Effects of the Composition and Properties of Soils and Soil-Sand Substrates Contaminated with Copper on Morphometric Parameters of Barley Plants
- Authors: Pinsky D.L.1, Shary P.A.1, Mandzhieva S.S.2, Minkina T.M.2, Perelomov L.V.3, Maltseva A.N.1, Dudnikova T.S.2
-
Affiliations:
- Institute of Physicochemical and Biological Problems in Soil Science, Russian Academy of Sciences
- Southern Federal University
- Tula State Pedagogical University L.N. Tolstoy
- Issue: No 3 (2023)
- Pages: 393-404
- Section: АГРОХИМИЯ И ПЛОДОРОДИЕ ПОЧВ
- URL: https://journals.rcsi.science/0032-180X/article/view/138021
- DOI: https://doi.org/10.31857/S0032180X2260113X
- EDN: https://elibrary.ru/HBYSHQ
- ID: 138021
Cite item
Abstract
In a multifactorial vegetation experiment, the effect of the composition and properties of soils and soil-sandy substrates contaminated with various doses of copper acetate on the morphometric parameters of spring barley seedlings was studied. It has been shown that the germination and vigor of seed germination, as well as the length of roots, aboveground parts, and dry biomass of plants depend in a complex way on the concentration of Cu in soils and substrates, as well as their buffering capacity to heavy metals. The presence of two mechanisms of Cu influence on plant development was established: metabolic at СCu < 500 mg/kg of soil and diffusion at СCu > 500 mg/kg. Using methods of regression analysis on experimental data, a multiple regression equation was obtained that combines morphometric parameters of plants, concentration of Cu in the substrates, and the buffering capacity of soils to heavy metals. On its basis, in the coordinates of soil buffering capacity – Cu concentration, a curve of values f the maximum permissible concentration of Cu in soils in the concentration range from 17 to 2047 mg/kg. It makes the possibility to separate the zone of permissible development of barley plants (reduction of morphometric parameters by no more than 15%) from the zone of exceeding the accepted value of maximum permissible concentration of Cu. Thus, maximum permissible concentration of Cu is considered not as a fixed value, but as a function of Cu concentration, soil buffering capacity, and plant species.
About the authors
D. L. Pinsky
Institute of Physicochemical and Biological Problems in Soil Science, Russian Academy of Sciences
Author for correspondence.
Email: pinsky43@mail.ru
Russia, 142290, Pushchino
P. A. Shary
Institute of Physicochemical and Biological Problems in Soil Science, Russian Academy of Sciences
Email: pinsky43@mail.ru
Russia, 142290, Pushchino
S. S. Mandzhieva
Southern Federal University
Email: pinsky43@mail.ru
Russia, 344006, Rostov-on-Don
T. M. Minkina
Southern Federal University
Email: pinsky43@mail.ru
Russia, 344006, Rostov-on-Don
L. V. Perelomov
Tula State Pedagogical University L.N. Tolstoy
Email: pinsky43@mail.ru
Russia, 300026, Tula
A. N. Maltseva
Institute of Physicochemical and Biological Problems in Soil Science, Russian Academy of Sciences
Email: pinsky43@mail.ru
Russia, 142290, Pushchino
T. S. Dudnikova
Southern Federal University
Email: pinsky43@mail.ru
Russia, 344006, Rostov-on-Don
References
- Башмаков Д.И., Лукаткин А.С. Эколого-физиологические аспекты аккумуляции и распределения тяжелых металлов у высших растений. Саранск: Мордовский гос. ун-т, 2009. 236 с.
- Гончарова Л.И., Чиж Т.В., Мурыгин Ю.В., Губарева О.С. Влияние загрязнения почв медью на ростовые и биохимические показатели растений кормовых бобов // Агрохимия. 2010. № 12. С. 58–62.
- Иванов В.Б., Быстрова Е.И., Серегин И.В. Сравнение влияния тяжелых металлов на рост корня в связи с проблемой специфичности и избирательности их действия // Физиология растений. 2003. Т. 50. № 3. С. 445–454.
- Ильин В.Б. Тяжелые металлы и неметаллы в системе почва-растение. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2012. 218 с.
- Ильин В.Б. Тяжелые металлы в системе почва-растение // Почвоведение. 2007. № 9. С. 1112–1119.
- Ильин В.Б. Оценка буферности почв по отношению к тяжелым металлам // Агрохимия. 1995. № 10. С. 109–113.
- Ильин В.Б., Сысо А.И. Микроэлементы и тяжелые металлы в почвах и растениях Новосибирской области. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2001. 229 с.
- Импактное загрязнение почв тяжелыми металлами и фторидами / Под ред. Н.Г. Зырина и др. М., 1986. 164 с.
- Кайгородов Р.В. Устойчивость растений к химическому загрязнению. Пермь: Пермский гос. ун-т, 2010. 151 с.
- Кожанова О.Н., Дмитриева А.Г. Физиологическая роль металлов в жизнедеятельности растительных организмов // Физиология растительных организмов и роль металлов. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1989. С. 7–55.
- Пампура Т.В., Мейли М., Холм К., Кандодап Ф., Пробст А. Погребенные палеопочвы как фоновые объекты для оценки уровня загрязнения свинцом современных почв нижнего Поволжья // Почвоведение. 2019. № 1. С. 43–60. https://doi.org/10.1134/S0032180X19010118
- Пинский Д.Л. Современные представления о механизмах поглощения тяжелых металлов почвами. Эволюция, функционирование и экологическая роль почв как компонента биосферы. Пущино, 2020. С. 55–64.
- Пинский Д.Л., Минкина Т.М., Бауэр Т.В., Невидомская Д.Г., Манджиева С.С., Бурачевская М.В. Сорбция меди черноземными почвами и почвообразующими породами юга России // Геохимия. 2018. № 3. С. 280–289. https://doi.org/10.7868/S0016752518030081
- Пинский Д.Л., Минкина Т.М., Бауэр Т.В., Невидомская Д.Г., Шуваева В.А., Манджиева С.С., Цицуашвили В.С., Бурачевская М.В., Чаплыгин В.А., Барахов А.В., Велигжанин А.А., Светогоров Р.Д., Храмов Е.В., Иовчева А.Д. Идентификация соединений тяжелых металлов в техногенно-преобразованных почвах методами последовательного фракционорования, XAFS-спектроскопии и XRD порошковой дифракции // Почвоведение. 2022. № 5. С. 600–614. https://doi.org/10.31857/S0032180X22050070
- Почва, очистка населенных мест, бытовые и промышленные отходы, санитарная охрана почвы. Гигиенические нормативы ГН 2.1.7.020-94 “Ориентировочно допустимые концентрации (ОДК) тяжелых металлов и мышьяка в почвах” (Дополнение №1 к перечню ПДК и ОДК № 6229-91) (утв. Госкомсанэпиднадзора РФ от 27 декабря 1994 г. № 13).
- Путилина В.С., Галицкая И.В., Юганова Т.И. Адсорбция тяжелых металлов почвами и горными породами. Характеристики сорбента, условия параметры и механизмы адсорбции. Аналитический обзор. Новосибирск, 2009. 156 с.
- Титов А.Ф., Казнина Н.М., Таланова В.В. Тяжелые металлы и растения. Петрозаводск: Карельский НЦ РАН, 2014. 194 с.
- Чернова Р.К., Погорелова Е.С., Паращенко И.И., Агеева Н.В. Определение содержания свинца в почвах г. Саратова методом флуоресцентного анализа // Известия Саратовского ун-та. Новая серия. Сер. Химия. Биология. Экология. 2013. Т. 13. Вып. 3. С. 109–113.
- Шарый П.А., Пинский Д.Л. Статистическая оценка связи пространственной изменчивости содержания органического углерода в серой лесной почве с плотностью концентрациями металлов и рельефом // Почвоведение. 2013. № 11. С. 1344–1356. https://doi.org/10.7868/S0032180X13090104
- Bauer T., Pinskii D., Minkina T., Nevidomskaya D., Mandzhieva S., Burachevskaya M., Chaplygin V., Popileshko Y. Time effect on the stabilization of technogenic copper compounds in solid phases of Haplic Chernozem // Sci. Total Environ. 2018. V. 626. P. 1100–1107. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2018.01.134
- Filipiak-Szok A., Kurzawa M., Szłyk E. Determination of toxic metals by ICP-MS in Asiatic and European medicinal plants and dietary supplements // J. Trace Elements Medicine Biology. 2015. V. 30. P. 54–58. https://doi.org/10.1016/j.jtemb.2014.10.008
- Gu Y.-G., Lin Q., Gao Y.-P. Metals in exposed-lawn soils from 18 urban parks and its human health implications in southern China’s largest city, Guangzhou // J. Cleaner Production. 2016. V. 115. P. 122–129. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2015.12.031
- Hu B., Jia X., Hu J., Xu D., Xia F., Li Y. Assessment of heavy metal pollution and health risks in the soil-plant-human system in the Yangtze River Delta, China // Int. J. Environ. Res. Public Health. 2017. V. 14. P. 1042. https://doi.org/10.3390/ijerph14091042
- Intawongse M., Dean J.R. Uptake of heavy metals by vegetable plants grown on contaminated soil and their bioavailability in the human gastrointestinal tract // Food Additives and Contaminants. 2006. V. 23. P. 36–48. https://doi.org/10.1080/02652030500387554
- Järup L. Hazards of heavy metal contamination // British Medical Bull. 2003. V. 68. P. 167–182. https://doi.org/10.1093/bmb/1dg032
- Kabata-Pendias A., Makherjee A.B. Trace Element from Soil to Human. Springer, 2007. 550 p.
- Kolesnikov S.I., Zubkov D.A., Zharkova M.G., Kazeev K.S., Akimenko Y.V. Influence of oil and lead contamination of ordinary chernozem on growth and development of spring barley // Russ. Agricultural Sci. 2019. V. 45. P. 57–60.
- Leitzmann C. Nutrition ecology: the contribution of vegetarian diets // Am. J. Clinical Nutrition. 2003. V. 78. P. 657–659. https://doi.org/10.1093/ajcn/78.3.657S
- Mandzhieva S., Chernikova N., Dudnikova T., Pinskii D., Bauer T., Zamulina I., Barahov A., Burachevskaya M., Minkina T. Influence of copper pollution of Haplic Calcic Chernozem with various contents of sand Fractions on morphobiometric Indicators of spring barley // KnE Life Sciences. 8th Scientific and Practical Conference “Biotechnology: Science and Practice”. 2022. V. 2022. P. 84–90. https://doi.org/10.18502/kls.v7i1.10110
- McBride M.B., Shayler H.A., Spliethoff H.M., Mitchell R.G., Marquez-Bravo L.G., Ferenz G.S., Russell-Anelli J.M., Casey L., Bachman S. Concentrations of lead, cadmium and barium in urban garden-grown vegetables: the impact of soil variables // Environ. Poll. 2014. V. 194. P. 254–261. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2014.07.036
- Nazar R., Igbal N., Masood A., Iqbal M.,Khan R., Khan N. Cadmium toxicity in plants and role of mineral nutrients in its alleviation // Am. J. Plant Sci. 2012. V. 3. P. 1476–1489.
- Sarwar N.S., Malhi S.S., Zia M.H., Naeem A., Bibia S., Farida Gh. Role of mineral nutrition in minimizing cadmium accumulation by plants // J. Sci. Food Agric. 2010. V. 90. P. 925–937.
- Semenova I.N., Sinigizova G.S., Zulkaranaev A.B., Il’bulova G.S. Effect of copper and lead on the growth and development of plant by example of Anethum graveolens L. // Modern Problems of Science and Education. 2015. № 3. P. 588–594.
- Sharma R.K., Agrawal M. Biological effects of heavy metals: An overview // J. Environ. Biol. 2005. V. 26. P. 301–313.
- Verbruggen N., Hermans C., Schat H. Mechanisms to cope with arsenic or cadmium excess in plants // Curr. Opin. Plant Biol. 2009. V. 12. P. 364–372.
- Villiers F., Ducruix C., Hugouvieux V., Jarno N., Ezan E., Garin J., Junot Ch., Bourguignon J. Investigating the plant response to cadmium exposure by proteomic and metabolomic approaches // Proteomics. 2011. V. 11. P. 1650–1663.
- Wegelin Th. PAK und Schwermetalle in Böden entlang stark befahrener Strassen. Amt für Gewässerschutz und Wasserbau. AGW Fachstelle Bodenschutz – FaBo. Zürich. Umwelt Praxis. 1997. № 11. S. 27–29.
- Zwolak A., Sarzyńska M., Szpyrka E., Stawarczyk K. Sources of soil pollution by heavy metals and their accumulation in vegetables: a review // Water, Air Soil Poll. 2019. V. 230. P. 164. https://doi.org/10.1007/s11270-019-4221-y