стадиях онтогенеза при предпосевной обработке семян хелатными препаратами // Актуальные проблемы агротехнологий XXI века и концепции их устойчивого развития: материалы национальной заочной научно-практической конференции / Министерство сельского хозяйства Российской Федерации; Департамент научно-технологической политики и образования; Воронежский государственный аграрный университет имени императора Петра I; под общ. ред. Н.И. Бухтоярова, Н.М. Дерканосовой, В.А. Гулевского. Воронеж, 2016. С. 34-38.
  14. Нестеров М.И., Кривохижина Л.В., Ермолаева Е.Н., Кантюков С.А. Влияние степени и срока кровопотери на уровень триглицеридов, фосфолипидов, общего холестерина, холестерина в липопротеинах // Современные проблемы науки и образования. 2016. № 6. Режим доступа: https://science-education. ru/ru/article/view?id=25632 Дата обращения: 27.10.2021.
  15. Будко Е.В., Ямпольский Л.М., Жуков И.М., Черникова Д.А. Концентрационные корреляции элементной организации гемостатических растений // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2018. № 7. С. 95-100.
  16. Захаров В.Г., Мишенькина О.Г. Адаптивные свойства новых сортов овса в условиях Средневолжского региона // Вестник Ульяновской государственной сельскохозяйственной академии. 2020. № 4 (52). С. 100-107. doi: 10.18286/1816-4501-2020-4-100-107

Дополнительные файлы

Нет дополнительных файлов для отображения


© Реут А.А., Денисова С.Г., 2021

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах