Влияние биоугля и растительных остатков на доступность азота растениям ячменя при избытке кадмия в почве
|
Введение 3
1. Обзор литературы 4
1.1 Экотоксикологическая характеристика кадмия в агроэкосистемах 4
1.1.1 Содержание кадмия в литосфере, гидросфере, атмосфере и почвах 4
1.1.2 ПДК кадмия в почвах 5
1.1.3 Распределение и миграция кадмия по профилю почвы 6
1.1.4 Антропогенные пути попадания кадмия в почву и в растения 7
1.2 Влияние биоугля и растительных остатков на содержание минеральных форм азота
в почве 8
1.2.1 Влияние бобово-злаковых растительных остатков на содержание аммония и
нитрата в почве 8
1.2.2 Древесный биоуголь. Состав, свойства, влияние на процессы аммонификации и
нитрификации 10
1.2.3 Влияние биоугля и бобово-злаковых растительных остатков на биологическую
активность почв 13
1.3 Действие кадмия на биохимические процессы в растениях 15
1.3.1 Накопление кадмия в растениях в зависимости от сорта, вида, семейства и
концентраций элемента 15
1.3.2 Поступление и локализация кадмия в растениях 15
1.3.3 Влияние кадмия на рост и развитие растений. Внешние признаки токсикоза
растений при высокой концентрации кадмия 16
1.3.4 Изменение биохимических процессов в растении под воздействием кадмия .... 16
1.3.5 Накопление кадмия растениями. Фоновые уровни и ПДК кадмия для растений 18
1.4 Механизмы устойчивости растений к кадмию 18
1.5 Влияние кадмия на минерализационные процессы в почвах 19
1.5.1 Влияние кадмия на интенсивность процессов аммонификации и нитрификации
и поступление азота в растения 19
1.5.2 Влияние кадмия на биологическую активность почв 21
1.6 Теоретические основы снижения ингибирующего действия кадмия при применении биоугля и растительных остатков 22
2. Материалы и методы исследования 23
2.1 Материалы исследования 23
2.2 Методы исследования 26
2.3 Постановка и проведение лабораторного опыта 27
3. Результаты и обсуждения 27
3.1 Влияние биоугля и растительных остатков на накопление аммония и нитрата в
почве, загрязненной кадмием 27
3.2 Влияние биоугля и растительных остатков на длину проростков, биомассу и вынос
азота растениями ячменя 33
3.3 Влияние биоугля и растительных остатков на концентрацию кадмия в растениях
ячменя и транслокацию кадмия в растения из почвы 42
Заключение 45
Выводы 47
Рекомендации 48
Публикации по теме ВКР 49
Список использованной литературы: 50
1. Обзор литературы 4
1.1 Экотоксикологическая характеристика кадмия в агроэкосистемах 4
1.1.1 Содержание кадмия в литосфере, гидросфере, атмосфере и почвах 4
1.1.2 ПДК кадмия в почвах 5
1.1.3 Распределение и миграция кадмия по профилю почвы 6
1.1.4 Антропогенные пути попадания кадмия в почву и в растения 7
1.2 Влияние биоугля и растительных остатков на содержание минеральных форм азота
в почве 8
1.2.1 Влияние бобово-злаковых растительных остатков на содержание аммония и
нитрата в почве 8
1.2.2 Древесный биоуголь. Состав, свойства, влияние на процессы аммонификации и
нитрификации 10
1.2.3 Влияние биоугля и бобово-злаковых растительных остатков на биологическую
активность почв 13
1.3 Действие кадмия на биохимические процессы в растениях 15
1.3.1 Накопление кадмия в растениях в зависимости от сорта, вида, семейства и
концентраций элемента 15
1.3.2 Поступление и локализация кадмия в растениях 15
1.3.3 Влияние кадмия на рост и развитие растений. Внешние признаки токсикоза
растений при высокой концентрации кадмия 16
1.3.4 Изменение биохимических процессов в растении под воздействием кадмия .... 16
1.3.5 Накопление кадмия растениями. Фоновые уровни и ПДК кадмия для растений 18
1.4 Механизмы устойчивости растений к кадмию 18
1.5 Влияние кадмия на минерализационные процессы в почвах 19
1.5.1 Влияние кадмия на интенсивность процессов аммонификации и нитрификации
и поступление азота в растения 19
1.5.2 Влияние кадмия на биологическую активность почв 21
1.6 Теоретические основы снижения ингибирующего действия кадмия при применении биоугля и растительных остатков 22
2. Материалы и методы исследования 23
2.1 Материалы исследования 23
2.2 Методы исследования 26
2.3 Постановка и проведение лабораторного опыта 27
3. Результаты и обсуждения 27
3.1 Влияние биоугля и растительных остатков на накопление аммония и нитрата в
почве, загрязненной кадмием 27
3.2 Влияние биоугля и растительных остатков на длину проростков, биомассу и вынос
азота растениями ячменя 33
3.3 Влияние биоугля и растительных остатков на концентрацию кадмия в растениях
ячменя и транслокацию кадмия в растения из почвы 42
Заключение 45
Выводы 47
Рекомендации 48
Публикации по теме ВКР 49
Список использованной литературы: 50
Кадмий (Cd (II)) признан одним из самых токсичных тяжелых металлов в окружающей среде, поскольку он обладает высокой мобильностью и является токсичным для организмов даже при низких концентрациях (Masood et al., 2012; Mwamba et al., 2016; Hu et al., 2017, Chen, Q. et al., 2018).
Концентрация кадмия возрастает в каждом последующем звене пищевой цепи, что делает его особенно опасным для высших организмов. Кадмий оказывает неблагоприятное влияние на широкий спектр биологических процессов у человека (Cuypers et al., 2010; Hu et al., 2016). Его хроническое воздействие приводит к отложению в почках, почечной недостаточности, болезням легких и вызывает хрупкость костей (Bernard, 2008; R. Khanam et al., 2020). Ярким примером является болезнь «Итай-Итай» в Японии, вызванная чрезмерным потреблением Cd через загрязненные пищевые продукты (Huang et al., 2009).
Загрязнение кадмием окружающей среды и непосредственно почвы происходит за счёт отходов горнодобывающей промышленности и металлургии, отопительных систем, мусоросжигательных заводов, выхлопных газов автомобилей, цементных заводов и при внесении загрязненных фосфатных удобрений (Gallego et al., 2012).
Особый интерес представляет собой аккумуляция кадмия в почве, поскольку на почве замыкаются процессы обмена веществ между земной корой, гидросферой, атмосферой и биосферой, в которой важное место отводят почвенным микроорганизмам (Добровольский и др., 1985). Ключевое положение, занимаемое почвой в наземных экосистемах, делает необходимыми разработку и внедрение в производство приёмов по уменьшению токсичного действия кадмия на растения.
Как известно, действие любого токсичного фактора на растение проявляется, прежде всего, в нарушении азотного питания и, соответственно, снижении продуктивности культур. Одним из способов, стимулирующих азотное питание растений, является внесение в почву растительных остатков бобовых и злаковых культур. Их минерализация приводит к увеличению в почве аммония и нитрата, что улучшает питание растений азотом. Кроме того, резко возрастает биомасса микроорганизмов, способных осмотрофно поглощать кадмий и выводить его из зоны действия корневых систем. Биоуголь, являясь сильным адсорбентом, может снизить отрицательное действие кадмия на питание растений азотом.
В связи с этим цель работы состояла в выяснении влияния биоугля и растительных остатков на доступность азота растениям ячменя при избытке кадмия в почве.
Задачи исследования:
1. Определить влияние биоугля и растительных остатков на содержание аммония и нитрата в почве в условиях стресса, вызванного кадмием.
2. Установить влияние биоугля и растительных остатков на формирование биомассы ячменя при загрязнении почвы кадмием.
3. Определить влияние биоугля и растительных остатков на усвоение азота растениями ячменя на почве, загрязненной кадмием.
4. Установить влияние биоугля и растительных остатков на концентрацию и вынос кадмия растениями ячменя.
Концентрация кадмия возрастает в каждом последующем звене пищевой цепи, что делает его особенно опасным для высших организмов. Кадмий оказывает неблагоприятное влияние на широкий спектр биологических процессов у человека (Cuypers et al., 2010; Hu et al., 2016). Его хроническое воздействие приводит к отложению в почках, почечной недостаточности, болезням легких и вызывает хрупкость костей (Bernard, 2008; R. Khanam et al., 2020). Ярким примером является болезнь «Итай-Итай» в Японии, вызванная чрезмерным потреблением Cd через загрязненные пищевые продукты (Huang et al., 2009).
Загрязнение кадмием окружающей среды и непосредственно почвы происходит за счёт отходов горнодобывающей промышленности и металлургии, отопительных систем, мусоросжигательных заводов, выхлопных газов автомобилей, цементных заводов и при внесении загрязненных фосфатных удобрений (Gallego et al., 2012).
Особый интерес представляет собой аккумуляция кадмия в почве, поскольку на почве замыкаются процессы обмена веществ между земной корой, гидросферой, атмосферой и биосферой, в которой важное место отводят почвенным микроорганизмам (Добровольский и др., 1985). Ключевое положение, занимаемое почвой в наземных экосистемах, делает необходимыми разработку и внедрение в производство приёмов по уменьшению токсичного действия кадмия на растения.
Как известно, действие любого токсичного фактора на растение проявляется, прежде всего, в нарушении азотного питания и, соответственно, снижении продуктивности культур. Одним из способов, стимулирующих азотное питание растений, является внесение в почву растительных остатков бобовых и злаковых культур. Их минерализация приводит к увеличению в почве аммония и нитрата, что улучшает питание растений азотом. Кроме того, резко возрастает биомасса микроорганизмов, способных осмотрофно поглощать кадмий и выводить его из зоны действия корневых систем. Биоуголь, являясь сильным адсорбентом, может снизить отрицательное действие кадмия на питание растений азотом.
В связи с этим цель работы состояла в выяснении влияния биоугля и растительных остатков на доступность азота растениям ячменя при избытке кадмия в почве.
Задачи исследования:
1. Определить влияние биоугля и растительных остатков на содержание аммония и нитрата в почве в условиях стресса, вызванного кадмием.
2. Установить влияние биоугля и растительных остатков на формирование биомассы ячменя при загрязнении почвы кадмием.
3. Определить влияние биоугля и растительных остатков на усвоение азота растениями ячменя на почве, загрязненной кадмием.
4. Установить влияние биоугля и растительных остатков на концентрацию и вынос кадмия растениями ячменя.
В последние годы агроценозы испытывают тяжелейшие нагрузки, связанные с загрязнением почвы тяжелыми металлами. Наиболее токсичным из них является кадмий. В связи с этим, наиболее острым вопросом агроэкологического мониторинга является проблема снижения уровня загрязнения почв кадмием.
К одному из приемов детоксикации можно отнести внесение в почву биологических препаратов. Биопрепараты снижают токсичное действие кадмия, переводя его в сложно-доступные комплексные соединения - лиганды, тем самым блокируя пути проникновения кадмия в корневую систему растений.
Использование таких биопрепаратов как биоуголь, обладающий способностью сорбировать кадмий и растительных бобово-злаковых остатков, при минерализации которых образуется целый ряд промежуточных органических соединений способных хелатировать кадмий, позволило целиком снять токсичное действие высокой дозы кадмия (50 мг/кг) на минерализационные процессы, усвоение азота растениями, формирование их биомассы.
Результаты, полученные в данном эксперименте, позволяют сделать вывод, что наибольший вклад в снижение токсичного действия кадмия, как на процессы минерализации азотсодержащих органических соединений, так и на формирование биомассы растений, вынос азота и поступления кадмия в растения ячменя, вносит совместное применение биоугля и растительных остатков.
Внесение совместно биоугля и растительных остатков оказывает наибольший положительный эффект по сравнению с другими вариантами по ряду причин.
Во-первых, растительные остатки являются основным энергетическим субстратом для почвенных микроорганизмов, за счёт чего при внесении растительных остатков в почву может происходить увеличение микробной биомассы, и, как следствие, увеличение осмотрофного поглощения кадмия микроорганизмами и его вывод из биологического круговорота. Поэтому увеличение численности микроорганизмов обеспечивает более интенсивное осуществление процессов аммонификации и нитрификации, что в свою очередь стимулирует рост биомассы, устойчивость растений к кадмию и усвоение азота растениями. При минерализации растительных остатков образуется целый ряд органических соединений, таких как аминокислоты, простые и сложные сахара, фенолы, органические кислоты, которые способны хелатировать кадмий и тем самым уменьшать его доступность растениям и микропедобионтам.
Во-вторых, биоуголь обладает сильными сорбционными свойствами, что позволяет снижать концентрацию кадмия в растениях и процент поступления кадмия из почвы.
Внесение только растительных остатков (без биоугля) оказывало более высокий эффект на процессы аммонификации и нитрификации по сравнению с биоуглем. Биоуголь содержит некоторое количество веществ, подавляющих жизнедеятельность почвенных микроорганизмов, таких как смолы, альдегиды, кетоны, фурфурол, сложные эфиры. Поэтому действие одного лишь биоугля проявилось только в качестве сорбента, но этого оказалось недостаточно для полной детоксикации загрязненной кадмием почвы. Именно совместное внесение растительных остатков и биоугля способно нивелировать недостаточное влияние каждого компонента на те, или иные процессы и обеспечить наиболее положительный результат на снижение токсичного действия кадмия.
Таким образом, совместное применение биоуголя и растительных остатков обеспечивает самый благоприятный результат - получение наибольшей биомассы растений с наименьшей концентрацией кадмия. Как альтернативный вариант, возможно использование биоуголя с целью снижения поступления кадмия в растения, а растительные остатки - с целью увеличения выноса кадмия растительной биомассой для улучшения фиторемедиации почв, загрязнённых кадмием.
К одному из приемов детоксикации можно отнести внесение в почву биологических препаратов. Биопрепараты снижают токсичное действие кадмия, переводя его в сложно-доступные комплексные соединения - лиганды, тем самым блокируя пути проникновения кадмия в корневую систему растений.
Использование таких биопрепаратов как биоуголь, обладающий способностью сорбировать кадмий и растительных бобово-злаковых остатков, при минерализации которых образуется целый ряд промежуточных органических соединений способных хелатировать кадмий, позволило целиком снять токсичное действие высокой дозы кадмия (50 мг/кг) на минерализационные процессы, усвоение азота растениями, формирование их биомассы.
Результаты, полученные в данном эксперименте, позволяют сделать вывод, что наибольший вклад в снижение токсичного действия кадмия, как на процессы минерализации азотсодержащих органических соединений, так и на формирование биомассы растений, вынос азота и поступления кадмия в растения ячменя, вносит совместное применение биоугля и растительных остатков.
Внесение совместно биоугля и растительных остатков оказывает наибольший положительный эффект по сравнению с другими вариантами по ряду причин.
Во-первых, растительные остатки являются основным энергетическим субстратом для почвенных микроорганизмов, за счёт чего при внесении растительных остатков в почву может происходить увеличение микробной биомассы, и, как следствие, увеличение осмотрофного поглощения кадмия микроорганизмами и его вывод из биологического круговорота. Поэтому увеличение численности микроорганизмов обеспечивает более интенсивное осуществление процессов аммонификации и нитрификации, что в свою очередь стимулирует рост биомассы, устойчивость растений к кадмию и усвоение азота растениями. При минерализации растительных остатков образуется целый ряд органических соединений, таких как аминокислоты, простые и сложные сахара, фенолы, органические кислоты, которые способны хелатировать кадмий и тем самым уменьшать его доступность растениям и микропедобионтам.
Во-вторых, биоуголь обладает сильными сорбционными свойствами, что позволяет снижать концентрацию кадмия в растениях и процент поступления кадмия из почвы.
Внесение только растительных остатков (без биоугля) оказывало более высокий эффект на процессы аммонификации и нитрификации по сравнению с биоуглем. Биоуголь содержит некоторое количество веществ, подавляющих жизнедеятельность почвенных микроорганизмов, таких как смолы, альдегиды, кетоны, фурфурол, сложные эфиры. Поэтому действие одного лишь биоугля проявилось только в качестве сорбента, но этого оказалось недостаточно для полной детоксикации загрязненной кадмием почвы. Именно совместное внесение растительных остатков и биоугля способно нивелировать недостаточное влияние каждого компонента на те, или иные процессы и обеспечить наиболее положительный результат на снижение токсичного действия кадмия.
Таким образом, совместное применение биоуголя и растительных остатков обеспечивает самый благоприятный результат - получение наибольшей биомассы растений с наименьшей концентрацией кадмия. Как альтернативный вариант, возможно использование биоуголя с целью снижения поступления кадмия в растения, а растительные остатки - с целью увеличения выноса кадмия растительной биомассой для улучшения фиторемедиации почв, загрязнённых кадмием.