1. Введение
Загрязнение окружающей среды промышленными стоками — одна из острейших экологических проблем нашего времени [1]. 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 [3].
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 [4] — 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.
Блок-схема контролируемых параметрах при использовании гидропоники
Несмотря на то, что на долю работ, использующих гидропонику для оценки толерантности растений к тяжёлым металлам, приходится около 1,5% от общего массива публикаций по гидропонным технологиям [5], этот подход обладает рядом неоспоримых преимуществ. Растения культивируют в растворе с точно заданными концентрациями металлов — цинка, меди, кадмия, никеля, хрома — и отслеживают накопление каждого из них. В отличие от почвенных экспериментов, здесь исключены гуминовые кислоты, органические примеси и другие переменные, способные исказить результаты, что хорошо видно при сравнении блок-схем на Рисунках 1 и 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 [6]; атомно-абсорбционной спектроскопии и масс-спектрометрии для определения содержания металлов в тканях растений; оценке изменений физиологических показателей при варьировании условий выращивания [7]; 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.
Этап проращивания и дезинфекции семян
Растения выращивали в гидропонной установке с системой периодического затопления — её схема приведена на Рисунке 4.
Схема гидропоники с периодическим затоплением
На базе РХТУ им. Д.И. Менделеева была оборудована специализированная гидропонная ферма. Исследовательская группа кафедры разработала и приготовила оригинальный питательный раствор с повышенным содержанием азота и расширенным набором микроэлементов в хелатной форме [9]. Хелатирование металлов принципиально важно: оно сводит к минимуму взаимодействие компонентов питательного раствора со свободными ионами тяжёлых металлов из поллютантов, сохраняя тем самым чистоту эксперимента.
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 [10]. Схема расположения контейнеров с указанием вариантов загрязнения приведена на Рисунке 5.
Схема контейнеров с указанием концентраций загрязнителей
Контейнер «Эталон» служил контролем — поллютанты в него не вносились. В сосуды «Hg-1» и «Hg-2» на 10-й день эксперимента ввели нитрат ртути Hg(NO₃)₂ в концентрациях 5 и 100 ПДК соответственно; на 20-й день дозу удвоили — до 10 и 200 ПДК. В варианты «Орг-1» и «Орг-2» добавляли WD-40 (0,5 и 2 мл/л → 1 и 4 мл/л), в «ПАВ-1» и «ПАВ-2» — лауретсульфат натрия в тех же градациях. На протяжении всего опыта еженедельно измеряли биомассу, оценивали внешние признаки стресса и фиксировали уровень накопления металлов; контейнеры с растениями показаны на Рисунке 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 [7]. 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.
График выносливости растений с различными уровнями загрязнения
Небольшие дозы ПАВ (до 1 мл/л) неожиданно оказали стимулирующий эффект: средняя зелёная масса растений выросла на 8%. Однако уже при концентрации свыше 0,5% тенденция изменилась на противоположную — ПАВ начали подавлять рост. При 4 мл/л угнетение стало выраженным у всех испытуемых видов. Ртуть действовала жёстче с самого начала: даже незначительные её концентрации замедляли рост на 12–18%. Среди всех видов наибольшую устойчивость показал дайкон — его биомасса сократилась лишь на 25%, тогда как базилик и клевер потеряли 30–40% биомассы уже после первого внесения поллютантов.
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%.
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.