DETERMINATION OF PLANT TOLERANCE LIMITS TO POLLUTANTS IN HYDROPONICS AS A MODEL ENVIRONMENT
DETERMINATION OF PLANT TOLERANCE LIMITS TO POLLUTANTS IN HYDROPONICS AS A MODEL ENVIRONMENT
Abstract
The work is devoted to determining the tolerance limits of plants to pollutants: mercury salts, oil and gas industry products (WD‑40), and surfactants. Four plant species were used as the objects of the study: Indian mustard (Brassica juncea (L.) Czern.), daikon radish (Raphanus sativus var. longipinnatus L.H.Bailey), red clover (Trifolium pratense L.), and common basil (Ocimum basilicum L.). Hydroponics is shown to be the most accurate method for studying such effects because it allows controlling experimental conditions and eliminates soil interference. Critical pollutant concentrations were determined for all the species mentioned. To avoid interactions between nutrient solution components and free heavy metal ions, it is recommended to use a solution with micronutrients in chelated form. Based on the data obtained, ways to improve the methodological approaches of using hydroponics as an analytical tool for selecting phytoremediator species for wastewater and contaminated land remediation are outlined. Each plant species has its own individual threshold of tolerance to pollutants; however, current regulatory reference books do not contain these thresholds, which highlights the relevance of the proposed approach.
1. Введение
Загрязнение окружающей среды промышленными стоками — одна из острейших экологических проблем нашего времени . После промышленной революции около 19% мировых сельскохозяйственных угодий утратили плодородие вследствие воздействия производственных отходов. Один из ключевых примеров — Усольехимпром в Иркутской области. После банкротства предприятия в 1990-х годах разрушение защитных барьеров привело к многолетнему поступлению солей тяжёлых металлов, ртути и кадмия в окружающую среду, постепенно отравившему почву и воздух целого города .
Цель данной работы — совершенствование ранее известных методических приёмов применения гидропоники как инструмента оценки толерантности растений к загрязнённым средам, а также уточнение критических концентраций поллютантов для ряда растений-фиторемедиаторов. Для её достижения мы сочетали лабораторные опыты, анализ научной литературы, статистическую обработку данных, натурные наблюдения и системный подход, объединяющий аналитические и синтетические методы.
В данном случае, гидропоника — как технология беспочвенного выращивания растений в питательном растворе — даёт исследователю возможность точно задавать и варьировать освещение, состав питания, температуру, влажность, pH и электропроводность (EC). Благодаря этому можно надёжно устанавливать, как те или иные условия влияют на рост и жизнеспособность растений, — без помех, характерных для полевых опытов. Блок-схема контролируемых параметров представлена на Рисунке 1.
Рисунок 1 - Блок-схема контролируемых параметрах при использовании гидропоники
Рисунок 2 - Блок-схема контролируемых параметрах в традиционном почвенном эксперименте
2. Методы и принципы исследования
Работа строилась на нескольких взаимодополняющих методах: анализе научной литературы по теме применения гидропоники в экотоксикологических исследованиях; вегетационных экспериментах с концентрациями поллютантов, превышающими ПДК в 5, 10, 100 и 200 раз, и органическими компонентами в диапазоне 0,5–4 мл/л ; атомно-абсорбционной спектроскопии и масс-спектрометрии для определения содержания металлов в тканях растений; оценке изменений физиологических показателей при варьировании условий выращивания ; статистическом анализе полученных данных.
Для экспериментов отобраны виды, известные способностью накапливать тяжёлые металлы или переносить их воздействие: горчица сарпетская (Brassica juncea (L.) Czern.), редька дайкон (Raphanus sativus var. longipinnatus L.H.Bailey), клевер луговой (Trifolium pratense L.) и базилик обыкновенный (Ocimum basilicum L.). Перед посевом семена прошли дезинфекцию и стерилизацию; этап проращивания показан на Рисунке 3.
Рисунок 3 - Этап проращивания и дезинфекции семян
Рисунок 4 - Схема гидропоники с периодическим затоплением
Растительный материал размещали в семи пластиковых контейнерах размером 17×17×17 см; питательный раствор непрерывно аэрировался с интенсивностью 3,8 л/мин. Рабочая концентрация раствора составляла 75% для клевера и 50% для лука-порея . Схема расположения контейнеров с указанием вариантов загрязнения приведена на Рисунке 5.
Рисунок 5 - Схема контейнеров с указанием концентраций загрязнителей
Рисунок 6 - Контейнеры с экспериментальными растениями
3. Основные результаты
Динамика роста растений при разных уровнях загрязнения отражена на Рисунке 7. Первое внесение поллютантов (10-й день, отметка «1») повлекло заметное снижение прироста биомассы, повторное (20-й день) усилило этот эффект. При этом дайкон, клевер и базилик вплоть до второго загрязнения сохраняли относительно высокий прирост. Необходимо подчеркнуть, что наблюдаемые реакции растений нельзя однозначно объяснять лишь специфическим токсическим действием поллютантов. С точки зрения физиологии растений повышение концентрации любого растворённого вещества, обладающего осмотической активностью, неизбежно создаёт осмотический стресс, препятствующий поглощению воды корнями . Таким образом, зафиксированное снижение прироста биомассы является суммарным эффектом двух составляющих: собственно токсического действия тяжёлых металлов и органических соединений, а также осмотического стресса, возникающего при увеличении концентрации растворимых веществ в питательном растворе. Для разграничения этих эффектов в последующих исследованиях целесообразно включать дополнительный контрольный вариант, в который вносится осмотически активное, но физиологически безвредное вещество (например, нитрат калия или хлорид натрия) в эквивалентной осмотической концентрации. Настоящее исследование данного контрольного варианта не предусматривало, что следует учесть при интерпретации полученных результатов и планировании дальнейших опытов.
Рисунок 7 - График выносливости растений с различными уровнями загрязнения
На Рисунке 8 представлены коэффициенты устойчивости исследуемых видов. Обращает на себя внимание стабильное превосходство дайкона: его устойчивость оказалась на 20–25% выше, чем у остальных видов, причём этот разрыв сохранялся вне зависимости от природы загрязнителя. Даже при двукратном повышении концентрации поллютантов коэффициент устойчивости дайкона снижался в среднем лишь на 15%.
Рисунок 8 - График влияния различных загрязнителей на рост растений
4. Обсуждение
В ходе проведенного эксперимента получены следующие данные: Соли ртути (Hg): снижение роста до 37,5% при 10 ПДК и до 50% при 100–200 ПДК; дайкон сохранял 70–87% от эталонной выживаемости, клевер — минимальную.
Органические загрязнители (WD-40): снижение роста ~27,5% при 1 мл/л и ~35% при 4 мл/л; дайкон — 90–95% от эталона.
ПАВ: снижение роста до 50% при 1 мл/л и до 65% при 4 мл/л; дайкон — 65–85% от эталона, клевер — наибольшие потери.
5. Заключение
По итогам экспериментов установлены следующие критические пороги воздействия поллютантов на исследуемые виды растений:
1) концентрация солей ртути на уровне 10 ПДК снижает рост и выживаемость растений на 35–40%;
2) при 100–200 ПДК ртути темп роста падает в среднем на 45–55%; наиболее устойчивым оказался дайкон (сохранял 70–87% от эталонных показателей), наименее — клевер;
3) внесение WD-40 в концентрации 1 мл/л снижает рост и выживаемость на 20–35%;
4) при 4 мл/л WD-40 рост замедляется на 30–40%; дайкон сохранял 90–95% от эталонной выживаемости, клевер вновь оказался самым уязвимым;
5) ПАВ в концентрации 1 мл/л угнетают рост и выживаемость на 45–55%;
6) при 4 мл/л ПАВ рост снижается на 60–70%; дайкон удерживал 65–85% от эталона, тогда как клевер и, в части вариантов, дайкон при концентрациях свыше 2 мл/л погибали.
Таким образом, среди исследованных видов дайкон демонстрирует наибольшую толерантность ко всем типам поллютантов, клевер — наименьшую. Порог выносливости индивидуален для каждого вида, однако действующие нормативные справочники не содержат подобных данных в разбивке по видам растений. Гидропоника позволяет восполнить этот пробел: она обеспечивает круглогодичную возможность проведения экспериментов, исключает почвенные переменные и даёт воспроизводимые результаты в короткие сроки, что делает её оптимальной платформой для систематического изучения фитотолерантности.