Исследование экологического статуса систем «Почва-растение» степной зоны при антропогенном воздействии (стр. 1 )

На правах рукописи

ЕФРЕМОВ ИГОРЬ ВЛАДИМИРОВИЧ

Исследование экологического статуса

систем «почва-растение» степной зоны

при антропогенном воздействии

Специальности 03.02.08 – экология (биология)

03.01.02 – биофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора биологических наук

Тольятти – 2011

Работа выполнена на кафедре безопасности жизнедеятельности

Оренбургского государственного университета

Научный консультант:	доктор физико-математических наук, профессор
Официальные оппоненты:	доктор физико-математических наук, доктор биологических наук, профессор доктор физико-математических наук, профессор доктор биологических наук
Ведущая организация:	Институт степи Уральского Научного центра РАН (г. Оренбург)

Защита состоится 22 февраля 2011 года в 1000 часов на заседании диссертационного совета Д 002.251.01 при Институте экологии Волжского бассейна РАН Самарская обл., 0.

Тел.: (8482); ; E-mail: *****@***ru

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Института экологии Волжского бассейна РАН, с авторефератом – в сети Интернет на сайте ВАК по адресу: www. vak. *****.

Автореферат разослан «____» ____________________ 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

кандидат биологических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Развитие промышленности и сельского хозяйства приводит к увеличению антропогенной нагрузки на почвенно-растительные комплексы.

В частности, рост производства в тяжелом машиностроении и сельском хозяйстве способствует увеличению содержания тяжелых металлов и гербицидов в объектах природной среды. В связи с этим является актуальным развитие методов мониторинга состояния почвенно-растительных систем. Значительное место среди современных физических методов мониторинга занимают оптические методы, в том числе, методы регистрации замедленной флуоресценции (ЗФ) почв и растительности.

В настоящее время, благодаря работам российских и зарубежных исследователей процесс фотосинтеза изучен достаточно полно. Вместе с тем, представляет значительный интерес исследование влияния различных факторов окружающей среды на процессы фотосинтеза. Одним из методов позволяющих оценивать состояния фотосинтетического аппарата растений, является метод регистрации замедленной флуоресценции. Другим направлением является исследование кинетики флуоресценции почв при различных воздействиях (в том числе температурных). Рассматривая параметры кинетики замедленной флуоресценции как пространство состояний почвенно-растительных систем, можно оценивать и прогнозировать ранние изменения в почвенно-растительных системах при внешних воздействиях факторов окружающей среды.

Цель и задачи исследований. Целью настоящего исследования является разработка концептуальных основ применения параметров кинетики замедленной флуоресценции для мониторинга антропогенного изменения систем почва-растение степной зоны под действием факторов окружающей среды и моделирование экологического риска загрязнения биогеоценозов.

Для достижения поставленной цели предполагается решение следующих задач:

- анализ методов и средств мониторинга почвенно-растительных систем и контроля воздействия факторов окружающей среды (на примере действия гербицидов и тяжелых металлов);

- разработка методики и исследование кинетики замедленной флуоресценции растений степной зоны при действии фосфорорганических гербицидов и тяжелых металлов;

- разработка методики и исследование кинетики замедленной флуоресценции почв при различных температурах;

- исследование кинетики замедленной флуоресценции растений степной зоны в зависимости от физико-химических свойств почв;

- моделирование влияния физико-химических свойств почв на состояние фотосинтетического аппарата растений степной зоны с применением алгоритма самоорганизации;

- моделирование процессов миграции тяжелых металлов и оценка риска загрязнения систем почва-растение степной зоны;

- теоретическое обоснование интегрального показателя миграционной способности систем почва-растение степной зоны.

Объектом исследований являются системы почва-растение степной зоны Оренбургской области.

Предметом исследований являются физико-химические процессы в системе почва-растение при воздействии факторов окружающей среды.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- разработано устройство регистрации замедленной флуоресценции хлорофилла;

- предложены и экспериментально проверены методики экологической оценки влияния фосфорорганических гербицидов и тяжелых металлов на растения степной зоны, получены математические зависимости параметров кинетики замедленной флуоресценции от концентрации и продолжительности действия фосфорорганического гербицида и солей тяжелых металлов;

- разработана математическая модель влияния физико-химических свойств почв на параметры кинетики замедленной флуоресценции растений степной зоны и модель оценки риска загрязнения почвенно-растительных систем тяжелыми металлами, теоретически обоснован интегральный показатель, характеризующий загрязнение биогеоценозов.

- обнаружена замедленная флуоресценция почв, предложена и экспериментально проверена методика регистрации замедленной флуоресценции почв при различных температурах воздействия, получены математические зависимости параметров кинетики замедленной флуоресценции почв от температуры обработки, определена динамика физико-химических свойств почв при различных температурах.

Практическая значимость результатов. Применение устройства, разработанного для регистрации замедленной флуоресценции (патент RU № 000), позволяет развивать методологию ранней диагностики состояния фотосинтетического аппарата растений степной зоны в зависимости от факторов окружающей среды. Регистрация ЗФ почв позволяет оценить изменение физико-химических свойств почв при различных температурах.

Предложенная математическая модель позволяет оценивать изменение фотосинтетической активности растений в зависимости от физико-химических свойств почв. Моделирование процессов в системах почва-растение на основе детерминистско-вероятностного подхода позволяет оценить риск загрязнения почвенно-растительных систем тяжелыми металлами. Предложенный интегральный показатель позволяет оценивать миграционные свойства тяжелых металлов в системах почва-растение.

Разработаны принципы классификации (на основе кластерного анализа) видов и сортов растений по ответной реакции фотосинтетического аппарата на действие факторов окружающей среды (тяжелых металлов и гербицидов).

Связь темы диссертации с плановыми исследованиями. Исследования по данной тематике проводились в рамках госбюджетных работ по зарегистрированным направлениям ГР «Исследование влияния выбросов газоперерабатывающего завода на процессы клеточного метаболизма растений», ГР «Прогнозирование воздействия ЧС предприятий нефтегазового комплекса на почвенно-растительные системы».

Достоверность результатов основывается на выборе адекватных физических моделей кинетики замедленной флуоресценции, использовании известных и опробованных математических методах обработки данных. Достоверность экспериментальных данных подтверждается результатами, полученными другими авторами, для аналогичных объектов традиционными химическими и биологическими методами.

Реализация результатов исследований осуществляется путем использования разработанного устройства регистрации замедленной флуоресценции, методики экологической оценки влияния фосфорорганических гербицидов и тяжелых металлов на растительные организмы для получения информации о механизмах действия новых препаратов, внедряемых в практику сельского хозяйства, а также, для тестирования на сохранение действующего вещества при длительном хранении гербицидов Государственным центром агрохимической службы «Оренбургский».

Разработанные автором методики используются при оценке антропогенного воздействия окружающей среды на фотосинтетический аппарат растений, расчете риска загрязнения систем почва-растение тяжелыми металлами. Материалы работы доложены и обсуждены на расширенном заседании кафедр «Безопасности жизнедеятельности», «Экологии и природопользования», «Информационной биофизики» Оренбургского государственного университета.

Результаты используются также для оценочных расчетов возможной динамики фотосинтетического аппарата при изменении химических показателей почв. Также, результаты реализованы в методике оценки риска загрязнения почвенно-растительных систем тяжелыми металлами.

Результаты исследований используются в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Оренбургский государственный университет» при чтении лекций и проведении практических занятий для студентов специальности 280101.65 – «Безопасность жизнедеятельности в техносфере», а также дисциплины «Системы защиты среды обитания», «Физиология растений», «Мониторинг среды обитания» для студентов специальности «Экология».

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на III съезде биофизиков, г. Воронеж (2004г); Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы геологии, охраны окружающей среды и управление качеством экосистем», Оренбург (2006); международной научно-практической конференции «Биоэлементы»(2004); II-ой международной научно-практической конференции «Состояние биосферы и здоровье людей», Пенза (2002г); Российской научно-технической конференции «Обеспечение продовольственной и экологической безопасности человечества – важнейшая задача XXI века», Оренбург 2000 г. Результаты и методики представлялись на выставках и конкурсах: Экотехнология - 99, Экотехнология - 2007, выставках НТТМ-2003, 2004 гг. Материалы работ получили совместный грант РГНФ и администрации Оренбургской области в 2008 г.

Декларация личного участия автора. Выбор и обоснование научной тематики исследования, разработка экспериментальной установки, получение экспериментальных и теоретических результатов, их анализ и интерпретация, как и основные публикации, сделаны при решающем участии автора.

Публикации. По результатам исследований опубликовано более 80 работ: 11 статей в рецензируемых научных журналах по списку ВАК (3 статьи в печати), издана монография, получены пять патентов, в том числе 2 патента по теме диссертации, статьи в других журналах и сборниках – 10, в материалах конференций - 65.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, восьми глав, заключения, списка используемой литературы из 243 наименований. Общий объем диссертации составляет 341 страницу машинописного текста, 73 рисунка, 38 таблиц.

Основные положения, выносимые автором на защиту:

1. Методологический подход к оценке влияния факторов внешней среды, основанный на регистрации параметров кинетики замедленной флуоресценции почвенно-растительных систем, основанный на представлении кинетических кривых замедленной флуоресценции в виде суммы экспонент, характеризующихся своими параметрами: максимальным значением и постоянной данной компоненты;

2. Математическая модель расчета параметров кинетики замедленной флуоресценции растительных организмов (а, следовательно, и состояния фотосинтетического аппарата растений), учитывающая физико-химические показатели почв;

3. Математическая модель расчета риска загрязнения почвенно-растительных систем тяжелыми металлами, основанная на применении теории марковских цепей к почвенно-растительным процессам;

4. Интегральный показатель оценки миграционной способности тяжелых металлов в системах почва-растение.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассматривается актуальность темы диссертации, сформулированы цели, задачи, теоретическая и практическая значимость, научная новизна работы.

ГЛАВА 1. Анализ проблемы загрязнения окружающей среды гербицидами и тяжелыми металлами. В главе рассмотрена характеристика почвенно-растительных ландшафтов Оренбургской области, антропогенное загрязнение почвенно-растительных систем тяжелыми металлами и гербицидами. Проведен анализ существующих методов экологического мониторинга и аналитического контроля загрязнения гербицидами и тяжелыми металлами, предложена классификация методов мониторинга. Рассмотрены вопросы применения замедленной флуоресценции для исследования влияния факторов окружающей среды на почвенно-растительные системы.

Важное значение в проведении экологического мониторинга имеет получение экспресс-информации состояния клеток организмов в результате различных внешних воздействий. Современные биофизические методы экспресс-диагностики состояния клеток основаны на регистрации начальных нарушений клеточного метаболизма в основном на мембранном уровне организации клетки. Среди спектральных и люминесцентных методов следует отметить метод регистрации замедленной флуоресценции хлорофилла. Тесная связь этого явления с работой фотосинтетического аппарата и важная роль последнего в жизнедеятельности растения позволили использовать это излучение для анализа приспособительных реакций растения и оценки его устойчивости к неблагоприятным факторам среды.

ГЛАВА 2. Биофизические основы фотосинтетического аппарата растений. Во второй главе рассмотрены биофизические основы применения метода регистрации замедленной флуоресценции для экологической оценки влияния факторов окружающей среды на фотосинтетический аппарат растений, механизмы поглощения и миграции энергии в хлоропластах, рассмотрены механизмы действия гербицидов и тяжелых металлов на растительные организмы.

В работающем фотосинтетическом аппарате сразу после выключения освещения (что необходимо для регистрации ЗФ) имеется весь набор состояний реакционного центра (РЦ) по степени разделения зарядов. Кинетика затухания свечения в темноте зависит как от прямых реакций использования разделенных зарядов в фотосинтетическом процессе (переход к более стабильным состояниям), так и от обратных переносов зарядов, приводящих к появлению в РЦ заряженной пары Р+680Фф - .

По характеристикам замедленной флуоресценции можно судить об активности фотосинтетического аппарата целого растения, наблюдать его реакции на факторы окружающей среды. Параметры ЗФ очень чувствительны к изменению практически всех реакций фотосинтеза, таких, как транспорт электронов в темновых фазах фотосинтеза, протонная проводимость тилакоидной мембраны, фотофосфорилирование, активность реакционных центров и др. Интенсивность ЗФ пропорциональна больцмановскому фактору, концентрации пары Р+680Фф-, «частотному фактору». Даже небольшие сдвиги в функционировании растений при изменении внешних условий отражаются на течении фотосинтетических реакций, что одновременно проявляется и в изменении параметров ЗФ.

Далее рассмотрены механизмы действия тяжелых металлов и гербицидов на растения. За последние годы накоплено большое количество информации относительно цитологического, физиологического, биохимического и молекулярного аспектов действия гербицидов на различные системы растения, что дает возможность ответить на вопрос о механизме действия гербицидов и тяжелых металлов.

Гербициды могут вмешиваться во все процессы, имеющие отношение к метаболизму и росту растения. Экспериментально показано, что процессы метаболизма, специфические для растительных тканей, представляют большую часть известных сайтов гербицидного действия, например фотосинтез, синтез каротиноидов, специфическая регуляторная система и т. д. В работе рассмотрено действие фосфорорганического гербицида раундап (глифосат). Данный препарат, широко используемый в сельском хозяйстве в настоящее время, является наиболее характерным представителем класса фосфорорганических гербицидов. Известно, что раундап индуцирует хлороз. Подобно индуцирующим хлороз гербицидам, он подавляет образование рибосом и РНК в хлоропластах, формирование гран и биосинтез пигментов.

Тяжелые металлы, начиная с определенной концентрации, тормозят процессы фотосинтеза и уменьшают транспирацию растений. В настоящее время вопросы, связанные с понятием токсичности и толерантности растения по отношению к какому-либо загрязнителю, еще не до конца решены и нуждаются в дальнейшем комплексном изучении.

ГЛАВА 3. Механизм поглощения и миграции энергии в хлоропластах и кинетика люминесценции. В главе рассмотрены вопросы кинетики люминесценции сложных молекулярных систем. Рассмотрим изменение населенности уровня энергии после прекращения возбуждения. Изменение числа частиц за время от t до t+dt определяется в рамках вероятностного метода формулой

(1)

где Аij и dij – вероятности спонтанных и неоптических переходов i→j.

Интегрируя (1) с учетом начальных условий, получим

(2)

Населенность i-го уровня экспоненциально убывает со временем и при t→∞ стремиться к нулю. Скорость убывания характеризуется длительностью возбужденного состояния - τ. Включение неоптических переходов, т. е. тушения люминесценции, приводит к сокращению длительности. Изменение населенности уровней в рамках вероятностного метода можно найти из системы уравнений

(3)

Здесь m – общее число уровней энергии частиц, строго говоря, равное бесконечности, а p-вероятности переходов электронов между уровнями. Значение Δni для одних уровней положительны, для других отрицательны.

Решение (3) имеет вид

(4)

Здесь λ1, λ2, …, λm-1 – постоянные, зависящие только от свойств системы частиц и температуры (от вероятностей pij, т. е. от Aij, dij и Т); Dki – постоянные, зависящие, кроме, того, и от начальных условий, т. е. от способа возбуждения. Общее число постоянных λк равно (m-1). Они могут быть комплексными, причем их вещественная часть всегда положительна, так как при t→∞ Δni →0.

Из формулы (4) следует, что изменение населенности уровней при приближении к равновесию (после прекращения возбуждения) происходит по сложному, отнюдь не экспоненциальному закону. Для многих уровней значения Δni могут не только уменьшаться, но и увеличиваться, много раз проходя через нуль при комплексных значениях λ.

В работе показано, что экспоненциальный закон изменения числа возбужденных частиц и, следовательно, экспоненциальный закон затухания люминесценции могут наблюдаться у таких систем, для которых характерно быстрое перераспределение частиц по различным подуровням возбужденного состояния.

ГЛАВА 4. Технические средства регистрации замедленной флуоресценции. В главе проведен анализ существующих аппаратных средств регистрации замедленной флуоресценции, приведена конструкция разработанной автором установки регистрации кинетики замедленной флуоресценции. Возможность определения тех или иных параметров фотосинтетического аппарата определяется особенностями используемого метода возбуждения и регистрации флуоресценции.

Для регистрации замедленной флуоресценции растений автором разработано высокочувствительное устройство на основе электронных блоков системы «Вектор» (патент 2220С1 2003 г., авторы: , , ОГУ), работающее в импульсном режиме.

На рисунке 1 (а) показана блок-схема устройства для регистрации замедленной флуоресценции. Устройство работает следующим образом: исследуемый объект (лист растения, почва) помещают в кювету, выполненную из светопроводящего материала и расположенную в емкости для исследуемого объекта 7, выдерживают в темноте необходимое время. Измерения начинают нажатием кнопки пуск блока управления 8. При этом, в течение заданного времени подается импульс напряжения на светодиоды и происходит засветка объекта. Одновременно с блока управления подается запирающее напряжение на первый динод фотоэлектронного умножиУстановка работает в режиме счета импульсов.

а б

Рисунок 1. (а) блок-схема устройства для регистрации замедленной флуоресценции; (б) форма импульсов измерительного тракта.

1 – блок питания предварительного усилителя; 2 – высоковольтный блок питания 3 – усилитель импульсов БУС 2-95; 4 – пересчетное устройство ПСО; 5 –предварительный усилитель; 6 – фотоэлектронный умножитель с источником света; 7 – объект; 8 – блок управления установкой.

Форма импульсов приведена на рисунке 1 (б). После снижения напряжения на светодиодах до нуля, с блока управления подается импульс на запуск пересчетного устройства и одновременно снимается запирающее напряжение фотоэлектронного умножителя. Пересчетное устройство при этом начинает счет числа импульсов, поступающих с ФЭУ. Измерение происходит до снижения числа импульсов до фонового уровня.

Использование данного устройства позволяет совершенствовать флуоресцентные методы и аппаратуру для биомониторинга загрязнения объектов окружающей среды различными токсикантами.

ГЛАВА 5. Замедленная флюоресценция растений степной зоны при действии гербицидов и тяжелых металлов. В главе рассмотрены методики и результаты исследований кинетики замедленной флуоресценции растений при действии гербицида (раундап) и солей тяжелых металлов.

В качестве объектов исследований использовались следующие виды сорных растений: щирица запрокинутая (Amaranthus retroflexus L.), марь белая (Chenopordium album L.), латук дикий (Lactuca serriola L.), молочай Вальдштейна (Euphorbia Waldsteinii), а также культурные растения: кукуруза сорта Кичкасская местная, подсолнечник сорта Скороспелый, баклажан, перец, томат, капуста, входящие в состав агроценозов Оренбургской области.

Надземные органы вегетирующих растений обрабатывались растворами гербицида (раундап) разных концентраций ( 2 %, 4 %, 8%, 10%) с помощью пульверизатора из расчета 2 л/га. Объем раствора гербицида для всех вариантов опыта брался постоянный, обеспечивающий полное, равномерное смачивание всех растений. Контрольные растения аналогичным образом опрыскивали чистой водой. Затем отделенный от растения лист помещали в камеру экспериментальной установки, облучали его источником света и в течение 300 секунд регистрировали количество импульсов (площадь каждого листа была одинаковой). Замедленную флуоресценцию последовательно измеряли у обработанного гербицидом и контрольного растений. При этом учитывалась также продолжительность воздействия гербицида на растения (1, 2, 3, 4 суток).

Для исследования влияния физико-химических свойств почвы на замедленную флюоресценцию растений, растения выращивались на различных типах почв, характерных для Оренбургской области. При изучении влияния тяжелых металлов на замедленную флюоресценцию растения выращивались на черноземе обыкновенном. Растения, выращенные до состояния 4-5 листа, извлекались из земли и погружались корневой системой в растворы солей металлов концентраций 1,5,10,15,20 мг/л на время три часа для установления равновесных концентраций. Затем листья 3-4 ярусов удалялись для проведения измерений. После помещения листьев в измерительную камеру, листья адаптировались к темноте в течение пяти минут. Для этих экспериментов использовались культурные растения томат, баклажан, капуста, перец, подсолнечник, кукуруза.

В наших исследованиях строго учитывалось возрастное состояние исследуемых листьев. Для определения использовали листья одного ярусалист). Все измерения выполняли в 10-кратной повторности.

Рисунок 2. Характерная кривая кинетики замедленной флюоресценции растений.

На рисунке 2 приведена характерная кривая замедленной флюоресценции (ЗФ) растений, регистрируемая при помощи описанного выше устройства. Собственный фон установки Nф вычитался из зарегистрированного числа импульсов флюоресценции. Кривая кинетики ЗФ (выделенная кривая рисунка 2) представлялась в виде суммы экспонент (по методу Левенберга –Макгравта), с целью выявления быстрых Nб и медленных Nм компонент флуоресценции (рисунок 2 пунктирные кривые). Быстрые и медленные компоненты отличаются амплитудами G и D, а также постоянными a и b, характеризующими интенсивность затухания ЗФ.

На рисунке 3 представлен результаты экспериментальных исследований влияния различных концентраций гербицида раундап на параметры замедленной флюоресценции (для примера приведены результаты влияния гербицида на ростки мари). Анализируя графические зависимости, представленные на рисунках, видно, что амплитуда быстрого компонента (G) у контрольных образцов растений понижается с течением времени. У контрольных образцов молочая и щирицы амплитуда быстрого компонента достигает максимума на третьи и вторые сутки после обработки гербицидом. Обработка растений гербицидом приводит к резкому снижению интенсивности быстрой компоненты у всех опытных образцов растений. При этом максимальное снижение интенсивности быстрой компоненты отмечено у латука на четвертые сутки после обработки 10%-ным раствором раундап. У латука, подсолнечника отмечается повышение быстрой компоненты при обработке гербицидом на третьи сутки с последующим снижением. Аналогичная зависимость отмечается у молочая, щирицы и кукурузы на вторые сутки после обработки гербицидом. Следует отметить нелинейную зависимость быстрой компоненты от концентрации гербицида.

а б

Рисунок 3. Зависимость быстрой компоненты G(имп/с) (а) и быстрой постоянной а(1/с) (б) от концентрации гербицида и времени после обработки.

По графическим зависимостям видно, что у контрольных образцов всех растений отмечается тенденция к снижению амплитуды медленного компонента (D) как с течением времени после обработки гербицидом, так и при увеличении концентрации гербицида. Анализ графических и табличных данных показывает, что быстрая постоянная (а) снижается как с течением времени после обработки, так и с увеличением концентрации гербицида. У молочая, например, при концентрации гербицида 10% происходит увеличение быстрой постоянной с течением времени после обработки гербицидом.

Из анализа корреляции видно, что наиболее сильная отрицательная корреляционная связь параметров ЗФ и концентрации гербицида (раундап) отмечается у баклажана, капусты, кукурузы, мари, перца, подсолнечника, томата. Рассмотрим действие на параметры ЗФ солей тяжелых металлов.

Марганец. Анализируя графические зависимости (рисунок 4), можно сделать вывод, что с увеличением концентрации марганца, у баклажана отмечается тенденция понижения быстрого компонента, вместе с тем, максимальное его значение наблюдается при концентрации 1мг/л, минимальное - при концентрации 10мг/л.

а б

Рисунок 4. Зависимость быстрой компоненты G(имп/с) (а) и быстрой постоянной а(1/с) (б) от концентрации марганца

С увеличением концентрации марганца у баклажана, томата, перца, капусты, кукурузы и подсолнечника отмечается тенденция понижения медленного компонента. По графическим зависимостям видно, что с увеличением концентрации металла у всех растений отмечается понижение быстрой и медленной постоянной, при этом у томата, капусты, баклажана, перца повышается быстрая постоянная при концентрациях марганца 5-15мг/л. Следует отметить, что максимальные значения параметров отмечено у контрольных образцов.

Кобальт. У баклажана наблюдается тенденция к снижению быстрого компонента с увеличением концентрации кобальта, при этом минимальное его

значение наблюдается при концентрации 20мг/л, а максимальное – при концентрации 15мг/л. У капусты происходит возрастание быстрого компонента при концентрациях металла от 0 до 15мг/л, а при концентрации 20мг/л значение быстрого компонента снижается (минимальное значение). Из всех растений подсолнечник характеризуется наименьшим значением быстрого компонента.

Медь. С увеличением концентрации меди у баклажана происходит понижение быстрого компонента, при этом максимальное его значение наблюдается у контрольного образца, минимальное - при концентрации 20мг/л. У капусты четкой зависимости не наблюдается: так при концентрации 1мг/л и 15мг/л отмечаются низкие значения быстрого компонента, при концентрации 5 и 10мг/л – высокие. У перца при концентрации 10-20 мг/л быстрый компонент достигает максимального значения. Медленная постоянная характеризуется повышением величины, начиная с концентрации 1мг/л до концентрации 15мг/л, с последующим снижением.

Свинец. С увеличением концентрации свинца у баклажана, капусты, подсолнечника и перца отмечается тенденция снижения быстрого компонента с

максимальными значениями для контрольных образцов и незначительным увеличением параметра при концентрациях 1мг/л (для баклажана), 10мг/л (для

капусты) и 5мг/л (для перца и подсолнечника). У томата и кукурузы также отмечается тенденция снижения быстрого компонента, вместе с тем максимальное его значение отмечается при концентрации 5мг/л (для томата) и 10мг/л (для кукурузы).

Хром. Анализируя графические зависимости можно сделать вывод, что у баклажана, подсолнечника и томата отмечается тенденция снижения быстрого компонента с увеличением концентрации хрома. У капусты, перца и кукурузы отмечается, при общем снижении, увеличение параметра при концентрациях 10мг/л (томат, перец), 5мг/л (капуста ), 1мг/л (кукуруза). Медленная постоянная снижается по сравнению с контрольным образцом при концентрации хрома 1мг/л.

Цинк. С увеличением концентрации цинка отмечается тенденция понижения быстрого компонента. При этом следует отметить резкое увеличение параметра у всех опытных растений при концентрациях 1-10мг/л. Динамика медленной компоненты характеризуется значительным увеличением

по сравнению с контрольными образцами. Быстрая и медленная постоянные снижаются с ростом концентрации металла.

а б

Рисунок 5. Дендрограмма растений по действию тяжелых металлов (а) и гербицида (раундап) (б) на параметры кинетики замедленной флуоресценции G.

Рассматривая параметры кинетики замедленной флуоресценции как величины, описывающие растения в пространстве состояний, можно классифицировать растения по действию на них факторов окружающей среды. На дендрограммах показаны примеры подобной классификации по параметрам замедленной флуоресценции. Объединение в кластер растений показывает на идентичность реакции фотосинтетического аппарата растений на внешнее воздействие. Как следует из результатов кластерного анализа можно выделить на уровне связи более 70% следующие кластеры:

по марганцу

(по параметру G): 1 кластер-подсолнечник; 2 кластер - капуста, перец, баклажан, кукуруза, томат;

(по параметру «а»): 1 кластер - перец, капуста; 2 кластер – подсолнечник, кукуруза, баклажан, томат. Аналогичная классификация проведена и по другим металлам.

Классифицируя растения по действию фосфорорганических гербицидов (раундап) и уровню связи более 70% можно отметить: (по параметру G) 1 кластер – латук; 2 кластер – щирица, подсолнечник; 3 кластер – молочай, томат, марь, капуста, кукуруза, перец, баклажан.

Рассматривая данную классификацию можно отметить, например, что подсолнечник и кукуруза одинаково реагируют на влияние большинства исследованных тяжелых металлов. Это может свидетельствовать об идентичности процессов, протекающих в этих растениях.

ГЛАВА 6. Исследование кинетики замедленной флуоресценции почв Оренбургской области. В главе рассмотрены методики и результаты исследования кинетики замедленной флуоресценции почвенных образцов при различных температурах. В последнее время, в почвоведении, развивается направление по разработке методов создания почв с заранее известными физико-химическими свойствами, а также методов их определения. Одним из таких методов является термический. В связи с этим, актуальным является изучение замедленной флуоресценции и химических свойств почв при термическом воздействии.

Для исследования замедленной флюоресценции отобраны следующие типы почв: черноземы (типичный и выщелоченный, южный, обыкновенный) и темно-каштановая почва. Отбор проб почв осуществлялся методом конверта по профилю (горизонта) А -0-20; АВ -20-40; ВС - 40-90 см. Из проб удаляются растительные остатки, производится механическое разрыхление, тщательное перемешивание и доведение до воздушно-сухого состояния. Пробы разделялись на контрольные (пробы почв, высушенные до воздушно-сухого состояния при температуре 20 ºС) и опытные группы.

Опытные пробы почв подвергались термической обработке при температурах 200°С, 400°С, 600°С и 800°С с выдержкой при каждой температуре в течение 30 минут и последующим охлаждением до комнатной температуры. Исследование контрольных и опытных групп проб производилось на установке для регистрации замедленной флуоресценции. Образец почвы помещали в светонепроницаемую камеру установки, выдерживали в темноте 5 мин., облучали световым импульсом мощностью 19 Вт длительностью 10 мс и регистрировали с помощью фотоэлектронного умножителя число импульсов замедленной флуоресценции. Экспериментально установлено, что для всех исследованных типов почв независимо от режимов температурного воздействия на них выполняется экспоненциальный закон затухания флуоресценции. Экспериментальные данные описывались уравнением регрессии экспоненциального вида (метод Левенберга-Макгравта). Характер изменения флуоресценции описывался экспоненциальной зависимостью вида , где а - показатель экспоненты, характеризующий скорость затухания флуоресценции (постоянная быстрой компоненты); G- начальная интенсивность свечения (амплитуда быстрой компоненты). Параметры D и b при представлении кинетики затухания в виде суммы двух экспонент равны нулю и в дальнейшем рассматриваются только параметры быстрой компоненты. Контрольные и опытные группы почвы подвергались химическому анализу на содержание основных агрохимических показателей: определение лабильного органического вещества, гумуса, подвижных форм фосфора и калия, рН солевого, плотного остатка.