Накопление химических элементов растительными организмами

Концентрации химических элементов в подземных органах растений.

Накопление химических элементов в растениях начинается на этапе их корневого всасывания. Кажется очевидным, что увеличение содержания химических элементов в почве приводит к повышению их уровней в растениях. Имеет ли место прямая пропорциональная зависимость между содержанием тяжелых металлов в почвах и подземных органах растений?

В качестве примера приведем результаты наших исследований по изучению взаимосвязи между содержанием тяжелых металлов в почвах фоновых и техногенно нарушенных территорий и элементным составом травянистых растений этих биотопов (Жуйкова, 2009). На изученных нами участках (токсическая нагрузка от 1,00 до 22,78 отн. ед.) средние концентрации элементов в почвах увеличиваются от двух до пяти раз по Zn, Pb, Cd, Мп и почти в 50 раз по Си (табл. 5.5). Остальные элементы не показали четкой закономерности изменения в рассмотренном нами градиенте загрязнения.

В качестве примера в табл. 5.6 приведены концентрации химических элементов в корнях пяти видов растений, встречающихся во всем градиенте загрязнения в районе аэрогенных выбросов крупного металлургического комбината (Свердловская область, г. Нижний Тагил, 60° в. д., 58° с. ш.). Из таблицы видно, что с увеличением уровня токсической нагрузки содержание почти всех элементов в корнях возрастает.

Для анализа взаимосвязи между концентрацией химических элементов в корнях и содержанием соответствующих элементов почву отбирали пробы в непосредственной близости от корневых систем растений. В градиенте загрязнения были рассмотрены некоторые виды доминантов и содоминантов: Pimpinella saxifraga L., Taraxacum officinale s.l., Leontodon autumnalis L., Alchemilla vulgaris L., Artemisia vulgare L., Agrostis tenuis Sibtb., Dactylis glomerata L., Calamagrostis epigeios (L.) Roth.

В результате регрессионного анализа установлена корреляционная связь между содержанием тяжелых металлов в корнях растений и их концентрацией в почвах (табл. 5.7). Подобная зависимость была установлена и другими авторами (Алексеев, 1987; Алексеенко и др., 2014; Ильин, 2012). Однако не всегда имеет место прямая пропорциональность между содержанием химических элементов в почве и в корнях. Так, при увеличении содержания цинка в почве в 5 раз его концентрация в корнях изменяется в 3,5 раза, при росте содержания меди в почве в градиенте загрязнения в 50 раз ее содержание в корнях увеличивается лишь в 8 раз.

Отмеченные концентрационные особенности растений в значительной мере определяются наличием корневого барьера, как правило, препятствующего поступлению их избыточных количеств в ткани корня и побега (Алексеев, 1987; Безель и др., 1998а; Безель и др., 2007; Кабата-Пендиас и др., 1989). Роль корневого барьера в накоплении химических элементов растениями можно оценить при сравнении уровней элементов в почве и содержания соответствующих металлов в корневой системе (рис. 5.6). График показывает, что все точки, соответствующие кратности увеличения концентраций металлов в корнях, расположены ниже штриховой прямой, отражающей прямую пропорциональность увеличения их содержания в почвах. Следовательно, возрастание концентрации химических элементов в почвах сопровождается непропорционально низким их содержанием в корневой фитомассе, что свидетельствует о наличии биогеохимического барьера в системе «почва — корень» (Безель и др., 2007; Жуйкова и др., 2006).

Средние концентрации химических элементов в почвах, мкг/г (М ± т).

— суммарная токсическая нагрузка на участках исследования.

Таблица 5.6

Концентрации химических элементов в подземных органах растений, мкг/г (М ± ш).

Результаты регрессионного анализа зависимости содержания в корнях тяжелых металлов от их концентрации в почвах (характер зависимости С_корни = а + Ь • С_почва).

* — р < 0,05; ** — р < 0,01; *** —р < 0,001.

Отмеченная кратность увеличения концентрации часто выражается в виде коэффициента накопления.

где С_корни и С_почва — концентрации элементов в корнях и почвах соответственно.

Рис. 5.6. Кратность накопления меди корневыми системами растений в зависимости от кратности ее изменения в почвах (по: Жуйкова и др., 2006):

? — бедренец;? — одуванчик;? — кульбаба; О — полынь Как правило, корневой барьер хорошо работает в диапазоне низких и средних концентраций металлов в почвах (Безель и др., 1998а; Жуйкова, 1999). В первую очередь среди механизмов защиты можно рассматривать иммобилизацию тяжелых металлов клеточными стенками корня. Последнее позволяет снизить их проникновение из почвы в цитоплазму и является одним из важнейших процессов, влияющих на устойчивость растений к избытку поллютантов в почве (АлексееваПопова, 1991; Безель и др., 1998а; Гуральчук, 1994; Tyler, 1972). Кроме того, при накоплении большого количества тяжелых металлов в тканях корня начинают работать более высокоэффективные механизмы их детоксикации, к которым можно отнести образование различных хелаторов (органические кислоты, аминокислоты, фитохелатины и металлотионеины).

При достаточно высоких концентрациях металлов барьерная функция корней может нарушаться, коэффициент накопления стабилизируется вследствие пропорционального увеличения металлов в почве и корнях. В наших исследованиях (Безель и др., 1998а) были определены пороговые концентрации металлов в почвах, при которых нарушается эта барьерная функция у двух форм одуванчика лекарственного (Г. off. f. dahlstedtii и Т. off f. pectinatiforme, мкг/г): для цинка — 100, меди — 40, свинца — 70, кадмия — 0,3 (рис. 5.7).

Рис. 5.7. Коэффициенты накопления металлов в зависимости от их содержания в почве Т. off. f. dahlstedtii (7) и Т. off. f. pectinatiforme (2).

В силу видовой специфичности накопительных особенностей значения пороговых концентраций у разных видов растений могут существенно различаться. Так, в случае клевера лугового {Trifolium pratense L.) пороговые концентрации цинка в почве, при которых происходит нарушение корневого барьера, варьируют в пределах 30 мкг/г, по меди — 90 мкг/г (Жуйкова и др., 2012).

Уровни химических элементов в надземной части растений.

Следующим барьером, контролирующим депонирование растениями химических элементов, является процесс их поступления из корней в надземные органы. Значение этого барьера можно оценить, сравнивая кратности увеличения концентраций металлов в подземных и надземных органах растений. Концентрации металлов в надземных органах, как правило, меньше, чем в корнях тех же видов (рис. 5.8).

Рис. 5.8. Содержание цинка у Alchemilla vulgaris [а) и меди у Pimpinella saxifrage (б) в фитомассе (у): в корнях (7) и надземных органах (2) в зависимости от уровня соответствующего элемента в почвах (х) Следовательно, поступающие в корни химические элементы могут прочно ими фиксироваться, не переходя полностью в надземную часть. Рисунок 5.9 свидетельствует о наличии подобного биогеохимического барьера в системе «почва — надземные органы».

Рис. 5.9. Кратность изменения запаса химических элементов в подземной (а) и надземной (б) фитомассах луговых растений в зависимости от изменения кратности их концентраций в почвах (по: Безель и др., 2007).

Естественно, что при аккумуляции тяжелых металлов имеет место избирательное накопление некоторых элементов специфичными видами растений. При этом экологические условия определяют уровень содержания элементов в среде, а биологические особенности вида обусловливают колебания в накоплении химических элементов в фитомассе.