Способ снижения аккумуляции тяжелых металлов яровой пшеницей в условиях техногенно загрязненного агроценоза

Изобретение относится к биотехнологии. Способ предусматривает предпосевную обработку семян 10%-ным раствором биогумуса Agroverm “РОСТ” в эмульсии электрохимически стабилизированного католита. Изобретение позволяет снизить поглощение и аккумуляцию меди, цинка, свинца, кадмия и никеля надземными органами пшеницы в течение всего вегетационного периода. 3 табл.

 

Изобретение относится к сельскому хозяйству и, в частности, к растениеводству.

Способ предполагает предпосевную обработку семян раствором биогумуса в эмульсии электрохимически стабилизированного католита, которая снижает аккумуляцию меди, цинка, свинца, кадмия и никеля надземными органами яровой пшеницы в условиях загрязнения почв пашни металлами. Предложенный способ позволяет сохранить урожайность культуры и повысить экологическую безопасность продукции растениеводства.

Загрязнение агроландшафтов тяжелыми металлами является серьезной экологической проблемой, охватывающей аграрные регионы России [1, 2]. Исследования ряда авторов продемонстрировали интенсивное поглощение культурными растениями тяжелых металлов в районах с повышенной техногенной нагрузкой [3, 4, 5]. Для снижения аккумуляции культурными растениями тяжелых металлов предложен ряд приемов, например, использование мелиорантов: известкование, внесение удобрений и агрохимикатов [6, 7]. Так исследования Пугаева С.В. показали, что внесение высоких доз удобрений снижало содержание ТМ в клубнях картофеля (за исключением Cr) и поглощение Pb и Fe зерном проса [8]. Внесение цеолита - клиноптилолита в почву в дозе 15 т/га приводит к увеличению емкости поглощения на 15-25%, и снижению аккумуляции растениями тяжелых металлов, а последействие его использования прослеживается в течение 5-7 лет [9]. К важнейшим методам детоксикации ТМ является известкование и внесение в почву органических удобрений, карбонат кальция снижает подвижность элементов и стабилизирует рН почвенного раствора. А органические удобрения закрепляют элементы в составе органоминеральных комплексов, снижают их доступность для растений [10]. Использование извести и навоза позволяет снизить интенсивность поглощения меди, свинца, кадмия в овсе, картофеле, моркови и столовой свекле в 2-8 раз [11]. Известно, что препараты на основе гуминовых веществ в условиях загрязнения почв кадмием и свинцом демонстрируют способность снижать их подвижность и фитотоксический эффект в целом [12]. А протекторная функция гумусовых веществ по отношению к растениям в условиях различных видов антропогенного воздействия изучена в трудах Орлова Д.С., Куликовой Н.А., Дину М.И., Семенова А.А. и многими другими [13, 14, 15, 16].

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ повышения экологической безопасности семенного урожая в техногенно загрязненных агроценозах (RU 2463758), суть которого заключается в предпосевной обработке семян кукурузы водной суспензией ультрадисперсного порошка железа [17]. Отсутствие официального поставщика и метода получения порошка наножелеза ограничивает массовое внедрение способа в практику растениеводства, а использование наноформы железа в условиях загрязнения почв этим элементом может служить дополнительным фактором ухудшения экологического состояния почвенного покрова.

Задачей предлагаемого технического решения является разработка способа снижения аккумуляции тяжелых металлов надземными органами растения пшеницы (Triticum aestivum L.), как культуры, имеющей первостепенное продовольственное значение, но культивируемой в условиях сильного техногенного воздействия.

Данное изобретение направлено на повышение экологической безопасности продукции растениеводства при сохранении урожайности. Увеличение перечня способов снижения аккумуляции тяжелых металлов в надземных органах культурных растений позволит производителям продовольственного сырья и продуктов питания создать условия для организации технологических процессов и производств, отвечающих установленным экологическим требованиям.

Способ разрабатывался на базе Федерального научного центра биологических систем и агротехнологий Российской Академии Наук, Оренбург. При проведении эксперимента использовали наночастицы оксида кремния, железа и препарат биогумуса. Наночастицы оксида кремния (SiO₂) произведены компанией ООО «PLASMOTHERM» (Россия, Москва, улица Тарутинская, д. 1) и характеризуются размером 25-30 нм. Наночастицы железа (Fe) произведены компанией «ADVANSED POWDER TECHNOLOGIES LLC» (Россия, Томск, улица Академическая, д. 8/2), размером 90-110 нм. Для приготовления растворов брали точные навески наночастиц, помещали их в стеклянные колбы с водопроводной водой и интенсивно диспергировали ультразвуком с частотой 35 кГц в течение 15 мин. Предварительные лабораторные исследования показали, что наибольшей биологической активностью и способностью повышать посевные качества семян обладают растворы оксида кремния и железа в концентрации 10^-4 мг/л [18]. Для приготовления раствора биогумуса использовали препарат Agroverm «РОСТ», производства ООО «БиоЭра Групп» (https://begagro.com), разведение препарата проводили в соответствии с инструкцией (10% раствор).

Приготовление суспензий наночастиц и биогумуса осуществляли в двух вариантах: в водопроводной воде и в эмульсии электрохимически активированного католита (ЭХА). Водный раствор ЭХА католита характеризуется редокс-потенциалом Eh=-400…-450 мВ, водородным показателем рН 8,2-9,2 и стабилизирован аминокислотой, выбранной из группы, включающей глицин, в количестве не менее 0,01 мас. %. Проведенный анализ результатов научных исследований и ранее проведенные исследования [19, 20, 21] позволили сделать вывод о благоприятном воздействии «электрохимической активации» на структурные компоненты семян растений и изменении их биоэлектрического потенциала.

Для решения задачи снижения интенсивности поглощения и аккумуляции растениями тяжелых металлов нами было совмещено влияние гуминовых веществ и ЭХА католита.

Анализ научных источников не выявил применения препаратов гуминовых кислот с католитом, как способа снижения аккумуляции растениями тяжелых металлов. Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует патентоспособности «новизна».

Для проведения исследований использовали семена пшеницы сорта «Учитель», которые перед посевом опрыскивали различными вариантами рабочих растворов. Рабочие растворы готовили на основе ультрадисперсного порошка железа и оксида кремния, а также препарата Agroverm «РОСТ», в качестве растворителя использовали водопроводную воду и ЭХА католит.Расход препаратов для предпосевной обработки семян составил 1 л на 1 тонну. Контрольные семена не подвергали опрыскиванию суспензиями нанопорошков и биогумуса, а обрабатывали протравителем.

Полевой опыт был поставлен на территории Ботанического сада ФГБОУ ВО Оренбургский государственный университет, находящегося в зоне влияния промышленного предприятия машиностроительного комплекса ПО «Стрела». Почвенный покров территории представлен черноземом южным среднесуглинистого гранулометрического состава с содержанием гумуса 4,8%, плотностью 1,0-1,1 г/см при мощности пахотного слоя от 40 до 45 см, нейтральной реакцией почвенного раствора (рН 6,9-7,3), обеспеченность Р₂О₅ составляет 3,4 мг/100 г почвы, а K₂O - 1,43 мг/кг. На территории исследования выращивалась культура - яровая пшеница мягкая сорта «Учитель», предшественник черный пар. Полевой опыт осуществлялся по методике Доспехова Б.А [22] с общей площадью опытного участка 1 га. Перед посевом семена пшеницы обрабатывали предлагаемыми составами в течение 15 минут, высушивали и высевали в почву. Норма высева составила 80-100 тыс.семян на 1 га. Последующие наблюдения показали повышение полевой всхожести и выживаемости растений, обработанных предлагаемыми составами. После созревания и уборки урожая определяли концентрацию цинка, свинца, кадмия, меди и никеля в почве, зерне и соломе растений атомно-абсорбционным методом. Результаты исследований представлены в таблицах 1, 2 и 3.

Концентрация в почвах тяжелых металлов превышает ПДК подвижных и валовых форм элементов, что связано с многолетней производственной деятельностью предприятия. Величина урожая в вариантах опыта с обработкой семян и в контроле не различалась достоверно и варьировала в пределах 9,8-10,1 ц/га.

Во всех вариантах опыта использование рабочих растворов, приготовленных на основе воды, усиливало поглощение элементов, а использование ЭХА католита достоверно снижало аккумуляцию тяжелых металлов в массе соломы в вариантах обработки НЧ Fe (на 52,58%) и препаратом Agroverm «РОСТ» (на 25,58%). Максимальное снижение аккумуляцию меди, цинка, свинца, никеля и кадмия наблюдалось при использовании препарата Agroverm «РОСТ», приготовленного на ЭХА католите.

В зерновках пшеницы накапливается большее количество элементов по сравнению с соломой. Использование в предпосевной обработке различных составов снижало концентрацию тяжелых металлов в вариантах с использованием наночастиц железа, оксида кремния и препарата Agroverm «РОСТ». Приготовление рабочих растворов на основе ЭХА католита уменьшало интенсивность поглощения и аккумуляции элементов по сравнению с вариантами, приготовленными на основе водопроводной воды (с использованием НЧ Fe на 17,6%, НЧ SiO₂ - 6,5% и Agroverm «РОСТ» - 5,2%). Максимальное и достоверное снижение концентрации тяжелых металлов в зерне пшеницы отмечено в варианте опыта с использованием препарата Agroverm «РОСТ».

Таким образом, использование для предпосевной обработки семян яровой пшеницы раствора препарата Agroverm «РОСТ», приготовленного на основе ЭХА католита с рН 8,2-9,2 и стабилизированного аминокислотой, выбранной из группы, включающей глицин, в количестве не менее 0,01 мас. %, снижало аккумуляцию растениями цинка, меди, свинца, кадмия и никеля в условиях загрязнения почв агроценоза высокими концентрациями тяжелых металлов.

Источники информации

1. Борисочкина Т.И. Загрязнение агроландшафтов России тяжелыми металлами: источники, масштабы, прогнозы / Т.И. Борисочкина, Ю.Н. Водяницкий // Бюл. Почв, ин-та. - 2007. - №60.

2. Тяжелые металлы в агроландшафте / Ю.В. Алексеев. - Санкт-Петербург. Изд-во: Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова РАН, 2008. - 216 с.

3. Соколова О.Я. Тяжелые металлы в системе элемент - почва -зерновые культуры / О.Я. Соколова, А.В. Стряпков, С/В. Антимонов, С/Ю. Соловых // Вестник ОГУ. - 2006. - №4 (54). - С. 106-110.

4. Казнина Н.М. Физиолого-биохимические и молекулярно-генетические механизмы устойчивости растений семейства Роасеае к тяжелым металлам: диссертация … доктора биологических наук: 03.01.05 / Казнина Наталья Мстиславовна - Петрозаводск, Ботан. ин-т им. В.Л. Комарова РАН. - 2016. - 358 с.

5. Комплексный анализ аккумуляции тяжелых металлов растениями Т.В. Орлова, А.В. Питрюк // Электронный сетевой политематический журнал «Научные труды КубГТУ». 2017. - №7. - С. 94-99.

6. Троц Н.М. Транслокация тяжелых металлов в агроландшафтах Самарской области под влиянием природных и антропогенных факторов: автореферат дис. … доктора сельскохозяйственных наук: 06.01.04 / Троц Наталья Михайловна. - Усть-Кинельский, Сам. гос. с.-х. акад. - 2018. - 43 с.

7. Дабахов М.В. Агрохимические приемы снижения поступления тяжелых металлов в растения: диссертация... кандидата биологических наук: 06.01.04. - Москва, 1998. - 159 с.

8. Пугаев С.В. Содержание и транслокация поллютантов в компонентах антропогенно измененных биогеоценозов в условиях Республики Мордовия: диссертация … кандидата биологических наук: 03.02.08 / Пугаев Сергей Васильевич. - Саранск, Нижегор. гос. ун-т им. Н.И. Лобачевского 2013. - 194 с.

9. Дубовик В.А. Приемы и механизм снижения загрязнения почв / В.А. Дубовик // Садоводство и виноградарство. - 2011. - №6. - С. 11-12.

10. Дубовик В.А. Загрязнение почв тяжелыми металлами и радионуклидами: мониторинг и приемы снижения экотоксичности / B. А. Дубовик // Сельскохозяйственная биология. - 2011. - Т. 46. - №6. - C. 27-36.

11. Раскатов А.В. Агроэкологические аспекты транслокации тяжелых металлов в почве и растениях: На примере дерново-подзолистых почв Ивановской области: автореферат дис. … кандидата сельскохозяйственных наук: 06.01.15. - Москва, 2000. - 20 с.

12. Басов Ю.В. Способы снижения фитотоксичности соединений свинца и кадмия / Ю.В. Басов, К.Н. Козявина // Образование, наука и производство. - 2014. - №4 (9). - С. 17-20.

13. Орлов Д.С. Свойства и функции гуминовых веществ // Гуминовые вещества в биосфере. - М.: Наука, 1993. - С. 16-27.

14. Дину М.И. Формирование органических веществ гумусовой природы и их биосферные функции / М.И. Дину // Геохимия. - 2017. - №10. - С. 917-933.

15. Куликова Н.А. Защитное действие гуминовых веществ по отношению к растениям в водной и почвенной средах в условиях абиотических стрессов: автореферат дис. … доктора биологических наук: 03.00.16, 03.00.27. - Москва, Моск. гос. ун-т им. М.Б. Ломоносова. - 2008. - 48 с.

16. Семенов А.А. Влияние гуминовых кислот на устойчивость растений и микроорганизмов к воздействию тяжелых металлов: диссертация. … кандидата биологических наук: 03.00.27. - Москва, Моск. гос. ун-т им. М.В. Ломоносова 2009. - 132 с.

17. Патент на изобретение RU №2635103 Средство стимулирования роста сельскохозяйственных культур, преимущественно пшеницы / Л.В. Галактионова, С.В. Лебедев, И.А. Гавриш, Е.В. Сальникова, Е.А. Осипова, Е.А. Сизова: опубликовано 09.11.2017, Бюл. №31.

18. Патент на изобретение RU №2463758 Способ повышения экологической безопасности семенного урожая в техногенно загрязненных агроценозах / Е.К. Еськов, М.Д. Еськова, Г.И. Чурилов: опубликовано 20.10.2012, Бюл. №29.

19. Проблемы энерговоздействия на рост растений / Н.А. Артемьев. - М., изд-во ВАСХНИЛ. - 1936. - 40 с.

20. Применение электричества в сельском хозяйстве / Евреинов М.Г. ОГИ3-Сельхоз, 1948. - 456 с.

21. Кефели В.И. Рост растений и природные регуляторы. Физиология растений, т. 2, вып. 5, М., Наука, 1978.

22. Методика полевого опыта (с основами статистической обработки результатов исследований) / Б.А. Доспехов. - 5-е изд., доп. и перераб. - М.: Агропромиздат, 1985. - 351 с.

Способ снижения аккумуляции меди, цинка, свинца, кадмия и никеля надземными органами яровой пшеницы в условиях загрязнения почв пашни тяжелыми металлами, который предполагает предпосевную обработку семян 10% раствором биогумуса Agroverm “РОСТ” в эмульсии электрохимически стабилизированного католита.