Агрогенные почвы Ставропольского края составляют основу сельскохозяйственного производства региона, однако интенсивное земледелие в последние два десятилетия привело к возрастанию техногенной нагрузки на почвенный покров. Загрязнение почв тяжелыми металлами признается одной из острых экологических проблем современности, особенно в зонах с высокой распаханностью территории. Свинец и медь относятся к числу металлов, чье присутствие в избыточных концентрациях вызывает устойчивые нарушения функционирования агроэкосистем.

Специфика геохимической обстановки в регионе обусловлена не только природными факторами, но и антропогенной деятельностью. Загрязнение почв свинцом носит преимущественно техногенный характер, тогда как медь имеет природное происхождение, о чем свидетельствуют материалы диссертационного исследования, посвященного современным геохимическим процессам накопления металлов в ландшафтах края. Выявлено, что загрязнение распределяется не сплошным ареалом, а точечно-очаговым образом, не всегда совпадая с зонами наибольшей антропогенной нагрузки. Ландшафты Ставропольского края функционируют как геохимические барьеры для миграции свинца и меди, что препятствует их вертикальному перемещению в глубокие горизонты [1]. Следует учитывать, что интенсивная распашка территории (более 60 % пашни) и использование тяжелой сельскохозяйственной техники привели к разрушению структуры почвы, ее переуплотнению, ускоренной минерализации органического вещества [2].

Важным аспектом является соотношение валовых и подвижных форм металлов в почвах. По данным агроэкологического обследования земельных ресурсов Ставрополья, уровни подвижных форм достигают 80–95 % от валового содержания элементов для ряда участков санитарно-защитных зон промышленных объектов, тогда как нормативный показатель составляет 9 % для меди и 20 % для свинца. В большинстве административных районов края валовое содержание свинца и меди не превышает гигиенические нормативы, однако в отдельных промышленных зонах отмечается превышение предельно допустимой концентрации в 2–3 раза [2].

Прямое определение валового содержания металлов в почве не дает полной картины их биологической доступности и реального воздействия на живые организмы. В такой ситуации методы биотестирования с использованием растительных тест-объектов становятся незаменимыми. Кресс-салат ( Lepidium sativum) рассматривается как один из наиболее чувствительных биоиндикаторов, реагирующих даже на незначительное изменение концентрации токсикантов в субстрате, что подтверждено исследованиями многих авторов.

Кресс-салат принадлежит к семейству крестоцветных ( Brassicaceae ), характеризуется коротким вегетационным периодом и высокой скоростью прорастания. Семена дают всходы уже на 3–4-е сутки, что позволяет проводить экспресс-оценку токсичности почв и водных сред достаточно быстро. Способность кресс-салата аккумулировать тяжелые металлы в надземных и подземных органах делает его удобным объектом для исследований.

В исследованиях антиоксидантной системы проростков кресс-салата, выращенных в присутствии кадмия и свинца, отмечено, что возрастание антиоксидантных ферментов происходит пропорционально концентрации металлов в почве. Исследователи обращают внимание на то, что отклик тест-культуры проявлялся уже при низких уровнях загрязнения. Это подтверждает пригодность использования кресс-салата для мониторинга как высоких, так и следовых концентраций токсикантов [3].

В работах российских исследователей, выполненных на материале речных донных отложений в Республике Башкортостан, показано, что среди трех изученных тест-систем (кресс-салат, редис, пшеница) именно кресс-салат проявил наивысшую чувствительность к загрязнению медью и никелем. Наиболее информативными параметрами оказались всхожесть семян и длина корня проростка [4].

Свинец и медь по-разному воздействуют на физиологические процессы растений. Медь в микродозах является необходимым микроэлементом, входящим в состав ферментов и участвующим в регуляции фотосинтеза, дыхания и водного обмена. Однако при превышении пороговых концентраций медь становится сильным фитотоксикантом.

Свинец не выполняет биологических функций в растениях и относится к высокотоксичным элементам. Даже в следовых концентрациях он проявляет тератогенное и мутагенное действие, нарушает работу ферментных систем, провоцирует окислительный стресс. Свинец накапливается преимущественно в корневой системе растений, однако при определенных условиях может активно перемещаться в надземные органы [5].

Для изучения влияния меди и свинца на рост и развитие растений кресс-салата нами был поставлен модельный эксперимент, который имитирует низкий, средний и высокий уровни загрязнения почв Ставропольского края медью и свинцом. В пластиковые горшки для растений помещали навески универсального грунта, который был заранее подготовлен. Для подготовки в грунт вносили разные концентрации сульфата меди CuSO ₄ ∙ 5H ₂ O и ацетата свинца Pb(CH ₃ COO) ₂ ∙ 3H ₂ O. Выбор ацетата свинца связан с его растворимостью в воде, в отличие от сульфата, поэтому его использование должно гарантировать переход металла в ткани растений, а также сульфат-ионы, в отличие от хлоридов и нитратов, являются более инертными и не вызывают существенных пагубных или стимулирующих эффектов.

В подготовленный грунт производили высадку семян по 30 штук. Полив проводили бутилированной водой. Наблюдали за ростом исследуемых объектов в течение всего эксперимента и фиксировали изменения. Основными оцениваемыми параметрами являлись всхожесть семян, длина корня и побега проростков, общая длина проростка, соотношение «корень — побег», а также наличие хлорозов и некрозов.

В модельном эксперименте оценивали количество проросших семян, морфометрические показатели и сравнивали их с контрольным образцом. Эксперимент проводили в трех повторностях. Результаты представлены в таблице 1.

Таблица 1

Влияние Cu²⁺ и Pb²⁺ на ранние этапы развития кресс-салата

Проведенный анализ показал, что соли тяжелых металлов в повышенных концентрациях оказывают негативное влияние на рост кресс-салата. В контрольном образце проростки демонстрировали максимальную всхожесть, а с ростом концентрации солей наблюдалось уменьшение всхожести семян. Медь оказывает более выраженное ингибирующее действие на ранних этапах развития кресс-салата.

На 15–20-й день эксперимента были отмечены такие морфологические изменения, как хлорозы и некрозы, а также искривления растений. При повышенных концентрациях меди отмечались хлорозы. Растения, выращенные в почвах с высокими концентрациями свинца, были более искривленные и имели бурые некротические пятна.

Для количественной оценки степени хлороза и относительного снижения хлорофилла под действием солей тяжелых металлов мы применили цифровой анализ фотографий листьев кресс-салата методом RGB (таблица 2).

Таблица 2

Содержание хлорофилла в листьях исследуемых растений

Полученные данные показывают, что с ростом концентрации Cu ²⁺ и Pb ²⁺ средняя зеленая компонента (G) и индекс Greenness снижаются на 11–67 %, причем свинец вызывает более сильное осветление листьев. RGB-анализ подтверждает токсическое действие тяжелых металлов на фотосинтетический аппарат: снижение зеленого канала отражает деградацию хлорофилла.

Кресс-салат проявил себя как высокочувствительный биоиндикатор, способный реагировать на низкие уровни загрязнения. Проведенный анализ влияния солей тяжелых металлов — свинца и меди — на рост и развитие кресс-салата позволил установить ряд закономерностей. Медь оказывает более выраженное ингибирующее действие на морфометрические параметры проростков кресс-салата на ранних стадиях. Свинец вызывает стресс на более поздних стадиях развития и проявляется в виде некрозов и снижения содержания хлорофилла.

Результаты исследования обосновывают целесообразность включения биотестирования с использованием кресс-салата в систему экологического мониторинга агроландшафтов Ставропольского края. Метод позволяет получать оперативную интегральную оценку экологического состояния почв и выявлять участки с повышенной биологической доступностью металлов в короткие сроки — от 6 до 10 суток.

Литература:

1. Пылев, Е. А. Современные геохимические процессы накопления и распределения тяжелых металлов в ландшафтах Ставропольского края : дис. … канд. геогр. наук / Пылев Евгений Анатольевич. — Ставрополь, 2008. — 149 с. — URL: https://www.dissercat.com/content/sovremennye-geokhimicheskie-protsessy-nakopleniya-i-raspredeleniya-tyazhelykh-metallov-v-la-0
2. Подколзин, О. А. Агроэкологическое состояние земельных ресурсов Шпаковского района Ставропольского края / О. А. Подколзин, С. В. Савинова // Агрохимический вестник. — 2008. — № 4. — С. 30–31. — URL: https://cyberleninka.ru/article/n/agroekologicheskoe-sostoyanie-zemelnyh-resursov-shpakovskogo-rayona-stavropolskogo-kraya
3. Antioxidant system of garden cress sprouts for using in bio-monitor of cadmium and lead contamination / A. M. Abdel-Aty, A. M. Elsayed, A. A. M. Gad [et al.] // Scientific Reports. — 2023. — Vol. 13. — Art. № 10445. — URL: https://doi.org/10.1038/s41598-023-37430-4
4. Использование растительных тест-систем для оценки токсичности донных отложений / И. Н. Семенова, Г. Ш. Кужина, Ю. Ю. Серегина [и др.] // Вестник Оренбургского государственного университета. — 2015. — № 10. — С. 232–235. — URL: https://cyberleninka.ru/article/n/ispolzovanie-rastitelnyh-test-sistem-dlya-otsenki-toksichnosti-donnyh-otlozheniy/viewer
5. Гончаров, Л. И. Фитотоксическое действие меди на растения редиса и салата-латука / Л. И. Гончаров, П. И. Цыгвинцев, В. М. Рачкова // Агрохимический вестник. — 2020. — № 4. — С. 30–35. — URL: https://cyberleninka.ru/article/n/fitotoksicheskoe-deystvie-medi-na-rasteniya-redisa-i-salata-latuka/viewer