КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

імені ТАРАСА ШЕВЧЕНКА

СКОПЕЦЬКА ОЛЕНА ВАСИЛІВНА

УДК 581.522.5+681.3:53.072

ЕКОЛОГО-ФІЗІОЛОГІЧНА ОЦІНКА

СВИНЦЕВОГО НАВАНТАЖЕННЯ В СИСТЕМІ

“ГРУНТ–РОСЛИНА” ТА ПРОГНОЗУВАННЯ

СТУПЕНЯ ЗАБРУДНЕННЯ АГРОЦЕНОЗІВ

03.00.16 – екологія

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата біологічних наук

Київ – 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в лабораторії фізіологічних основ продуктивності рослин кафедри фізіології та екології рослин біологічного факультету Київського національного університету імені Тараса Шевченка.

Науковий керівник: доктор біологічних наук

член-кореспондент УААН, професор

МУСІЄНКО Микола Миколайович,

Київський національний університет

імені Тараса Шевченка,

завідувач кафедри

фізіології та екології рослин

Офіційні опоненти: доктор біологічних наук

МОРОЗ Павло Антонович,

Національний ботанічний сад

ім. М.М. Гришка

завідувач відділу акліматизації

плодових рослин

доктор технічних наук

ПОЛЯКОВ Вадим Леонтійович,

Інститут гідромеханіки НАН України

провідний науковий співробітник відділу

прикладної гідромеханіки

Провідна установа: Дніпропетровський національний університет,

м. Дніпропетровськ

Захист відбудеться “ 24 ” вересня 2001р. о 16 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.001.24 у Київському національному університеті імені Тараса Шевченка за адресою: 03127, м. Київ, проспект Глушкова 2, корпус 12 (біологічний факультет), ауд. 215.

Поштова адреса: 01033, м. Київ, вул. Володимирська, 64, спецрада Д 26.001.24, біологічний факультет.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Київського національного університету імені Тараса Шевченка: 01033, Київ, вул. Володимирська, 58.

Автореферат розісланий “22” серпня 2001р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради, кандидат біологічних наук Брайон О.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Прогнозування ступеня забруднення агроценозів важкими металами є однією з найактуальніших проблем сучасної екології. На сьогодні вміст свинцю в грунтах Київського Полісся підвищився до значень ГДК (гранично допустимих концентрацій), що втричі перевищує рівень середнього розповсюдження даного хімічного елементу в природі (Брукс, 1982, Шестопалов и др., 1996). Це негативно позначається на фізіологічному стані рослин і створює передумови до накопичення важкого металу в рослинній продукції, що, в свою чергу, призводить до інтоксикації свинцем тварин і людини.

Збільшення свинцевого навантаження на агроценоз вимагає детального вивчення фітотоксичності важкого металу, а також його міграційної здатності в системі “грунт – рослина” (Ильин, 1991). Реакція рослин на дію іонів свинцю проявляється в різноманітних анатомо-морфологічних та фізіолого-біохімічних змінах, спрямованих на формування механізму захисту рослин від надлишку токсиканту (Косицин, Алексеева-Попова, 1983, Barcello, Poschenrider, 1990, Гуральчук, 1991, Феник и др., 1995, Терек та ін., 1997, Мусієнко та ін., 2000).

Прогнозування міграції свинцю на основі математичного моделювання має виключно важливе значення як для екологічної оцінки сільськогосподарської продукції, прогнозування та управління її якістю, так і для дослідження захисних можливостей системи “грунт – рослина” (Франс, Торнли, 1987, Полевой, 1996, Поляков, 1998, 1999).

Мета і задачі дослідження. Метою даної роботи було проведення комплексного еколого-фізіологічного аналізу системи “грунт – рослина” при дії свинцевого навантаження для розробки математичних моделей міграції важких металів та прогнозування ступеня забруднення агроценозів.

Для досягнення даної мети були поставлені наступні задачі:

1.

2.

3.

4.

Об’єкт дослідження – еколого-фізіологічний аналіз системи “грунт–рослина”.

Предмет дослідження – фітотоксична та міграційна здатність свинцю в системі “грунт–рослина”.

Методи дослідження – визначення анатомо-морфологічних та фізіолого-біохімічних змін в рослинах методами мікроскопії, спектрофотометрії, вмісту важких металів в ґрунтах та рослинах методами спектрофотометрії, атомно-абсорбційного аналізу. В роботі використані методи математичного моделювання.

Наукова новизна одержаних результатів. Вперше дана комплексна еколого-фізіологічна оцінка стану агросистеми “грунт–озима пшениця” за умов свинцевого навантаження. Встановлено закономірне природно-техногенне розсіювання свинцю в темно-сірих опідзолених ґрунтах Київського Полісся, його акумуляцію в надземних органах пшениці. Виявлено, що поряд з традиційно прийнятим накопиченням важкого металу в орному гумусовому горизонті ґрунту на глибині 0-20 см можлива його акумуляція в ілювіальному горизонті на глибині 0,7-0,8 м.

Вивчена фітотоксична дія свинцю в концентрації від 10-1 до 10-6 мг/мл на озимій пшениці з урахуванням ступеня забруднення рослин токсикантом і дана оцінка найбільш чутливих структурно-функціональних показників стресового стану рослин за умов свинцевого навантаження.

Визначені межі токсичності та динаміка накопичення свинцю в рослинах озимої пшениці.

Вперше розроблено оригінальну математичну модель міграції важких металів в системі “грунт-рослина” та методику визначення коефіцієнтів швидкості росту кореневої та надземної зон і коефіцієнта дифузії важких металів в різних органах рослин.

Вперше створені комп’ютерні програми для розрахунку переносу важких металів в рослинному організмі впродовж вегетації.

Практичне значення одержаних результатів. Отримані результати можуть бути використані в розробці методів керування режимом накопичення важких металів в рослинах (зокрема озимій пшениці). Розроблена методика розрахунків є достатньо універсальною і дозволяє обґрунтувати можливість вирощування різних сільськогосподарських культур на ґрунтах, забруднених важкими металами. Крім того, можуть моделюватися практичні задачі очищення забруднених ґрунтів за допомогою посівів спеціально підібраних рослин-акумуляторів, що здатні до активного поглинання токсикантів з ґрунту. Вилучення забруднених рослин і їх подальша утилізація в спеціально підготовлених умовах дозволить знизити рівень забрудненості ґрунтів важкими металами.

Особистий внесок здобувача. Проведено інформаційний пошук і аналіз даних літератури за темою дисертації. Розроблено програму польових і лабораторних досліджень; узагальнено теоретичні та експериментальні дані з подальшим їх математичним аналізом, проведено математичне моделювання міграції важкого металу в системі “грунт–коренева система–надземна частина рослини”, зроблені висновки та підготовлені матеріали для їх публікації. Планування та розробка методичних підходів проведені спільно з науковим керівником та за участю співробітників кафедри фізіології та екології рослин Київського національного університету імені Тараса Шевченка.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота є складовою наукової теми науково-дослідної лабораторії фізіологічних основ продуктивності рослин кафедри фізіології та екології рослин біологічного факультету Київського національного університету імені Тараса Шевченка № 97/090 “Екзогенна індукція адаптивних реакцій для стабілізації продуктивності зернових культур в несприятливих екологічних умовах"; номер державної реєстрації: 0197U003136.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи були викладені у доповідях на наукових конференціях і симпозіумах: конференції професорсько-викладацького складу Київського національного університету імені Тараса Шевченка (Київ, 1999), конференції студентів та молодих вчених "Екологія. Людина. Суспільство" (Київ, 1999), Міжнародній конференції “Фізіологія рослин – наука III тисячоліття” (Москва, Росія, 1999), XXVIII та XXIX симпозіумах європейського товариства з нових методів сільськогосподарських досліджень (ESNA) (Брно, Чехія, 1998; Вай, Великобританія, 1999), V Міжнародному симпозіумі з питань стану навколишнього середовища в центральній та східній Європі (Прага, Чехія, 2000).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 2 статті у наукових журналах, 2 статті у збірниках наукових праць, 6 тез доповідей на конференціях.

Структура та об’єм дисертації. Дисертація складається із списку скорочень, вступу, шести розділів основної частини, узагальнення результатів досліджень, висновків, додатків і списку використаних джерел літератури з 185 найменувань. Робота викладена на 165 сторінках машинописного тексту і включає 8 таблиць, 58 рисунків, 17 додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

ОБ’ЄКТИ І МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕНЬ

Об’єктом досліджень є система “грунт–рослина”. Складовими системи - рослини озимої пшениці (Triticum aestivum L.) сорту Поліська 90, грунт - темно-сірий опідзолений, легкосуглинковий.

Еколого-фізіологічні дослідження проводили в лабораторних та польових умовах. В лабораторних дослідах рослини вирощували в контрольованих умовах на дистильованій воді та розчинах Pb(NO3)2 в концентрації від 10-1 до 10-6 мг/мл. Для аналізу відбирали 7- – 14-денні проростки.

Польові стаціонарні досліди проводили протягом трьох вегетаційних періодів: 1996/1997; 1997/1998; 1998/1999 років.

Свинцеве забруднення на посівах озимої пшениці створювали шляхом позакореневого обприскування рослин на IV етапі органогенезу водним розчином Pb(NO3)2 в концентрації 1,6 мг/л (концентрація Pb2+ - 1%).

Відбір та підготовку до аналізу зразків ґрунту та рослин здійснювали відповідно до загальноприйнятих методик (Лісовал, Давиденко, Мойсеєнко, 1994). Проби ґрунту для агрохімічної характеристики відбирали перед посівом з контрольного варіанту. Агрохімічний аналіз ґрунтів проводили загальноприйнятими методами (Агрохимические методы исследования…, 1960). Аналіз Pb, Zn, Cr, Mo, Ni, Co, V, Mn, Zr, Ti, La у пробах ґрунту виконано в спектральній лабораторії геологічного факультету Київського національного університету імені Тараса Шевченка на спектрографі СТЕ-1 з приставкою –напівавтоматом АД-3.

Вміст свинцю в коренях, листках та зернівках рослин визначали методом атомно-абсорбційної спектрофотометрії за допомогою приладу “Варіан” (США) (Методические указания…, 1991). Визначення інтегральних показників фізіологічного стану рослин пшениці проводили у флаговому листку у фази кущіння, виходу в трубку, виколошування, цвітіння, молочно-воскової стиглості (МВС). Водний дефіцит визначали за методикою (Фізіологія рослин: Практикум, 1995), а водоутримуючу здатність листків (ВУЗ) – за допомогою приладу “Тургоромер-1” згідно з методичними рекомендаціями Кушніренко та ін (1988). Вміст хлорофілів “а”, “в”, загальну кількість каротиноїдів визначали спектрофотометрично (Arnon, 1949). Сумарну активністі пероксидази визначали за методом Бояркіна (1961). Визначення вмісту загального білка проводили за методом Лоурі (Loury, Lopez, 1946). В анатомічних дослідженнях використовували мікроскоп МБД-15 та МЛ-2. Структурний аналіз снопа та визначення маси 1000 зерен проводили загальноприйнятим методом (Животков, 1993). Якісні показники зерна були визначені в лабораторії масових біохімічних аналізів Інституту землеробства УААН за допомогою приладу “Інфрапід” (США).

Біологічна повторність дослідів трьох- чотирьохкратна, аналітична дев’ятикратна. Результати оброблені статистично з використанням загальноприйнятих методик (Доспехов, 1985).

При розробці математичної моделі міграції важкого металу в системі “грунт – рослина” використовували рівняння дифузії хімічних елементів, наведеного в роботі Франса і Торнлі (1987), рівняння конвективної дифузії та масообміну (Горев, Пелешенко, 1984, Ситников, 1978). Розв’язок сформульованих задач було отримано відомим чисельним методом скінчених різниць за допомогою спеціально розробленої програми для ПЕОМ на алгоритмічній мові BASIC.

РЕЗУЛЬТАТИ ДОСЛІДЖЕНЬ

Особливості міграції та акумуляції свинцю в горизонтах грунту і органах рослин. При проведенні комплексного еколого-геохімічного аналізу горизонтів грунту проаналізовані умови міграції та акумуляції свинцю в темно-сірих опідзолених грунтах Київського Полісся, а також передумови надходження важкого металу в корені рослин озимої пшениці.

Грунтовий розріз досліджено до глибини 1м. Для наочного уявлення про розподіл металів розраховували елювіально-акумулятивний коефіцієнт, який є відношенням вмісту ВМ в даному генетичному горизонті до його вмісту в грунтоутворюючій породі. Нами встановлено, що значення елювіально-акумулятивного коефіцієнту в межах даного розрізу складають 0,9-1,1, максимальні – відповідають гумусовому горизонту. Комплексний еколого-геохімічний аналіз співвідношення геохімічної спеціалізації горизонтів з агрохімічними властивостями та їх гранулометричним складом вказує на можливість формування в орному шарі (0-20см) бар'єрних умов кислотного та сорбційного типів, що узгоджується з даними Перельман (1979). Крім того, відмічено різке підвищення на глибині 70-80 см (слабоілювійовані лесовидні суглинки) вмісту Fe2O3 (табл. 1). Наслідком цього може стати формування у вищезазначеному горизонті природного сорбційного бар’єру та накопичення важких металів на глибині 70-80 см, поряд з традиційно прийнятою акумуляцією в орному гумусовому горизонті на глибині 0-20см (табл. 2).

Для кількісної оцінки надходження свинцю в рослини нами був використаний індекс надходження (рис. 1), який є відношенням концентрації Pb в коренях рослин до його концентрації в ґрунті. Аналізуючи отримані дані відмічаємо, що у рослин, які отримували повне мінеральне живлення (N120P90K90) індекс надходження свинцю в рослини нижчий, ніж у рослин

Таблиця 1. Фізико-хімічні властивості темно-сірих опідзолених легкосуглинкових грунтів дослідних ділянок

Генетичний горизонт грунту | Інтервал вивчення, см | Вміст гумусу, % | рН сольове | Гідролітична кислотн., мгекв/ 100 г | Вміст Fe2O3, % | Сума обмін-них катіонів Ca2+ та Mg2+, мгекв/ 100 г | Вміст глинис-тої фракції (<0,001 мм), %

Гумусовий орний (Но)* | 0-20 | 1,78 | 4,8 | 2,6 | Не дослід-жено | Не дослід-жено | 12,85

Гумусовий дерновий (Hd)** | 0-2 | 5,0 | 6,4 | 4,0 | 3,64 | 33,38

Гумусовий (He)** | 3-15 | 2,6 | 5,6 | 7,9 | 3,51 | 21,63

Ілювіальний гумусовий (HI)** | 26-28 | 1,7 | 5,0 | 7,5 | 2,91 | 27,04 | 14,25

Лесовидний суглинок слабо ілювійо-ваний (Pi)** | 75-77 | 0,7 | 5,6 | 3,7 | 4,62 | 15,39 | 17,46

94-96 | <0,5 | 6,0 | 3,7 | 0,85 | 2,5 | 15,16

*Досліджено на ділянці штучного свинцевого забруднення пшениці.

**Досліджено на ділянці еколого-геохімічних спостережень грунтів.

Таблиця 2. Розподіл свинцю та цинку у грунтових горизонтах темно-сірих опідзолених легкосуглинкових грунтів дослідних ділянок

Генетичний горизонт грунту | Інтервал дослід-ження, см | Вміст свинцю, мг/кг | Вміст цинку, мг/кг

Інтервал концентрацій | Середнє значення | Інтервал концентрацій | Середнє значення

Гумусовий дерновий (Hd) | 0-2 | 14-18 | 15,7 | 25-35 | 31

Гумусовий (He) | 3-15 | 14-19 | 15,7 | 26-40 | 32

Ілювіальний гумусовий (HI) | 26-28 | 12-14 | 13,3 | 30-35 | 31,7

Лесовидний суглинок слабо ілювійований (Pi) | 94-96 | 8-20 | 14 | 12-35 | 23,5

Лесовидний суглинок (Р) | 98-100 | 15 | 15 | 25 | 25

контрольного варіанту (конт-роль без добрив). На нашу думку, це обумовлено тим, що при внесенні добрив в грунт здатність токсиканту до комп-лексоутворення зростає і він стає недоступним для рослин. Відповідно індекс надходження важкого металу зменшується і на початку вегетації становить 0,21, тоді як на ділянках без добрив – 0,26.

На подальших фазах розвитку у рослин обох варіантів відмічаємо зростання індексу надходження свинцю, причому у рослин підживлених N120P90K90 значення цього показника наближається до такого у контрольному варіанті, що ймовірно пов’язано із зменшенням поживних речовин в ґрунті і відповідно збільшенням доступності важкого металу для рослин. Слід також відмітити, що свинець порівняно з іншими важкими металами (Вакаренко, 1992) має найнижчий індекс надходження.

Таким чином, нами виявлена низька інтенсивність поглинання іонів свинцю коренями рослин, що обумовлено як наявністю захисних механізмів в клітинах кореневої системи рослин, так і переважанням процесу геохімічного розсіювання у верхній частині темно-сірих опідзолених ґрунтів. В зв’язку з цим значний інтерес представляє вивчення позакореневого накопичення свинцю рослинами та характеру перерозподілу важкого металу в органах пшениці, тому нами проведені досліди по вивченню акумуляційної здатності свинцю аерального надходження в органах пшениці протягом вегетації.

Аналізуючи дані по акумуляції свинцю в органах пшениці протягом трьох вегетацій, нами встановлена певна динаміка накопичення іонів важкого металу в рослинах. Вміст Pb2+ у флаговому листку контрольних рослин в онтогенезі змінювався незначно, що, на нашу думку, обумовлено як наявністю захисних механізмів у клітинах рослин, так і низькою реакційною здатністю свинцю. Так, у дослідних рослин у вегетацію 1997, 1998рр., що характеризувались подібними кліматичними умовами, сприятливими для росту та розвитку пшениці, концентрація іонів свинцю у флаговому листку збільшується вже після обробки і на початку колосіння становила 5,9 мг/кг, у контролі – 0,25 мг/кг (рис. 2а). Слід відмітити, що свинець має здатність до інтенсивного зв’язування з структурними елементами листкової пластинки (Косицин, Алексеева-Попова, 1983). Впродовж вегетації основна частина важкого металу вимивається з поверхні листка і тільки незначна його кількість здатна проникати всередину рослини (Elias, Croxdale, 1980). Тому на наступних фазах розвитку пшениці вміст свинцю у флаговому листку дослідних рослин поступово знижується і в кінці вегетації становить 1,75 мг/кг. У контрольних рослин відмічено незначне збільшення іонів важкого металу як у флаговому листку (до 0,35 мг/кг), так і в коренях (рис. 2б) (від 1,1 на початку вегетації до 1,43 мг/кг у фазу МВС). Це можна пояснити природною акумуляцією токсиканту як з ґрунтового розчину, так і з забрудненого повітря. Аналіз даних по накопиченню Pb в коренях дослідних рослин свідчить про низьку міграційну здатність важкого металу в органах пшениці. І хоча абсолютні значення вмісту токсиканту в коренях дослідних рослин були вищі по відношенню до контрольних, інтенсивність накопичення іонів свинцю коренями рослин трималася на одному рівні (див. рис. 2).

У вегетацію 1999 р., яка відзначалася високими середньо-добовими температурами та дефіцитом вологи, вміст свинцю у флаговому листку контрольних рослин був нижчий, ніж у рослин попередніх вегетацій, і становив 0,20–0,30 мг/кг. При цьому у дослідних рослин відмічені високі рівні свинцю у флаговому листку протягом всього періоду досліджень (рис.3). Це можна пояснити відсут-ністю опадів в період і після обробки рослин розчином

важкого металу і відносно низьким рівнем – протягом всієї вегетації, що підкреслює значимість кліматичних факто-рів для проникнення свинцю в рослини. Вже на фазі колосіння у флаговому листку дослідних рослин вміст Pb був 5,87 мг/кг, у контролі

- 0,20 мг/кг; відповідно на фазі цвітіння – 3,13 і 0,25 мг/кг; на фазі МВС – 2,4 і 0,30 мг/кг.

Відмічено також збільшення вмісту важкого металу в зерні дослідних рослин по відношенню до контрольних на 21-25% впродовж трьох вегетацій.

Таким чином, обробка пшениці однопроцентним розчином Pb(NO3)2 призвела до забруднення надземної частини та зерна пшениці, тоді як у кореневій системі вміст свинцю протягом вегетації варіював незначно, що свідчить про відсутність низхідної міграції важкого металу від листків до коренів і наявність захисних механізмів, які гальмують рух Pb по органам рослин. Накопичення свинцю в органах пшениці можна пояснити його високою здатністю до комплексоутворення. Збільшення вмісту Pb в зерні дослідних рослин свідчить про те, що адсорбція важких металів надземною частиною рослин є пріоритетним джерелом забруднення пшениці свинцем.

Характеристика фітотоксичної дії свинцю на озиму пшеницю. Для дослідження міграційної та акумулюючої здатності свинцю в органах рослин, а також встановлення меж токсичності важкого металу нами проведено серію модельних дослідів на проростках озимої пшениці. Встановлені летальні 510-2мг/мл та сублетальні 10-2 мг/мл концентрації важкого металу. При вирощуванні рослин на розчинах свинцю різних концентрацій простежена динаміка накопичення важкого металу в органах рослин.

Аналіз отриманих результатів показав, що рівень акумуляції свинцю в коренях та листках 7- та 14-денних проростків озимої пшениці прямо корелював із його вмістом у розчині (рис. 4).

Додавання солі свинцю Pb(NO3)2 у водний розчин у концентраціях від 10-5 до 10-3 мг/мл викликало поступове підвищення вмісту Pb як у коренях, так і у надземній частині рослин, а у концентрації 510-3 мг/мл – вміст свинцю в проростках стрибкоподібно збільшився. Це зумовлено тим, що при низьких концентраціях свинцю в розчині корені виконують бар’єрну функцію для проникнення надлишку іонів важкого металу в надземні органи рослин. Свинець в концентрації 510-3 мг/мл викликає пошкодження цілісності клітин кореня, в результаті чого транспорт токсиканту в рослину стає необмеженим, що негативно позначається на її фізіолого-біохімічному стані. Концентрація важкого металу 510-2мг/мл виявилась летальною для проростків пшениці.

Накопичення важкого металу в проростках озимої пшениці призводило до порушення цілого ряду метаболічних процесів, зокрема підвищення активності пероксидази та зниження активності каталази, негативно позначилося на вмісті та співвідношенні компонентів пігментного комплексу, показниках водного режиму. Наслідком виявлених порушень стало гальмування росту проростків, що є одним з найбільш ранніх і типових проявів токсичної дії важких металів (Алексеева-Попова и др., 1983).

Аналіз даних дії нітрату свинцю на ріст та розвиток проростків показав, що свинець в низькій концентрації (10-5 мг/мл) стимулював ріст як коренів, так і пагонів (рис. 5). Збільшення концентрації нітрату свинцю в розчині, а відповідно і в коренях проростків, супроводжувало інгібування їх росту. При цьому відмічено пригнічення росту головного та формування бічних коренів.

Свинець у високих концентраціях від 10-4 мг/мл і вище гальмував ріст не лише коренів, але й пагонів. Слід зазначити, що пригнічення росту надземної частини проростків по відношенню до коренів було менш вираженим.

Так, нітрат свинцю в концентраціях 10-4 – 10-3 мг/мл практично не впливав на ріст пагонів. Лише в дозах, близьких до 510-3 мг/мл, відмічено значне зниження рівня росту. Однак навіть при концентрації 10-2 мг/мл не відбувалося повного пригнічення росту надземної частини рослин. Істотне інгібування росту коренів спостерігається

при нижчих по відношенню до пагонів концентра-ціях нітрату свинцю – 10-4 мг/мл, а при концентрації важкого металу 10-2 мг/мл ріст коренів припи-няється повністю. Це, на нашу думку, зумовлено значно вищим рівнем свинцю в коренях, ніж у пагонах, що і викликало порушення метаболізму, перш за все, в клітинах кореня і, як наслідок, інгібування його росту. Існування бар’єрів на шляху транспорту свинцю не дозволяють досягати високого рівня важкого металу в надземній частині рослин, в результаті спостерігається менш виражене пригнічення ростових процесів.

Подальше вивченя міграційної здатності свинцю з урахуванням ростових параметрів – як інтегральних показників фізіологічного стану рослин в умовах свинцевої інтоксикації – проведено методами математичного моделювання.

Математичне моделювання міграції свинцю в системі “грунт-рослина”. Створені та обгрунтовані моделі, що дозволяють розрахувати та прогнозувати міграцію та накопичення важких металів в кореневій системі та надземній частині рослин за умов локалізації токсиканту в грунті на різній глибині. При побудові моделі міграції важкого металу в системі “грунт-рослина” нами змодельовано і досліджено динаміку росту кореневої та надземної частини озимої пшениці, поглинання водорозчинних форм свинцю коренями, міграція і накопичення важкого металу в органах рослин.

Моделювання росту рослин базується на методичних підходах, обгрунтованих в роботі Франса і Торнлі (1987) і представляє їх подальший розвиток та уточнення з урахуванням результатів наших експериментальних досліджень.

Змоделюємо ріст кореневої та надземної частини рослини, де параметри визначаються на основі аналізу польових та лабораторних досліджень:

, , | (1)

де довжина кореневої та висота надземної частини рослини; коефіцієнти росту кореневої та надземної частини рослини; максимальна довжина відповідних частин.

При моделюванні весняно-літнього періоду росту за початкові умови вибрані довжини відповідних зон, що сформувалися в осінньо-зимовий період: |

(2)

де початкові значення довжин кожної зони.

Моделювання міграції свинцю в кореневій та надземній частині рослин базується на розвитку та уточненні моделі дифузії хімічних елементів в рослині, записаній у роботі Франса і Торнлі (1987), з урахуванням уявлень про рух розчинів в системі “грунт - рослина”, викладених в монографії Ная і Тінкера (1980), а також на наших експериментальних дослідженнях.

Міграція свинцю в кореневій зоні рослин описується рівнянням

, (3)

а в надземній – рівнянням

. (4)

Міграція свинцю з коренів в надземну частину рослини моделюється умовою спряження

, | (5)

де , – концентрації важкого металу в кореневій та надземній зонах рослини; , – коефіцієнти дифузії важкого металу у відповідних зонах; , – інтенсивність поглинання свинцю коренями та надземною частиною рослини.

Початкові умови мають вигляд

(6)

Рівняння (3), (4) розв’язуються при заданих граничних умовах

, . (7)

які показують відсутність надходження в рослину свинцю в нижній та верхній точках рослини. Таким чином, ми маємо замкнену систему рівнянь, початкових і граничних умов для однозначного моделювання міграції забруднювачів в системі “коренева система – надземна частина рослини”.

Для моделювання перерозподілу свинцю в системі “грунт – рослина” необхідно врахувати міграцію розчинного хімічного елементу в грунті. Для цього скористаємося відомим рівнянням масопереносу в пористих середовищах: |

(8)

де – концентрація важких металів в поровому розчині зони аерації, -вологість грунту, –коефіцієнт конвективної дифузії, – швидкість вологопереносу в зоні аерації, – інтенсивність масообміну між поровим розчином та твердою фазою грунту, – потужність зони аерації.

Для (8) задаємо початкові (9) і граничні (10) умови: |

(9)

(10)

де - початкова концентрація токсиканту по висоті, - концентрація токсиканту на поверхні землі. На нижній межі зони аерації задається гранична умова другого роду аналогічно (7).

Таким чином, система рівнянь з відповідними початковими та граничними умовами дозволяє дослідити міграцію важких металів в системі “грунт-коренева система”.

На основі розв’язку зворотніх задач для відповідних різницевих рівнянь, записаних в балансовій формі та результатів експериментальних досліджень визначені коефіцієнти росту надземної (=0,0011,44 см/добу) та кореневої зон рослини (=0,63,6см/добу), коефіцієнт дифузії (=0,150,48 см2/добу), коефіцієнт швидкості поглинання важкого металу коренями рослин (?=0,893,57 л/добу).

Слід зазначити, що значення коефіцієнта дифузії вкладаються у відомі межі змін цього коефіцієнта, що підтверджує коректність експерименту та достовірність отриманих даних. З іншого боку це свідчить про можливість моделювання надходження важких металів в рослину на основі отриманого рівняння дифузії.

УЗАГАЛЬНЕННЯ РЕЗУЛЬТАТІВ ДОСЛІДЖЕННЯ

Проведено комплексний еколого-фізіологічний аналіз системи “грунт – озима пшениця” при дії свинцевого навантаження з використанням еколого-геохімічних, фізіологічних, біохімічних, морфологічних, математичних методів досліджень для розробки математичних моделей міграції важких металів з метою отримання прогнозних оцінок ступеня забруднення агроценозів. Ці дослідження дали змогу з’ясувати умови міграції свинцю по горизонтам грунту, виявити джерела надходження важкого металу в рослини, особливості його перерозподілу по органам озимої пшениці, проаналізувати неспецифічні реакції рослинного організму на дію свинцю і на основі отриманих даних провести математичне моделювання міграції свинцю в системі “грунт –-рослина”.

На основі проведеного еколого-геохімічного аналізу встановлено закономірне природно-техногенне розсіювання свинцю в темно-сірих опідзолених ґрунтах Київського Полісся. Виявлено, що поряд з традиційно прийнятим накопиченням важкого металу в орному гумусовому горизонті ґрунту на глибині 0-20 см можлива його акумуляція в ілювіальному горизонті на глибині 0,7-0,8 м.

Проаналізовано різні джерела надходження свинцю в органи рослин. Встановлено, що свинець характеризується низькою міграційною здатністю по горизонтам грунту і має низький індекс надходження в рослини з грунту. При дослідженні накопичення іонів свинцю в органах рослин, внесеного позакоренево, нами виявлено достовірне збільшення вмісту токсиканту в зерні пшениці. В зв’язку з цим вважаємо, що адсорбція важкого металу з повітря є пріоритетним джерелом забруднення пшениці свинцем.

Досліджено фітотоксичну дію іонів свинцю на ріст, розвиток та фізіолого-біохімічні показники озимої пшениці з урахуванням рівня нагромадження важкого металу в органах рослин. Встановлено летальні (510-2 мг/мл), сублетальні (10-2 мг/мл), ріст-інгібуючі (510-3 - 510-2 мг/мл) та ріст-стимулюючі (10-5 - 510-5 мг/мл) концентрації важкого металу для проростків озимої пшениці. Крім того, токсична дія важкого металу негативно позначилася на вмісті та співвідношенні компонентів пігментного комплексу, показниках водного режиму, призвела до підвищеня активності пероксидази та зниження активності каталази.

Виявлені фізіолого-біохімічні зміни можна використовувати як неспецифічні показники стресового стану рослин за умов свинцевого навантаження. Відмічені зміни в фізіологічному статусі пшениці в решті решт призводили до гальмування росту рослин. Тому ріст рослин визначено інтегральним параметром стресового стану рослин, який використано при створенні математичної моделі міграції свинцю в системі “грунт – коренева система –-надземна частина рослини”.

При побудові моделі міграції важкого металу в системі “грунт-рослина” нами змодельовано і досліджено динаміку росту кореневої та надземної частини озимої пшениці, поглинання водорозчинних форм свинцю коренями, міграцію і накопичення важкого металу в органах рослин. В моделях росту та міграції свинцю в надземній та кореневій системі рослин задані початкові та граничні умови, а також умови спряження, що дозволило отримати єдині розв’язки записаних рівнянь. При моделюванні міграційної здатності свинцю в системі “грунт –-рослина” враховано міграцію хімічного елементу в грунті (рівнянням масопереносу в пористих середовищах). Розв’язок системи рівнянь реалізований на основі використання програми для ЕОМ.

Використовуючи дані модельних дослідів, отримано значення коефіцієнтів росту кореневої і надземної частини рослин, коефіцієнт дифузії та коефіцієнт швидкості поглинання свинцю коренями рослин . Значення коефіцієнта дифузії вкладаються у відомі межі змін цього параметра, що підтверджує коректність експерименту та достовірність отриманих даних. З іншої сторони, це свідчить про можливість адекватного моделювання надходження важких металів в рослину на основі отриманого рівняння дифузії. В роботі наведено результати математичного моделювання міграції свинцю в рослинах озимої пшениці, які дозволяють розрахувати та прогнозувати міграцію та накопичення важких металів в кореневій системі та надземній частині рослин за умов локалізації токсиканту в грунті на різній глибині. Запропоновані моделі дають можливість отримати прогнозні оцінки екологічної ситуації, зокрема ступеня забруднення агроценозів важкими металами, а також надати ефективні науково-обгрунтовані рекомендації щодо проведення агротехнічних заходів при вирощуванні зернових.

ВИСНОВКИ

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

СПИСОК ПРАЦЬ, ОПУБЛІКОВАНИХ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

АНОТАЦІЯ

Скопецька О.В. Еколого-фізіологічна оцінка свинцевого навантаження в системі “грунт–рослина” та прогнозування ступеня забруднення агроценозів. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата біологічних наук за спеціальністю 03.00.16 – екологія. – Київський національний університет імені Тараса Шевченка, Київ, 2001.

Дисертацію присвячено дослідженню міграційної здатності свинцю в системі “грунт-рослина”, фітотоксичної дії важкого металу на озиму пшеницю, адаптивних механізмів системи “грунт-рослина”, а також моделюванню міграції токсиканту для отримання прогнозних оцінок ступеня забруднення агроценозів важкими металами.

Встановлено закономірне природно-техногенне розсіювання свинцю в темно-сірих опідзолених ґрунтах Київського Полісся. Виявлено, що поряд з традиційно прийнятим накопиченням важкого металу в орному гумусовому горизонті ґрунту на глибині 0-20 см можлива його акумуляція в ілювіальному горизонті на глибині 0,7-0,8 м.

Проаналізовано різні джерела надходження свинцю в органи рослин і визначено, що адсорбція важких металів з повітря є пріоритетним джерелом забруднення пшениці свинцем.

Досліджено фітотоксичну дію іонів свинцю на ріст, розвиток та фізіолого-біохімічні показники озимої пшениці з урахуванням рівня нагромадження важкого металу в органах рослин. Ріст рослин визначено інтегральним параметром стресового стану рослин, який використано при створенні математичної моделі міграції свинцю в системі “грунт-коренева система-надземна частина рослини”.

При побудові моделі міграції важкого металу в системі “грунт-рослина” нами змодельовано і досліджено динаміку росту кореневої та надземної частини озимої пшениці, поглинання водорозчинних форм свинцю коренями, міграція і накопичення важкого металу в органах рослин, що дозволило отримати прогнозні оцінки ступеня забруднення агроценозів важкими металами, а також надати ефективні науково обгрунтовані рекомендації щодо проведення агротехнічних заходів при вирощуванні зернових.

Ключові слова: система “грунт-рослина”, Triticum aestivum, Pb2+, акумуляція, міграція, агроценоз, адаптація, математичне моделювання.

АННОТАЦИЯ

Скопецкая Е.В. Эколого-физиологическая оценка влияния свинца в системе “почва-растение” и прогнозирование степени загрязнения агроценозов. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук по специальности 03.00.16 – экология. – Киевский национальный университет имени Тараса Шевченко, Киев, 2001.

Диссертация посвящена исследованиям миграционной способности свинца в системе “почва-растение”, фитотоксического действия тяжелого металла на озимой пшенице (Triticum aestivum L.), механизмов адаптации системы “почва-растение”, а также моделированию миграции токсиканта с целью получения прогнозных оценок степени загрязнения агроценозов тяжелыми металлами.

На основе проведенного эколого-геохимического анализа установлено закономерное природно-техногенное рассеивание свинца в темно-серых оподзоленых почвах Киевского Полесья. Установлено, что наряду с традиционно установленным накоплением тяжелых металлов в орном гумусовом горизонте грунта на глубине 0-0,2 м возможна его аккумуляция в иллювиальном горизонте на глубине 0,7-0,8 м.

Проанализированы разные источники поступления свинца в растение. Установлено, что свинец характеризуется низкой миграционной способностью по горизонтам грунта и имеет самый низкий (среди других тяжелых металлов) индекс поступления в растения с почвы. При исследовании внекорневого накопления ионов свинца в органы растений обнаружено достоверное увеличение содержания тяжелых металлов в зерне пшеницы. Поэтому, определено, что адсорбция свинца из загрязненного воздуха есть приоритетным источником загрязнения пшеницы данным тяжелым металлом.

Исследовано фитотоксическое действие ионов свинца на рост, развитие и физиолого-биохимические показатели озимой пшеницы с учетом уровня накопления тяжелых металлов в органах растений. Определены летальные (510-2 мг/мл), сублетальные (10-2 мг/мл), рост-ингибирующие (510-3-510-2 мг/мл) и рост-стимулирующие (10-5 - 510-5 мг/мл) концентрации тяжелых металлов для проростков озимой пшеницы. Установлено, что токсическое действие свинца негативно отобразилось на содержании и соотношении компонентов пигментного комплекса, показателях водного режима, вызывало повышение активности пероксидазы и снижение активности каталазы.

Выявленные физиолого-биохимические изменения можно использовать как неспецифические показатели стрессового состояния растений в условиях свинцового загрязнения. Отмеченные изменения обуславливали торможение роста растений. Поэтому, рост растений, как интегральный параметр стрессового состояния растений, использован при создании математической модели миграции свинца в системе “почва - корневая система - надземная часть растения”.

При построении модели миграции тяжелого металла в системе “почва-растение”, нами смоделировано и исследовано динамика роста корневой и надземной части озимой пшеницы, поглощение водорастворимых форм свинца корневой системой, миграция и накопление тяжелого металла в органах растений. В уравнениях роста и миграции свинца в надземной и корневой системе растений заданы начальные и граничные условия, а также условия сопряжения, что позволило получить единственные решения записанных уравнений. При моделировании миграционной способности свинца в системе “почва-растение” учитывали миграцию токсиканта в почве (уравнением массопереноса в пористых средах).

Полученные результаты математического моделирования миграции свинца в растениях озимой пшеницы позволили рассчитать и спрогнозировать миграцию и накопление ионов свинца в корневой и надземной части растений при локализации токсиканта в почве на различной глубине. Предложенные модели позволяют получить прогнозные оценки уровней загрязнения агроценозов тяжелыми металлами, а также эффективные научно обоснованные рекомендации для проведения агротехнических мероприятий при выращивании зерновых.

Ключевые слова: система “почва –-растение”, Triticum aestivum, Pb2+, аккумуляция, миграция, агроценоз, адаптация, математическое моделирование.

ANNOTATION

Skopetska