Содержание к диссертации
Глава 1
1.1 1.1.1
1.1.2
1.1.3
1.1.4
1.2 1.2.1
1.2.2
1.3
1.3.1
1.3.2
1.3.3 1.4
1.4.1
1.4.2 1.4.3
Глава 2
2.1 2.2 Глава 3
3.1 3.2 3.3
Глава 4
4.1
4.2
4.3
Глава 5
5.1
5.2
5.3
Глава 6
Введение к работе
Радионуклиды и тяжелые металлы и модификация их поведения в
агроэкосистемах
Поведение радионуклидов в агроэкосистемах
Закономерности и особенности миграции радионуклидов в системе
почва-растение
Факторы и механизмы, регулирующие поведение радионуклидов в
агроэкосистемах
Количественные параметры поглощения Cs растениями из почвы
Факторы, модифицирующие поведение радионуклидов в системе
почва-растение
Поведение тяжелых .металлов в агроэкосистемах
Закономерности и особенности миграции тяжелых металлов в системе
почва-растение
Факторы, модифицирующие поведение тяжелых металлов в системе
почва-растение
Формирование устойчивости растений к действию техногенных
факторов
Физиологическая роль Cd и Со и закономерности их поступления в
растения
Механизмы адаптации растений к действию загрязняющих веществ и
детоксикация металлов в растительных организмах
Поглощение Cs растениями при химическом загрязни почв
Роль биологически активных веществ в развитии растений и
формировании их продуктивности
Брассиностероиды и их влияние на устойчивость растений к
неблагоприятным факторам окружающей среды
Адаптогенные и иммуномодулирующие свойства препарата Циркон
Эффективность использования биологически активных веществ в
технологиях возделывания сельскохозяйственных культур
Условия, объекты и методы исследований
Объекты исследований
Методы исследований
Рост, развитие и формирование продуктивности ячменя при
выращивании на почве, загрязненной Cs, Cd и Со
Рост и развитие растений ячменя
Формирование продуктивности ячменя
Влияние предпосевной обработки семян биологически активными
веществами на рост, развитие и продуктивность ячменя
Поглощение Cs и макроэлементов растениями ярового ячменя
Динамика накопления ,37Cs и К растениями ячменя на разных этапах
онтогенеза
Динамика накопления Са и Mg растениями ячменя
Вынос Cs и макроэлементов растениями ячменя из почвы
Поглощение Cd и Со растениями ярового ячменя
Динамика накопления Cd и Со ячменем на разных этапах онтогенеза
Вынос Cd и Со растениями ячменя
Прогнозирование накопления Cd в урожае ячменя
Поступление Cs и макроэлементов в растении ячменя при
загрязнении почвы Cd и Со
Накопление 137Cs и макроэлементов растениями ячменя 91
Вынос ,37Cs и макроэлементов растениями ячменя 92
Модификация поступления Cs в растепия ярового ячменя при
использовании биологически активных веществ для предпосевной
обработки семян 94
Влияние биологически активных веществ на динамику накопления
137Cs и макроэлементов ячменем 94
Влияние биологически активных веществ на вынос 7Cs и
макроэлементов растениями ячменя 101
Модификация поступления Cd и Со в растения ярового ячменя
при предпосевной обработке семян биологически активными
веществами 104
Влияние биологически активных веществ на динамику накопления Cd
и Со ячменем 104
Влияние биологически активных веществ на вынос Cd и Со
растениями ячменя 105
Заключение 108
Выводы 112
Список литературы 114
Приложение 139
Введение
В современном мире техногенное загрязнение стало одним из наиболее значимых экологических факторов, определяющих новые условия существования и эволюции всей биоты, включая человека. Процессы естественного развития экосистем и изменения в их функционировании под влиянием техногенного пресса, во многом определяются не только силой воздействия или временными характеристиками, но и, в нервую очередь, природой действующих факторов. Особую опасность для биоты представляют антропогенные стрессоры, так как по величине, продолжительности и интенсивности воздействия они существенно отличаются от ранее существовавших в природе факторов, к которым биологические системы сумели адаптироваться.
С началом развития атомной энергетики и массовых испытаний ядерного оружия в атмосфере (50-60 гг. XX в.) актуальной стала проблема радиоактивного загрязнения природной среды. Важным техногенным источником радионуклидов являются
ПреДПрИЯТИЯ ПОЛНОГО ЯДерНОГО ТОПЛИВНОГО ЦИКЛа. Загрязнение СеЛЬСКОХОЗЯЙСТВеїП 1ЫХ
угодий радиоактивными веществами связано с крупными радиационными авариями на химкомбинате "Маяк" (Южный Урал) в 1957 г, и на Чернобыльской АЭС в 1986 г.
Площадь территории Восточно-Уральского радиоактивного следа, временно выведенная из землепользования, составила 95 тыс. га. Радиоактивное загрязнение в результате аварии па Чернобыльской АЭС затронуло 21 субъект Российской Федерации. Общая площадь загрязненных сельскохозяйственных угодий с плотностью загрязнения Cs выше 37 Бк/м оставляет более 15 млн. га. Наиболее высокие уровни загрязнения зарегистрированы в Брянской, Калужской, Тульской и Орловской областях.
Практически во всех промышлепно развитых районах отмечается загрязнение почв тяжелыми металлами (ТМ). Наиболее высокие уровни загрязнения характерны для территорий, прилегающих к крупным промышленным агломерациям с приоритетом металлургического производства, химической промышленности и машиностроения. По данным экологического мониторинга, техногенное загрязнение сельскохозяйственных угодий ТМ продолжает нарастать (Загрязнение почв.., 1978). Ареалы распространения техногенных выбросов вокруг промышленных комплексов охватывают 18 млн. га, что составляет около 1% территории Российской Федерации. Площадь загрязнения ТМ сельскохозяйственных угодий составляет 3,6 млн. га, из них более 1 млн. га почв сельскохозяйственного пользования загрязнены особо токсичными элементами (I класс опасности) и около 2,3 млн. га - токсичными (II класс опасности). Площадь почв
сельскохозяйственных угодий, загрязненных Cd выше ПДК, составляет 27,7; Со - 94,3 тыс. га (Тяжелые металлы.., 1997).
По данным агрохимической службы, воздействие на АПК тяжелых металлов носит ярко выраженный региональный характер. К числу приоритетных загрязнителей сельскохозяйственных угодий, опасных как для высших растений, так и для микроорганизмов, следует отнести Hg, Си, Ni, Pb, Со, Cd, Sn, Cr, Mn, Zn. Агроэкологические обследования показывают, что площади загрязнения почв Российской Федерации различными элементами выше ПДК располагаются в следующем убывающем порядке (% от обследованных почв пашни): Си(3,8) > Ni{2,8) > Со(1,9) > РЬ(1,7) > Cd(0,6) > Cr(0,6) > F(0,3) > 2n(0,2) > As(0,05) (Минеев, Болышева, 2002). Со и Cd по классификации Хейга, относятся к очень токсичным и относительно доступным для растений. (Альберт, 1971).
Прогнозирование радиационной и химико-токсикологической обстановки в сельском хозяйстве, а также разработка комплекса мероприятий по ее улучшению, базируется на знании особенностей миграции радионуклидов и химических токсикантов в агроландшафтах и оценке значимости абиотических и биотических факторов, влияющих на поведение загрязняющих веществ. Наиболее разработанными и апробированными являются приемы ведения сельского хозяйства на радиоактивно загрязненных территориях. Что касается ТМ, то для ряда элементов и их сочетаний (учитывая полиэлементный состав ТМ в почве) требуется дополнительное изучение их поведения в цепи почва-растение, что лежит в основе разработки мероприятий по снижению фитотоксических эффектов и накопления ТМ в сельскохозяйственной продукции,
Существующие технологии возделывания сельскохозяйственных культур на техногенно загрязненных территориях ориентированы, прежде всего, на предотвращение или, по меньшей мере, снижение поступления загрязняющих веществ в производимую продукцию (Загрязнение почв..., 1978). Необходимым технологическим звеном в растениеводстве является использование средств химизации в интегрированной системе защиты растений от вредных организмов, а также повышения адаптогеиных свойств растений. Увеличение продуктивности растениеводства при улучшении качества продукции возможно за счет применения физиологически или биологически активных веществ (ФАВ, БАВ), влияющих на рост, развитие растений и их устойчивость к биотическим и абиотическим факторам внешней среды (Шевелуха, 1992). В настоящее время рекомендовано к применению большое число препаратов, оказывающих воздействие на физиолого-биохимические реакции в растениях, усвоение питательных элементов и их метаболизм, изменяющих интенсивность ростовых процессов, темп и
характер развития, что в конечном итоге отражается на продуктивности сельскохозяйственных культур (Справочник пестицидов и агрохимикатов, 2003). Их действие носит специфический характер, конкретное проявление которого зависит не только от химической природы соединения, но и от биологических особенностей и условий выращивания растений.
Достижение потенциальной эффективности элементов технологий возделывания сельскохозяйственных культур, способствующих снижению фитотоксичности загрязняющих веществ и ограничению их накопления в урожае, невозможно без знания механизмов и процессов, лежащих в основе их действия.
Цель и задачи исследования
Целью диссертационной работы является изучение динамики накопления Cs растениями ярового ячменя при выращивании на почве, содержащей повышенные концентрации тяжелых металлов, а также оценка модифицирующих эффектов применения биологически активных веществ на формирование и качество урожая.
Для реализации поставленной цели было необходимо:
- изучить закономерности накопления ' 7Cs и его химического аналога К
растениями ячменя в онтогенезе (30- и 60- суточные растения, солома, зерно);
изучить влияние повышенных концентраций Cd и Со (50 и 100 мг/кг почвы) в дерново-подзолистой почве на рост, развитие и продуктивность ярового ячменя;
выявить закономерности накопления Cd и Со растениями ячменя на ранних стадиях развития и в урожае при раздельном и совместном поступлении металлов в почву в токсичных концентрациях;
выявить изменения параметров накопления l37Cs и К растениями ячменя при выращивании на почве, загрязненной Cd и Со;
определить вынос Cs, К, Cd и Со растениями ячменя при различных условиях выращивания;
- выявить модифицирующие эффекты применения биологически активных
веществ, относящихся к различным химическим классам, па транспорт ,37Cs и К, а также
Cd и Со из почвы в растения ячменя;
- оценить влияние биологически активных веществ на вынос l37Cs, Cd, Со и
макроэлементов (К, Са и Mg) растениями ярового ячменя.
Научная новизна работы:
впервые п рамках комплексных экспериментов щучена динамика накопления l37Cs из дерново-подзолистой почвы растениями ярового ячменя сорта Эльф в онтогенезе;
впервые определено влияние условий выращивания ячменя (загрязнение почвы Cd и/или Со) на величину и динамику накопления l37Cs и макроэлементов (К, Са и Mg) растениями в онтогенезе;
впервые изучена динамика накопления ,37Cs, Cd и Со растениями ячменя при использовании в технологии возделывания культуры биологически активных веществ, относящихся к различным химическим классам;
впервые дана оценка выноса 137Cs, Cd, Со и макроэлементов (К, Са и Mg) растениями ярового ячменя в онтогенезе.
Практическая значимость работы
Применение биологически активных веществ Циркон и Эпин при выращивании ячменя в условиях радиоактивного и химического загрязнения почвы целесообразно для повышения продуктивности культуры и снижения поступления радионуклида и тяжелых металлов в урожай. Использование физиологически активных веществ приводит к изменению содержания 137Cs, Cd и Со в различных частях растений, что необходимо учитывать при оценке выноса радионуклида и тяжелых металлов с урожаем.
Предложения по использованию биологически активных веществ Циркон и Эпин в технологиях возделывания сельскохозяйственных культур включены в «Методические указания по получению экологически чистой сельскохозяйственной продукции на техногенно загрязненных территориях. Обнинск, 2005».
Положения, выносимые на защиту
1. Выращивание ярового ячменя на дерново-подзолистой почве, загрязненной
Cs (50 кБк/кг почвы), Cd и Со (50 и 100 мг/кг почвы), приводит к изменению
продуктивности культуры и накопления ,37Cs в растениях в онтогенезе.
Загрязнение почвы тяжелыми металлами в концентрациях, превышающих порог их фитотоксичности, вызывает снижение поглощения l37Cs растениями.
Использование биологически активных веществ, относящихся к различным химическим классам, способно, в зависимости от условий выращивания ярового ячменя, как увеличивать, так и снижать накопление l37Cs, Cd и Со в растениях.
Вынос Cs, К, Cd, Со растениями ярового ячменя является интегральным результатом неодинакового действия биологически активных веществ на процессы,
регулирующие формирование продуктивности ячменя и транспорт радионуклида и металлов из почвы в растения.
Публикации и апробация работы
Основные результаты диссертационной работы представлены на III Съезде по радиационным исследованиям «Радиобиология, радиоэкология», Киев, 2003; международной научно-практической конференции «Экологические проблемы сельскохозяйственного производства», Воронеж, 2004; 6-й международной научной конференции «Экология человека и природа», Москва-Плес, 2004; 3-еЙ международной научно-практической конференции «Тяжелые металлы, радионуклиды и элементы -биофилы в окружающей среде», Семипалатинск, 2004; 2-ой международной геоэкологической конференции «Геоэкологические проблемы загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами», Тула, 2004; международной научно-практической конференции, посвященной 30-летию со дня основания Смоленского сельскохозяйственного института «Наука - сельскохозяйственному производству и образованию», Смоленск, 2004; V Съезде по радиационным исследованиям «Радиобиология, радиоэкология, радиационная безопасность», Москва, 2006, 4-ой международной научно-практической конференции «Тяжелые металлы и радионуклиды в окружающей среде», Семипалатинск, 2006.
Предложения по использованию биологически активных веществ Циркон и Эпин включены в «Методические указания по получению экологически чистой сельскохозяйственной продукции на техногенно загрязненных территориях. Обнинск, 2005».
По материалам диссертации опубликовано 25 работ.
Структура и объем диссертации
Диссертационная работа выполнена в рамках ряда тем и заданий в соответствии с планом фундаментальных и прикладных исследований по Программе РАСХН.
Диссертация состоит из введения, обзора литературы и 8 глав, в которых описаны материалы и методы исследований, приведены результаты собственных исследований и их обсуждение. Кроме того, в диссертации представлены: заключение, выводы, список цитируемой литературы и приложение.
Диссертация изложена на 155 страницах машинописного текста, содержит 18 рисунков, 12 таблиц и 22 таблицы в Приложении. В списке цитируемой литературы 335 источников, в том числе 97 иностранных авторов.
