МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ»
На правах рукописи
ФИТИСКИНА Надежда Викторовна
ПОЛИФУНКЦИОНАЛЬНОСТЬ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЭКОТОЛА НА
ДРЕВЕСНЫЕ САЖЕНЦЫ ПРИ НЕБЛАГОПРИЯТНЫХ УСЛОВИЯХ
СРЕДЫ
Специальность:
03.02.08 экология (биологические науки)
Диссертация
на соискание ученой степени кандидата биологических наук
Научный руководитель –
кандидат биологических наук,
с.н.с. Карташова Е.Р.
Москва 2017
2
Оглавление
ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………………5
ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ……………..17
1.1. Роль почвенного покрова Земли в биосфере…………………………….….....17
1.2. Тяжелые металлы как загрязнители почв на примере свинца.……………….21
1.3. Роль бывшего живого вещества в иммобилизации
загрязнителей биосферы..................................................................................... .........28
1.3.1. Компосты, вермикультивирование, гуминовые и бакто-гумусовые препараты………………………………………………….……..….32
1.3.2. Экотол: получение, характеристика, влияние на
почвообразование и растения…………………………………………………....39
1.4. Содержание древесных насаждений в городских условиях……………….…48
ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ…………………….....56
2.1. Объекты исследования………………………………………………………..….56
2.1.1. Саженцы древесных растений…………………………………………......56
2.1.2. Экотол……………………………………………………..………………...57
2.2. Получение экотола в лабораторных условиях………………………………….58
2.3. Определение биогенных аминов, их предшественников
и продуктов окислительного дезаминирования в экотоле…………….……….......60
2.4. Определение меланинов в экотолах………………………………………….…61
2.5. Определение содержания в химическом составе экотола ароматических
и алифатических фрагментов…………………………………………...……………63
2.6. Постановка полевого опыта по воздействию экотола на древесные
саженцы Acer platanoides L. (клена остролистного)………………….……….........65
2.7. Определение валового содержания и подвижной формы свинца
в образцах почв методом атомно-абсорбционного анализа………………….…….66
2.7.1. Ход работы по определению валового содержания и подвижных
3
форм свинца в почвах с помощью атомно-абсорбционного анализа...............66
2.7.2. Определение подвижности свинца в различных почвах при
наличии в них избыточных доз тяжелого металла и экотола………………....67
2.8. Постановка вегетационных опытов для определения воздействия
экотола на древесные саженцы лиственных пород и ели, выращенных
на фоне нормы и избыточных доз свинца………………….......................................70
2.9. Отбор почвенных образцов для определения валового
содержания и подвижных форм свинца в почве, после выращивания на ней
Fraxinus pensylvanica (ясеня пенсильванского), Sorbus aucuparia L.
(рябины обыкновенной) и Picea abies L. (ели обыкновенной)..……………….......73
2.10. Оценка физиологического состояния древесных саженцев
лиственных пород …………………………………………………………………….74
2.10.1. Метод определения переменной флуоресценции хлорофилла
в коре побегов древесных саженцев………………………..………..……..........75
2.10.2. Определение активности пероксидазы………………..……………..…..77
2.10.3.
Метод определения белка…………………………...………………….79
2.11. Определение содержания свинца в корнях и хвое Picea abies L.
методом масс-спектрометрии………………………….……………………………..80
2.12.Определение плотности корневых окончаний и количественных
характеристик микориз, находящихся в симбиозе с Picea abies L. …………….…81
2.13.Статистическая обработка полученных результатов………………………….84
ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ………………......85
3.1. Биогенные амины, их предшественники и продукты
окислительного дезаминирования в экотоле…………………………......................85
3.2. Содержание меланинов в экотоле из различных источников
растительного сырья ………………………………………………………………….89
3.3. Ароматические и алифатические фрагменты экотола после его
длительного хранения ………………………………………………………………..92
4
3.4. Влияние экотола на рост древесных саженцев Acer platanoides L.
в природных условиях……….……............................................................................95
3.5. Влияние экотола на подвижность свинца в почвах, не
содержащих древесных растений, и в почвах, на которых
произрастали древесные саженцы.………………………………………………....101
3.6. Влияние экотола на физиологическое состояние Fraxinus
pensylvanica на фоне нормы и избыточных доз свинца………..…….…….……..106
3.7. Влияние экотола на содержание свинца в хвое и корнях Picea
abies L. и на микоризацию корневой системы……………………………….........110
ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………………….…....117
ВЫВОДЫ…………………………………………………………………………....122
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ…………………………………………………..….....123
ПРИЛОЖЕНИЕ………………………………………………………………….....150
Приложение 1. Сравнительная характеристика инфракрасного спектра
экотола и гуминовой кислоты, выделенной из почвы…………………….............151
Приложение 2. Метеорологические условия летнего сезона 2010 г., в
котором выявились различия в ростовых параметрах Acer
platanoides L., обработанных и необработанных экотолом………………………155
Приложение 3. Воздействия экотола на ростовые процессы
яровой пшеницы………………...……………………………..…………….............157
5
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы исследования.
Решение глобальных экологических проблем, связанных с развитием
цивилизации, базируется на теории биосферы, разработанной выдающимся по
богатству идей и глубине мыслей, талантливым естествоиспытателем В.И.
Вернадским. Теория биосферы В.И. Вернадского рассматривается как основа
научной картины мира, касающейся планеты Земля, где биосу (совокупности
организмов планеты, включая человека) отводится ведущая роль в формировании
и преобразовании земной поверхности (Горелов, 2012; Ермаков и др., 2012;
Карташова, Олескин, Фитискина, 2012; Гирусов, 2013).
Созидательная деятельность человека в основном направлена на социальное
развитие, но при этом характеризуется разрушительным потенциалом по
отношению к Природе, в первую очередь, из-за техногенной, моральной и
психологической направленности основной деятельности, что, как в настоящее
время показано, без должных корректив на сохранение и охрану природы,
пересмотра ценностных ориентиров общества, может привести к экологическому
кризису и, в конечном итоге, к гибели человечества (Гирусов, 2003). Д.ф.н., проф.
Э.В. Гирусов отмечает, что вся система современных знаний и деятельности, как
и культура в целом, носит антропоцентрический характер, мешающий пониманию
социоприродного
единства.
Сложившееся
«соотношение
процессов
взаимодействия общества и природы требует смены осевой парадигмы
мировоззрения с антропо- на биосфероцентрическую, с позиции которой
интересы сохранения биосферы ставятся выше социальных» (Гирусов, 2013). В
этой связи, актуальной проблемой становится сохранение и улучшение среды
обитания, понимание экологических связей в природе (Саловарова, Козлов, 2001).
Знание «большой» экологии – ее теорий, законов, правил, принципов и
гипотез в рамках иерархии природных, социальных и технических систем,
6
представляющих целостное единство, убеждает в необходимости считаться с
«требованиями» Природы, носящими объективный характер в отличие от
социальных, представляющих зачастую субъективные стремления и желания
(Реймерс, 1994; Экологический манифест, 1994; Гирусов, 2013).
Несоответствие «целей» естественно-системной регуляции биосферы и
целей потребительства современной цивилизации приводит к деструкции
природных систем. При этом самовозобновляющиеся и саморазвивающиеся
природные системы, такие как почва, представляют собой как бы «вечный
двигатель», не требующий экономических вложений до тех пор, «пока степень
давления на них не превышает их возможностей к восстановлению» (Реймерс,
1994, с. 144, 145).
Современный период развития человечества представляет собой
стадию, с одной стороны, связанную с ростом антропогенных нарушений
природных систем, с другой – попыток коррекции деградационных по
отношению
к
биосфере
воздействий.
Последнее
требует
системного,
комплексного подхода к вопросам миграции химических элементов и их
соединений между организмами и средой обитания, в первую очередь, почвой,
которую в наши дни «разрушает эрозия, травит химия, душат свалки» (Реймерс,
1994). Почвенный покров Земли рассматривается, как планетарная оболочка,
биогеомембрана суши с активными биосферно-геосферными взаимодействиями,
определяющими существование самой биосферы и человечества. Отсюда
наиболее актуальная проблема – сохранение почвенного покрова планеты,
сформированного в процессе исторически длительного взаимодействия живых
организмов с неживым веществом и, как теперь подчеркивается, с бывшим
живым веществом, что расширяет концептуальные разработки экологических
проблем, позволяет по-новому рассматривать типологию веществ в биосфере
(Остроумов, 2012б, 2012в, 2013).
7
Развиваемая д.б.н. С.А. Остроумовым идея об особой роли в биосфере
бывшего живого вещества (БЖВ, ex-living matter ELM), заключающаяся «в
функции кондиционирования, очищения и стабилизации среды обитания для
живых организмов» (Остроумов, 2012а, с. 117), может быть отнесена к экотолу,
получаемому
растительного
биотехнологическим
происхождения,
путем
впервые
из
бывшего
живого
осуществленного
вещества
отечественным
физиологом растений, д.б.н. Г.В. Лебедевым. Им же был предложен термин
«экотол» от слов «экология»1 и «толерантность»2 для класса природных
соединений, полученных в результате воздействий мико- и микробиоты на
бывшее живое вещество. Часть веществ, входящих в состав экотола, способствует
росту и развитию организмов и повышает их устойчивость к неблагоприятным
условиям среды обитания (Лебедев, 1999; Лебедев и др., 2004). В процессе
получения экотола главным требованием является строгое соблюдение аэробных
условий, т.к. в этом случае исключается появление анаэробных бактерий, которые
вызывают брожение, частично сопровождающееся выделением фитотоксичных
органических кислот (Востров, 1989, 2003). Аэробная мико- и микробиота
помимо трансформации растительного сырья выделяет значительное число
физиологически-активных соединений. Сумма трансформированного бывшего
живого вещества (растительного сырья) и физиологически-активных соединений,
включая комплексообразователи, в терминологии Г.В. Лебедева представляют
собой экотолы, устойчивые к дальнейшему микробному разложению. Получение
экотолов может быть осуществлено, как в лабораторных условиях, так и в
Экология (греч. oikos – дом и logos учение) – взаимоотношение биоса между собой и со
средой обитания.
2
Толерантность (лат. tolerantia – терпение) – в экологии – терпимость к экологическим
факторам, находящимся в диапазоне между экологическим минимумом и максимумом
(лимитирующими развитие организмов, что и составляет пределы толерантности). В 1913 г.
В.Шелфорд сформулировал «закон толерантности» – невозможности процветания того или
иного организма при недостатке или избытке любого из факторов внешней среды, уровень
которого оказывается близким к пределам переносимого данным организмом (Одум, 1975, с.
139-142).
1
8
условиях многотонного промышленного производства, благодаря которому они
могут внести ощутимый вклад в защиту биоса от антропогенных воздействий и
все чаще наблюдаемых в природе аномальных явлений, в частности, связанных с
повышенными и пониженными температурами.
Степень разработанности темы.
До начала наших работ группой сотрудников Института физиологии
растений РАН была получена физико-химическая характеристика экотола и
изучено его влияние на ростовые процессы целого ряда сельскохозяйственных
культур. Показано, что экотол, содержащий в своем составе большое количество
физиологически-активных
соединений,
создает
условия,
повышающие
устойчивость растений к высоким и низким температурам, а также к избыточным
концентрациям (намного превышающим ПДК) тяжелых металлов (Лебедев и др.,
2004, с. 47-58, 74-80). Практически все эксперименты по изучению влияния
экотола на растения, выполненные под руководством Г.В. Лебедева, были
проведены с сельскохозяйственными растениями при выращивании их в водной
культуре. Результаты этих многолетних исследований изложены в двух основных
трудах: «Экотолы, класс природных физиологически-активных соединений»
(1999) (Лебедев, 1999) и «Экотолы. Производство и применение» (2004) (Лебедев
и др., 2004). С уходом из жизни Г.В. Лебедева в 2004 г., работы, связанные с
экотолом, были прекращены.
В
связи
с
нарастанием
экологических
проблем
мы
посчитали
целесообразным продолжить изучение экотола. В первую очередь, важно было
расширить представления о содержащихся в экотоле физиологически-активных
веществах. Теоретический и практический интерес представляло изучение
воздействия экотола, как бывшего живого вещества, на самоочищающую
способность почв и возможность использования его с целью повышения
устойчивости зеленых насаждений города к неблагоприятным условиям среды,
9
связанными с деградацией городских почв, превращающей их в урбаноземы, а
также к все чаще проявляющимся климатическим аномалиям.
Цель и задачи исследования.
Целью диссертационной работы являлось изучение воздействия экотола на
физиологическое состояние древесных саженцев при неблагоприятных условиях
среды.
В соответствии с указанной целью в диссертационной работе были
поставлены и решены следующие задачи:
1. Получить экотол в лабораторных условиях.
2. Определить наличие в экотоле биогенных аминов, их предшественников и
продуктов окислительного дезаминирования, способных активно включаться в
метаболические процессы растений и сопутствующего им биоса.
3. Определить содержатся ли в экотоле меланины, обладающие целым рядом
положительных экологических воздействий, включая сорбцию тяжелых металлов.
4. Установить, изменится ли соотношение алифатических и ароматических
структурных фрагментов в процессе длительного хранения экотола.
5. Оценить влияние экотола на рост древесных саженцев в природных условиях.
6. Сопоставить влияние экотола на подвижность распространенного поллютанта
среды свинца в почве в отсутствии и при наличии древесных саженцев.
7. Оценить воздействие экотола на физиологическое состояние древесных
саженцев различной устойчивости к антропогенным воздействиям в условиях
нормы и избытка свинца в почве на фоне экотола и при его отсутствии.
Научная новизна.
В экотоле было установлено наличие меланинов (проведено их выделение и
идентификация). Была проведена количественная оценка биогенных аминов, их
предшественников и продуктов окислительного дезаминирования. В работе
впервые изучалось воздействие экотола на древесные саженцы. Было показано
10
усиление ростовых процессов у древесных саженцев под действием экотола в
условиях засухи на примере Acer platanoides L. (клена остролистного).
Впервые
анализировалось
воздействие
экотола
в
качестве
кондиционирующего, очищающего почву вещества. Показано участие экотола в
иммобилизации свинца. Установлена различная степень иммобилизации свинца
экотолом при наличии и отсутствии в почве древесных растений. Отмечено
различие в воздействии экотола на иммобилизацию свинца древесными
саженцами лиственной − Fraxinus pensylvanica (ясеня пенсильванского), и
хвойной − Picea abies L. (ели обыкновенной), породами. На основе
экспериментальных и литературных данных установленному отличию найдено
объяснение, заключающееся в разнице типов микоризации лиственной и хвойной
пород.
Впервые оценивалось воздействие экотола при норме и избытке свинца в
почве на фотосинтез, синтез белка, активность пероксидазы на примере
представителя лиственных пород − ясеня пенсильванского.
Было прослежено воздействие экотола в условиях нормы и избытка свинца
на систему: почва растение Picea abies L. (ель обыкновенная) микобиота
(эктомикориза).
Теоретическая и практическая значимость работы.
Экотолы – пример трансформированного мико- и микробиотой бывшего
живого вещества в сумму неорганических и органических веществ, способных к
химико-биотическим взаимодействиям, что позволяет им снова вовлекаться в
биогеохимические
круговороты,
включаться
в
миграцию
элементов
для
построения почв, где сосредоточена «управляющая система» биогеоценозов и
замыкаются круговороты веществ биосферы. Отсюда важность изучения экотола
имеет как теоретические, так и практические грани.
Благодаря своей полифункциональной активности, экотол может иметь
разностороннее практическое применение. В частности, экотол может найти
11
широкое применение в плане восстановления экологических и агрохимических
показателей деградированных почв, в первую очередь, урбанизированных. Он
может быть использован во время посадки и дальнейшего ухода за саженцами
древесных лиственных пород (очевидно и кустарников) в санитарно-защитных
зонах предприятий, скверах и других местах, относящихся к зеленым зонам
города.
Методология и методы исследования.
Биология
XXI
века
продолжает
движение
по
пути
познания
закономерностей существования биоса Земли. В этом плане заслуживает
значительного внимания роль бывшего живого вещества в биосфере, в наши дни
обогащаемая новыми фактами, приводящими к новым идеям в методологии.
Д.б.н. С.А. Остроумовым предложена и обоснована новая типология веществ в
биосфере в развитие и дополнение типологии веществ, выдвинутой В.И.
Вернадским, а именно, разрабатываются представления о роли бывшего живого
вещества, способствующего толерантности живых организмов (Остроумов, 2012а,
с.
103-133).
К
таким
веществам
относятся
экотолы,
полученные
биотехнологическим путем, обладающие полифункциональным воздействием,
связанным с усилением устойчивости живых организмов к внешним факторам
среды (Лебедев, 1999; Лебедев и др., 2004). Изучению толерантности древесных
растений при концентрациях свинца в почве, значительно превышающих ПДК, а
также при повышенных температурах в зависимости от наличия или отсутствия
экотола в почве, собственно и посвящается данная работа. Для решения
поставленных экологических задач требовалось проведение экспериментальных
исследований на стыке физиологии растений, микологии, почвоведческих
дисциплин с учетом антропогенных воздействий сегодняшнего дня и природных
изменений на планете, связанных с климатической нестабильностью, в том числе
повышенными температурами, т.е. требовался системный подход. Системный
подход, как правило, используется при исследовании многоуровневых объектов.
12
В данном случае требовался анализ валового содержания и подвижных форм
свинца в почве при наличии и отсутствии в ней экотола, древесных саженцев,
нормы и избытка тяжелого металла; определение физиологического состояния
древесных саженцев различной устойчивости к антропогенной нагрузке. В
случае работы с неустойчивой к антропогенным факторам Picea abies L.
потребовалась микологическая характеристика корневой системы ели. Только
взаимосвязанный анализ данных объектов позволял охарактеризовать картину
воздействия экотола на древесные саженцы в условиях нормы и избытка свинца в
почве. В работе были использованы методы, применяемые в физиологии
растений: полевой и вегетационные методы выращивания растений; определение
ростовых параметров; фотосинтеза, в данном случае биофизического метода на
основе
импульсно-модулированного
экологических
исследований
при
флуорометра,
мониторинге
используемого
древесных
для
насаждений;
содержание белка; ферментативной активности пероксидазы, рассматриваемой в
качестве индикатора физиологического состояния растений. В образцах почв
было определено валовое содержание и подвижные формы свинца с помощью
метода атомно-абсорбционного анализа на атомно-абсорбционном спектрометре,
а также был использован метод
масс-спектрометрии для установления
количественного содержания свинца в корнях и хвое Picea abies L., применяемый
в экологических исследованиях при оценке состояния зеленых насаждений,
находящихся в сложных экологических условиях. Определение плотности
корневых окончаний и количественных характеристик микориз требовало
освоения самостоятельного направления в биологии, связанного с изучением
микориз – микологии и целого арсенала сведений и навыков работы с
микоризованными корнями под микроскопом.
Для расширения представлений о природе самого экотола был использован
метод
инфракрасной
спектрометрии,
давший
возможность
получить
сравнительную характеристику инфракрасного спектра экотола и гуминовой
13
кислоты, выделенной из почвы. Метод высокоэффективной жидкостной
хроматографии (ВЭЖХ) в сочетании с количественной детекцией обнаружения
определяемых веществ позволил установить в экотоле наличие биогенных
аминов, их предшественников и продуктов окислительного дезаминирования. Для
установления в экотоле наличия меланинов был проведен целый арсенал
идентификации
меланиновых
пигментов.
Анализировались
спектрофотометрические измерения, элементный состав и парамагнитные
свойства. Содержание ароматических и алифатических фрагментов в экотоле
длительного хранения осуществляли методом ЯМР-спектроскопии.
Статистическую
обработку
полученных
результатов
проводили
с
использованием программы Microsoft® Excel 2007.
Положения, выносимые на защиту.
1. Экотол,
полученный
в
результате
биотехнологической
конверсии3
растительного сырья (соломы пшеницы), способствует улучшению состояния
древесных саженцев лиственных пород, увеличивая их толерантность к
неблагоприятным условиям среды.
2. Экотол представляет собой продукты не только распада, но и синтеза
органических
веществ,
осуществляемого
грибами
и
микроорганизмами,
участвующими в деградации растительного сырья. При переработке бывшего
живого вещества грибы и микроорганизмы выделяют в среду целый арсенал
физиологически-активных соединений, в том числе меланины и биогенные амины
и их предшественники. Отсюда полифункциональность экотола.
3. Экотол усиливает ростовые процессы древесных саженцев лиственных пород
в условиях засухи.
4. Экотол участвует в иммобилизации тяжелого металла свинца. Наличие
древесных саженцев лиственных пород, для которых характерна арбускулярная
3
Конверсия от лат. conversio – изменение, превращение.
14
микориза, увеличивает иммобилизационное воздействие экотола на тяжелый
металл, что сопровождается восстановлением фотосинтетического процесса и
синтеза белка.
5. Экотол в условиях избытка свинца в почве усиливает рост эктомикориз Picea
abies L., способствующих поступлению свинца из почвы в корневую систему.
6. Степень и характер воздействия экотола на растения при наличии избыточных
доз тяжелого металла в почве зависит от агрохимических свойств почвы, от
наличия в них других загрязнителей, от вида самих растений, произрастающих на
этих почвах, от типа микоризации корневой системы растений, где арбускулярная
или эктомикориза, является преобладающим симбионтом.
7. Применение экотола может быть рекомендовано при посадке древесных
саженцев
лиственных
пород
во
вновь
создаваемых
городских
зеленых
насаждениях, включая санитарно-защитные зоны предприятий, а также для
поддержания жизнеспособности уже имеющихся насаждений.
Степень достоверности результатов обеспечивалась применением в
экспериментальных исследованиях современного аналитического оборудования,
соблюдением
требований
общепринятых
методик
определений,
а
также
использованием стандартных методов статистической обработки полученных
результатов.
Личный вклад автора.
Автор самостоятельно получил использовавшийся в экспериментальной
работе экотол, самостоятельно проводил физиолого-биохимические анализы,
принимал активное участие при работе на современном оборудовании. Автор
провел обработку и интерпретацию полученных данных, участвовал в подготовке
публикаций по материалам исследований.
Апробация работы.
Материалы
диссертации
были
доложены
на:
Открытом
междисциплинарном семинаре по Биополитике Биологического факультета МГУ
15
им. М.В. Ломоносова (Москва, 2010, 2012); VI и VII Московском международном
конгрессе «Биотехнология: состояние и перспективы развития» (Москва, 2011,
2013); IX Международном симпозиуме «Новые и нетрадиционные растения и
перспективы их использования» (г. Пущино, 2011); XX, XXI, XXII и XXIII
Международных симпозиумах «Нетрадиционное растениеводство. Селекция и
генетика. Охрана биосферы. Эниология. Экология и здоровье» (г. Алушта, 2011,
2012, 2013, 2014); IX Международной научной конференции студентов и молодых
ученых «Живые системы и биологическая безопасность населения» (Москва,
2011);
Международной
интернет-конференции
«Биотехнология.
Взгляд
в
будущее» (Казань, 2012); IV Всероссийской научно-практической конференции
молодых ученых и специалистов с международным участием «Окружающая среда
и здоровье. Молодые ученые за устойчивое развитие страны в глобальном мире»
(Москва, 2012); Всероссийской научной конференции с международным участием
«Инновационные направления современной физиологии растений» (Москва,
2013); Сессии стендовых сообщений «Науки о биосфере: инновации» в рамках
секции Московского Общества Испытателей Природы (МОИП) (Москва, 2014).
Публикации.
По
материалам
диссертационного
исследования
опубликовано 20 печатных работ, в том числе 3 статьи экологической
направленности в отечественных рецензируемых журналах из списка ВАК, а
также материалы и тезисы конференций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, обзора
литературы, главы объекты и методы исследования, главы результаты работы и
их обсуждение, заключения, выводов, списка литературы и приложения. Работа
изложена на 159 страницах, из них 149 страниц основного текста. Работа
содержит 19 рисунков и 7 таблиц. Список литературы включает 232 источника, в
том числе 190 на русском языке и 42 на иностранных языках.
Благодарности. Автор выражает искреннюю признательность к.т.н. С.Д.
Терешкиной за постоянное внимание к работе и моральную поддержку на всех ее
16
этапах; д.б.н. А.В. Олескину за формирование биополитического мировоззрения,
базирующегося на биоцентризме, помощь при определении нейромедиаторов и
активное обсуждение их роли в метаболических процессах; д.б.н. С.А.
Остроумову за проявленный интерес к экотолу с позиции рассмотрения экотола,
как бывшего живого вещества в биосферных процессах, связанных с
поддержанием жизни; Н.Г. Лебедевой за помощь при организации получения
экотола в лабораторных условиях; д.х.н. В.П. Варламову и к.б.н. В.П. Курченко за
возможность установить в экотоле наличие меланиновых пигментов; д.х.н. Г.А.
Калабину за критические замечания при обсуждении материала и помощь в
расширении экспериментальных данных с применением метода ЯМР; научному
сотруднику В.А. Ивлеву, принявшего участие в получении данных на основе
использования ЯМР-спектроскопии; к.б.н. Т.П. Юриной за организацию и участие
в проведении работ на территории УО ПЭЦ МГУ Чашниково; д.б.н. Т.Е.
Кренделевой, предоставившую возможность работы на кафедре биофизики МГУ
и помогшей в освоении метода определения флуоресценции хлорофилла в коре
древесных побегов; к.м.н. В.С. Кудрину, благодаря которому была проведена в
экотоле количественная оценка биогенных аминов методом высокоэффективной
жидкостной хроматографии с электродетекцией; к.б.н. М.М. Карпухину за
помощь в определении валового содержания и подвижных форм свинца в почве, а
также в определении свинца в корневой системе и хвое ели обыкновенной; к.б.н.
В.В. Демину за содействие в проведении анализа экотола методом инфракрасной
спектроскопии и помощь в расшифровке результатов; к.б.н. Е.Ю. Ворониной за
ценные консультации по вопросам микологии. Автор выражает особую
благодарность своему научному руководителю к.б.н. Е.Р. Карташовой за
посвящение в биологические науки и философские аспекты экологии, а также за
предложенную ею тему и помощь на всех этапах работы.
17
ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
1.1.
Роль почвенного покрова Земли в биосфере
Почвенный покров Земли рассматривается как незаменимая планетарная
оболочка, без которой невозможно существование биосферы и общества. В
последние
десятилетия
Международным
обществом
почвоведов
(МОП)
расширяются исследования «состояния почв во времени и пространстве»,
представляющие
эволюционно-географо-генетическое
направление,
в
американской научной литературе обозначаемое как «pedology», в результате
которого складывается учение о педосфере (от греч. pedon грунт и sphaira
шар) как особой земной оболочке – биогеомембране суши с активными
биосферно-геосферными взаимодействиями (Добровольский, Никитин, 1990;
Добровольский, Никитин, 2000; Никитин, Сабодина, 2003; Таргульян, Горячкин,
2008).
Основными глобальными экологическими функциями почв являются:
Атмосферные –
поглощение и отражение солнечной радиации;
регулирование газового режима и влагооборота между почвой и
атмосферой;
поступление в атмосферу микроорганизмов и твердого вещества.
Литосферные –
передача аккумулированной солнечной энергии в глубокие слои
литосферы;
поставление веществ для минералов и полезных ископаемых;
преобразование верхних слоев литосферы и сорбция их загрязнителей,
защита верхних слоев литосферы от водной и ветровой эрозии.
18
Гидросферные –
трансформация почвой поверхностных вод в грунтовые;
участие
почвы
в формировании
речных
стоков
и
влияние
на
биопродуктивность водоемов;
сорбция загрязнителей акваторий.
Общебиосферные и этносферные –
среда обитания основной массы биоса (живого вещества планеты),
источник элементов питания в биогеоценозах, основа для устойчивого
функционирования природных и антропогенных экосистем;
планетарный
круговоротов
узел
веществ,
связей
–
биологического
обуславливающее
нормальное
и
геологического
функционирование
биосферы, включая этносферу, фактор биологической эволюции;
место для поселений человечества, причина этнической мозаичности
антропосферы, основа развития социосферы: промышленных и дорожных
объектов,
основа
для
воспроизводства
сельскохозяйственного
и
лесохозяйственного сырья;
обеспечение функционирования «бактериального фильтра», окисляющего
углеводороды, поступающие из подземной атмосферы, главным образом над
месторождениями нефти и газа.
Приведенный материал, основанный на работах в основном российской
почвоведческой школы, позволяет увидеть в почвенном покрове Земли оболочку,
без которой невозможно само существование биосферы (Добровольский,
Никитин, 1990; Добровольский, Никитин, 2000; Никитин, Сабодина, 2003).
«Почва – «нервный центр» биосферы, ее следящая и управляющая система»…Это
«не мертвый грунт, а «живая кожа» планеты». Следует лишь добавить, что кожа
эта шагреневая: вместе с сокращением почвенного покрова сокращается и жизнь
человечества» (Тюрюканов, Федоров, 1966, с. 282).
19
Почве характерно образование вещества богатого химической энергией –
гумуса. Гумус определяет уникальное свойство почв, названное плодородием.
Плодородие почв и качество пресной воды в значительной степени зависят от
количества гумуса почвы, этого важного, универсального буферного ресурса
планеты, созданного мико- и микробиотой Земли за 3,5 млрд. лет. Гумус не может
существенно прибавиться даже в масштабе тысячелетий. «Очистительный
потенциал» гумуса очень велик – он составляет 1 тонну биогенного вещества на 4
тонны гумуса почвы за год (Коцарь, Коцинский, 2013).
Гумус иммобилизует целый ряд экотоксичных соединений почвы, в том
числе тяжелые металлы: свинец, кадмий, цинк, медь, проявляющие сродство к
органическому веществу (Водяницкий, 2008; Xia, Bleam, Helmke, 1997).
По оценочным расчетам в Украине до 1950 г. на сельхозугодиях имелось
около 4-х млрд. тонн гумуса, а на 2000 г. его уже осталось около 2-х млрд. тонн.
Предполагается, что если и далее сохранится тенденция к его снижению, то
содержание в почвах гумуса в целом по Украине может достичь критического
значения уже в 2025-2030 годах. В близких к Украине зонах, например, в
Молдавии, в Заволжье, ряде областей черноземной зоны России содержание
гумуса в почвах также упало в 2-3 раза. Обычно в почвах не черноземной зоны
содержание гумуса составляет от 1,5-2,0 % и до 10 % в черноземах. В России
осталось около 8,0 % пахотных земель, отвечающих международным стандартам,
что
в
ближайшие
десятилетия
увеличивает
возможность
экологической
катастрофы, т.к. такой урон может стать необратимым. Снижение количества
чернозема наблюдается также в США и Китае (Назаренко, 1991; Тюрюканов,
Федоров, 1966; Гоготов, 2002; Коцарь, Коцинский, 2013; Иванов, 2012).
Гумус представляет собой систему гумусовых веществ, компонентами
которых являются молекулы органической (биогенной) и неорганической
(абиогенной)
природы.
Их
объединение
(«самосборка»)
приводит
к
формированию очень больших частиц, представляющих собой диссипативные
20
органоминеральные системы, которые, как и все природные открытые системы,
обладают способностью самовосстанавливаться (Дергачева, 1984, 1989, 2008). В
настоящее время гумусовые вещества рассматривают как супермолекулярные
системы – ассоциации ряда химических частиц, объединяемых за счет
межмолекулярных невалентных взаимодействий (Дергачева, 2008; Piccolo, 2001).
«Почвы – супербазис человечества», где чернозем, как отмечал В.В. Докучаев,
«дороже всякой нефти, всякого каменного угля, дороже золотых и железных руд;
в нем – вековечное, неистощимое русское богатство», но только это
«неистощимое богатство» человечеством расточительно растрачивается (цит. по:
Тюрюканов, Федоров, 1966, с. 282).
Почва
в
наши
дни
подвергается
активной
деградации,
особенно
урбанизированная (Современные проблемы загрязнения почв, 2007). В почвы
индустриальных и прилегающих к ним ландшафтов с атмосферными осадками,
выхлопными
газами,
отходами
производства
и
потребления,
а
также
многочисленными стоками поступают значительные количества различных
токсичных веществ и соединений. Для урбанизированных почв характерно
изменение физико-химических свойств, что, в свою очередь, нарушает экологию
почвенной мико- и микробиоты, приводит к уменьшению их видового
разнообразия с одновременным доминированием отдельных видов, большей
частью патогенных (Артамонова, 2002; Марфенина, 2005). Основной вклад в
загрязнение
почвенного
покрова
как
сельскохозяйственных,
так
и
урбанизированных территорий вносят различные тяжелые металлы, которые
накапливаясь в почве, не только пагубно влияют на ее микробиоценоз и
произрастающие на этой почве растения, но также через систему: почва –
растения способны попадать в организм человека (Гордеева, Белоголова, 2007). В
результате попадания тяжелых металлов в организм человека ухудшается
здоровье населения, причем не только физическое, но и эмоциональнопсихологическое. Так, в работах американского биополитика Р. Мастерса
21
установлена тройственная корреляция между: загрязнением среды обитания
тяжелыми металлами (свинцом, марганцем, кадмием), снижением активности
серотониновой и дофаминовой систем мозга под влиянием этих металлов и
количеством импульсивных преступлений. Эта связь остается статистически
значимой при учете всех других многочисленных, влияющих на преступность,
социальных факторов, таких как плотность населения, его социоэкономический
статус, уровень дохода и других (Masters, 2001).
1.2.
Тяжелые металлы как загрязнители почв на примере свинца
Тяжелые металлы выделяются в особую группу элементов в связи с их
способностью включаться в биологический круговорот веществ, при этом
накапливаясь в различных элементах природных экосистем и при достижении
определенных концентраций оказывая на эти элементы токсическое действие
(Экологический энциклопедический словарь, 1989; Водяницкий, 2009).
Одним из самых распространенных поллютантов среди тяжелых металлов
является свинец (Pb), широко применяемый в народном хозяйстве.
В
соответствии
с
ГОСТ
17.4.1.02-83
«Охрана
природы.
Почвы.
Классификация химических веществ для контроля загрязнения» свинец относится
к 1 классу опасности (ГОСТ 17.4.1.02-83). Однако, этот тяжелый металл считается
менее опасным элементом, чем бериллий (Ве), кадмий (Cd), ртуть (Hg) и селен
(Se), с диапазоном безвредных концентраций в почве 2-20 мг/кг (Ковда, 1985).
В России предельно-допустимая концентрация (ПДК) свинца в почве
регламентируется ГН 2.1.7.2041-06 «Предельно допустимые концентрации (ПДК)
химических веществ в почве» и составляет 32 мг/кг с учетом фоновой
22
концентрации4
2.1.7.2041-06).
(ГН
Но
существуют
и
более
высокие
ориентировочно-допустимые концентрации (ОДК), установленные в зависимости
от типа почв (ГН 2.1.7.2042-06). Так если для песчаных и супесчаных почв ОДКPb
также составляет 32 мг/кг, то для кислых (суглинистых и глинистых) ОДКPb = 65
мг/кг, а для почв близких к нейтральным и нейтральных (суглинистых и
глинистых) ОДКPb = 130 мг/кг. В литературе известны и другие нормативы.
Например, в штате Миннесота (США) значение ПДК свинца в почве – 100 мг/кг, в
городских почвах Англии – 300 мг/кг, в Канаде – 500 и 1000 мг/кг. В
Нидерландах,
где
проводились
широкомасштабные
экотоксикологические
исследования 17 тяжелых металлов, учитывающие их токсическое влияние на
почвенную биоту, норматив содержания свинца в почве составляет 55 мг/кг без
учета фоновой концентрации (Башкин, Курбатова, 2004; Водяницкий, 2011, с. 61,
62, 65; Minnesota Rules Chapter 4761.0300. Residential Lead Abatement, 1993;
Crommentuijn, Polder, Van de Plassche, 1997).
Значительная часть свинца (40-80%) идет на производство аккумуляторов и
электрических
батарей,
примерно
20%
используется
химической
промышленностью для производства тетраэтилсвинца – антидетонирующей
присадки к моторному и авиационному топливу. Около 10% свинца используется
в качестве легирующих (от лат. ligare связывать) добавок, а также в
производстве
красок,
оптики,
электротехнических
изделий,
в
качестве
радиационной защиты (Водяницкий, 2009, с. 107, 108; Каренов, 2007).
Весь добываемый свинец, так или иначе, снова поступает в почву с
отходами
металлургической
промышленности,
выхлопными
газами
автотранспорта (использующего топливо с присадкой тетраэтилсвинца) и
авиационных двигателей, а также со свалок, куда попадают использованные
Концентрация фоновая содержание веществ в почве, воздухе, воде и иных компонентах
окружающей среды, определяемое космическими, глобальными, региональными, местными
естественно происходящими процессами (Словарь терминов МЧС, 2010).
4
23
электрические аккумуляторы и другие элементы питания, краски, сплавы
металлов и т.д., но только уже в поверхностные слои почвы. В сельской
местности источником свинца являются удобрения, т.к. в составе фосфорных
удобрений содержится до 220 мг Pb/кг. Высоким содержанием свинца отличаются
осадки городских сточных вод и используемые в качестве мелиорантов5 пиритные
огарки6 (до 4500 мг/кг) (Войтович, Полев, Останина, 2002; Савич и др., 2002;
Водяницкий, 2008, с. 71; Водяницкий, 2009, с. 108). К накоплению в почве
повышенных доз тяжелых металлов, в том числе свинца, приводит длительное
использование сточных вод для орошения земель сельскохозяйственного
назначения (Rattan, Datta, Singh, 2001; Pinho, Ladeiro, 2012).
Влияние свинца на организмы, в том числе на растения, до конца не
изучено. Большинство исследователей приходят к выводу, что свинец не является
необходимым
для
роста
и
развития
растений,
угнетая
эти
процессы.
Фитотоксичность свинца зависит от многих факторов и колеблется в довольно
широком диапазоне. В частности, токсичность свинца колеблется в зависимости
от вида и сорта растений, их устойчивости. Например, при одних и тех же
условиях выращивания фитотоксичность свинца по отношению к кресс-салату
проявляется при общем содержании в аллювиальной дерновой почве более 250
мг/кг, в то время как для моркови это значение составляет более 500 мг/кг. Среди
сельскохозяйственных культур менее устойчивыми считаются злаковые, а более
устойчивыми бобовые культуры. При этом содержание свинца в растениях при
одних и тех же условиях выращивания может отличаться даже для разных сортов
одного вида сельскохозяйственных культур (Ильин, Сысо, 2001, с. 31; Убугунов,
Кашин, 2004; Лескова, Якимова, 2006; Водяницкий, 2009, с. 7; Кобринец, 2012;
Химические мелиоранты вещества, используемые для проведения мероприятий по
коренному улучшению почв с неблагоприятными химическими и физическими свойствами
(Князев, Смарыгин, 2004, с. 7).
6
Пиритные огарки ̶ побочные продукты обжига серного колчедана (пирита) при получении
серной кислоты (Лотош, 2002, с. 231).
5
24
Sharma, Dubey, 2005; Nabulo, Black, Young, 2011; Pinho, Ladeiro, 2012; Hussain et
al., 2013). Повысить устойчивость растений к воздействию свинца можно путем
предобработки семян солями данного металла, что было показано на проростках
пшеницы (Мазей, 2008).
Избыток свинца в растениях ингибирует дыхание и подавляет процесс
фотосинтеза, отрицательно влияет на гормональный обмен, структуру и
проницаемость мембран, нарушает минеральное питание и водный баланс,
снижает поступление цинка, кальция, железа, калия, марганца, магния, фосфора и
серы (Ягодин и др., 1995). Внешне токсическое действие свинца выявляется
появлением темно-зеленых листьев, скручиванием старых листьев, почернением
корневой системы (Ильин, Сысо, 2001, с. 31; Sharma, Dubey, 2005).
Свинец, содержащийся в почве, оказывает отрицательное воздействие на
почвенные микробиологические сообщества. Почвенная микробиота способна
быстро накапливать свинец пропорционально содержанию этого элемента в почве
(Ниязова, Летунова, 1981). Также способны накапливать свинец консументы,
например, земляные черви (Gish, Christensen, 1973). Токсическое действие
тяжелых металлов, в том числе свинца, проявляется в ингибировании и
блокировании целого ряда процессов метаболизма почвенной микробиоты, а
также в изменении численности и состава микробных сообществ (Левин и др.,
1989; Минеев и др., 1998). Показано, что повышение уровня содержания свинца в
почве снижает ферментативную активность микробиоты, вследствие чего заметно
возрастает накопление не полностью разложившихся органических веществ,
например, целлюлозы (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989, с. 235). Загрязнение
аллювиальных дерновых почв возрастающими дозами свинца (до 2500 мг/кг)
снижает численность аммонификаторов и денитрификаторов и вызывает почти
полную гибель нитрификаторов, при этом, не влияя на целлюлозолитическую
активность почв. Изменения в почвенном микробиоценозе под действием
тяжелого металла негативно сказываются на урожайности сельскохозяйственных
25
культур (Убугунов, Меркушева, Сосорова, 2001; Убугунов, 2003). Загрязнение
почв уксуснокислым свинцом снижало содержание микробной биомассы,
ингибировало дыхательную активность почв (Каменщикова и др., 2009). Для
нивелирования негативного эффекта свинца на биохимическую активность
почвенных микроорганизмов, а также для повышения устойчивости их сообществ
к тяжелым металлам, ряд исследователей рекомендуют увеличивать количества
органического вещества в почве (Лыков, 2004; Каменщикова и др., 2009).
Зависимость токсичности тяжелого металла от наличия сопутствующей
микобиоты показана в опытах с медью на проростках Pines (сосны),
микоризированных
Suillus
luteus
(масленком
обыкновенным)
различной
устойчивости к тяжелому металлу (Adriaensen et al., 2005). Проводимые в
настоящее время исследования по изучению использования биотехнологий для
целей фиторемедиации демонстрируют значительную роль ризосферной (от греч.
rhiza корень и sphaira область) микробиоты древесных растений на
устойчивость и накопление древесными растениями тяжелых металлов (Capuana,
2011).
Наблюдается значительная зависимость фитотоксичности свинца от
физико-химических свойств почв, в которую попадает тяжелый металл (значение
рН водной вытяжки, содержание гумуса, гранулометрический состав и т.д.). Так,
семена пшеницы не всходили на каштановой почве при внесении свинца в
концентрации 1600 мг/кг при 7 суточном выдерживании почвы с загрязнителем, а
при
30
сутках
выдерживания
наблюдалось
прорастание
семян,
что
свидетельствовало о значительном связывании свинца почвой в течение более
длительного времени. В свою очередь, в опыте с дерново-подбуром даже при дозе
свинца 3200 мг/кг наблюдалось прорастание 82 % семян при 7 суточном
пребывании свинца в почве, а при 30 суточном пребывании свинца в почве
всхожесть практически не отличалась от контрольной (Доржонова, 2013).
26
Действие одних и тех же концентраций тяжелого металла на растения в
почвах разных физико-химических свойств может зависеть от того, с какими
соединениями металл вступает в контакт, в какой химической форме находится,
какой
обладает
валентностью),
степенью
каков
окисленности
характер
(для
закрепления
элементов
металлов
с
переменной
минеральными
и
органическими носителями и др. Применяя метод EXAFS-спектроскопии7,
удалось установить, что состав форм свинца в почве варьирует в широком
диапазоне, что и объясняет различие в его биологической доступности, а значит и
токсическом действии, для растений. С применением EXAFS-спектроскопии
установлено новообразование в почвах целого ряда соединений свинца: Pb2+органических
комплексов,
Pb2+-сорбированного
на
Fe(III)-оксидах,
Pb2+-
сорбированного на оксидах марганца, плюмбоярозита и фосфатов свинца. Метод
EXAFS-спектроскопии показал, что большую роль в закреплении свинца играет
органическое вещество, которое закрывая поверхность частиц минералов,
предотвращает ими сорбцию свинца в лесной гумусированной почве. В лесной
почве на долю Pb-гуматов приходится 80 % связанного свинца, в пахотной почве
– 35 %, что согласуется с низкой гумусированностью пахотной почвы. В
загрязненных
сильногумусированных
почвах
свинец
обладает
низкой
подвижностью, за счет образования стабильных Pb2+-органических комплексов.
При этом свинец предпочтительнее хелатируется функциональными группами
ароматических колец, чем карбоксильными группами. При хелатировании свинца
функциональными группами ароматических колец формируются бидентатные
комплексы8.
В
гумусированных
горизонтах
почвы
свинец
проявляет
Метод EXAFS-спектроскопии, представляет собой расширенный анализ тонкой структуры
рентгеновского спектра поглощения (Extended X-Ray Absorption Fine Structure, EXAFS)
(Водяницкий, 2009, с. 13, 14; Зыкин, Зубавичус, 2011; Петрозаводский государственный
университет [Сайт]: кафедра физики твердого тела: EXAFS (ТСРП) – анализ тонкой структуры
рентгеновского поглощения).
8
Комплексы, в которых лиганды (от лат. ligare связывать) образуют две химические связи с
комплексообразователями.
7
27
органофильность (греч. phileo люблю) и образует с гуматами настолько
стабильные комплексы, что средний срок сохранения данного металла в
органических почвах составляет от сотен до тысячи лет. В слабогумусированных
почвах доля свинца, адсорбированного оксидами марганца и гидроксидами
железа, превышает половину валового, а органофильность свинца незначительна.
В слабогумусированных почвах свинец становится манганофилом (от лат.
manganum марганец) и сидерофилом (от греч. sideros железо) (КабатаПендиас, Пендиас, 1989, с. 229; Водяницкий, 2008, с. 27-47, 71, 72 ; Водяницкий,
2009, с. 110-115; Heinrichs, Mayer, 1977; Mаnceau et al., 1996; Morin et al., 1999;
Ostergren et al., 1999; Mаnceau, Marcus, Tamura, 2002).
Доступность свинца для растений увеличивается при добавлении в почву
комплексообразователей, в частности, этилендиаминтетрауксусной кислоты
(ЭДТА), которая образует в почвенном растворе со свинцом устойчивые
растворимые комплексы, легко поглощающиеся корневой системой растений и
затем передающиеся в наземные органы, благодаря чему происходит повышенное
накопление тяжелого металла. Например, для индийской горчицы оно достигает –
1600 мг/кг (Душенков, Раскин, 2002).
В связи с нарастающим химическим загрязнением почвенного покрова и,
как следствие, стремительной его деградацией, значительный интерес вызывает
изучение природных биогеохимических механизмов обезвреживания токсичных
веществ в биосфере (Ермаков и др., 2012, с. 103). В естественных условиях ионы
свинца, как и других тяжелых металлов, практически не подвергаются
биодеградации, они лишь «перемещаются из одного природного резервуара в
другой», взаимодействуя с живыми организмами и органическим веществом,
хелатирующими веществами, оксидами металлов почвы. Извлечение тяжелых
металлов из загрязненных почв возможно путем их связывания тканями растений
или беспозвоночных, в том числе дождевых червей, т.е. путем фиторемедиации и
вермиремедиации (от англ. phytoremediation и vermiremediation) (Edwards,
28
Arancon, 2005). Кроме того, уменьшение токсичности тяжелых металлов в почвах
может быть достигнуто за счет снижения их подвижных форм путем связывания
бывшим живым веществом (БЖВ, ex-living matter ELM), характерным как для
почвенных, так и водных экосистем, что играет решающую роль в биосфере.
Как показывают исследования д.б.н. С.А. Остроумова, именно бывшее
живое вещество вносит значительный вклад в кондиционирование биосферы, в
том числе за счет регуляции биогеохимических циклов токсических элементов
путем их связывания и детоксикации (Остроумов, 2012в, и другие работы данного
автора. См. Раздел 1.3.).
1.3.
Роль бывшего живого вещества в иммобилизации загрязнителей
биосферы
В.И. Вернадский, разрабатывая учение о биосфере, предложил типологию
веществ, включающую живое вещество, неживое вещество (косное) и биокосное,
характеризуя последнее, как созданное одновременно живыми организмами и
косными процессами (Вернадский, 1965).
Анализируя накопленные в последние десятилетия данные о химизме
биосферы, геохимической среде и факторах, воздействующих на миграцию
элементов, на их биогеохимические потоки в биосфере и на самоочищение среды
от химических загрязняющих веществ, д.б.н. С.А. Остроумов взял на себя
ответственность переосмысления типологии веществ биосферы, предложенную
В.И. Вернадским, дополнив ее бывшим живым веществом (прошедшим через
статус живого вещества), (ex-living matter – ELM), выделив его в отдельный тип
вещества в виду особой роли в биосфере, связанной, в первую очередь, с
иммобилизацией загрязнителей в водоемах и почве, что способствует равновесию
и сохранению жизни (Остроумов, 2011, 2012а, 2012б; 2012в, 2013).
29
Данный тип вещества, согласно С.А. Остроумову, включает:
органическое
вещество
пеллет,
выделяемое
почвенными
и
водными
беспозвоночными;
вещество погибших организмов;
растительную мортмассу, в том числе листовой опад, опавшую хвою, ветки и
другие компоненты (общее содержание в биосфере, по углероду, около 1,2·1018
1,6·1018 г)9;
биогенный детрит10 в водных экосистемах (общее содержание в биосфере, по
углероду около 3·1016 г)9;
растворенное в воде органическое вещество, включая экзометаболиты и
органические лиганды пресноводных и морских экосистем (общее содержание в
биосфере, по углероду – около 1·1018 г)9;
гумус (почвенный и водный);
биогенные неорганические частицы – естественные сорбенты в водных
экосистемах;
органическое
вещество
донных
отложений
Мирового
океана
и
континентальных водоемов (по приблизительным оценкам – около 1022 г
углерода)9;
лигнин11;
различные полимеры, выделяемые организмами во внешнюю среду, продукты
мико- и микробиологической переработки бывшего живого вещества и т.д.
(Остроумов, 2012а, с. 109).
Данные приведены согласно раб. (Summerhayes, Thorpe, 1996), цит. по раб. (Остроумов, 2012а,
с. 109).
10
Детрит (от лат. detritus истёртый) совокупность взвешенных в воде и осевших на дно
водоема органо-минеральных не разложенных частиц растительных и животных организмов
или их выделений (Детрит: Биологический энциклопедический, 1986, с. 175).
11
Применение лигнина, как концентратора металлов, подробно рассмотрено в работе
(Арчегова, Маркарова, Громова, 1998).
9
30
Как мы видим, бывшее живое вещество разнородно и представляет
достаточно большую суммарную массу в биосфере по углероду, на несколько
порядков превышающую общую массу живого вещества.
Выделение бывшего живого вещества в отдельный тип обосновывается
наличием определенных критериев, характеризующих и отличающих данный тип
вещества от других, а именно:
- отличие от живого и от неживого вещества;
- достаточно большая суммарная масса;
- наличие специфики выполняемых этим веществом функций в биосфере;
- существенная роль в геохимической среде.
Реально наблюдаемое в природе бывшее живое вещество в большинстве
случаев имеет комплексную природу и является результатом многих процессов,
осуществляемых в том числе мико- и микробиотой. Как замечает С.А. Остроумов,
в определенных случаях границы между бывшим живым веществом и биокосным
размыты, в связи с чем, затруднительно провести между ними четкое различие,
остается лишь отметить их признаки. С течением времени вполне возможен
переход бывшего живого вещества в другой тип. Например, бывшее живое
вещество может превратиться в биокосное вещество или в косное вещество –
минерал.
Еще раз подчеркнем, особенность бывшего живого вещества заключается в
спицифике выполняемых им функций, в первую очередь, связанной с
кондиционированием биогеохимической среды на Земле, с защитой биоса.
Бывшее живое вещество «вносит существенный вклад в иммобилизацию ряда
химических элементов, в снижение их биодоступности, частичное торможение
или прерывание циркуляции этих элементов в геохимической среде». Как
отмечает С.А. Остроумов, в некоторых случаях живое вещество, создавая для
себя благоприятные условия, воздействует на косное вещество биосферы не
прямо, а посредством бывшего живого вещества.
31
Многочисленные данные демонстрируют связывание бывшим живым
веществом опасных экотоксикантов. Показано связывание ряда тяжелых металлов
и редкоземельных элементов биогенным детритом, биомассой и мортмассой ряда
видов растений. Анализ обширной информации, полученной при изучении форм
тяжелых
металлов
абсорбционной
и
металлоидов
спектроскопии,
в
почвах
позволил
методами
установить
рентгеновской
ведущую
роль
органического вещества почв в иммобилизации ряда токсичных химических
элементов, таких как цинк, свинец, медь, кадмий и ртуть. Существуют данные о
связывании загрязняющих веществ, в том числе металлов, с донными осадками,
мортмассой одноклеточных зеленых водорослей, сфагновым и другими видами
торфа, верхним слоем почв. Эффективно связывая токсичные химические
элементы, бывшее живое вещество выполняет существенную роль в регуляции
миграции этих элементов в биосфере, за счет чего достигается формирование
благоприятной геохимической среды обитания для живых организмов. Таким
образом, бывшее живое вещество активно вовлечено в «обслуживание интересов»
живых организмов, что и дало основание выделить его в особый тип, отличный от
биокосного и косного веществ (Остроумов, 2011, 2012а, 2012б, 2013).
Сегодня, учитывая значимость экологического состояния почв для планеты
Земля, человечеству необходимо попытаться скорректировать нарушения,
имеющие место в глобальных циклах химических элементов, поддерживающих
целостность и стабильность биосферы. Биогенная миграция химических
элементов «стремится к максимальному проявлению в определенных пределах,
соответствующих гомеостазу12 биосферы как основному свойству ее устойчивого
развития» (Вернадский, 1994, с. 330). Биотехнологии с использованием бывшего
живого вещества, принимающего активное участие в биогенной миграции и
Гомеостаз (от греч. homoios подобный и stasis неподвижность) саморегуляция,
способность открытой системы сохранять постоянство своего внутреннего состояния
посредством
скоординированных
реакций,
направленных
на
поддержание
динамического равновесия (Википедия [Сайт]: Гомеостаз).
12
32
иммобилизации
воздействие,
химических
элементов,
поддерживающее
биотехнологического
могут
сохранение
восстановления
оказать
положительное
биосферы.
экологических
и
В
плане
агрохимических
показателей деградированных почв, особенно урбаноземов, на наш взгляд,
заслуживают наибольшего внимания биотехнологии, связанные с применением
компостов, вермикультур, гуминовых и бакто-гумусовых препаратов и экотолов.
Рассмотрим преимущества данных источников биологически-активных веществ с
экологических
позиций
в
свете
их
возможностей
решения
локальных
практических задач.
1.3.1. Компосты, вермикультивирование, гуминовые и бактогумусовые препараты
В
наши
современных
дни
агро-
для
и
совершенствования
биотехнологий,
экосистем
основу
предлагается
которых
ряд
составляет
компостирование, вермикультивирование и получение различных биогумусовых
препаратов. Каждая из указанных технологий способствует оптимизации
гумусного состояния почв. Гумусный фон почв, как мы уже подчеркивали, это
итоговый результат длительных (столетия и тысячелетия) разнообразных
процессов, связанных не только с разложением, но и синтезом соединений,
осуществляемым мико- и микробиотой, а также результат консервации бывшего
живого вещества растительного, животного и микробного происхождения
(Игонин, 1995).
Компостирование получение органического удобрения путем разложения
мико- и микробиотой, а также насекомыми и червями, различных органических
веществ, таких как листовой опад, пищевые отходы, навоз, торф, древесина и т.п.
На начальных стадиях микробиологического процесса разложения в органической
33
биомассе доминируют мезофильные13 бактерии и грибы. Далее компостируемая
биомасса нагревается свыше 50 °С, что ведет к гибели мезофиллов и активному
размножению
термофильных14
микроорганизмов,
главным
образом
актиномицетов. После того, как процессы разложения органического вещества
замедляются и температуру приготовляемого компоста снижают, вновь начинают
доминировать
мезофильные
бактерии
и
грибы.
Созревший
компост
характеризуется высоким микробиологическим разнообразием, в несколько раз
превышающим по разнообразию состава и количеству микробиологические
сообщества плодородных почв (United States Environmental Protection Agency
[Website]: Publications: Analysis of Composting as an Environmental Remediation
Technology: Chapter 1. The Composting Process, 1998). При компостировании в
перерабатываемой органической массе образуются стабильные гумусовые
соединения, повышается содержание доступных растениям форм азота, фосфора
и других питательных элементов, обезвреживается патогенная микробиота и яйца
гельминтов (Википедия15 [Сайт]: Компосты). Применение компостов обогащает
почву гумусом и активизирует ее биологическую активность (Дубенюк, 2014).
Компосты на основе листового опада древесных культур позволяют максимально
вовлечь в биологический круговорот отчуждаемые с листвой питательные
элементы в целях воспроизводства плодородия городских почв и охраны
окружающей среды от загрязнения органическими отходами (Постановление
Правительства Москвы от 17.06.2008 г. N 514-ПП: Приложение 2). Помимо
восстановления и повышения плодородия городских и сельскохозяйственных
Мезофилы организмы, лучше всего растущие при умеренной и повышенной температурах
обычно между 20 °C и 45 °C (Википедия [Сайт]: Мезофилы).
14
Термофилы организмы, живущие при относительно высоких температурах свыше 45 °C
(Википедия [Сайт]: Термофилы).
15
Википе́дия (англ. Wikipedia) свободная общедоступная мультиязычная универсальная
интернет-энциклопедия, расположенная на интернет-сайте: http://www.wikipedia.org. Название
энциклопедии образовано от английских слов wiki (вики, технология, лежащая в основе
функционирования сайта; в свою очередь слово заимствовано из гавайского языка, в котором
оно имеет значение «быстро») и encyclopedia (энциклопедия).
13
34
земель, компосты используются также в целях их ремедиации от загрязнений
тяжелыми металлами (United States Environmental Protection Agency [Website]:
Publications: Analysis of Composting as an Environmental Remediation Technology:
Chapter 4. Potential for reclamation of mine spoils and brownfields with compost,
1998). Органическое вещество компостов образует с ионами тяжелых металлов
органоминеральные соединения различной природы за счет чего достигается
иммобилизация тяжелых металлов (Дабахов, Дабахова, Титова, 2005). Для
восстановления деградированных почв используются торфо-навозные компосты,
компосты на основе птичьего помета, осадков сточных вод (ОСВ), органической
фракции твердых бытовых отходов (ТБО) и т.п. Однако, современные технологии
компостирования не позволяют избавиться от значительного количества солей
тяжелых металлов в биомассе ОСВ и ТБО, поэтому применение компостов на их
основе с целью улучшения качества городских и сельскохозяйственных почв в
настоящее время ограничено. На практике при ремедиации загрязненных почв с
помощью
внесения
компостов
в
их
состав
включаются
различные
вспомогательные добавки. Например, имеет место добавление фосфогипса16 и
простого суперфосфата17 к перегною навоза крупного рогатого скота, что
позволяет снизить содержание подвижных форм тяжелых металлов примерно на
60-70 % (Способ очистки черноземных почв, загрязненных тяжелыми металлами:
пат. 2492944 Российская Федерация: МПК В 09 С 1/00, А 01 В 79/02). Внесение в
почву обогащенного фосфогипсом и глауконитом18 компоста на основе птичьего
Фосфогипс крупнотоннажный отход производства минеральных удобрений, в основном
содержащий двуводный гипс и многочисленные примеси. Отвалы фосфогипса занимают
значительные земельные площади, при этом загрязняя почву и водоносные слои вредными
растворимыми соединениями фтора, фосфора и другими примесями (Скайград [Сайт]).
17
Суперфосфат смесь Ca(H2PO4)2·H2O и CaSO4, получаемая из природных фосфатов (апатита
и фосфорита) или апатитового концентрата путем обработки их серной кислотой. Суперфосфат
наиболее распространенное простое минеральное фосфорное удобрение (Большая советская
энциклопедия, 1976).
18
Глауконит (от греч. glaukos голубовато-зелёный) минерал, водный алюмосиликат железа,
характеризующийся непостоянным и сложным химическим составом. Применяется в качестве
16
35
помета способствует значительной инактивации (от англ. inactivity – бездействие)
тяжелых металлов (Юркова, 2012). Высокую степень очистки городских почв от
нефтепродуктов и тяжелых металлов осуществляет торфо-пометный компост, в
состав которого помимо различных витаминов и фитогормонов включаются
штаммы
фосфатрастворяющих,
азотфиксирующих
и
калийразлагающих
почвенных бактерий (АГРОТЕХ [Сайт]; НПО «ПИКСА» [Сайт]).
Важным подходом для увеличения плодородия почв является практически
безотходная технология, осуществляемая посредством переработки органических
отходов сельского хозяйства и животноводства, а также свалок с помощью
дождевых червей, получившая название вермикультивирование. В природе
дождевых червей насчитывается более 3000 видов, но только 8-12 видов
разводятся в искусственных условиях. Для вермикультивирования в средней
полосе России наиболее пригоден «Оболенский гибрид», представляющий гибрид
«Красного калифорнийского червя» с компостным червем местной популяции
(Гоготов, 2002). Оптимальной температурой для них является 23 °С при
кормлении и 19 °С при размножении. При температуре 32 °С они перестают
питаться, а при температуре выше 36 °С они гибнут. Для размножения червей
необходимы аэрация и влажность субстрата 80-85 %. Внутренняя поверхность
стенок кишечника червей служит местообитанием ряда родов бактерий и
дрожжей, участвующих в разложении пищевых полимеров (Третьякова, Бызов,
Добровольская, 1992; Бызов и др., 1993). При образовании вермикомпостов черви
регулируют биомассу мико- и микробиоты, участвующую в разложении бывшего
живого вещества. Показано, что процесс вермикультивирования значительно
снижает в исходном субстрате содержание тяжелых металлов и органических
загрязнителей, таких как полихлорированные бифенилы, хлорорганические
инсектициды и нефтепродукты (Касатиков, 2002; Edwards, Arancon, 2005).
удобрения для почв в связи со значительным содержанием окиси калия (Большая советская
энциклопедия, 1971).
36
Помимо очищения перерабатываемых субстратов от устойчивых в естественных
условиях загрязнителей, черви способны нейтрализовать содержащихся в
субстратах патогенов, при этом стабилизируя баланс и усиливая активность
полезной микробиоты (Sinha et al., 2010). Вермикомпосты, состоящие на 70-80%
из гумифицированного материала, могут рассматриваться как источники
гуминовых препаратов. Для вермикомпостов характерно значительное улучшение
функционирования системы: почва мико- и микробиота – растение (Титов,
2011). Вместе с тем, в образцах биогумуса и почвогрунтов, выпускаемых на
основе вермикультивирования, часто наблюдается превышение влажности, что
приводит
к
развитию
процессов
нитрификации
вследствие
накопления
подвижной нитратной формы азота. А в образцах, имеющих повышенную
плотность
почвенного
грунта
отмечаются
процессы
денитрификации
и
накопления аммиачного азота в количествах, вызывающих гибель проростков
целого ряда растений (Гоготов, 2002).
Большую
значимость
для
восстановления
почв
имеет
применение
непосредственно гуминовых препаратов. Гуминовые вещества19 участвуют в
структурообразовании почв, регулировании геохимических потоков металлов в
почвенных экосистемах, накоплении питательных элементов в доступной для
растений
форме.
Промышленные гуминовые
препараты,
получаемые
из
природных ресурсов (в основном бурого угля, торфа и донных отложений –
сапропелей), в значительной степени наследуют свойства гуминовых веществ
исходного сырья и поэтому по функциональной активности действуют как
мелиоранты и препараты для детоксикации, ремедиации и рекультивации
нарушенных почв, а также стимуляторы роста растений. Взаимодействие
Гуминовые вещества подразделяют на три составляющие: гумин неизвлекаемый остаток,
не растворимый ни в щелочах, ни в кислотах; гуминовые кислоты фракция, растворимая в
щелочах и нерастворимая в кислотах (при рН < 2); фульвокислоты фракция, растворимая и в
щелочах, и в кислотах. Гуминовые и фульвокислоты, взятые вместе, называют «гумусовыми
кислотами» (Перминова, 2008).
19
37
гумусовых кислот с загрязняющими веществами коренным образом меняет
химическое и токсикологическое поведение последних в экосистемах. Очистка
загрязненных почв гуминовыми веществами происходит главным образом за счет
обезвреживания экотоксикантов при их сорбции на гуминовых матрицах и
связывания
ионов
тяжелых
металлов,
благодаря
чему
снижается
их
биодоступность для почвенных организмов и растений (Перминова, 2008;
Якименко, Терехова, 2011; Use of Humic Substances to Remediate Polluted
Environments: From Theory to Practice, 2005).
При систематическом применении гуминовых препаратов улучшается
структура почвы, ее буферные и ионообменные свойства, становятся активнее
почвенные микроорганизмы. Важным свойством гуминовых препаратов является
повышение способности растений противостоять неблагоприятным условиям
окружающей среды, таким как засуха, переувлажнение, болезни и т.д. Еще одно
преимущество гуминовых препаратов заключается в том, что они повышают
усвоение питательных веществ растениями. В связи с уникальными свойствами
гуминовых веществ и их высокой биологической активностью, проявляемой по
отношению к большей части биоса, создание и использование удобрений на
основе гуминовых препаратов является перспективным направлением, в первую
очередь в области рекультивации деградированных почв (Перминова, 2008).
С целью усовершенствования гуминовых препаратов в их состав вводят
минеральные
и
органические
добавки,
а
также
различные
штаммы
микроорганизмов. Для усиления уже имеющихся положительных свойств
гуминовых препаратов и создания новых, обладающих направленным действием,
осуществляется модификация фракционного состава самих гуминовых кислот.
Идея модификации исходного гуминового препарата из бурого угля «Экстра»
легла в основу серии экспериментальных работ (лабораторных, вегетационных,
полевых), проведенных на кафедре химии почв факультета почвоведения МГУ
имени М.В. Ломоносова. Модификация препарата заключалась в изменении
38
соотношения амфифильных фракций гуминовых веществ. В полевых опытах,
проведенных на делянках, с комплексным загрязнением почвы хлоридами,
нефтепродуктами, тяжелыми металлами модифицированный препарат, названный
«Экстра-Growth» увеличивал биомассу растений не менее чем в 30 раз по
сравнению с растениями, выращенными на контрольных, загрязненных делянках,
и почти в 2 раза по сравнению с исходным препаратом. Таким образом,
проведенные
эксперименты
подтвердили
высокую
эффективность
усовершенствованного препарата как антистрессового и стимулятора ростовых
процессов (Трофимов, Степанов, Соколова, 2011).
Активная работа по модификации гуминовых веществ ведется учеными на
химическом факультете МГУ им. М.В. Ломоносова. Так, совместно с Институтом
синтетических полимерных материалов РАН им удалось получить гуминовые
производные,
которые
способны необратимо прилипать к минеральным
поверхностям (например, песку или глинам), что предотвращает в конечном итоге
дальнейшую миграцию тяжелых металлов после их детоксикации (Перминова,
2008).
Интродукция лабораторных культур-деструктуров поллютантов в почву,
даже в составе компостов, часто не имеет успеха, вследствие вытеснения их
естественной почвенной биотой, зачастую патогенной, особенно в условиях
загрязнения
почв.
Больший
успех
достигается
путем
использования
бактериальных препаратов на основе культур почвенных микроорганизмов и
гуминовых кислот, которые способствуют длительному сохранению штаммовдеструктуров и их успешной конкуренции с аборигенной микробиотой. Полагают,
что макромолекулы гуминовых веществ сорбируются на внешней стороне
наружной мембраны (у грамотрицательных бактерий) или клеточной стенки (у
грамположительных бактерий), образуя ажурную сетку (Демин, Терентьев,
Завгородняя, 2003). В свою очередь, гуминовые вещества связывают ионы
тяжелых металлов и других загрязнителей присутствующих в почве. Таким
39
образом,
гуминовые
загрязнителей
с
Взаимодействие
кислоты
обеспечивают
детоксицирующими
гуминовых
веществ
их
«непосредственный»
почвенными
и
контакт
микроорганизмами.
почвенных
микроорганизмов
обосновывает целесообразность их внесения в почву для ее детоксикации от
различных загрязнителей (Степанов и др., 2011).
В плане восстановления деградированных почв и повышения устойчивости
организмов к неблагоприятным условиям среды не меньшего внимания
заслуживает класс природных физиологически-активных соединений экотол.
1.3.2. Экотол: получение, характеристика, влияние на
почвообразование и растения
Физиолог растений, д.б.н. Г.В. Лебедев впервые биотехнологическим путем
осуществил
получение
веществ,
значительная
часть
которых
оказывает
положительное влияние на устойчивость биологических объектов, в первую
очередь растительных, к неблагоприятным условиям среды. Этим соединениям
Г.В.
Лебедевым
был
дан
термин
«экотолы»
(см.
с.
7).
Основную
функциональную значимость экотола Г.В. Лебедев видел в наращивании
устойчивости организмов за счет расширения пределов толерантности.
Экотол образуется в результате разложения растительного материала
(бывшего живого вещества) под действием мико- и микробиоты, что собственно
является аналогом процесса, имеющего место в природе, которое абсолютно
необходимо для жизни, т.к. без этого все питательные вещества оказались бы
связанными и новая жизнь не смогла бы возникнуть (Одум, 1975, с. 41). В
процессе разложения часть веществ поглощается мико- и микробиотой, другая
выводится из клеток, переходя в среду, некоторые соединения или их фрагменты
синтезируются заново грибами и бактериями и также переходят в среду обитания.
40
Получение экотола осуществляется как в лабораторных условиях, так и в
условиях
многотонного
промышленного
производства
(Биореактор
для
разложения растительного сырья: пат. 1763478 Российская Федерация: МПК С 12
М 1/00), благодаря которому экотол может внести ощутимый вклад в защиту
биоса от антропогенных воздействий и наблюдаемых в природе аномальных
явлений, в частности связанных с повышенными и пониженными температурами
(Лебедев, 1999; Лебедев и др., 2004).
Схема биотехнологического получения экотола проста. В основе ее лежит
разложение бывшего живого вещества в водной среде в аэробных условиях микои микробиотой (рис. 1.1).
Размельченное
растительное
сырье
(солома, листья и др.)
Вода1
Воздух2
Бактерии и грибы (из
окружающей среды)
Вход
Ёмкость
(биореактор) с
размельченным
растительным
сырьем и
культуральной
жидкостью, а
также активно
функционирующая
мико- и
микробиота,
находящиеся в
аэробных условиях
Экотол – сумма
неорганических и
Выход
органических
веществ
Рис. 1.1. Схема получения экотола в результате биотехнологической конверсии
Примечания:
1. Вода заполняет 1/2 объема вращающегося биореактора или 3/4 емкости в случае
лабораторной установки.
2. Воздух под давлением постоянно поступает в биореактор, из которого затем
стравливается. В лабораторных условиях на дно емкости помещается распылитель воздуха, с
помощью шланга подсоединенный к компрессору.
Вода служит важным компонентом, определяющим функциональную
деятельность мико- и микробиоты. Она служит растворителем для метаболитов,
41
поддерживает клеточный тургор, обусловленный гидростатическим давлением,
обеспечивает
гидратацию
клеточных
компонентов.
Для
работы
следует
использовать воду, отвечающую требованиям СанПиН 2.1.4.1074-01 (СанПиН
2.1.4.1074-01). В такой воде должно содержаться не более 1,2 мг/л хлоридов, 500
мг/л сульфатов, 0,03 мг/л свинца, 1,0 мг/л меди, общая жесткость не должна
превышать 7 мг-экв./л, а сухой остаток не должен превышать 1000 мг/л. Путем
аэрирования
восполняются
запасы
кислорода
в
среде
культивирования,
необходимого для роста и развития аэробных культур. Кроме того, это
способствует удалению из среды отходящих с воздухом газообразных продуктов
обмена мико- и микробиоты (Саловарова, Козлов, 2001).
Мико- и микробиота, разлагающая растительное сырье, заслуживает
особого внимания, так как является главным участником, осуществляющим
конверсию веществ растительной биомассы. Из литературы известно, что в
процессе разложения бывшего живого вещества (соломы, листового опада и пр.)
значительную
роль
выполняют
дрожжи,
которые
выступают
в
роли
биосинтетиков липидов, полисахаридов и других соединений, участвующих в
формировании водопрочных почвенных агрегатов и, как полагают, в образовании
гуминовых веществ. Помимо дрожжей в распаде бывшего живого вещества
участвуют
бактерии
и
целый
ряд
мицелиальных
грибов.
Переработка
растительного сырья носит конвейерный характер, который определяет ход
сукцессии мико- и микробиоты. Для бактерий это: псевдомонады, бациллы,
актиномицеты, олиготрофные бактерии. Для микобиоты: целлюлолитики,
лигнинразрушающие грибы и др. (Чернова, 1977; Бабьева, Зенова, 1989;
Звягинцев и др., 1994).
При получении экотола было выявлено, что в начальный период
разложения биомассы (10 дней) наблюдается накопление, а затем спад
численности бактерий и дрожжей, после чего отмечается второй всплеск
численности мико- и микробиоты, а затем снова спад. Целлюлозоразрушающие
42
организмы в течение всего периода образования экотола демонстрируют
постоянное нарастание численности, тоже отмечается и для актиномицетов
(микроорганизмов
с
некоторыми
морфологическими
признаками
грибов)
(Лебедев, 1999, с. 24-27). Актиномицеты, как полагают, имеют прямое отношение
к образованию гумуса в природных условиях20. Интенсивность процессов,
протекающих под действием мико- и микробиоты, ведущая к получению экотола,
регистрируется по выделению из культуральной жидкости углекислого газа.
Прекращение
его
выделения
позволяет
«установить
момент
окончания
биосинтеза экотола» (рис. 1.2).
Рис. 1.2. Выделение СО2 в процессе разложения соломы пшеницы
(рис. взят из раб. Лебедева, 1999, с. 25)
Различие в лигнификации исходного материала для получения экотола,
температурный режим, интенсивность аэрации и прочие внешние факторы, при
Ю. Одум рассматривает гумус как очень стойкий конечный продукт второй стадии
разложения бывшего живого вещества в природных условиях. Первую стадию разложения
бывшего живого вещества Ю. Одум обозначил как стадию образования корпускулярного
детрита, когда идет разложение таких органических веществ, как сахара, аминокислоты,
простые белки (Одум, 1975, с. 475).
20
43
которых имеет место разложение бывшего живого вещества, оказывают влияние
на время окончания процесса образования экотола.
В полученном в реакторах или лабораторных условиях экотоле мико- и
микробиота более не развивается, даже если он находится в открытом сосуде при
температуре 15-25 °С в течение ряда лет.
В работах Г.В. Лебедева с сотрудниками экотол был получен из соломы
пшеницы – основного объекта исследования, листового опада, наземной массы
овса, клевера, лекарственных растений. К исследованию физико-химической
характеристики экотола и его физиологического воздействия на растения и
животных привлекались сотрудники Института физиологии растений РАН,
специалисты в области органической химии и целый ряд других исследователей
из различных институтов и лабораторий. Было установлено, что экотол в
зависимости от объекта его получения – состава биологического сырья и участия
в его разложении мико- и микробиоты несколько различается по своим свойствам
и, следовательно, воздействием на организмы, отсюда и термин, часто
употребляемый во множественном числе «экотолы». В будущем возможно
использование того или иного растительного материала для получения экотола, в
зависимости от дальнейших целей его применения: в сельском хозяйстве,
экологии, медицине или ветеринарии (Лебедев, 1999; Лебедев и др., 2004).
Однако, еще раз подчеркнем, что экотолы, полученные из любого растительного
бывшего живого вещества при участии мико- и микробиоты включают в себя
природные
физиологически-активные
соединения
или
их
компоненты,
позволяющие представителям биоса – живого вещества планеты увеличивать
способность переносить неблагоприятные условия среды, т.е. увеличивать свою
толерантность.
Остановимся на некоторых физико-химических характеристиках экотола и
его влиянии на почву и растения, опираясь главным образом на материал,
изложенный в книгах (Лебедев, 1999; Лебедев и др., 2004). Полученный
44
биотехнологическим путем экотол представляет собой жидкость, окрашивание
которой зависит от растительного материала – источника продуктов разложения и
синтеза новых соединений, осуществляемого мико- и микробиотой в аэробных
условиях. В случае получения экотола из соломы Triticum aestivum (пшеницы) –
это темно-коричневая жидкость, которую с помощью сефадекса G2521 можно
разделить на три фракции – темно-коричневую, желтую и бесцветную. При
получении экотола из соломы Avena sativa (овса) и надземной массы Trifolium
pratense (клевера), экотол имеет желтое окрашивание и разделяется на две
фракции – желтую и бесцветную. Сухое вещество экотола, полученное на основе
соломы пшеницы, составляет 2,4 г/л, на основе соломы овса – 2 г/л, наземной
части клевера – 1,5 г/л, причем половина приходится на неорганические
соединения. На 1000 мг сухого препарата экотола, полученного из соломы
пшеницы, бесцветная фракция составляет 150 мг, столько же желтая фракция,
остальное – интенсивно-коричневая (Лебедев, 1999, с. 31, 34, 35, 70).
Использование
метода
пиролитической
масс-спектрометрии22
позволило
установить в экотоле наличие целого ряда характерных для него органических
соединений. Было отмечено, что наибольшее содержание углеводородов
приходится на алифатические соединения, содержащие незамкнутые цепи
углеродных атомов – жирные кислоты (по всей видимости, синтезированные
дрожжами) и эфиры. Ароматические циклические соединения в экотоле
представлены оксибензолами, бензолкарбоновыми кислотами, нафталинами и
Сефадексы различаются размерами частиц, а также количеством поперечных связей.
Различные марки сефадекса отличаются способностью к набуханию, на которую указывает
номер геля. Номер определяет десятикратное количество воды, которое может удержать 1 г
сухого сефадекса. Например, 1 г сефадекса G25 способен поглотить 2,5 мл воды (Шапиро, 1976,
с. 33).
22
Пиролитическая масс-спектрометрия проводилась совместно с сотрудниками кафедры
Физической и коллоидной химии ТСХА. Пирогенетическое разложение углеводородов
приводит к расщеплению их молекул, а масс-спектрометрия – позволяет установить отдельные
органические вещества пиролиза. В данной работе пиролиз осуществлялся в границах
температур + 20 – 1020 °С. Регистрация компонентов, входящих в состав экотола, начиналась
при + 40 °С с максимумом, наблюдаемым в области 430 – 490 °С.
21
45
нафталинкарбоновыми кислотами, фуранами, бензофуранами, алкилфуранами,
хинонами,
алкилпирролами,
бициклическими
и
пиридинами,
полициклическими
аминобензолами,
кислород-
и
индолами,
азот-содержащими
соединениями, нафтохинонами, лигнанами и лигниноподобными соединениями и
пр. (Лебедев, 1999, с. 68-69, 72-73). Остановимся на некоторых ароматических
соединениях, присутствующих в экотоле и играющих значительную роль в
образовании гуминовых веществ. При синтезе экотола, по всей видимости, имеет
место окисление фенольных соединений грибными фенолоксидазами до
феноксирадикалов и хинонов. В природных условиях хиноны вступают в
спонтанные
реакции
конденсации
друг
с
другом,
азотсодержащими
соединениями, углеводами, липидами и др. с образованием темноокрашенных
макромолекул – фульвокислот (ФК, ММ 0,5-5 кДа23) и гуминовых кислот (ГК,
ММ 5-100 кДа) (Заварзина и др., 2012). Гумусовые кислоты могут образовываться
также при окислительной трансформации полимеров, в основном лигнина –
полимерного фенольного соединения, в меньше степени меланинов, также
относящихся к полимерным фенольным соединениям (Орлов, 1990). Данные
процессы могут иметь место при образовании экотола и (или) при попадании его
в почву. Г.В. Лебедев полагал, опираясь на данные инфракрасной спектроскопии,
наличие в экотоле гуминовых соединений или их предшественников (Лебедев,
1999, с. 59). Мы повторили данные эксперименты, сопоставив ИК-спектры
экотола, полученного нами лабораторным путем, и гуминовой кислоты,
выделенной из почвы (см. Приложение 1, с. 151), и также склонны предполагать
наличие предшественников гуминовых веществ в экотоле. Тем более, что к
образованию гумуса имеют прямое отношение целлюлозные бактерии
актиномицеты, наличие которых обнаружено в культуральной жидкости при
Дальтон (Да) единица измерения массы атомов, молекул, равная 1/12 массы атома углерода
( С), или 1,661·10–24 г. Название дано в честь англ. физика и химика Дж. Дальтона (1766–1844)
(Микробиология: словарь терминов, 2006).
23
12
46
образовании экотола. Гумус – желто-коричневый, очень стойкий конечный
продукт разложения бывшего живого вещества (Одум, 1975, с. 475). Возможная
модель структуры гуминовой кислоты представлена на рисунке 1.3, из которого
видно, что в состав гуминовой кислоты входят ароматические структуры и
алифатические цепи, содержание и состав которых зависит от вида исходного
сырья (Одум, 1975, с. 475).
Рис. 1.3. Возможная модель структуры гуминовой кислоты24
1 – ароматические кольца, 2 – циклический азот, 3 – азотсодержащая боковая цепь, 4 –
углеводные остатки (рис. взят из книги Одума, 1975, с. 475).
Экотолу
как
любому
бывшему
живому
веществу,
присущи
комплексообразующие свойства25, что вполне логично при большом разнообразии
ароматических структур, алифатических соединений, карбоксильных групп и пр.
Добавление растворов солей различных металлов (свинца, цинка, меди, кадмия,
Гуминовую кислоту также как лигнин и меланины относят к полимерным фенольным
соединениям (Кретович, 1971, с. 152).
25
Теория комплексных соединений была предложена в 1893 году проф. Вернером и получила
название координационной теории. Согласно координационной теории в молекуле любого
комплексного соединения один из атомов, обычно положительно заряженный, занимает
центральное место и называется комплексообразователем. Вокруг него в непосредственной
близости координировано некоторое число противоположно заряженных ионов или
электронейтральных молекул, называемых аддендами или лигандами, которые образуют
внутреннюю координационную сферу соединения. Остальные ионы, находящиеся на более
далеком расстоянии от центрального иона, составляют внешнюю координационную сферу
(Глинка, 1964, с. 567-570).
24
47
кобальта, никеля, ртути, висмута, стронция) повышенной концентрации26 к
раствору экотола, приводит к выпадению металла в осадок (рис. 1.4).
Рис. 1.4. Осадок, образовавшийся после добавления экотола
к раствору нитрата свинца Pb(NO3)2 (рН равный 5 в ходе
реакции оставался постоянным)
Опыты с водной культурой подсолнечника сорта «Передовик» при наличии
в питательной среде различных концентраций Pb(NO3)2 продемонстрировали, что
в присутствии экотола растения выдерживают в 10 раз более высокие
концентрации тяжелого металла, чем при его отсутствии в питательном растворе
(Лебедев и др., 2004, с. 74-77). Другая серия опытов, проведенная с проростками
редиса, показала, что экотол защищает растения от токсичного влияния
хлористого натрия. Концентрация NaCl равная 10 г/л питательного раствора
приводила к снижению роста проростков на ~ 64 %, а при той же концентрации
NaCl в присутствии экотола уменьшение роста регистрировалось в среднем
только на 32 % (Лебедев и др., 2004, с. 80).
Экспериментальные работы, проведенные под руководством Г.В. Лебедева,
демонстрировали положительное влияние экотола на ростовые процессы
сельскохозяйственных
растений,
повышение
их
засухоустойчивости
и
морозоустойчивости (Лебедев и др., 2004, с. 47-58).
Выпадение осадка наблюдалось при следующих концентрациях тяжелых металлов в растворе
экотола: для Sr ˃ 204 мкг/мл; Zn (в составе соли ZnSO4) ˃ 218 мкг/мл и ˃ 1940 мкг/мл (в составе
соли Zn(NO3)2); Ag ˃ 572 мкг/мл; Ni (в составе соли Ni(NO3)2) ˃ 1320 мкг/мл и ˃ 1468 мкг/мл (в
составе соли NiSO4); Cd ˃ 3060 мкг/мл; Co ˃ 2040 мкг/мл; Pb ˃ 540 мкг/мл; Cu (в составе соли
CuCl2) ˃ 254 мкг/мл и ˃ 1900 мкг/мл (в составе соли Cu(CH3COO)2). При этом в контрольных
вариантах, где вместо экотола к растворам солей добавляли воду, осадок не образовывался, рН
поддерживался постоянным (Лебедев и др., 2004, с. 75).
26
48
Выявленное положительное воздействие экотола на сельскохозяйственные
растения, выращенные в условиях водной культуры, заинтересовало нас с точки
зрения возможности применения его для улучшения приживаемости и роста
древесных саженцев в условиях урбанизированных почв, для которых характерно
загрязнение тяжелыми металлами и снижение многообразия мико- и микробиоты
(Артамонова, 2002; Марфенина, 2005). С территорий городских зеленых
насаждений осуществляется вывоз листового опада, т.е. почва лишается всех тех
веществ, которые поступают в нее из бывшего живого вещества.
1.4.
Содержание древесных насаждений в городских условиях
В Российских городах, в том числе Москве, осуществляются общегородские
программы, обеспечивающие наилучшее состояние зеленых насаждений. Эти
программы с современной научно-методической точки зрения решают сложные
природоохранные проблемы современного города. Создается обоснованная
научно-методическая база для выбора наиболее верных административных и
хозяйственных решений, обеспечивающих улучшение качества городской среды
обитания за счет использования зеленых насаждений. Работы, связанные с
озеленением города, постоянно усовершенствуются, в том числе на территориях
санитарно-защитных зон предприятий, призванных снизить или скомпенсировать
воздействие неблагоприятных факторов, в первую очередь, связанных с
загрязнением воздуха. Деревья, кустарники и газоны значительно обогащают
городской воздух кислородом; поглощают вредные газы, задерживают пыли,
выбрасываемые автотранспортом и промышленными производствами; насыщают
воздух
фитонцидами,
которые
эффективно
борются
с
болезнетворными
бактериями; влияют на температурный режим и влажность воздуха; снижают
уровень солнечной радиации; значительно снижают уровень шума, в частности от
автомагистралей и аэропортов. В условиях городской среды зеленые насаждения
49
делают жизнь горожан более уютной и комфортной, а также формируют
эстетическое восприятие окружающего мира.
Правительство
Москвы,
понимая
важность
городского
озеленения,
особенно в условиях все возрастающей автомобилизации, приняло в 2013 году
масштабную программу «Миллион деревьев». Такое количество деревьев
планируется высадить на территориях столицы в ближайшие 5-10 лет
(Правительство Москвы [Сайт]: Экология: Новость от 30.07.2013: В ближайшие
5-10 лет в Москве будет высажено около 1 млн деревьев; SKYLEAF ECO TV
[Сайт]: Программа «Миллион деревьев»). Департамент природопользования и
охраны окружающей среды Москвы выпустил буклет, в котором перечислены
виды деревьев и кустарников, подобранные специально с учетом приживаемости
в условиях города. Из лиственных пород деревьев к посадке рекомендуются 29
видов, в том числе клен остролистный, ясень пенсильванский и рябина
обыкновенная, выбранные нами в качестве объектов исследования. Хвойные
породы представлены единственным видом – туей западной (Правительство
Москвы [Сайт]: Экология: Новость от 08.08.2013: Подготовлен буклет о породах
деревьев, предлагаемых для высадки в московских дворах).
Зеленые насаждения, защищая городских жителей от неблагоприятных
факторов, в первую очередь, антропогенного происхождения, сами страдают от
их влияния. Поэтому на всей территории Москвы проводятся постоянные
наблюдения, охватывающие весь спектр типов и категорий озелененных
территорий, включая молодые посадки. Постоянно собирается информация о
динамике изменений состояния зеленых насаждений и ведется статистика
приживаемости молодых древесных растений. На момент 2012 года по данным
мониторинга
состояния
зеленых
насаждений,
проведенного
по
заданию
Департамента природопользования и охраны окружающей среды г. Москвы, к
категории состояния как «хорошее», т.е. без признаков ослабления, относится
50
около 35 % деревьев и кустарников (Правительство Москвы [Сайт]: Состояние
зеленых насаждений Москвы).
Основная причина низкой приживаемости и плохого состояния древесных
растений заключается в особенностях урбаноземов, отражающих результат
техногенного воздействия. Для урбаноземов характерно повышение предельно
допустимых концентраций полиэлементного состава (почти полного спектра)
тяжелых металлов, увеличение подвижных форм ряда тяжелых металлов,
делающих их более доступными для растений, нарушение функционирования
мико- и микробиоты, гибель беспозвоночных, в первую очередь круглых червей,
резкое снижение плодородия почв, связанное с различными причинами, в том
числе переуплотненностью, процессами засоления и солонцеватостью. Как мы
отмечали, с городских почв осенью убирается и вывозится листовой опад и
подстилка (бывшее живое вещество). Все перечисленное в совокупности и
приводит к резким нарушениям природных биогеохимических круговоротов,
отмечаемых на территориях городов, и, как следствие, вызывает ухудшение
состояния зеленых насаждений. Данные аспекты находили отражение в
аналитических докладах «Состояние зеленых насаждений» по результатам
мониторингов, в научно-практических конференциях «Проблемы управления
качеством городской среды», в альманахах «Экология большого города». Все эти
материалы подготавливались ОАО ПРИМА-М и издавались издательством
Прима-Пресс-М (Состояние зеленых насаждений в Москве: Аналитический
доклад, 1998, 2001, 2004; Проблемы управления качеством городской среды,
2003, 2005, 2006; Проблемы озеленения крупных городов, 2007)
Для улучшения состояния городских зеленых насаждений и повышения их
жизнестойкости в условиях техногенной нагрузки в первую очередь необходимо
способствовать восстановлению деградированных почв (Карташова, Терешкина,
Фитискина, 2010). В плане восстановления деградированных почв важнейшим
51
звеном
является
поддержание
функционирования
почвенной
биоты
–
разнообразных беспозвоночных, мико- и микробиоты.
Растениям постоянно сопутствует симбиотическая микобиота, которой в
настоящее время уделяется пристальное внимание при изучении ее влияния на
различные
эколого-физиологические
характеристики
растений.
Микоризы
рассматриваются как эволюционно сложившиеся симбиотические ассоциации
между корнями высших растений и грибами. Более 80 % наземных растений
образуют микоризы различных типов, оказывающие значительное влияние, как на
растение-хозяина, так и на весь биогеоценоз в целом.
Показана регуляция микоризой фотосинтеза растений, улучшение водного
режима и обеспечение растения-хозяина минеральными элементами в первую
очередь фосфором и азотом, за счет увеличения зоны контакта между корнями и
почвой, а также благодаря переводу этих элементов в более доступные для
растения формы. Таким образом, наличие микоризы оптимизирует баланс
питания, повышает жизнестойкость и сопротивляемость растений к различным
болезням, стимулирует их рост. Кроме того, микоризы выполняют защитную
функцию
корневых
систем
от
патогенных
почвенных
микроорганизмов
(Воронина, 2007).
На
смену
двухкомпонентных
представлениям
системах
о
растительных
приходит
симбиозах
понимание
как
симбиозов
о
как
многокомпонентных систем, в которых помимо доминантного микросимбионта
участвует несколько ассоциативных симбионтов, играющих значительную роль в
стабильном существовании симбиоза в целом (Лобакова, 2006).
В
условиях
техногенного
загрязнения
почв
отмечается
снижение
разнообразия микробиоты. На таком фоне появляются вспышки роста патогенных
микроорганизмов, активизация чужеродной микробиоты, повышение ее влияния
на прилегающие почвы и контактирующие среды (воду, воздух) (Артамонова,
2002; Марфенина, 2005, с. 36-56).
52
Таким образом, при восстановлении городских деградированных почв, при
озеленении городов и проведении санитарно-профилактических мероприятий
пристального
внимания
заслуживает
почвенная
мико-
и
микробиота
и
современные экотехнологии, учитывающие природные закономерности развития
и функционирования биогеоценозов.
Уход
за
регламентируется
древесными
«Правилами
насаждениями
создания,
в
условиях
содержания
и
города
Москвы
охраны
зеленых
насаждений города» (далее Правила) (Постановление Правительства Москвы от
10.09.2002 г. N 743-ПП). Правила регламентируют нормы полива, внесения
минеральных и органических удобрений, стимуляторов роста, методы рыхления,
мульчирования, обрезки, а также способы лечения и защиты от вредителей и
болезней древесных насаждений и пр. В данном документе особое внимание
уделяется методам повышения жизнеспособности растений в экстремальных
условиях
городской
среды.
Для
этих
целей
предлагается
использовать
агрохимикаты – минеральные и органические удобрения, в том числе гуматы, а
также регуляторы роста. Подчеркивается, что используемые агрохимикаты не
должны представлять опасности не только для человека и животных, но также для
растений и почвенных микроорганизмов.
В
соответствии
с
Правилами
при
посадке
древесных
растений
рекомендуется применять биостимуляторы (гетероауксин, «Свентовит-БИО»,
"Биоплекс", Активит МБ и др.) и вносить в приствольный круг дерева споры
микоризообразующих грибов (препараты MycoGrow, Mycoplant Substrate и др.), а
по периметру приствольного круга комплексные удобрения, содержащие
микроэлементы помимо основных элементов питания. Действие данного
комплекса препаратов направлено на стимулирование роста корневой системы
высаженных растений и улучшение их приживаемости в послепосадочный
период. Для оптимизации корневого питания деревьев рекомендуют применять
минеральное удобрение пролонгированного действия Апион-100К, действие
53
которого рассчитано на 2 года. При этом не допускается пересыхание почвы, что
является недостатком применения препаратов пролонгированного действия, т.к. в
условиях крупного города проблематично обеспечить масштабный полив
древесных насаждений в засушливые периоды. Для улучшения структуры почв и
их водно-воздушного режима, а также для более полного обеспечения растений
элементами питания рекомендуется применять жидкое комплексное органоминеральное удобрение «Свентовит-БИО», изготовленное из экстрактов 11 видов
лечебных трав с добавкой минеральных удобрений. Разовые нормы внесения
препарата «Свентовит-БИО» составляют от 0,8 до 1,2 л на 1 дерево в зависимости
от его возраста. «Свентовит-БИО» включает лекарственные травы: одуванчик
лекарственный, ромашка лекарственная, валерьяна, тысячелистник, корень
лопуха, шалфей, лаванда, крапива и пр. В состав удобрения входят протеины,
аминокислоты, витамины и регулятор роста – гибберсиб, полученный на основе
культуры Fusarium moniliforme. Встают вопросы, с каких территорий собираются
данные лекарственные растения, в каких количествах, как идет возобновление
роста данных видов растений в природных условиях и сколько требуется для
этого времени, как при этом реагируют биогеоценозы в целом. Интересна в таком
случае себестоимость улучшения жизнеспособности и декоративных качеств
зеленых насаждений города. Нам не удалось найти ответы на данные вопросы, но
они возникают… Другое рекомендуемое удобрение для
обеспечения
городских
растений
элементами
питания
более полного
представляет
«Суперкомпост «Пикса», производимое на основе птичьего помета и торфа с
внесением
дополнительных
биодобавок.
Биодобавки
включают
в
себя
стимуляторы роста – растительные гиббереллины, химические элементы – бор и
молибден, способствующие азотфиксации, дефицитные для растений витамины
группы В, мионозит, индолилуксусные и гиббереллиновые кислоты и четыре
штамма бактерий (фосфатрастворяющие, азотфиксирующие, калийразлагающие).
Данное удобрение восстанавливает естественный процесс почвообразования,
54
положительно влияя на биологическую активность почв, повышает способность
почв к самоочистке, в том числе от тяжелых металлов (АГРОТЕХ [Сайт]; НПО
«ПИКСА» [Сайт]). Данный компост рекомендуется вносить в количестве от 1 до
20 кг/дерево 1 раз в 2-3 года. Также в целях повышения жизнеспособности и
устойчивости растений в условиях города рекомендуется применять жидкое
удобрение «Биуд» продукт переработки коровяка, свиного и конского навозов и
других органических отходов, путем сбраживания органической смеси в
биореакторах при анаэробных, термофильных условиях (температура + 42-57 °С)
метановой среды (БИУД [Сайт]). Нормы расхода данного жидкого органического
удобрения – от 3 до 9 л/дерево с кратностью внесения 1-2 раза в год. С целью
улучшения приживаемости деревьев и кустарников в послепосадочный период,
повышения устойчивости зеленых насаждений к неблагоприятным условиям
окружающей среды, повышения их декоративности рекомендовано использовать
регуляторы роста растений группы ауксина и биопрепараты Активит-МБ и
Витаминный биокомплекс в объеме от 5 до 20 мл/дерево 1 раз в год.
Все вышеприведенные рекомендации показывают, что на государственном
уровне осознается важность восстановления деградированных почв с целью
повышения
жизнеспособности
и
устойчивости
древесных
насаждений к
неблагоприятным факторам городской среды, в том числе посредством
стабилизации деятельности почвенной мико- и микробиоты.
Однако, при применении ряда препаратов, предлагаемых в настоящее время
для ухода за древесными насаждениями, может быть нарушен видовой и
количественный
состав
естественной
(аборигенной)
почвенной
мико-
и
микробиоты, изначально свойственный для этих мест, что может изменить
пространственно-временную организацию микробоценозов, которая зависит от
функций и типа экологической стратегии каждого конкретного микроорганизма,
входящего в микробное сообщество (Звягинцев и др., 1994). Внесение же
дополнительных
витаминных
комплексов может привести к дисбалансу
55
необходимых растениям и микробиоте элементов. В связи с этим, для
восстановления функционирования нарушенных биогеоценозов целесообразно,
по всей видимости, применять соединения, при получении которых используются
биотехнологии, основанные на протекающих в природе естественных процессах,
сложившихся
в
ходе
эволюции.
Такой
класс
природных
соединений,
включающий целый ряд неорганических и органических веществ, представляет
собой экотол (Лебедев, 1999). Получение экотола моделирует природный процесс
разложения растительных остатков, свойственный практически любому участку
педосферы.
56
ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
2.1. Объекты исследования
Объектами исследования являлись класс природных физиологическиактивных соединений – экотол, получаемый в результате биотехнологической
конверсии бывшего живого вещества – соломы, и саженцы древесных растений,
используемые для восстановления и создания устойчивых лесопарковых
насаждений и озеленения санитарно-защитных зон в Европейской части России.
2.1.1. Саженцы древесных растений
Для полевого опыта по выяснению воздействия экотола на растения в
природных условиях были выбраны двухлетние саженцы Acer platanoides L.
(клена остролистного), быстро вырастающие в крупные деревья. Саженцы были
выращены нами из семян на территории, принадлежащей учебно-опытному
почвенно-экологическому центру МГУ им. М.В. Ломоносова «Чашниково» (УО
ПЭЦ МГУ Чашниково). Семена клена остролистного осенью 2006 г. были
высеяны на делянку в мелкие бороздки, расположенные на расстоянии 70 см друг
от друга, по 10 шт. в каждую бороздку. Почва, на которую высевались семена,
согласно данным почвенно-экологического центра, представляет собой дерновоподзол с низким содержанием органического вещества (Сорг. – 1,5 %) и, согласно
нашим определениям, содержит валового свинца в 5 раз ниже ПДК 6,5 мг/кг.
Для вегетационных опытов по оценке воздействия экотола на древесные
саженцы в условиях нормы и избыточных концентраций свинца в почве были
взяты трехлетние растения Fraxinus pensylvanica (ясень пенсильванский), как
наиболее устойчивый к антропогенным воздействиям вид, Sorbus aucuparia L.
(рябина
обыкновенная),
которая
является
среднеустойчивым
видом,
57
рекомендуемым при групповых посадках для озеленения городов, и Picea abies L.
(ель обыкновенная), как вид, восприимчивый к загрязняющим веществам. Ель
обыкновенная
в
оптимальных
условиях
для
роста
является
породой
быстрорастущей, для нее характерна значительная пластичность. Ель быстро
изменяет свои свойства под воздействием среды, ее рост и физиологическое
состояние зависят от качества почвы, ее механического состава, влажности и
загрязненности тяжелыми металлами (Кулагин, 1974; Сенновская, 2006).
Подробнее о древесных растениях см. книгу Дмитрия Кайгородова «Беседы о
русском лесе» (Кайгородов, 2010).
Саженцы
ясеня
пенсильванского
и
рябины
обыкновенной
были
предоставлены Пушкинским питомником, саженцы ели обыкновенной –
питомником УО ПЭЦ МГУ Чашниково. При отборе саженцев ели нас
интересовало наличие микоризы на корневых окончаниях растений (рис. 2.1. А,
Б).
А. Подбор саженцев ели с учетом
наличия на корневых окончаниях микоризы
Б. Микоризованные окончания корней ели
(обозначены красными стрелками)
Рис. 2.1. Отбор саженцев ели с учетом наличия на корневых окончаниях
микоризы
2.1.2. Экотол
Расширяя
представление
об
экотоле,
его
биохимическом
составе,
анализируя функциональное воздействие экотола на ростовые процессы растений,
на подвижность тяжелого металла – свинца, находящегося в разной степени
58
связанности и поступающего в растения, мы, тем самым, рассматривали экотол,
также
как
древесные
саженцы,
с
позиции
объекта
исследования,
но
выполняющего в биосфере совсем иную полифункциональную роль, чем живое
вещество или косное вещество. Об имеющихся в настоящее время сведениях об
экотоле см. Параграф 1.3.2., с. 39.
2.2. Получение экотола в лабораторных условиях
В лабораторных условиях экотол синтезировался нами в бутыли емкостью ~
20 л. В качестве исходного растительного материала в данной работе
использовалась солома пшеницы сорта Хакасская, которая предварительно
измельчалась. Далее бутыль, с помещенной в нее соломой, заполняли отстоянной
в течение нескольких часов водой на 2/3 объема. Для того чтобы получение
экотола проходило в аэробных условиях, на дно бутыли был помещен
распылитель воздуха, с помощью шланга подсоединенный к компрессору. В
нашей работе использовался воздушный компрессор, предназначенный для
аквариума. Подготовленная к эксперименту бутыль (рис. 2.2) была помещена в
большой таз, так как в процессе разложения бывшего живого вещества имеет
место
образование
пены.
Процесс
получения
экотола
сопровождается
неприятным запахом.
Получение экотола проводилось при температуре + 20 °С ± 5 °С.
Содержимое бутыли периодически встряхивалось. Окончание пенообразования и
выделения СО2, а также отсутствие запаха, свидетельствовало о завершении
процесса, который проходит примерно за 3 месяца. Полученный препарат был
профильтрован через несколько слоев марли, после чего использовался в
экспериментах.
Показатель рН экотола, синтезированного нами, был близок к нейтральному
~ 7,5, что согласуется с данными Г.В. Лебедева (Лебедев, 1999, с. 30).
59
Рис. 2.2. Установка для получения экотола в лабораторных условиях
Состояние экотола в течение многолетнего хранения 5-7 лет при
температуре ~ 6-8 °С, несмотря на образование некоторого количества осадка, в
основном оставалось стабильным, о чем мы судили по незначительным
изменениям в суммарном составе ароматических и алифатических структурных
фрагментов, сопоставляя эти данные с аналогичными, полученными при анализе
исходного экотола после завершения процесса биотехнологической конверсии
размельченного растительного сырья (см. Параграф 3.3., с. 92), а также
сохранению в течение 5 лет в экотоле биогенных аминов, их предшественников и
продуктов окислительного дезаминирования (см. Параграф 3.1., с. 85).
60
2.3.
Определение биогенных аминов, их предшественников и продуктов
окислительного дезаминирования в экотоле
Содержание биогенных аминов, их предшественников и продуктов
окислительного
дезаминирования
в
экотоле
определяли
методом
высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) с электродетекцией на
хроматографе LC-304T (BAS, West Lafayette, США) с инжектором Rheodyne 7125.
Высокоэффективная жидкостная хроматография – микроаналитический метод,
позволяющий работать с очень малыми дозами вещества (в пределах наномоль/л).
В эксперименте использовали лиофильно высушенный экотол, 100 мг которого
растворяли в 1 мл H2O. Метод хроматографии заключается в разделении смеси на
хроматографической колонке на отдельные компоненты, после которого при
помощи детекторов проводят их идентификацию (Бауэр и др., 1988, с. 8, 10).
Изучаемые вещества разделяли на термостатируемой при 25 °С обращенофазовой колонке ReproSil-Pur, ОDS-3, 4×100 мм, размер частиц 3 мкм («Dr.Majsch
GMBH», «Элсико», Москва). Скорость элюции подвижной фазы – 1,0 мл/мин,
давление 2,0 атм. Мобильная фаза содержала 0,1 М цитратно-фосфатный буфер с
1,1 мМ октансульфоновой кислоты, 0,1 мМ ЭДТА и 9 % ацетонитрила (рН 3,0).
Сочетание высокоэффективной жидкостной хроматографии с количественной
детекцией
обнаружения
определяемых
веществ,
находящихся
в
низких
концентрациях (наноМ/л) при слабой чувствительности к примесям основных
веществ сложной смеси, которую представляет собой экотол, собственно и
позволило провести измерения биогенных аминов, их предшественников и
продуктов окисления. Сами измерения проводили на стеклоугольном электроде
(+ 0,85V) против Ag/Ag Cl электрода. Фиксируемая прибором интенсивность
измеряемого электрического тока, возникающего при контакте анализируемого
вещества с поверхностью рабочего стеклоугольного электрода, сопоставлялась
затем со стандартными растворами анализируемых веществ в заданных
61
концентрациях. Стандартные растворы биогенных аминов и их предшественников
были предоставлены нам д.б.н. А.В. Олескиным. Величины концентраций
моноаминов в опытных образцах рассчитывали, исходя из отношений высот
пиков в стандартной смеси и в исследуемом образце. Данная методика изложена в
разнопрофильных работах, где она с успехом использовалась (Кудрин,
Мирошниченко, Раевский, 1988; Яшин, Яшин, 2002; Шишов и др., 2009).
Вся работа по определению биогенных аминов, их предшественников и
продуктов окислительного дезаминирования проводилась под руководством и
при участии специалиста в области жидкостной хроматографии к.м.н. В.С.
Кудрина
(НИИ
фармакологии
им.
В.В.Закусова
РАМН,
лаборатория
нейрохимической фармакологии, г. Москва) и д.б.н. А.В. Олескина (МГУ им.
М.В. Ломоносова, Биологический факультет, г. Москва).
Определение меланинов в экотолах
2.4.
Для опытов по определению меланинов были использованы экотолы,
полученные из различного растительного сырья длительного срока хранения (7
лет), а в случае экотола, полученного на основе пшеницы, наряду с экотолом
длительного
хранения,
был
проанализирован
экотол,
непосредственно
полученный перед определением.
Для
удаления
липидов
лиофильно
высушенные
образцы
экотолов
обрабатывали смесью гексан – изопропанол (1:1) при соотношении субстратрастворитель 1:10 в течение 24 ч, и фильтровали через капроновую мембрану.
Остатки смеси растворителей удаляли на роторном испарителе при температуре
30 °С. Экстракцию пигментов проводили из обезжиренного сырья 0,1н NaOH при
45 – 50 ºС в течение 2 ч, твердый остаток отделяли фильтрованием через
капроновую мембрану. Щадящие условия выделения пигментов 0,1н NaOH и
температура, не превышающая 50 ºС, позволяли получить из образцов пигменты с
62
сохранением их структурно-функцональных свойств. Полученный фильтрат
подкисляли 1н HСl до pH 1,5, в результате чего пигмент образовывал
хлопьевидный осадок, который отделяли центрифугированием в течение 15 мин
при 10 000 g и растворяли в 0,1н NaOH. Процедуру кислотного переосаждения
проводили трижды, после чего полученный осадок растворяли в 0,01н NaOH и
диализовали против воды до нейтральной рН. Полученный препарат сушили на
лиофильной установке «Heto-Holten» (Дания).
Идентификация выделенных пигментов проводилась по традиционной
схеме, включающей комплексное исследование их растворимости, качественных
реакций на хиноны и фенолы, элементного состава, спектральных свойств.
Одним из критериев отнесения пигментов к меланинам является их
неспособность растворяться в органических растворителях и воде в сочетании с
растворимостью в щелочных растворах. Экстрагированные пигменты не
растворялись в большинстве органических растворителей: этаноле, изопропаноле,
гексане, петролейном эфире, но растворялись в воде, диметилформамиде,
концентрированных азотной и серной кислотах и щелочных растворах.
Качественные
реакции
показали,
что
водные
растворы
пигментов
обесцвечивались H2O2, а в присутствии KMnO4 изменяли окраску с коричневой на
зеленую с последующим выпадением осадка.
Добавление FeCl3 приводило к
выпадению осадка, который растворялся в присутствии избытка FeCl 3. Такое
поведение исследуемых пигментов характерно для меланинов и свидетельствует о
присутствии в их структуре хиноидных и фенольных компонентов.
Спектрофотометрические измерения проводили на приборе марки «Cary 50
Bio» (Австралия) с использованием кварцевых кювет (l = 1см). Спектры
поглощения пигментов имели вид пологих кривых с постепенным уменьшением
оптических плотностей по мере возрастания длин волн от 200 до 600 нм, что
характерно для всех меланинов независимо от происхождения.
63
Данные
по
элементному
составу
позволили
оценить
простейшие
структурные параметры − атомные соотношения элементов. В исследуемых
образцах содержание N колебалось от 0,79 % до 2,23 %, содержание С от 16,15 %
до 29,14 %, Н от 2,16 % до 4,23 %. Содержание О рассчитывали по разности
между массой беззольной навески и суммарным содержанием С, Н, N,
выраженным в весовых процентах. Оно составляло от 19,82 % до 35,6 %.
Коэффициент Н/С был рассчитан из соотношения атомных процентов и колебался
от 0,093 % до 0,145 %. Меланины представленных образцов, вероятно, можно
отнести к эумеланинам.
Важными характеристиками, определяющими физико-химические свойства,
исследуемых образцов, являются их парамагнитные свойства. Исследования
электронного парамагнетизма осуществляли на спектрометре «Varian E-112»
(США). Содержание парамагнитных центров (ПМЦ) определяли методом
сравнения
с
аттестованным
образцом
угольного
порошка
с
известным
содержанием центров. Для расчета g-факторов использовали в качестве эталона
Mn2+ в порошке MgО.
2.5.
Определение содержания в химическом составе экотола
ароматических и алифатических фрагментов
Определение содержания ароматических и алифатических фрагментов в
экотоле, полученном из соломы пшеницы, было осуществлено после его
семилетнего хранения при температуре 6-8 °С, во время которого наблюдалось
образование темно-коричневого осадка. Анализ ароматических и алифатических
фрагментов осуществляли методом спектроскопии ЯМР высокого разрешения в
Лаборатории масс-спектрометрии высокого разрешения и спектроскопии ЯМР
(ФГАОУ ВО РУДН, г. Москва) при содействии д.х.н. Г.А Калабина и сотрудника
лаборатории В.А. Ивлева. ЯМР-спектроскопия – спектроскопический метод
64
исследования химических объектов, использующий явление ядерного магнитного
резонанса,
заключающееся
в
резонансном
поглощении
или
излучении
электромагнитной энергии веществом, содержащим ядра с ненулевым спином во
внешнем магнитном поле, на частоте, называемой частотой ЯМР, обусловленное
переориентацией магнитных моментов ядер. Для метода ЯМР определяющими
являются протоны, которые в различных сочетаниях с другими атомами в
молекуле показывают различные сигналы ЯМР. Отличие такого сигнала ЯМР от
сигнала стандартного вещества позволяет определить химический сдвиг, который
обусловлен химическим строением изучаемого вещества. Группе магнитноэквивалентных ядер соответствует одна линия в спектре ЯМР, представляющий
собой график зависимости интенсивности радиочастотного поглощения от его
частоты. Анализ спектра ЯМР позволяет получить целый ряд данных о структуре
молекул, в том числе о количественном содержании ароматических и
алифатических фрагментов, т.к. спектр ЯМР не только характеризует, сколько
различных типов протонов присутствует в молекуле, но также позволяет
соотнести, сколько протонов данного типа содержится в молекуле. Так,
интегральная интенсивность сигнала в спектре ЯМР прямо пропорциональна
количеству протонов, которым соответствует данный сигнал, благодаря чему,
можно вычислить соотношение между количеством эквивалентных протонов,
дающих каждый из сигналов (Википедия [Сайт]: Ядерный магнитный резонанс;
Дероум, 1992; Крушельницкий, 2013).
Ход работы состоял в следующем: анализируемые образцы, массой 150 мг
каждый, заливали дейтерированной водой (рН = 10) объемом 1 мл, подвергали
ультразвуковой обработке в течение 1 часа, после чего отстаивали в течение
суток, затем центрифугировали в течение 5 мин при 14 000 об./мин.
Надосадочную жидкость в объеме 600 мкл каждого образца помещали в
стандартные ампулы (d = 5 мм) для регистрации спектров ЯМР. Условия
регистрации спектров ЯМР
С: 32К точек на спектр; 30 ° импульс; задержка
13
65
между импульсами 4 с; количество накоплений каждого спектра 20 000; время
регистрации спектров образцов от 26 ч до 52 ч. Сигналов ЯМР 13С обнаружено не
было, по-видимому, ввиду плохой растворимости этих образцов в воде.
Регистрация спектров ЯМР 1Н оказалась более успешной. Эксперимент
осуществлялся в двух режимах – с устранением и без устранения остаточных
сигналов протонов воды: 1Н-{1Н} и 1Н, соответственно. Было установлено, что в
спектрах присутствуют сигналы фрагментов СНар (протоны ароматических и
гетероароматических фрагментов), СНалк-О (протоны алифатических фрагментов,
соединённых с атомом О) и СНалк (протоны алифатических фрагментов,
соединённых с атомами С/N). Анализы показали, что в нашем случае при
устранении остаточных протонов воды облучаются соседние сигналы СНар и
СНалк-О, что ведет к уменьшению их относительной интенсивности, т.е.
результирующему возрастанию неподверженых облучению фрагментов СНалк.
Поэтому более точными являются результаты в условиях эксперимента ЯМР 1Н,
которые мы и рассматривали.
2.6.
Постановка полевого опыта по воздействию экотола на древесные
саженцы Acer platanoides L. (клена остролистного)
Для опыта по выявлению влияния экотола на рост древесных саженцев
были взяты двухлетние саженцы Acer platanoides L. (клена остролистного),
семена которого были высеяны в 2006 г.
Половина растений в начале и середине летних сезонов 2008 и 2009 годов
поливалась
экотолом
вокруг
стебля
(опытный
вариант),
другая
водой
(контрольный вариант) в количестве 5 мл (1 мл экотола содержал ~ 2,4 мг сухого
вещества). В 2010 и 2011 годы растения экотолом не обрабатывались.
Характеристики, связанные с ростом растений, регистрировались с августа
2008 г. по май 2012 г.
66
2.7.
Определение валового содержания и подвижной формы свинца в
образцах почв методом атомно-абсорбционного анализа
Определение валового содержания (ВС) и доступной для растений
подвижной формы (ПФ) свинца в образцах почв проводили с помощью атомноабсорбционного метода.
Данный метод использовался:
при подборе концентраций экотола, наиболее влияющих на подвижность
свинца в почве;
при анализе влияния экотола на изменение ПФ свинца в различных почвах;
при определении содержания свинца в почве после роста на ней древесных
саженцев Fraxinus pensylvanica (ясеня пенсильванского), Sorbus aucuparia L.
(рябины обыкновенной) и Picea abies L. (ели обыкновенной) в условиях нормы и
избытка тяжелого металла в почве.
2.7.1. Ход работы по определению валового содержания и
подвижных форм свинца в почвах с помощью атомноабсорбционного анализа
В основе атомно-абсорбционного анализа лежит явление поглощения света
атомами определяемого химического элемента. Атомное поглощение света
характеризуется узким интервалом спектра порядка сотых долей ангстрема, в то
время
как
молекулярное
поглощение
света,
лежащее
в
основе
колориметрического метода анализа, охватывает широкие его полосы (Иванов,
Лернер, 1970).
Работа проводилась на современном атомно-абсорбционном спектрометре с
источником непрерывного спектра ContrAA 300 (Analytik Jena AG, Германия)
согласно требованиям методики ПНД Ф 16.2.2:2.3.71-2011 «Количественный
67
химический анализ почв. Методика измерений массовых долей металлов в
осадках
сточных
вод,
донных
отложениях,
образцах
растительного
происхождения спектральными методами» (ПНД Ф 16.2.2:2.3.71-2011).
Для определения валового содержания свинца (Pb), навеску почвы массой
0,5
г
помещали
в
термостойкий
стакан
и
заливали
20
мл
смеси
концентрированных азотной и соляной кислот в соотношении 1:3. Далее
закрытый стакан с полученной смесью устанавливали в микроволновую печь, где
под действием температуры, давления и микроволнового излучения происходило
разложение почвы. После разложения, содержимое стакана количественно
переносили в мерную колбу на 100 мл. При этом объем доводился
дистиллированной водой до метки. Полученный образец помещали в прибор для
дальнейшего анализа.
Определение подвижных форм свинца (Pb2+) в почвах производили в
вытяжке с ацетатно-аммонийным буфером (ААБ), рН 4,8. Соотношение почвы к
экстрагенту (буферу) брали равным 1:10. Образец встряхивали в течение 1 ч на
ротаторе. После чего он профильтровывался и поступал на анализ.
Серии
эталонных
растворов
определяемого
элемента
готовили
из
химически чистых солей свинца.
2.7.2. Определение подвижности свинца в различных почвах при
наличии в них избыточных доз тяжелого металла и экотола
Нас интересовало влияние экотола на подвижность свинца в почве,
наиболее загрязненной, содержащей в себе множество поллютантов: бенз(а)пирен
и
прочие
загрязнители,
малозагрязненной
почве
и
почве
обогащенной
органическим веществом. Наиболее загрязненной почве, по нашему мнению,
68
соответствовали пробы почв, взятые близ МКАД27. Малозагрязненной почве
соответствовала суглинистая почва, характерная для Северо-Западной части
Подмосковья, где расположен УО ПЭЦ МГУ Чашниково, а почве, обогащенной
органическим веществом – почва, содержащая в своей основе торф.
Первоначально требовалось определение концентрации экотола, наиболее
влияющей на подвижность свинца в почве. Для данного опыта отбиралась почва
близ 70-ого километра МКАД (расстояние от дороги – 5 м), расположенного в
Северо-Западном административном округе г. Москвы с глубины ~ 5 см. Отбор,
хранение и транспортировка образцов почвы проводились в соответствии с ГОСТ
17.4.4.02-84
«Методы
отбора
и
подготовки
проб
для
химического,
бактериологического, гельминтологического анализа» (ГОСТ 17.4.4.02-84).
В дерново-подзолистой почве, взятой близ МКАДа, представляющую собой
средний суглинок, валовое содержание (ВС) Pb составляло 11,6 мг/кг, подвижная
форма (ПФ) Pb 4,6 мг/кг, рН 7,7, содержание Сорг. – 6,0 %. Для получения более
четкой картины воздействия экотола на подвижные формы свинца в образцы
почв, взятые близ МКАДа, был дополнительно внесен раствор нитрата свинца
Pb(NO3)2 с тем расчетом, чтобы конечная концентрация тяжелого металла
составляла 3ПДКPb28 с учетом его фоновой концентрации. Затем в высушенную
при комнатной температуре и перемешанную почву вносили различные
количества: от 2,5 мл до 20 мл экотола29 на 100 г почвы, при этом общий объем
Экологический мониторинг территорий, прилегающих к крупным автомагистралям г.
Москвы, в том числе и Московской кольцевой автомобильной дороге (МКАД), выявил
превышения содержания в почвах средних концентраций бенз(а)пирена, хлоридов,
водорастворимого натрия и кальция, калия. Также для этих почв характерно загрязнение
нефтепродуктами, цинком, свинцом, медью и пр. поллютантами (Доклад о состоянии
окружающей среды в городе Москве в 2013 году, 2014). Материал приводится с разрешения
Департамента природопользования и охраны окружающей среды города Москвы.
28
ПДК свинца, равное 32 мг/кг, брали в соответствии с ГН 2.1.7.2041-06 «Предельно
допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в почве» (ГН 2.1.7.2041-06) и
Методическими указаниями 2.1.7.730-99 «Гигиеническая оценка качества почвы населенных
мест» (МУ 2.1.7.730-99).
29
100 мл экотола содержит 240 мг сухого вещества.
27
69
экотола в каждом варианте доводился дистиллированной водой до 40 мл на 100 г
почвы. Такой объем жидкости способствовал лучшему перемешиванию почвы. В
контрольный вариант в тех же объемах вносили дистиллированную воду. После
чего образцы почв снова высушивали и просеивали с помощью сита с размером
ячейки 1 мм.
При внесении нарастающих количеств от 2,5 мл до 10 мл экотола
наблюдалось снижение подвижных форм свинца в почве. Количество экотола,
превышающее 10 мл, не способствовало дальнейшему снижению подвижных
форм свинца. Таким образом, максимальное снижение подвижной формы свинца
достигалось при концентрации экотола, равной 10 мл на 100 г почвы. С учетом
проведенного анализа мы использовали экотол в количествах, равных 10 мл/100 г
почвы. Та же закономерность наблюдалась и на других почвах, несмотря на то,
что концентрация свинца в почве «Чашниково» и в почве на основе торфа была
увеличена до 10ПДК от исходного значения свинца в каждой из почв.
Дерново-подзолистая почва с территории УО ПЭЦ МГУ Чашниково
представляла собой средний суглинок с рН 6,5, ВС Pb 6,5 мг/кг, ПФ Pb – 2,8
мг/кг, содержание Сорг. – 1,5 %. Готовый почвогрунт на основе торфа представлял
собой средний суглинок и характеризовался рН 6,0, ВС Pb 2,6 мг/кг, ПФ Pb 0,1
мг/кг, содержание Сорг. – 23,2 %. Как указывалось, в образцы почв «МКАД» было
дополнительно внесено 3ПДКPb в виде раствора нитрата свинца, а в почву,
представляющую средний суглинок и почву на основе торфа было внесено
количество свинца, равное 10ПДКPb.
Таким образом, определение влияния экотола на подвижные формы свинца
в различных почвах соответствовало схеме, представленной на рисунке 2.3.
Повторность опытов и измерений подвижных форм свинца – пятикратная.
70
Почвы
Почва «МКАД»
Почва «Чашниково»
Почва на основе торфа
3ПДКPb+ экотол1
10ПДКPb+ экотол1
10ПДКPb+ экотол1
Примечание:1. Количество экотола равнялось 10 мл/100 г почвы.
Рис. 2.3. Схема эксперимента по определению влияния экотола на подвижные
формы свинца в почвах, различающихся по физико-химическим свойствам и
концентрациям металла
2.8.
Постановка вегетационных опытов для определения воздействия
экотола на древесные саженцы лиственных пород и ели, выращенных на
фоне нормы и избыточных доз свинца
Эксперименты по воздействию экотола на древесные саженцы на фоне
избыточных доз свинца проводились в условиях вегетационного опыта с
почвенными культурами. Для почвенных культур использовались вегетационные
сосуды емкостью 5 л. В подготовительную работу входило взвешивание и
тарирование сосудов, заключающееся в том, что в каждый сосуд добавляли
керамзит с тем, чтобы вес всех сосудов был совершенно одинаковым с точностью
до 1 г. Специально помещенный на дно сосуда керамзит впоследствии
способствовал лучшему доступу кислорода к корневой системе саженцев.
Каждый сосуд набивался одинаковым количеством подготовленной для опыта
почвой. Набивку почвой проводили рукой, сильно не уплотняя, чтобы в
дальнейшем в нее не затруднялся доступ кислорода. Наполнение сосудов почвой
проводили с учетом удобства полива, оставляя до верхнего края 2-3 см. Общая
масса почвы каждого сосуда – 5 кг.
Вегетационные опыты проводились на базе Института физиологии растений
(ИФР) РАН. Саженцы лиственных пород ясеня пенсильванского и рябины
71
обыкновенной (см. Параграф 2.1.1., с. 56) выращивались на супесчаной почве30 в
условиях вегетационного домика (весна, лето, осень) и теплицы (зима, начало
весны) (рис. 2.4).
Рис. 2.4. Растения ясеня пенсильванского в условиях теплицы ИФР РАН
Саженцы ели обыкновенной выращивались на среднем суглинке30 в
условиях теплицы круглогодично для лучшего сохранения микоризации корней.
За растениями проводился постоянный уход. Растения поливались в объеме
60 % от полной влагоемкости почвы31. Температурный режим при выращивании
ясеня и рябины соответствовал погодным условиям в вегетационный период, в
зимний период – в условиях теплицы температура соответствовала + 20 °С ± 2 °С.
Так как саженцы ели обыкновенной выращивались круглогодично в условиях
теплицы, температурный режим постоянно соответствовал + 20 °С ± 2 °С. Для
По классификации почв проф. Н.А. Качинского к супесям относятся почвы с содержанием
физической глины (совокупность почвенных частиц диаметром менее 0,01 мм) от 10 до 20 %. К
среднему суглинку относятся почвы с содержанием физической глины от 30 до 40 %
(Вадюнина, Корчагина, 1986).
31
Полной влагоемкостью почвы называется максимальное количество воды, которое способна
удерживать почва, рассчитанное на 100 г абсолютно сухого веса почвы. Поэтому изначально
были определены влажность почв и их полная влагоемкость (Карташова, 1977, с. 11-14).
30
72
того,
чтобы
освещение
саженцев
было
равномерным,
расположение
вегетационных сосудов менялось.
Тяжелый металл и экотол вносились в почву одновременно после роста
растений в течение года в вегетационных сосудах. Тяжелый металл вносили в
почву в виде растворенного в воде нитрата свинца Pb(NO3)2, так, чтобы
концентрация свинца с учетом фоновой (исходная почва) составляла 1ПДК (32
мг/кг) при норме (вариант Pbнорма) и 10ПДК (320 мг/кг) при избытке металла
(вариант Pbизб). К саженцам варианта Pbизб экотол вносили из расчета 10 мл на 100
г почвы, а в вариант Pbнорма, учитывая десятикратное уменьшение металла по
сравнению с опытным вариантом – 1 мл на 100 г почвы. Как указывалось, масса
почвы каждого сосуда равнялась 5 кг.
Таким образом, опыт проводился согласно схеме (рис. 2.5).
В соответствии со схемой эксперимента были поставлены 4 варианта
опытов по 6 повторностей каждого варианта, как для древесных лиственных
пород, так и для ели обыкновенной.
Ясень пенсильванский
Рябина обыкновенная
Ель обыкновенная
Почва (Pbнорма)
1вариант
Почва (Pbнорма) +
экотол
2 вариант
Почва + Pbизб
(10ПДК)
3 вариант
Почва + Pbизб
(10ПДК) + экотол
4 вариант
Рис. 2.5. Схема эксперимента по определению воздействия экотола на
древесные саженцы на фоне нормы и избыточных доз свинца
73
2.9.
Отбор почвенных образцов для определения валового содержания и
подвижных форм свинца в почве, после выращивания на ней Fraxinus
pensylvanica (ясеня пенсильванского), Sorbus aucuparia L. (рябины
обыкновенной) и Picea abies L. (ели обыкновенной)
Отбор образцов почвы из вегетационных сосудов, в которых выращивались
саженцы ясеня пенсильванского, рябины обыкновенной и ели обыкновенной, был
произведен осенью после их роста в течение двух вегетационных сезонов на
почве с добавлением свинца и экотола согласно схеме (рис. 2.5). Перед анализом
почвы из сосудов, в которых выращивались ясень32, рябина и ель, растения вместе
с корневыми системами удалялись, почва перемешивалась. Почвенные образцы
готовились из всего объема почвы, содержащегося в двух вегетационных сосудах
каждого из видов растений. Вес отобранной почвы для анализа равнялся 10 г.
При отборе проб корней ели, в которых определялось содержание свинца,
одновременно брались образцы почв, анализирующиеся на валовое содержание и
подвижные формы свинца, с одной и той же глубины 7-8 см по окружности с
радиусом от ствола 6-8 см. Другими словами, глубина и расстояние, с которой
отбирались пробы корней ели, соответствовали отбору почвы (см. Параграф 2.11.,
с. 80). При этом корни тщательно отделялись от почвы. Вес отобранной почвы
также равнялся 10 г. Подготовка образцов почв непосредственно для анализа на
атомно-абсорбционном спектрометре проводилась аналогично методике по
определению валового содержания и подвижных форм свинца в почве (см.
Параграф 2.7.1., с. 66). Повторность измерений валового содержания и
подвижных форм свинца в почве была пятикратная.
Саженцы ясеня изначально были крупные и сильные. За период роста (более года) корневая
система занимала практически весь объем сосуда.
32
74
2.10. Оценка физиологического состояния древесных саженцев лиственных
пород
О состоянии древесных саженцев лиственных пород мы судили по
эффективности первичных процессов фотосинтеза, рассматривающегося как один
из важнейших показателей физиологического состояния растений. Используя
энергию высокоэнергетического источника – кванта света, фотосинтез является
одним из наиболее чувствительных процессов к неблагоприятным условиям
среды. В процессе функционирования фотосинтетический аппарат постоянно
повреждается светом. Для непрерывного его восстановления необходима высокая
активность всех систем растительной клетки. При нарушении любого
физиологического процесса в результате неблагоприятных условий среды
обязательно замедляется восстановление фотосинтетического аппарата от
светового
ингибирования
фотосинтетической
и,
активности.
как
следствие,
Это
имеет
отмечается
место
при
снижение
различных
неблагоприятных воздействиях на растения.
Наиболее подходящим методом для оценки фотосинтетической активности
растений оказался метод, основанный на измерении флуоресценции хлорофилла,
который рекомендуется для мониторинга физиологического состояния зеленых
насаждений. Данный метод является аппаратурным, т.е. дающим объективную
информацию, экспрессивным, т.е. способным быстро оценивать состояние
большого числа растений, не травмируя их и надежным. Он был разработан на
кафедре биофизики Московского государственного университета им. М.В.
Ломоносова при участии ведущих сотрудников кафедры: член. корр. РАН, д.б.н.,
зав. каф. Рубина А.Б., д.б.н., проф. Венедиктова Т.С., д.б.н., проф. Кренделевой
Т.Е., к.б.н. Погосян С.И., д.б.н., проф. Шайтан К.В., к.б.н. Казимирко Ю.В. и др.
(Методы оценки состояния зеленых насаждений и окружающей среды, 1998;
Казимирко, 2006).
75
В качестве еще одного показателя физиологического состояния древесных
саженцев мы выбрали фермент пероксидазу, который рекомендуют использовать
как биоиндикатор физиологического состояния растений при загрязнении среды
обитания (Николаевский, 1998). При повышении концентрации ионов свинца и
никеля во внешней среде наблюдалась индукция синтеза пероксидазы (Газарян,
1992; Tarvainen et al., 1991).
Помимо оценки флуоресценции хлорофилла в побегах древесных саженцев
и ферментативной активности пероксидазы в листьях, мы сочли целесообразным
для характеристики физиологического состояния саженцев провести определение
суммарного содержания белка в листьях, поскольку белки занимают ведущее
место среди органических соединений клеток. Они играют первостепенную роль
в их структуре и функциях, которые весьма разнообразны. Нарушения в синтезе
белков, отмечаемые как в количественном, так и качественном отношении под
действием неблагоприятных факторов среды, могут приводить к разной степени
деградационным процессам в клетках живых организмов.
2.10.1.
Метод определения переменной флуоресценции
хлорофилла в коре побегов древесных саженцев
Кора побегов деревьев содержит хлоропласты. Побеги деревьев в отличие
от листьев, опадающих осенью, испытывают антропогенные воздействия, в том
числе
от
тяжелых
функционировании
металлов,
в
течение
фотосинтетических
всего
процессов
года,
и
нарушения
обнаруживаются
в
четче
(Венедиктов и др., 2000; Волгушева, Кренделева, 2010). Разработанная методика
измерений переменной флуоресценции хлорофилла нашла применение при
мониторинге состояния городских зеленых насаждений, санитарно-защитных зон
(Методы оценки состояния зеленых насаждений и окружающей среды, 1998, с.
25-27; Мониторинг городских зеленых насаждений, 1998).
76
Присутствие зеленых хлоропластов в коре побегов деревьев и достаточно
большая прозрачность пробкового слоя коры делают возможным измерение
флуоресценции хлорофилла непосредственно на побегах без нарушения их
целостности. На кафедре биофизики МГУ им. М.В. Ломоносова была
сконструирована специальная «камера-зажим», позволяющая проводить такие
измерения, и разработана методика измерений. В разработанной конструкции
основные элементы включают светодиоды для импульсного возбуждения
флуоресценции и фотодиод для регистрации флуоресценции. Малые габариты
прибора позволяют использовать флуорометр для полевых измерений на
интактных растениях.
О характере эффективности использования света в реакциях фотосистемы II
судят по отношению Fv/Fm, т.е. переменной (вариабельной) флуоресценции (Fv =
Fm – Fo) к максимальной Fm. Переменную флуоресценцию хлорофилла измеряют с
помощью
импульсно-модулированного
флуорометра.
Темновой
уровень
флуоресценции хлорофилла при открытых реакционных центрах Fo определяют
после выдерживания побегов в темноте в течение 3-5 минут, используя
импульсный измеряющий свет от красного светодиода (длина волны 680 нм). При
дополнительном кратковременном освещении интенсивным постоянным светом,
которое вызывает переход реакционных центров фотосистемы в закрытое
состояние, регистрируется максимальный выход флуоресценции Fm. Весь процесс
измерения происходит под управлением компьютера и занимает не более 2-4
минут. Для измерения флуоресценции хлорофилла в коре, побег фиксируется в
специальном зажиме, в котором закреплен световод с тремя отводками для
подсоединения источников измеряющего и действующего света, а также
фотодиода, регистрирующего флуоресценцию.
Измерения проводили под верхушечной почкой с адаксиальной (от лат. ad
к и лат. axis ось) стороны побега саженцев ясеня. Измерения проводили не
менее чем на 6 побегах.
77
Данный метод оказался неприемлем для саженцев рябины, что было
обнаружено сразу при отработке методики (рис. 2.6), т.к. под верхушечной
почкой у рябины имеются чешуйки, из-за чего хлоропласты располагаются на
различном расстоянии от пробкового слоя коры, прозрачность которого
варьирует, внося значительные погрешности в измерения.
Рис. 2.6. Процесс измерения флуоресценции хлорофилла в коре побегов рябины с
помощью «камеры-зажима»
2.10.2.
Определение активности пероксидазы
Пероксидаза – фермент класса оксидоредуктаз (КФ 1.11.1.7), представляет
собой гемопротеид.
Активность пероксидазы определяли методом, основанном на измерении
скорости
реакции
окисления
бензидина
под
действием
пероксидазы,
содержащейся в растительной ткани. Для этого измеряли время образования
определенной концентрации продукта окисления бензидина, имеющего синюю
окраску. Работа осуществлялась согласно методике, описанной в Большом
практикуме по физиологии растений (Гавриленко, Ладыгина, Хандобина, 1975).
78
Для определения активности пероксидазы навеску листьев 100 мг растирали
в фарфоровой ступке с ацетатным буфером, рН 5,4, до полной гомогенизации.
Гомогенат переносили в мерную колбу на 25 мл и доводили до метки.
Растительную вытяжку настаивали в течение 10 мин, а затем центрифугировали
также в течение 10 мин при 3000 об./мин. Полученную надосадочную жидкость
использовали для определения активности пероксидазы.
Измерение активности фермента проводили в той же последовательности,
что и приготовление вытяжек.
Раствор бензидина нам был любезно предоставлен с.н.с. Е.В. Юриной
(Комплексная лаборатория «Чашниково» Биологического факультета МГУ им.
М.В. Ломоносова).
Перекись водорода 0,03% готовилась из аптечной перекиси.
Определение пероксидазы проводили на ФЭКе (фотоэлектроколориметре).
В две кюветы толщиной 2 см наливали по 2 мл вытяжки, 2 мл буферного
раствора, 2 мл раствора бензидина. Кюветы помещали в кюветодержатели
прибора: слева (контроль), справа (опыт). С помощью оптических клиньев
сначала при чувствительности «1», затем «2» уравнивали оба световых потока.
При этом стрелка гальванометра устанавливалась в нулевом положении. Правый
отсчетный барабан ставили на деление 0,250 (по шкале оптической плотности),
что сопровождалось перемещением стрелки гальванометра в сторону. В левую
контрольную кювету наливали 2 мл воды, в правую опытную кювету пипеткой с
широким носиком 2 мл 0,03 % - ной Н2О2. Сильная струя перекиси перемешивала
содержимое кюветы. С первой капли перекиси включали секундамер. В кювете с
перекисью
раствор
синел,
что
сопровождалось
передвижением
стрелки
гальванометра к нулевому положению. По секундамеру отмечали время от начала
приливания Н2О2 до достижения стрелкой гальванометра нулевого положения, т.е.
измеряли время компенсации плотности синего окрашивания раствора по
гальванометру, что зависело от активности фермента.
79
Результаты выражали в условных единицах (А) и рассчитывали по формуле:
А = (D(α·γ))/(td),
(2.2)
где D – оптическая плотность, равная 0,250; d – толщина слоя жидкости в см
(толщина кюветы), в нашем случае 2 см; t – время в секундах; α, γ – факторы
разведения; α – отношение количества жидкости, взятой для приготовления
вытяжки в мл к весу навески в г; γ – степень постоянного разведения вытяжки в
реакционной смеси; (дополнительного разведения вытяжки не требовалось).
Результаты выражались в условных единицах на 1 г сырой биомассы.
Измерения проводили трижды и брали среднее значение.
2.10.3.
Метод определения белка
Метод определения белка основан на измерении окраски, возникающей при
одновременном протекании биуретовой реакции и реакции фолина. Белок сначала
обрабатывали щелочным раствором Cu (количество щелочи должно быть
достаточным, чтобы нейтрализовать кислоту, содержащуюся в реактиве фолина).
После обработки белка щелочным раствором Cu добавляли реактив фолина
(Lowry et al., 1951).
При определении содержания белка использовали навеску листьев массой
300 мг. Пробу брали у второго и третьего листа верхнего побега. Навеску
растирали в 4 мл трис-буфера рН 8,5. Осажденный белок центрифугировали в
течение 10 минут при 2000 об./мин. В полученный супернатант (жидкость после
центрифугирования) добавляли реактив фолина.
Замеры проводили фотоколориметрическим методом на ФЭК-М с красным
светофильтром через 30 минут после добавления реактива фолина.
Калибровочную кривую строили, используя раствор альбумина.
80
2.11. Определение содержания свинца в корнях и хвое Picea abies L. методом
масс-спектрометрии
Масс-спектрометрия – метод качественного и количественного анализа,
основанный на разделении ионов анализируемого вещества по отношению их
атомной массы к заряду и определении их количества в анализируемой пробе
(Inductively coupled plasma mass spectrometry handbook, 2005).
Анализ содержания свинца в корнях и хвое ели проводили на массспектрометре 7500a ICP-MS фирмы Agilent Technologies (США) согласно
требованиям методики ПНД Ф 16.2.2:2.3.71-2011 «Количественный химический
анализ почв. Методика измерений массовых долей металлов в осадках сточных
вод, донных отложениях, образцах растительного происхождения спектральными
методами» (ПНД Ф 16.2.2:2.3.71-2011).
Анализ растительного материала по количественному содержанию свинца в
корнях и хвое саженцев ели был произведен одновременно с отбором почвенных
образцов для определения валового содержания и подвижных форм свинца в
почве, на которой выращивались растения (см. Параграф 2.7., с. 66). При этом
корни отбирали с глубины 7-8 см по кружности радиусом от ствола 6-8 см до
общей массы навески 10 г для каждого из вариантов. После чего корни тщательно
и осторожно промывали проточной, а затем дистиллированной водой, и
высушивали при комнатной температуре до воздушно-сухого состояния. После
высушивания корни измельчали.
Параллельно с подготовкой к анализу корней проводился отбор проб хвои с
побегов третьего и второго порядков, расположенных с разных сторон от стебля
растения до общей массы навески собранной хвои 10 г для каждого из вариантов.
После отбора хвою промывали проточной, а затем дистиллированной водой,
чтобы удалить осевшие на ней загрязнения. Перед проведением анализа
81
отобранную хвою высушили при комнатной температуре до воздушно-сухого
состояния и измельчили.
Подготовка для анализа высушенных и измельченных корней и хвои
проводилась по той же методике, что и при определении валового содержания
свинца в почве (см. Параграф 2.7.1., с. 66). Масса навески одной повторности
каждого измерения составляла 0,5 г. Повторность измерений – пятикратная.
По результатам анализа стандартных растворов строили калибровочные
графики для свинца. По ним находили концентрацию свинца в анализируемых
пробах.
2.12. Определение плотности корневых окончаний и количественных
характеристик микориз, находящихся в симбиозе с Picea abies L.
Для сравнительной характеристики корневой системы исследуемых
вариантов ели обыкновенной нами были определены плотность корневых
окончаний,
плотность
микориз
(плотность
микоризных
окончаний)
и
интенсивность микоризации.
В конце вегетационного периода корневые системы саженцев ели были
полностью изъяты из вегетационных сосудов, промыты проточной водой и
заспиртованы для последующего анализа.
При определении параметров корневых окончаний и количественных
характеристик микориз мы исходили из предложенных Д.С. Веселкиным
представлений, касающихся микориз, микоризных окончаний и корневых
окончаний.
Так микоризу мы рассматривали, как структурное образование простой
(неразветвленной) или сложной (разветвленной) формы, развившееся из одного
короткого сосущего корня, то есть прикрепляющееся к проводящему корню в
одном месте и покрытое общим микоризным чехлом одинаковой структуры на
82
всем протяжении; микоризное окончание, как любое терминальное корневое
окончание, имеющее эктомикоризный чехол; корневое окончание, как любое
терминальное ответвление корневой системы, независимо от того имеет это
окончание микоризный чехол или нет. Таким образом, выражение сумма
корневых окончаний включает сумму микоризных окончаний и немикоризных
коротких корней (Веселкин, 1999, с. 20).
Определение плотности корневых окончаний и плотности микориз
(микоризных окончаний) проводилось в соответствии с методикой И.А.
Селиванова (Селиванов, 1981, с. 19). Для этого у каждого варианта саженцев ели
отбирали 50 см проводящих корней последнего и предпоследнего порядков и
производили подсчет определяемых структур, приходящихся на данную длину
корня. Далее полученные результаты относили к 10 см длины корня.
Интенсивность
микоризации
рассчитывали,
как
отношение
числа
микоризных окончаний к общему числу зарегистрированных корневых окончаний
(Веселкин, 1999, с. 20).
Подсчет корневых окончаний, в том числе микоризованных, вели под
микроскопом ЛОМО МИКМЕД-1 при увеличении 100 х.
У
взятых
нами
в
качестве
объекта
исследования
саженцев
ели
обыкновенной эктомикоризы представляли собой довольно плотный чехол,
состоящий из сплетений отдельных грибных нитей (гиф). Сплетения грибных гиф
напоминали войлок с не ярко выраженной белой окраской, в связи с чем,
микоризованные корневые окончания были трудно отличимы от корневых
окончаний, не содержащих микориз (рис. 2.1. Б, с. 57).
Для лучшей идентификации микоризных окончаний, отобранные корни
окрашивали. После окрашивания корневых систем согласно разработанным
методикам грибные гифы приобретают контрастную окраску в отличие от самих
корней и корневых волосков, которые не изменяют окраску или окрашиваются
слабо (рис. 2.8). В нашей работе мы придерживались методики окрашивания,
83
предложенной Селивановым И.А. и Брундреттом М. (Селиванов, 1981, с. 18-19;
Mycorrhizal associations [Website]).
Поскольку
в
работе
использовались
заспиртованные
корни
ели
обыкновенной, то сначала было произведено вытеснение спирта водой. Далее
корни помещали в лактоглицерин (глицерин, молочная кислота (40 %), вода в
соотношении 1:1:1). В емкость с красителем анилиновый синий, который
добавлялся на кончике ножа к лактоглицерину, помещались корни. Для лучшего
прокрашивания все содержимое емкости ставилось на водяную баню при 60 °С на
45 мин. Далее корни промывали водой и помещали в 40-ый % раствор молочной
кислоты на 15 минут. Затем корни снова промывали водой, разрезали лезвием на
отрезки длиной 3-5 мм и просматривали под микроскопом с добавлением
глицерина. При необходимости, чтобы рассмотреть и просчитать корневые
окончания, рассматриваемые отрезки корней поворачивали с помощью пинцета
под микроскопом.
Фотографии окрашенных микориз были сделаны фотоаппаратом Canon EOS
550D с помощью специального переходника Canon DSLR/SLR camera lens adapter
4 23/30mm microscope.
На рисунке 2.7 представлены фотографии типичных корневых окончаний,
содержащих окрашенную анилиновым синим микоризу.
84
кв
м
к
Рис. 2.7. Окрашенные анилиновым синим микоризованные корневые окончания
саженцев Picea abies L. (увеличение 100)
Обозначения: К короткие боковые корни; КВ – корневые волоски; М – корневое окончание,
покрытое сплетением грибных гиф (микориза).
2.13. Статистическая обработка полученных результатов
Статистическую обработку экспериментальных данных проводили с
использованием программы Microsoft® Excel 2007. В работе рассчитывали
среднее
арифметическое
значение
(М)
и
среднюю
ошибку
средней
арифметической величины (стандартную ошибку средней арифметической
величины) (m), (М±m). Оценку статистической значимости различий полученных
результатов между вариантами опыта проводили с помощью U-критерия МаннаУитни при уровне статистической значимости р = 0,05 (Леонов, Ижевский, 1998;
Гланц, 1999).
85
ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Биогенные амины, их предшественники и продукты окислительного
3.1.
дезаминирования в экотоле
Для обоснования суждения о том, что экотол в своем составе содержит не
только
продукты
распада
бывшего
живого
вещества,
осуществляемого
многочисленными представителями мико- и микробиоты, но и выделяемые ими в
среду продукты синтеза, мы поставили себе задачу определить в экотоле наличие
биогенных аминов.
Изначально биогенные амины анализировались в организмах животных,
обладающих нервной системой, при передаче нервного импульса. Позже,
биогенные
амины,
их
предшественники
и
продукты
окислительного
дезаминирования были обнаружены в растениях, грибах и микроорганизмах.
Биогенные амины можно рассматривать как эволюционно-консервативные
химические
агенты,
внутриклеточных
выполняющие
регуляторов
и
роль
сигнальных
как
внеклеточных,
веществ
в
так
и
диапазоне
от
одноклеточных существ до человека, в организме которого они известны как
нейромедиаторы или нейротрансмиттеры (Oleskin, Shishov, Malikina, 2010).
Биогенные амины выступают в организмах как модуляторы, способствуя
регулированию метаболических и энергетических процессов, адаптации к
изменениям окружающей среды. Адреналин, норадреналин и серотонин,
называемые «биомедиаторами», могут выступать также в качестве гормонов и
активных компонентов азотного обмена, который имеет физиологически важное
значение для всех живых организмов, в том числе и растений. Отмечено влияние
биогенных аминов на изменение проницаемости мембран и мембранный
потенциал растительных клеток, флуоресценцию изолированных пигментов и
интактных клеток, прорастание генеративных и вегетативных микроспор
86
растений. Установлено, что серотонин – является активным регулятором роста
побегов, листьев и корней, а также стимулирует цветение растений. Дофамин и
норадреналин активно включаются в морфогенез растений in vitro. Катехоламины
(дофамин, адреналин, норадреналин) и гистамин стимулируют сопряженное
фотофосфорилирование. При их малых концентрациях (10-8 10-7 М)
наблюдалась стимуляция синтеза АТФ в два раза. Также катехоламины влияют
на
дыхательную
электронтранспортную
цепь,
участвуя
в
окислительно-
восстановительных реакциях присоединения и отдачи электронов и протонов.
Биогенные
амины
в
ряде
случаев
становятся
предшественниками
для
формирования других соединений. Таким образом, биогенные амины, их
предшественники и продукты окислительного дезаминирования выполняют в
растительных организмах различные физиологически важные функции (Брей,
1986; Дорогова, 2013; Рощина, 2010, с. 2, 9, 24-26, 40-44).
Отметим также значительную роль биогенных аминов в метаболизме
микроорганизмов. Так, биогенные амины вызывают стимуляцию их роста, влияют
на агрегацию клеток в колониях, на подвижность микроорганизмов, а в случае
патогенов вирулентность, на формирование микробных биоплёнок (Шишов,
2010).
Нам удалось обнаружить биогенные амины, их предшественники и
продукты окислительного дезаминирования в экотоле (Карташова и др., 2011).
Биогенные амины (БА), обнаруженные в экотоле, представлены следующими
соединениями:
дофамином
гидрокситриптамином
–
(ДА),
серотонином
норадреналином
(5-ГТ);
их
(НА),
5
–
предшественниками:
диоксифенилаланином (ДОФА), 5 – гидрокситриптофаном (5-ГТР) и продуктами
окислительного дезаминирования: дигидроксифенилуксусной кислотой (ДГФУК),
гомованилиновой кислотой (ГВК), 5 – гидроксииндолуксусной кислотой (5ГИУК) (табл. 3.1).
87
Таблица
3.1.
Биогенные
амины,
их
предшественники
и
продукты
окислительного дезаминирования в экотоле (наномоль/л)
Биогенные амины
(БА)
Предшественники
БА
ДА
5-ГТ
ДОФА
5-ГТР
ДГФУК
ГВК
5-ГИУК
56,89 12,55
569,84
8,61
49,56
14,18
292,94
НА
295, 87
Продукты окислительного
дезаминирования БА
Как видно из таблицы 3.1, из числа биогенных аминов, присутствующих в
экотоле, наибольшее количество приходится на долю дофамина (ДА) и его
предшественника ДОФА. Известно, что ДОФА, как правило, сопутствует
фенольным полимерам – меланинам, соединениям, окрашенным в темнокоричневый цвет (Кретович, 1971, с. 156). В нашем случае темно-коричневый
цвет характерен для экотола. Темноокрашенные продукты – меланины,
выделяются почвенными микроорганизмами и входят в состав гуминовых
соединений, оставаясь устойчивыми к дальнейшему микробиологическому
воздействию, что мы и наблюдали при хранении экотола.
В экотоле серотонин – 5 гидрокситриптамин большей частью находится в
окисленной форме в виде 5 – гидроксииндолуксусной кислоты – 5 – ГИУК.
Обнаружение в экотоле биогенных аминов, их предшественников и
продуктов окислительного дезаминирования дает возможность предположить у
аэробных микроорганизмов и грибов, участвующих в деградации органического
вещества функционирование реакций, типичных для организмов животных и
человека:
триптофан → 5 - гидрокситриптофан→5-ГТ→5-ГИУК
тирозин
→
ДОФА
→
ДА
→
НА
↓
ДГФУК→ГВК
88
Биогенные амины, их предшественники и продукты окислительного
дезаминирования синтезируются внутри клеток микроорганизмов и могут
высвобождаться ими в среду (Шишов, 2010). В частности, в экотоле биогенные
амины и их предшественники ДОФА и 5-ГТР могли быть привнесены бактериями
из рода Bacillus, доминирующими в первые 10-15 дней при разложении
пшеничной соломы (Лебедев и др., 2004, с. 11). Для данных бактерий характерно
наличие биогенных аминов и их предшественников как в самой культуре, так и в
культуральной жидкости (Шишов, 2010).
При аэробном разложении растительной массы (соломы, листьев и пр.)
мико- и микробиотой активируются декарбоксилазы аминокислот. Процесс
декарбоксилирования аминокислот сопровождается образованием углекислого
газа и синтезом новых аминокислот, а также различных весьма активных
соединений. Например, индол, образующийся при декарбоксилировании и
дальнейшем превращении триптофана, может снова вовлекаться в синтетические
реакции и являться исходным продуктом для синтеза того же триптофана.
Подобный синтез триптофана из индола и серина катализируется ферментом
триптофан-синтазой, содержащимся в ряде грибов и бактерий.
Очевидно, под действием мико- и микробиоты при образовании экотола
имеют место не только деструктивные процессы, но и биосинтетические, в том
числе связанные с синтезом биогенных аминов.
Обнаружение в экотоле биогенных аминов, их предшественников и
продуктов их окислительного дезаминирования, обосновывает важное значение
его практического использования, поскольку данные вещества могут включаться
в обменные процессы не только отдельных организмов, но и целых систем: почва
– мико- и микробиота – растения, что, в свою очередь, должно благоприятно
сказываться на самовосстановлении почвы, а также на росте и развитии растений,
в том числе при неблагоприятных условиях среды.
89
3.2.
Содержание меланиновых пигментов в экотоле
В настоящее время интерес к меланинам вызван их успешным применением
в медицине и ликвидации отрицательных воздействий на биос от повышенной
радиоактивности и повышенных доз тяжелых металлов. Для меланинов
характерны группы, содержащие подвижный протон: -СООН; -ОН; -SO3H и
нейтральные электронодонорные группы: R2CO; R3PO; R3N, участвующие в
образовании комплексов меланина с ионами тяжелых металлов, что значительно
снижает
их
доступность
физиологическую
для
активность,
организмов.
которая
Меланины
проявляется
имеют
в
высокую
антитоксичных,
антиоксидантных, фотопротекторных, генопротекторных качествах, а также в
фитостимулирующих свойствах (Ровбель и др., 2000; Бакулин и др., 2009; Тоноян
и др., 2010; Гесслер, Егорова, Белозерская, 2014; Курченко, 2015).
Мы
предположили,
что
экотол,
образующийся
при
аэробной
биотехнологической конверсии соломы в результате деятельности грибов и
бактерий, содержит меланины, тем более, что для экотола характерно коричневое
окрашивание разной степени интенсивности от светло-желто-коричневого до
черно-коричневого в зависимости от источника растительного сырья, из которого
его получают (Лебедев, 2004, с. 116), и сроков хранения экотола. Такое
окрашивание характерно для группы высокомолекулярных нерастворимых или
малорастворимых
ферментативного
меланиновых
окисления,
пигментов,
аутоокисления
образующихся
и
в
поликонденсации
результате
простых
фенольных предшественников (Курченко, 2015). Кроме того, как было нами
установлено, большая часть биогенных аминов в экотоле приходится на долю
дофамина и его предшественника ДОФА, которые представляют собой
фрагменты меланиновых пигментов.
При установлении в экотоле наличия меланинов было осуществлено их
выделение и идентификация (см. Параграф 2.4., с. 61) из лиофильно высушенных
90
образцов, где помимо экотола, полученного в нашей работе, мы использовали
экотол семилетнего хранения из коллекции Н.Г. Лебедевой (табл. 3.2).
Таблица 3.2. Содержание меланинов в экотолах, отличающихся сроками
хранения и источниками биомассы
Номер
образца
Источник биомассы
Окрашивание
экотола
Выход
меланина, %
1
Солома Triticum L. – пшеницы*
Коричневое
2
Надземная часть Chelidonium L. – Желто-коричневое
чистотела**
1,5
3
Надземная часть Avena sativa L. Желто-коричневое
овса**
1,7
4
Солома Triticum L. пшеницы**
3,2
2,5
Темно-коричневое
*Экотол, полученный в год анализа.
**Экотол, хранившийся в течение 7 лет, из коллекции Н.Г. Лебедевой.
Из таблицы следует, что во всех проанализированных образцах экотола,
полученного из различного растительного сырья, были обнаружены меланины.
При
идентификации
анализируемого
материала
основное
внимание
обращалось на его парамагнитные свойства, которые представляют собой
специфическую особенность меланинов, как природных полимеров, содержащих
развитые системы сопряженных связей. Наличие неспаренных электронов в
высокомолекулярных природных соединениях оказывает существенное влияние
на многие их свойства – растворимость, электропроводность, обменную емкость,
химическую реакционоспособность и биологическую активность. Близкие
значения g-факторов 2,0042 ± 0,0003 позволяют предположить единую природу
парамагнитных центров для всех исследованных меланинов, независимо от
источника их выделения. В очищенных препаратах наших образцов содержание
91
парамагнитных центров составляло от 2,6×1016 спин/г до 8,9×1016 спин/г. Эти
данные согласуются с результатами, приведенными в сообщениях других авторов
для грибных, животных, растительных и синтетических меланинов (Курченко,
2015). Следует отметить, что полученные значения содержания ПМЦ для
меланинов ближе к нижнему пределу величин, описанных в литературе. Это
может объясняться тем, что при выделении меланинов в условиях длительного
воздействия высоких температур (которые в нашем случае не использовались)
происходит увеличение концентраций ПМЦ в 5-7 раз. Кроме сигналов,
описанных выше, при температуре жидкого азота в наших образцах были
зарегистрированы дополнительные сигналы с шириной линии 30 – 65 Гс и gфактором значительно превышающим g-фактор свободного электрона (от 2,998
до 3,004). Такие сигналы были обнаружены в спектрах практически всех
меланинов (Курченко, 2015).
Меланины при биотехнологической конверсии растительного сырья могли
поступать в культуральную среду из находящихся в ней меланизированных грибов.
В культуральной среде всегда обнаруживаются меланизированные грибы рода
Alternaria, а также меланизированные целлюлозоразрушающие грибы родов
Aspergillus, Cladosporium и др. Кроме того, в культуральной среде были
обнаружены микроорганизмы из рода Bacillus, некоторые штаммы которых также
могут являться продуцентами меланиновых пигментов (Лебедев, 2004; Тоноян и
др., 2010; Гесслер, Егорова, Белозерская, 2014).
На основе проведенного анализа элементного состава и парамагнитных
свойств (см. Параграф 2.4., с. 61) меланины, содержащиеся в образцах экотола,
наиболее вероятно отнести к эумеланинам – азотосодержащим гетерополимерам (в
наших образцах содержание азота колеблется от 0,76 % до 2,23 %), биополимерам
индолил-5,6-хинона с включением пиррольных и ДОФА-хиноновых фрагментов.
Поскольку в результате семилетнего хранения экотола, полученного на
основе соломы пшеницы, усиливалась его цветность и несколько увеличивался
92
выход меланина, мы предположили в процессе хранения экотола возможность
изменения соотношения ароматических и алифатических фрагментов.
3.3.
Ароматические и алифатические фрагменты экотола после его
длительного хранения
Ароматические и алифатические структурные фрагменты в исходном
экотоле из соломы пшеницы были изучены с помощью метода пиролитической
масс-спектрометрии33,
который
выявил,
что
алифатические
соединения
составляют 93,3 %, а на долю ароматических соединений приходится ~ 6,5 %. Нас
интересовало, будет ли изменяться соотношение алифатических и ароматических
фрагментов экотола после его длительного хранения – 7 лет при температуре 6-8
ºС. Для анализа содержания структурных фрагментов алифатических и
ароматических соединений был использован метод ЯМР-спектроскопии высокого
разрешения (см. Параграф 2.3., с. 60). Перед проведением анализа экотола
семилетнего хранения надосадочная жидкость и осадок разделялись и лиофильно
высушивались. Спектроскопическому ЯМР анализу были подвергнуты два
образца. Образец № 1 имел соотношение надосадочной жидкости к осадку,
равное 3:1, образец № 2 − соотношение 1:3. После контакта с дейтерированной
водой,
ультразвуковой
обработки,
отстаиванием
в
течение
суток
и
центрифугированием образец № 1 имел светло-желтую окраску, а образец № 2 –
коричневую.
Количественное содержание ароматических и алифатических фрагментов в
экотоле представлено в таблице 3.3.
Работа проводилась в лаб. кафедры физической и коллоидной химии РГАУ-МСХА им. К.А.
Тимирязева (Лебедев, 1999).
33
93
Таблица 3.3. Содержание атомов водорода различных фрагментов в экотоле
длительного хранения, полученные в условиях регистрации спектра ЯМР 1Н
Образцы
№
Содержание фрагментов в %
образца
Соотношение
надосадочной
жидкости к осадку
Цветность,
дисперсность
№1
3:1
№2
1:3
СНар
СНалк-О
СНалк
Светло-желтый,
мелкодисперсный
13
43
44
Коричневый,
крупнодисперсный
15
49
36
Из результатов, представленных в таблице 3.3 следует, что содержание
ароматических протонов в образцах с разным соотношением надосадочной
жидкости к осадку мало различается и составляет 13-15 %, содержание СНалк-О:
43-49 %. Значение СНалк (протоны алифатических фрагментов, соединенных с
атомами C/N) варьируется более значимо – 44 % в образце № 1 и 36 % в образце
№ 2. Было обращено внимание на то, что во всех спектрах проявляется несколько
узких сигналов, наибольший из них имеет химические сдвиги около 1.8 и 3.2 м.д.
(миллионных долей или ppm). По всей видимости, они относятся к обнаруженным
нами меланинам. Поскольку содержание алифатических и ароматических
фрагментов исходного экотола, проанализированного ранее с помощью метода
пиролитической масс-спектрометрии (Лебедев, 1999, с. 67, 68), и экотола,
хранившегося
в
течение
7
лет,
проанализированного
методом
ЯМР-
спектроскопии, представлены в процентах, мы посчитали возможным провести их
сопоставление. Оно показало, что при длительном хранении экотола имеет место
незначительное уменьшение процентного содержания алифатических фрагментов
в среднем на 7 % (сумма СНалк-О и СНалк, длительно хранившегося экотола,
составляет примерно 86 %; в исходном экотоле, как было отмечено ранее – 93 %).
94
Количество ароматических соединений, представленных в экотоле, хранившемся
7 лет, составляет в среднем 14 %, а в исходном – 6,5 %, т.е. в течение 7-летнего
хранения экотола ароматических соединений становится ~ на 7 % больше. Это не
много и свидетельствует о том, что в хранившемся экотоле имеет место слабое
развитие
автоконденсационных
процессов.
Изменение
в
соотношении
алифатических и ароматических структурных фрагментов имеет место не только
за счет образующегося осадка в результате длительного хранения экотола,
поскольку разница в анализируемых образцах № 1 и № 2 по алифатическим и
ароматическим структурным фрагментам менее значима по сравнению с
преобладанием в образце № 2 осадочного материала. При этом надо учитывать,
что компоненты обоих образцов были лиофильно высушенными и не отличались
в весовом отношении.
То, что сравнение спектров ЯМР
Н экотола, полученных нами, со
1
спектрами гуминовых веществ, выделенных из почвы, угля, торфа или лигнинов,
полученными в работе Н.Г. Неизвестной (Неизвестная, 2013), демонстрирует их
существенное
отличие,
вполне
закономерно.
Пониженное
содержание
ароматических протонов в экотоле объясняется тем, что получение экотола
связано в основном с трансформацией органических остатков. В таком состоянии
экотол может находиться длительное время (годы) до тех пор, пока он не попадет
в
почву.
В
почве
при
наличии
соответствующих
микроорганизмов
осуществляется процесс гумификации (Комаров, 2004; Комаров1, Комаров2, 2015).
Предпосылки для образования гуминовых соединений в почвенной среде на
основе экотола имеются, о чем можно судить по сходству ИК-спектров в области
1230-3500 см-1, отражающих сходство в составе групп атомов, входящих в
ароматические и алифатические структурные фрагменты гуминовой кислоты
почвы и экотола (см. рис. 1, Приложение 1, с. 154).
95
…
Подытоживая
материал,
изложенный
в
предыдущих
параграфах,
подчеркнем, что мико- и микробиота, участвующая в деградации растительного
материала, привносит в среду, в нашем случае – экотол, целый ряд
физиологически-активных
соединений,
обуславливающих
его
полифункциональные свойства, которые способны оказать воздействие на
растения (см. Параграф 3.4.).
3.4.
Влияние экотола на рост древесных саженцев Acer platanoides L.
в природных условиях
Для выяснения воздействия экотола на двухлетние древесные саженцы Acer
platanoides L. (клена остролистного) в начале и середине летних сезонов 2008 и
2009 гг. растения обрабатывались им (см. Параграф 2.6., с. 65).
В 2009 г. обработанные экотолом клены по ростовым параметрам, так же,
как и в 2008 г. практически не отличались от контрольных растений (рис. 3.1).
1
2
Рис. 3.1. Клен остролистный. Июль 2008 год:
1. Растения, не обработанные экотолом.
2. Растения, обработанные экотолом.
96
Различия в ростовых параметрах проявились в сентябре 2010 г., после
засушливого лета (количество выпавших осадков за июль – 12 мм, при норме 90
мм) и нехарактерной тогда для Москвы и области жары (среднемесячная
температура июля по данным наблюдений составила 26,0 °C при норме 18,4 °С
(Климатический монитор [Сайт]: Июль 2010 года; см. Приложение 2, с. 155).
Саженцы, ранее обработанные экотолом, стали в среднем на 30 см выше и имели
в 1,3 раза большее число листьев, чем контрольный вариант (рис. 3.2).
1
2
Рис. 3.2. Клен остролистный. Сентябрь 2010 год:
1.
2.
Растения, не обработанные экотолом.
Растения, обработанные экотолом.
97
Преимущество в росте кленов, обработанных экотолом, сохранилось к
концу эксперимента – май 2012 г. Так, средняя высота контрольной группы
кленов составляла 107 ± 15,7 см, а кленов, обработанных экотолом 147 ± 12,3
см, при этом средний диаметр стволов равнялся 3,6 ± 0,5 см, а у кленов,
обработанных экотолом – 4,9 ± 0,7 см. На момент окончания опыта в начале мая
2012 года, у саженцев клена, обработанных экотолом, наблюдалось большее
количество распустившихся листьев, чем у контрольных растений (рис. 3.3).
1
2
Рис. 3.3. Клен остролистный. Май 2012 года:
1.
2.
Растения, не обработанные экотолом.
Растения, обработанные экотолом.
98
По-видимому, в составе экотола имеются соединения, выполняющие роль
эффекторов, воздействующих на ростовые процессы. При этом наглядный
стимулирующий ростовой эффект проявился спустя год после повторной
обработки растений, при неблагоприятных условиях среды, связанных с
повышенной температурой и засухой. К таким веществам, стимулирующим рост
и развитие растений, а также повышающих их устойчивость к неблагоприятным
факторам среды, относятся меланиновые пигменты, обнаруженные нами в
экотоле (см. Параграф 3.2., с. 89). Опытами, проведенными на древесных,
сельскохозяйственных
и
травянистых
декоративных
культурах,
показана
полифункциональная активность меланина. Так под действием биопрепарата на
основе бактериального меланина наблюдалась не только активация апикальной
меристемы, ответственной за рост осевых органов в длину, но и нередко
усиленная камбиальная деятельность, благодаря чему основания стеблей
утолщаются, что мы и наблюдали в опытах с саженцами кленов, в которых
толщина стеблей у опытных растений была на 36 % больше, чем у контрольных.
Авторы
исследований
установили,
что
из
целого
ряда
испытанных
биопрепаратов34 меланин оказался наиболее универсальным, пролонгированность
его действия была особенно заметна на многолетних растениях (Тоноян и др.,
2010; Азарян, Мелконян, 2014).
Помимо воздействия меланина на рост и развитие саженцев клена,
стимулирующий эффект мог быть вызван также фитогормональными веществами
– ауксинами, гиббереллинами и цитокининами. Важным представителем
ауксинов в растениях является β-индолилуксусная кислота (ИУК), которая
Кроме бактериального меланина в работе К.Г. Азаряна и Э.А. Мелконяна (2014)
анализировались биопрепараты: БисолбиФит, содержащий бактерии Bacillus subtilis; БиоплантФлора с 5 видами разных бактерий; циркон на основе растения Echinacea purpurea; Радифарм и
Мегафол итальянской фирмы Valagro; Мицефит, содержащий продукты метаболизма
микоризных грибов Micellia sterilia; немецкий Микоплант, содержащий споры 7 видов
микоризных грибов рода Glomus; таблетки Эрио 50 и Эрио 250 индийского производства,
различающиеся по количеству содержащихся в 1 таблетке спор микоризных грибов Glomus.
34
99
характерна не только для растений, но и для микроорганизмов и грибов, в том
числе дрожжей, активно участвующих в синтезе экотола. ИУК синтезируется как
на основе индола35, так и при участии хинона35. ИУК образуется также путем
окисления триптофана (Кретович, 1971, с. 183). Отметим, что ауксиноподобным
действием обладает и бактериальный меланин, что показано в опытах с
сельскохозяйственными растениями (Тоноян и др., 2010).
Ауксин выполняет большое количество разнообразных физиологических
функций, активно участвует в ростовых процессах растений. Известно, что ИУК
взаимодействует с белковыми компонентами мембранных структур клеток,
ответственных за состояние клеточной воды.
Клетки, обогащенные ИУК,
становятся центрами притяжения воды и питательных веществ. ИУК легко
вступает в комплексы с белками, аминокислотами, фенолами, сахарами, образуя
физиологически-инертные продукты, которые, как полагают, представляют собой
формы запаса гормона, при определенных условиях, начинающих активно
функционировать (Кретович, 1971, с. 184; Медведев, 2004, с. 186).
Мощное
стимулирующее
действие
на
рост
растений
оказывают
гиббереллины. В настоящее время выделено более 20 различных гиббереллинов.
Данные вещества образуют дрожжи, относящиеся к родам Torula и Mycotorula, а
также грибы Fusarium moniliforme, Aspergillus и ряд других (Беккер, 1963, с. 154,
155). Указанные грибы обнаруживаются при синтезе экотола, так что экотол в
своем составе, вполне возможно, может содержать данный гормон. Гиббереллины
играют важную роль в сигналинге, основанном на восприятии совместного
действия температурного и светового сигналов. В литературе отмечено
воздействие
гиббереллинов
в
ходе
адаптации
растений
к
пониженной
температуре (Тараканов, 2011). Для экотола также известно его воздействие,
связанное с адаптацией растений к пониженным температурам (Лебедев и др.,
2004, с. 56-58). Вполне вероятно, что усиление ростовых процессов при
35
В составе экотола были обнаружены как индолы, так и хиноны (Лебедев, 1999, с. 69).
100
аномально повышенных температурах также связано с ролью гиббереллинов,
воспринимающих
сигнал
от
повышенной
температуры.
Известно,
что
гиббереллины не усиливают рост корней в длину, тем не менее, под действием
экотола наблюдается увеличение длины корней у сельскохозяйственных растений
(Лебедев и др., 2004, с. 48). По всей видимости, в экотоле содержится
разнообразный комплекс ростовых веществ (или соединений, способствующих их
синтезу), в том числе и цитокининов. Цитокинины главным образом образуются в
корнях.
Способность
синтезировать цитокинины
и
высвобождать
их
в
окружающую среду присуща и некоторым почвенным микроорганизмам,
обитающим в ризосфере растений. Например, к ним относятся представители
родов Pseudomonas и Bacillus (Штамм Bacillus subtilis ИБ-22-продуцент
цитокининов: пат. 2178970 Российская Федерация: A 01 N 63/00, C 12 N 1/20, C 12
N 1/20, C 12 R 1:125; Green, 1980; Arshad, Frankenberger, 1991). Микроорганизмы
из данных родов также обнаруживаются при образовании экотола, и могут
способствовать выделению цитокининов в культуральную среду. Обработка
цитокининами снимает апикальное доминирование верхушечной почки, которая
подавляет развитие боковых почек и развитие побегов. Как отмечалось ранее, у
саженцев клена, обработанных экотолом, наблюдалась большая облиствленность
по сравнению с контролем. Установлено, что ткани, обогащенные цитокининами,
также как и ауксинами, обладают высокой аттрагирующей (от лат. attractio
привлечение) способностью для питательных веществ и воды (Малиновский,
2004; Медведев, 2004, с. 202, 204).
Не анализируя ростовые процессы на молекулярном уровне, мы только
констатируем факт положительного воздействия экотола на рост саженцев клена
остролистного, наглядно проявившийся в условиях засухи. Экспериментальные
работы, проведенные под руководством Г.В. Лебедева, также установили факт
положительного
влияния
экотола
на
ростовые
процессы
ряда
101
сельскохозяйственных культур и повышение их засухо- и морозоустойчивости
(Лебедев и др., 2004, с. 47-58).
По данным статистики Росгидромета только на территории России
количество опасных гидрометеорологических явлений, в том числе, таких как
аномальная жара и аномальный холод, за последние десятилетия увеличилось
примерно вдвое. Как полагают климатологи, в ближайшие годы возможно резкое
возрастание количества опасных гидрометеорологических явлений (Геоглобус.ру
[Сайт]: Разбалансировка климата и опасные гидрометеорологические явления;
Выпуск новостей Первого канала от 14.07.2014 [Сайт]: Суровое челябинское лето:
на Урале в июле выпал снег). Можно заключить, что, в сложившихся условиях
«разбалансировки»
климата,
экотол
будет
способствовать
повышению
устойчивости, как древесных, так и сельскохозяйственных растений.
3.5.
Влияние экотола на подвижность свинца в почвах, не содержащих
древесных растений, и в почвах, на которых произрастали древесные
саженцы
Известно, что органическое вещество играет решающую роль в закреплении
свинца в почвах. При этом тяжелый металл в большей мере хелатируется
функциональными группами ароматических колец и в меньшей степени
карбоксильными группами (см. Параграф 1.2., с. 21). Как мы отмечали, в экотоле
обнаружено присутствие как функциональных групп с ароматическими кольцами,
так и карбоксильных групп. Исходя из этого, а также работ, проведенных в
Институте физиологии растений РАН, в которых было установлено образование
комплексов экотола с солями тяжелых металлов в водной среде (Лебедев и др.,
2004,
с.
74-77),
естественно
было
предположить,
влияние
экотола
на
самоочищающую способность почв. Механизм защитного (барьерного) действия
абиотической части почвы от тяжелых металлов заключается в переводе их в
102
недиссоциированные или труднорастворимые в воде и слабых кислотах продукты
путем фиксации в составе почвенного поглощающего комплекса. Среди
носителей тяжелого металла, основную роль играют гумусовые вещества,
глинистые минералы, оксиды марганца36 и железа (Водяницкий, 2009, с. 3, 52).
О защитном действии абиотической части почвы мы судили по изменению
подвижности тяжелых металлов (см. Параграф 2.7., с. 66) (Ильин, Гармаш, 1980).
Опыты показали, что внесение экотола в почвы с избыточными дозами
свинца снижало содержание подвижных форм тяжелого металла во всех
анализируемых почвах (рис. 3.4).
Рис. 3.4. Влияние экотола на содержание подвижных форм (ПФ) свинца в почвах,
не содержащих растения (процентное отношение к варианту без экотола)
Оксидами марганца закрепляются не все металлы, а только катионогенные. При
взаимодействии марганца с анионными металлами (например, хромом) наблюдается обратное
действие. Свинец активно коррелирует с оксидами марганца и слабо с оксидами железа,
которое в данном случае представляет второстепенный элемент носитель (Водяницкий, 2009, с.
3, 52).
36
103
В среднем снижение подвижных форм свинца под действием экотола
составляло 12,6 ± 3,8 %. При большем количестве общих загрязняющих веществ
(почва «МКАД») оно несколько ниже 8,3 ± 0,3 %, хотя в эту почву мы добавляли
меньшее количество свинца (3ПДК), а в почве на основе торфа выше 15,4 ± 0,5
%. Наличие органического вещества в торфяной почве несколько способствовало
воздействию экотола, по сравнению не только с почвой «МКАД», где общее
содержание свинца было меньше (3ПДК), но и по сравнению с почвой
«Чашниково», в которую была внесена та же избыточная доза свинца, равная
10ПДК. Возвращаясь еще раз к незначительной доли снижения подвижных форм
свинца в почве под действием экотола, обратим внимание на то, что дозы свинца
в данном модельном эксперименте количественно были представлены тремя и
десятью предельно допустимым концентрациям, следовательно, наблюдаемая
иммобилизация (лат. immobilis неподвижный) свинца в среднем на 12,6 %
является не такой уж малой величиной и, по всей видимости, как мы отмечали,
обуславливается наличием в экотоле функциональных карбоксильных групп и
ароматических колец, в том числе, входящих в структуру меланинов (Ровбель,
2000; Курченко, 2015), обнаруженных нами в экотоле (см. Параграф 3.2., с. 89).
Далее нас интересовало воздействие экотола на валовое содержание и
подвижные формы свинца в почве с избыточными дозами металла, при наличии
растущих на ней древесных саженцев. Это также давало возможность судить о
поглощении свинца растениями. Валовое содержание свинца в почве при
наличии экотола после роста на ней саженцев Fraxinus pensylvanica и Sorbus
aucuparia L. претерпевало незначительные изменения: 3,9 ± 0,1 % там, где рос
ясень пенсильванский, и 6,0 ± 0,1 % там, где росла рябина обыкновенная. В то
время как содержание подвижных форм заметно снижалось в почве, на которой
рос ясень пенсильванский, на 42,9 ± 0,7 % и на 36,0 ± 0,3 % в почве, на которой
росла рябина обыкновенная (рис. 3.5. А, Б).
104
Рис. 3.5. Валовое содержание и подвижные формы свинца в почве после роста
саженцев Fraxinus pensylvanica, Sorbus aucuparia L. и Picea abies L.
Если бы подвижные формы свинца интенсивно поглощались корневой
системой Fraxinus pensylvanica и Sorbus aucuparia L. при наличии экотола, то это
бы сказалось на валовом содержании свинца в почве, что собственно мы
наблюдали в случае роста Picea abies L.
Очевидно, значительное снижение подвижных форм свинца в почве, в
присутствии древесных саженцев лиственных пород, связано с усилением под
действием экотола выделений корневой системой этих растений, а, возможно,
сопутствующей
им
мико-
и
микробиотой
органических
соединений,
иммобилизующих свинец. Известно, что сеянцы древесных растений выделяют
органические анионы в ответ на внесение тяжелых металлов, что способствует
105
хелатированию токсичных ионов и снижению их биодоступности (AhonenJonnarth et al., 2000). Некоторые представители почвенной микробиоты также
обладают сорбционным воздействием по отношению к свинцу (Фокина, 2007).
В предыдущих опытах мы установили, что экотол в отсутствии древесных
саженцев снижал содержание подвижных форм свинца в различных почвах в
более низких пределах от 8,3 ± 0,3 % до 15,4 ± 0,5 %. При наличии древесных
саженцев лиственных пород экотол снижал содержание подвижных форм свинца
в почве от 36,0 % (рябина обыкновенная) до 42,9 % (ясень пенсильванский).
Совсем иная картина, отражающая снижение валового содержания и
подвижных форм свинца в почве, наблюдалась под действием экотола после
роста на ней саженцев Picea abies L. (ели обыкновенной). При избыточных дозах
свинца и наличии экотола имело место снижение подвижной формы тяжелого
металла на 45,8 ± 0,3 %, однако при этом наблюдалось и снижение его валового
содержания на 41,4 ± 0,2 % (рис. 3.5. В).
Значительное снижение валового содержания свинца в почве наряду с
подвижной формой могло быть связано только с усиленным переводом свинца в
подвижные формы, сопровождаемое поглощением его корневой системой. Мы
предположили, что усиленное поглощение свинца корневой системой саженцев
ели обыкновенной связано с воздействием экотола на симбиотическую
микобиоту, которая, как показано, влияет на поглощение растением тяжелых
металлов (Frey, Zierold, Brunner, 2000; Weissenhorn et al., 1995).
Для более ясной картины, отражающей воздействие экотола на древесные
саженцы в условиях повышенных концентраций свинца, требовались дальнейшие
исследования.
106
3.6.
Влияние экотола на физиологическое состояние Fraxinus pensylvanica на
фоне нормы и избыточных доз свинца
Отметим, что внешний вид саженцев Fraxinus pensylvanica (ясеня
пенсильванского) при избытке свинца в почве по визуальным признакам не
отличался ни от контрольного варианта содержание свинца, равное ПДК, ни от
варианта с экотолом на фоне избыточных доз свинца. Вместе с тем, анализ
физиологического
состояния
саженцев
ясеня
пенсильванского,
который
проводился на основе характеристик флуоресценции хлорофилла в коре молодых
побегов, а также измерения активности пероксидазы и содержания белка в
листьях, выявил целый ряд различий, которые отражены в таблице 3.4.
Из данных таблицы 3.4 следует, что избыточные дозы свинца, в 10 раз
превышающие предельно-допустимые концентрации, всего на 14 % уменьшали
фотосинтетическую активность растений. Внесенный на этом избыточном фоне
экотол не только полностью снимал ингибирующее воздействие тяжелого
металла, но и, хотя совсем незначительно (~ 3 %), увеличивал фотосинтетическую
активность по сравнению с контролем. На фоне нормы свинца экотол в той же
незначительной степени также увеличивал фотосинтетическую активность.
Положительное влияние экотола на процессы фотосинтеза можно объяснить
наличием в его составе меланинов, обработка которыми почвы приводит к
увеличению содержания в растениях хлорофилла (Азарян, Мелконян, 2014).
Активность пероксидазного фермента в листьях ясеня пенсильванского
претерпевала значительные изменения, реагируя на наличие экотола как при
содержании свинца в пределах ПДК, так и на избыток свинца в опыте. Были
отмечены резкие колебания активности пероксидазы от снижения почти на 80 %
при избытке свинца в почве до возрастания активности почти на 40 % при том же
избытке свинца, но в присутствии экотола. Снижение пероксидазной активности
107
Таблица 3.4. Флуоресценция хлорофилла, активность пероксидазы и количество белка в листьях ясеня
пенсильванского при различном содержании свинца, наличии и отсутствии экотола в почве
Содержание свинца в почве
Валовое
Подвижные формы
Флуоресценция
Активность
хлорофилла в коре
пероксидазы в
побегов
листьях
Варианты
усл. ед./г
мг/кг
%
мг/кг
%
Fv / Fm
%
сырой
Количество белка в
листьях
мг белка на г
%
биомассы
сырой
%
биомассы
Pbнорма
30,5 ± 0,10
100
3,05 ± 0,20
100
0,733 ± 0,036
100
12,0 ± 0,05
100
18,9 ± 0,2
100
Pbнорма +
29,7 ± 0,19
97
2,9 ± 0,14
95
0,749* ± 0,032
102,8
8,4* ± 0,01
70
21,8* ± 0,1
115
Pbизб
342,2 ± 0,31
1122
76,53 ± 0,24
2509
0,630 ± 0,040
85,9
2,2 ± 0,10
18
16,1 ± 0,2
85
Pbизб + экотол
328,8 ± 0,25
1078
43,73** ± 0,30
1434
0,756** ± 0,031
103,1
16,9** ± 0,10
141
18,4** ± 0,2
97
экотол
* отмечены статистически значимые отличия от значений контрольного варианта при р = 0,05.
** отмечены статистически значимые отличия от значений варианта Pbизб при р = 0,05.
108
(на 30 %) имело место под действием экотола на фоне нормы свинца в почве.
Такие существенные изменения в активности фермента не коррелировали с
внешним видом растений и данными по флуоресценции хлорофилла в коре
побегов, по показателям которых мы судили о фотосинтетической активности
растений. Объяснение этому мы искали в механизмах действия пероксидаз.
Прежде всего, в литературе отмечается полифункциональность пероксидаз
(Карташова, Руденская, Юрина, 2000). Пероксидазы обладают функцией,
типичной для оксидаз, при этом они катализируют окисление субстрата за счет
молекулярного кислорода, а также участвуют в окислении субстрата за счет
перекиси водорода – пероксидазная функция37. В таком случае пероксидаза
рассматривается как антиоксидантный фермент наряду с супероксиддисмутазой и
каталазой, активирующихся в частности при токсичном воздействии тяжелых
металлов. Возрастающая активность пероксидаз при наличии тяжелых металлов
способствует нейтрализации свободных радикалов и пероксидов, образующихся
под влиянием тяжелых металлов. В литературе было отмечено, что возрастание
активности
пероксидаз
зависит
от
концентрации
тяжелых
металлов
и
длительности их воздействия. Например, повышенные концентрации свинца –
Pb(NO3)2 в среде выращивания люпина увеличивали активность пероксидазы на
седьмые сутки в 2,0-3,4 раза (в зависимости от концентрации металла), а на
четырнадцатые сутки наблюдалось торможение пероксидазной активности, что
свидетельствовало о потере растениями устойчивости по отношению к тяжелому
металлу, приводившее к их гибели (Кобринец, 2012). По-видимому, резкое
снижение пероксидазной активности при концентрациях свинца, в десять раз
превышающих норму ПДК, предшествовало ухудшению общего состояния
В середине 70-х годов прошлого века полагали, что оксидазная и пероксидазная функции
пероксидазы осуществляется одним и тем же активным центром фермента. К началу 2000 г.
было установлено, что активный центр пероксидазы, осуществляющий оксидазную функцию,
отличается от активного центра фермента, расщепляющего перекись водорода или
органическую гидроперекись (Савицкий и др., 1998).
37
109
растений в последующий период. Влияние экотола, резко стимулирующего
пероксидазную активность на фоне избыточных доз свинца, могло быть связано с
присутствием в экотоле потенциальных субстратов пероксидазы, которые попадая
в
растения,
реализуют
ее
каталитическую
активность,
связанную
с
антиоксидантными функциями. К таким субстратам могут быть отнесены
ароматические амины, хиноны и другие соединения, способные служить
акцепторами водорода. При внесении экотола в почву на фоне ПДК свинца,
экотол мог образовывать комплексы помимо свинца с находящимися в почве
другими тяжелыми металлами, в частности цинком. В литературе отмечена
частичная инактивация пероксидазы, полифенолоксидазы, аскорбатоксидазы при
недостатке и отсутствии цинка (Чернавина, 1970). Собственно, чтобы с
определенностью
проанализировать
физиологическую
роль
изменений
в
пероксидазной активности в листьях ясеня пенсильванского при выращивании его
в условиях нормы и избытка свинца, а также при наличии и отсутствии экотола,
требуется самостоятельное исследование. Вместе с тем, мы поддерживаем
рекомендации В.С. Николаевского и других исследователей использовать
пероксидазный фермент в качестве биоиндикатора физиологического состояния
растений (Николаевский, 1998; Гарифзянов и др., 2009). Мы также полагаем, что
по активности пероксидазы можно судить о физиологическом состоянии
растений. Активность пероксидазного фермента, по всей видимости, является
опережающим показателем состояния растений при данных экологических
условиях.
Что касается количественного определения общего содержания белка в
листьях ясеня, то оно выявило его снижение, вызванное избыточными дозами
тяжелого металла в почве. Экотол на фоне избыточной дозы свинца нивелировал
отрицательный эффект тяжелого металла. Некоторое повышение содержания
белка – 15 % под воздействием экотола было отмечено на фоне концентраций
свинца в пределах ПДК. Увеличение содержания белка под действием экотола мы
110
объясняем тем, что экотол содержит вещества, способствующие синтезу белка и
ростовым процессам, например, индол.
Таким образом, анализ физиологических параметров древесных саженцев
лиственной породы ясеня пенсильванского продемонстрировал положительный
эффект от внесения экотола в загрязненную тяжелым металлом почву.
Похожая картина наблюдалась при воздействии экотола на пероксидазную
активность и синтез белка в опытах с саженцами рябины обыкновенной 38. Общая
активность пероксидазного фермента контрольного варианта при норме свинца в
почве у листьев рябины39 была несколько ниже, чем в листьях ясеня. Добавление
экотола на фоне нормы свинца практически не сказывалось на активности
фермента. При избытке свинца в почве активность пероксидазы резко снижалась
приблизительно на 50 %, а при наличии экотола на фоне избытка свинца
активность фермента приближалась к контрольному варианту. Количество белка
в листьях рябины на 1 г сырой массы также было несколько ниже, чем в листьях
ясеня. Что касается изменений количества белка в листьях рябины в зависимости
от наличия свинца и экотола в почве, то они были аналогичны изменениям,
наблюдаемым у листьев ясеня пенсильванского.
3.7.
Влияние экотола на содержание свинца в хвое и корнях Picea abies L. и
на микоризацию корневой системы
Для подтверждения того, что экотол способствовал поглощению тяжелого
металла корневой системой саженцев Picea abies L. (см. Параграф 3.5. Раздела 3.
Результаты работы и их обсуждение, с. 101), потребовалось провести опыты по
определению содержания свинца в самих растениях.
Как было отмечено в Параграфе 2.10.1. Раздела 2. Объекты и методы исследования (см. с. 77),
флуоресценция хлорофилла в коре побегов рябины обыкновенной используемым нами методом
не могла быть оценена.
39
Для анализа брались верхние листочки у вершины.
38
111
Опыты по определению содержания свинца в саженцах ели обыкновенной
подтвердили, что экотол в данном случае способствовал поглощению тяжелого
металла. Результаты анализа содержания свинца в поверхностном слое почвы, в
корнях и хвое саженцев ели представлены в таблице 3.5.
Таблица 3.5. Содержание свинца в почве и еловых саженцах при наличии и
отсутствии экотола
Содержание свинца в почве
Варианты
Валовое**
мг/кг
Подвижные
формы
Содержание свинца в ели
В корнях
В хвое
%
мг/кг
%
мг/кг
%
мг/кг
%
Pbнорма
65,2 ± 0,35
100
27,9 ± 0,15
100
─
-
─
-
Pbнорма + экотол
64,5 ± 0,24
98,9
25,7 ± 0,20
92,1
─
-
─
-
Pbизб
597,7 ± 0,41 100
334,6 ± 0,30
100
24,2 ± 0,02
100
0,67 ± 0,01
Pbизб + экотол
356,7* ± 0,32 59,7
184* ± 0,33
55,0
527,8* ± 0,06
100
2181 1,10* ± 0,05 164,2
*отмечены статистически значимые отличия от значений варианта Pbизб при р = 0,05.
** норма и избыточная доза свинца рассчитывались на весь объем почвы 5 кг и были внесены в
почву вегетационного сосуда в виде раствора Pb(NO3)2. Содержание тяжелого металла,
вносимого в почву как избыток свинца, составляло 1565,5 мг из расчета 320 мг Pb/кг почвы с
учетом фоновой концентрации. Почвенный образец для анализа валового содержания (ВС) и
подвижных форм (ПФ) свинца был отобран с глубины 7-8 см (см. Параграф 2.7., с. 66).
Мы обратили внимание, что внесенный нами свинец из расчета количества
почвы всего сосуда, скапливался в верхнем слое почвы, что собственно и
характерно для данного тяжелого металла. Образцы корней, как мы отмечали,
отбиралась из этого же слоя почвы (см. Параграф 2.11., с. 80).
Из таблицы 3.5 видно, что на фоне избытка свинца плюс экотол содержание
тяжелого металла в корнях ели было на 2081 % больше, чем в варианте без
экотола. Несмотря на значительное повышение содержания тяжелого металла в
112
корнях саженцев ели, почти весь свинец оставался в корневой системе и только
2,8 % при избытке свинца и 0,21 % при избытке свинца и присутствии экотола
переходило в хвою.
В хвое ели содержание свинца при его избытке в почве и при наличии
экотола было на 64,2 % выше, чем при отсутствии экотола.
Для более ясной картины необходимо было проанализировать систему:
корни-микориза в условиях различной концентрации свинца и внесения экотола
путем анализа плотности корневых окончаний (микоризных и немикоризованных)
на корнях саженцев ели и плотности микориз, находящихся с корневыми
окончаниями в симбиозе.
Результаты анализа плотности корневых окончаний, плотности микориз и
интенсивности микоризации корневой системы саженцев ели обыкновенной
представлены в таблице 3.6.
Таблица 3.6. Плотность корневых окончаний, плотность микориз и
интенсивность микоризации корневой системы саженцев ели на фоне
различных концентраций свинца и экотола в почве
Варианты
Плотность корневых
окончаний
Плотность микориз*
Интенсивность
микоризации, %
на 10 см корней,
шт.
%
на 10 см корней,
шт.
%
Pbнорма
78,8 ± 3,2
100
13,2 ± 1,4
100
16,8
Pbнорма+экотол
131,6 ± 2,2
167
21,6 ± 1,9
164
16,4
Pbизб
80,4 ± 1,9
102
14,0 ± 2,1
106
17,4
Pbизб + экотол
87,2 ± 4,2
111
29,2 ± 3,1
221
33,5
* при анализе количественных параметров эктомикориз нами не были обнаружены сложные
микоризы, состоящие из двух и более микоризных окончаний, поэтому в данном случае
количество микориз равняется количеству микоризных окончаний.
113
Проведенная работа выявила следующие моменты: избыток свинца
практически не влиял на плотность корневых окончаний, плотность микориз и
интенсивность микоризации.
Экотол на фоне нормы свинца одинаково увеличивал как плотность
корневых окончаний, так и плотность микориз. В результате чего интенсивность
микоризации сохранялась на том же уровне.
При избытке свинца в почве и наличии экотола плотность корневых
окончаний значительно снижается на 56 % по сравнению с вариантом нормы
свинца и внесенным экотолом, а плотность микориз возрастает на 57 % (по
сравнению с тем же вариантом).
Экотол на фоне избыточных доз свинца, мало влияя на плотность корневых
окончаний, значительно увеличивал плотность микориз ~ на 121 % и
соответственно интенсивность микоризации увеличивалась в 1,9 раза по
сравнению с вариантом, где на фоне избытка свинца экотола не было.
Возрастание интенсивности микоризации корней под действием экотола на
фоне избытка свинца приводит к увеличению поглотительной способности
свинца системой: корень микориза.
Влияние экотола на образование микориз может быть объяснено наличием в
его составе целого ряда соединений, участвующих в синтезе биологически
активных веществ. К таким соединениям можно отнести индол и хинон,
участвующих в биосинтезе факторов роста группы ауксинов (см. Параграф 3.4., с.
95). В настоящее время показана регулирующая роль ауксинов в установлении
симбиотических отношений между растением и грибом и дальнейшем развитии
микориз (Тараканов, 2011; Ермошин и др., 2013). Влияние экотола на
микоризацию корней, вероятно, можно объяснить и присутствием в его составе
меланинов, которые обладают ауксиноподобным действием (Тоноян и др., 2010).
114
Для ели обыкновенной характерна эктомикориза (ЭМ), которая оказывает
влияние на поглощение тяжелых металлов (Селиванов, 1981; Смит, Рид, 2012, с.
378-381). Так, было продемонстрировано связывание свинца с гифальной
поверхностью эктомикориз и, как полагают, главную роль в этом играет
внеклеточная слизь на стенках гиф (Jentschke, Fritz, Godbold, 1991). На примере
Zn и Cd было установлено два различных механизма связывания ионов металлов
в ЭМ корнях ели обыкновенной (Picea abies L.), колонизированных грибом
гебеломой клейкой (Hebeloma crustuliniforme). Первый механизм заключается во
внеклеточном образовании комплексов с ионами Cd преимущественно в сети
Гартига40 и в клеточных стенках коровых клеток корня, что указывает на
активность апопластного41 транспорта от гриба к растению, а второй механизм
приводит к накоплению ионов Zn в основном в клеточных стенках и цитоплазме
гиф чехла, что обеспечивает более слабый транспорт тяжелого металла в сторону
растения (Denny, Wilkins, 1987; Frey, Zierold, Brunner, 2000). Таким образом,
транспорт тяжелого металла по звеньям системы: грибной симбионт-кореньназемные органы растения зависит также от вида тяжелого металла, что
подтверждается и другими исследованиями с арбускулярно-микоризными
грибами (Weissenhorn et al., 1995).
Разницу в механизмах взаимодействия корневых систем со свинцом между
древесными саженцами Fraxinus pensylvanica (ясеня пенсильванского), Sorbus
aucuparia L. (рябины обыкновенной) и Picea abies L. (ели обыкновенной) можно
объяснить различием в микоризации. Если ели обыкновенной сопутствует
Сеть Гартига (Hartig net) – сеть грибных гифов, распространяющаяся в корень, проникая
между эпидермисом (ризодермой) и клетками коры. Посредством сети Гартига осуществляется
обмен питательными веществами между грибом и растением-хозяином (Wikipedia [Website]:
Hartig net).
41
При апопластном пути транспорта движение ионов происходит по свободному пространству,
под которым понимается часть ткани, приходящаяся на клеточные оболочки и
межклетники (Трапезников, Иванов, Тальвинская, 1999).
40
115
эктомикориза (ЭМ), то лиственным древесным растениям, в нашем случае ясеню
и рябине, свойственна арбускулярная микориза (АМ) (Смит, Рид, 2012, с. 18).
АМ грибная колонизация влияет на поглотительную способность тяжелых
металлов по-разному, что зависит от условий роста растений, вида грибного
симбионта и вида тяжелого металла (Weissenhorn et al., 1995). Из литературы
известно, что в случае АМ грибов тяжелые металлы могут связываться на
поверхности гиф или изолироваться в гифах без дальнейшей передачи растениям
(Joner, Briones, Leyval, 2000; Christie, Li, Chen, 2004). Поскольку валовое
содержание свинца в почве, на которой произрастали лиственные породы
деревьев, практически не претерпевало изменений, то связывание свинца на
поверхности гиф и тем более изоляция его гифами корневой системой ясеня
пенсильванского и рябины обыкновенной не имело место. Скорее всего, в данном
случае функционировал иной механизм, характерный для арбускулярномикоризных грибов, заключающийся в выделении органических кислот,
препятствующих доступности тяжелых металлов для корневых систем (Смит,
Рид, 2012, с. 185-187).
Собственно, такой же механизм воздействия на тяжелые металлы имеет
место и у эктомикоризных грибов, которые также выделяют органические анионы
в ответ на внесение тяжелых металлов, что приводит к хелатированию токсичных
ионов в почве вне корневой системы (Ahonen-Jonnarth et al., 2000; Bellion et al.,
2006). Однако, в случае ели обыкновенной связывание свинца имеет место внутри
корневой системы.
Подытоживая полученные нами данные и обширный литературный
материал по микоризному симбиозу, можно предположить, что наблюдаемое в
присутствии экотола существенное снижение подвижных форм свинца при его
практически неизменном валовом содержании в почвах после роста на них
саженцев ясеня пенсильванского и рябины обыкновенной связано с активацией
защитных механизмов по отношению к тяжелому металлу арбускулярно-
116
микоризным грибом, способного, наряду с корневой системой, выделять
хелатирующие свинец соединения, например, органические кислоты, т.е.
реализуется механизм, при котором связывание тяжелого металла происходит вне
растения. Снижение валового содержания и подвижных форм свинца в почвах
после роста на них саженцев ели обыкновенной обусловлено активацией
эктомикоризным грибом поступления тяжелого металла внутрь корня под
действием гиф микоризного гриба, которые оплетают корневую систему и
находятся внутри корня, т.е. реализуется иной механизм защиты растения. В
данном случае, менее эффективный.
Так как наличие экотола на фоне избыточных доз свинца способствует
увеличению интенсивности микоризации, что усиливает попадание тяжелого
металла в корневую систему саженцев ели, использование экотола для
повышения жизнестойкости данного вида растения в условиях загрязнения почвы
свинцом и, очевидно, другими тяжелыми металлами является нецелесообразным.
Тем не менее, применение экотола может оказать положительное воздействие на
древесные саженцы ели обыкновенной, произрастающие при благоприятных
экологических условиях, например, в питомниках.
117
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Экология изначально представляла собой транснауку, объединяющую
целый ряд биологических дисциплин и наук о Земле. В наши дни она в
значительной степени базируется на представлениях В.И. Вернадского о
биосфере. Все больше уделяется внимания сохранению среды обитания биоса,
особенно на урбанизированных территориях, с загрязненными почвами и
нарушенным балансом в мико- и микробиоте. Зеленые насаждения способствуют
сохранению экологического равновесия, но при этом сами нуждаются в
экозащите. Для улучшения состояния городских зеленых насаждений, в первую
очередь,
молодых
посадок,
мы
полагаем
эффективным
использовать
физиологически-активные вещества, повышающие устойчивость растений к
неблагоприятным условиям среды обитания, получившим название «экотолы»,
фундаментальным исследованиям которых положил начало д.б.н. Г.В. Лебедев.
Экотол бывшее живое вещество, биотехнологический метод получения
которого моделирует природный процесс разложения органического вещества в
почвах в аэробных условиях. Состав экотола представляет собой сумму целого
ряда соединений, в первую очередь продуктов распада бывшего живого вещества,
куда входят бензолы, фураны, хиноны, индолы, лигнины и пр. Кроме того, в
экотоле обнаруживаются многочисленные соединения, являющиеся продуктами
синтеза мико- и микробиотой. Как показала наша работа, вещества, входящие в
экотол, способны выполнять барьерные (очищающие) почву функции, а также
повышать
устойчивость
к
неблагоприятным
температурам,
оказывать
положительное физиолого-биохимическое влияние на ростовые процессы,
фотосинтез,
синтез
белка,
способствовать
установлению
симбиотических
растительно-микоризных отношений. Таким образом, четко прослеживается
118
полифункциональное воздействие бывшего живого вещества – экотола, причем не
только на растения, а на всю систему: почва-растения-симбионты растений.
Экспериментальные данные нашей работы дают основание поддержать
теоретические разработки д.б.н. С.А. Остроумова, выделяющего бывшее живое
вещество (БЖВ, ex-living matter ELM), подвергшееся воздействию мико- и
микробиоты, в новый тип вещества и соответственно предлагающего новую
типологию веществ, где наряду с живым веществом, неживым (косным)
веществом и биокосным веществом предлагается включить бывшее живое
вещество, благодаря его особой биосферной функции (Остроумов, 2010;
Ostroumov, 2013).
В связи с этим мог быть рассмотрен термин «биосферная экология».
В конце XX века доктором философских наук, профессором Н.М. Солодухо
(Казань) был предложен термин «всеобщая экология» и разработана ее
концепция, где отмечалось, что экологические проблемы стали болью, а их
решение способом выживания человечества на Земле (Солодухо, 1995, 2007). С
каждым годом невероятно нарастает объем и разнообразие экологических
подходов и предлагаемых решений, между которыми необходима самая широкая
интеграция и налаживание взаимопонимания. Всеобщая экология отвечает
научному знанию «в качестве концепции, синтезирующей, сплавляющей и
преобразующей частнонаучные представления и понимания в конкретных
областях
научного
познания:
естествознании,
медицине,
социальном
и
экономическом познании, культорологии и т.п.», т.е. она должна объединять
биологическую экологию, экологию животных, биохимическую экологию,
экологию человека, экологию технической деятельности промышленную
экологию, социальную экологию, экологию культуры, экологию этики. Как
отмечал Н.М. Солодухо, экология за полторы сотни лет из специальной
119
дисциплины переросла в современный стиль мышления (Актуальные вопросы
всеобщей экологии, 2007).
Всеобщая экология не может обойтись без мировоззренческих философских
оснований
и
общей
философской
методологии.
Эту
философско-
мировоззренческую направленность дают философские идеи В.И. Вернадского,
сумевшего обобщить результаты исследований своей эпохи, свести их в единую
целостную
картину
мира.
Труды
В.И.
Вернадского
носят
не
только
энциклопедический, но и мировоззренческий, а также методологический характер
(Философские идеи В.И. Вернадского и современность, 2013). В трудах В.И.
Вернадского, посвященных биосфере, последняя рассматривается не только как
область планеты Земля, где существует жизнь, а как сфера, которая формируется
и видоизменяется прошлой и настоящей жизнью. Отсюда наиболее подходящим
термином для столь транснаучной дисциплины, как экология, может стать
биосферная экология42.
Мы осознаем актуальность системного, комплексного изучения любой из
экологических проблем в период техногенеза, как одной из стадий развития
биосферы. Мы полагаем, что данные исследования воздействия экотола на
физиолого-биохимические характеристики саженцев древесных растений и
сопутствующую им мико- и микробиоту на фоне загрязняющих веществ, на
биогеохимическое состояние почв заслуживают дальнейшего продолжения.
Важно было бы получить четкие представления о характере влияния экотола на
поступление органических веществ из корневой системы в почву, где они
оказывают комплексообразующие воздействия на тяжелый металл. Пролить свет
на этот вопрос могли бы данные о составе форм свинца в почве, от чего,
собственно, и зависит различная доступность металла для растений. Понять
зависимость между химической формой и биодоступностью можно только после
Данный термин уже употреблялся в следующих работах (Миркин, Наумова, 1997; Зверев,
2014).
42
120
прямой идентификации форм свинца. Для достижения этой цели применяется
синхротронная рентгеновская техника, включающая расширенный анализ тонкой
структуры
рентгеновского
спектра
поглощения
(EXAFS-спектроскопия)
(Водяницкий, 2009; Водяницкий, 2010; Mаnceau et al., 1996). К сожалению, мы не
смогли найти научно-исследовательский институт, где была бы возможность
работы на подобной синхротронной рентгеновской технике.
Также важно было бы проследить более детально взаимосвязь между
стимулирующим
эффектом
экотола
на
ростовые
процессы
в
условиях
повышенных температур и гормональными системами, а также между ростовыми
процессами, корневой системой и микоризами. Оценить возможный вклад в этот
процесс нового класса гормонов растений и регуляторов симбиоза в микоризе –
стриголактонов (Тараканов, 2011), что, безусловно, заслуживает отдельного
самостоятельного исследования. Вместе с тем, мы удовлетворены, что в своей
работе использовали системный подход, и нами была проанализирована система:
почва растение симбиотическая микобиота-микориза. Это позволяет нам дать
рекомендации по использованию экотола (источника разнообразной палитры
биологически-активных
веществ)
для
поддержания
состояния
древесных
насаждений в городских условиях, в частности, в санитарно-защитных зонах
предприятий. Рекомендации основываются на иммобилизующем воздействии
экотола на тяжелый металл, положительном воздействии на ростовые процессы,
фотосинтез, синтез белка, а также на характере микоризации корневой системы
древесных пород. Экотол улучшает физиологическое состояние: фотосинтез,
синтез белка, устойчивость к тяжелым металлам лиственных древесных пород,
для которых характерна арбускулярная микориза (показано на примере ясеня и
рябины). Экотол не благоприятствует физиологическому состоянию саженцев ели
при наличии избытка тяжелого металла в почве, т.к. для ели характерна
эктомикориза, способствующая поглотительной деятельности корневой системой
121
растения тяжелого металла. Однако, поскольку экотол увеличивает плотность
корневых окончаний и плотность микориз, он будет оказывать благоприятное
воздействие на саженцы ели в условиях питомника и на территориях,
незагрязненных тяжелыми металлами.
Безусловно хотелось бы, чтобы экотолом заинтересовались работники,
связанные с озеленением городских территорий, и, как показывает Приложение 3
(см. с. 157), работники сельского хозяйства; ученые, в первую очередь, химикиорганики, которые бы расшифровали химический состав экотола по сути
природных биогенных соединений, включающих физиологически-активные
вещества, которые возникают на основе биоконверсии бывшего живого вещества
под воздействием мико- и микробиоты; был бы налажен масштабный синтез
экотола – собственно то, о чем говорил и так много сделал, включая разработку
для этих целей биореакторов, д.б.н. Г.В. Лебедев (Лебедев, 1999; Лебедев и др.,
2004). Нам хотелось стать последователями его начинаний в этой области. Г.В.
Лебедев один из первых отметил, что на предприятиях страны имеются службы,
занимающиеся вопросами промышленной безопасности, которые не имеют
отношения к охране природной среды обитания, хотя последнее также является
элементом здоровья (безопасности) работников предприятий. Продолжая данную
мысль Г.В. Лебедева, отметим, что данное положение находит отражение в
подготовке специалистов в университетах и в ряде вузов страны, где подготовка
специалистов по безопасности жизнедеятельности и по охране окружающей
человека природной среды не представляет собой единый целостный материал,
который в своей основе должен базироваться на биосферном мышлении, а при
преподавании на биосферной экологии или просто экологии.
122
ВЫВОДЫ
1. Впервые
было
показано,
что
экотол,
полученный
в
результате
биотехнологической конверсии соломы пшеницы, содержит биогенные амины
и
их
предшественники,
являющиеся
в
организмах
внутриклеточными
регуляторами и сигнальными веществами.
2. Впервые было обнаружено в экотоле наличие меланиновых пигментов, для
которых характерна сорбция тяжелых металлов, антиоксидантная активность и
другие протекторные свойства, а также фитостимулирующая активность.
3. Впервые установлено, что использование экотола в условиях засухи оказывает
благоприятное воздействие на ростовые процессы древесных саженцев.
4. Сопоставление
характеристик
физиологического
состояния
древесных
саженцев лиственных пород с данными по иммобилизации избыточных доз
свинца в почве под действием экотола, выявило положительное его влияние на
молодые растения в условиях загрязнения почв тяжелым металлом.
5. Различное воздействие экотола на поглотительную способность свинца
корневой системой древесных саженцев лиственных пород и хвойной – ели,
определяется несходством типов грибного симбионта этих древесных пород.
6. Рекомендуется внесение экотола в почву при посадке и дальнейшем
содержании лиственных древесных пород в условиях города.
7. При выращивании саженцев Picea abies L. в условиях питомника, что
подразумевает наличие в почве тяжелых металлов в пределах ПДК, экотол
также окажет положительное воздействие, т.к. будет способствовать росту
корней и их микоризации.
123
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. АГРОТЕХ
[Сайт].
Режим
доступа:
http://www.agrotehcom.ru
(дата
обращения: 12.09.2014).
2. Азарян, К.Г. Эффективность биопрепаратов при выращивании декоративных
растений / К.Г. Азарян, Э.А. Мелконян // Биологический журнал Армении. −
№ 4 (66). – 2014. – С. 42-50.
3. Актиномицеты в пище, кишечнике и экскрементах почвенных диплопод / Б.А.
Бызов, Г.М. Зенова, Н.И. Бабкина и др. // Микробиология. 1993. Т. 62.
Вып. 5. С. 925-936.
4. Актуальные вопросы всеобщей экологии: по материалам международного
(СНГ) семинара / Под общ. ред. проф. Н.М. Солодухо. Казань: Изд-во КГТУ,
2007. 243 с.
5. Алгоритмы обработки данных программы OMNIC
TM
[Сайт]. Режим
доступа: http://ftir.ru (дата обращения: 24.01.2014).
6. Артамонова,
В.С.
Микробиологические
особенности
антропогенно
преобразованных почв Западной Сибири / В.С. Артамонова. Новосибирск:
Изд-во СО РАН, 2002. 225 с.
7. Арчегова, И.Б. Переработка гидролизного лигнина и получение на его основе
материала для рекультивации техногенно-нарушенных территорий Крайнего
Севера / И.Б. Арчегова, М.Ю. Маркарова, О.В. Громова // Химия в интересах
устойчивого развития. 1998. Т. 6. № 4. С. 303-309.
8. Бабьева, И.П. Биология почв / И.П. Бабьева, Г.М. Зенова. М.: МГУ, 1989.
336 с.
9. Бакто-гумусовые препараты – теория и практика применения / А.Л. Степанов,
Д.Г. Звягинцев, Л.В. Лысак и др. // Биотехнология: состояние и перспективы
124
развития: материалы VI Московского международного конгресса. М.: ЗАО
«Экспо-биохим-технологии», РХТУ им. Менделеева, 2011. Ч. 2. С. 25-26.
10. Башкин, В.Н. Биогеохимические и геоэкологические подходы для оценки
комплексного экологического воздействия / В.Н. Башкин, А.С. Курбатова //
Современные проблемы загрязнения почв: по материалам Международной
конференции. М., 2004. С. 174-176.
11. Беккер, З.Э. Физиология грибов и их практическое использование / З.Э.
Беккер. М.: Изд-во Московского университета, 1963. 269 с.
12. Биореактор для разложения растительного сырья: пат. 1763478 Российская
Федерация: МПК С 12 М 1/00 / Г.В. Лебедев; патентообладатель Лебедев Г.В.;
заявл. 18.09.1989; опубл. 23.09.1992, Бюл. № 13, 1994. 6 с.
13. БИУД43 [Сайт]. Режим доступа: http://www.biud.ru (дата обращения:
16.07.2014).
14. Большая советская энциклопедия / Гл. ред. А.М. Прохоров. М.: «Сов.
энциклопедия», 1971. 3-е изд. Т. 6. 624 с.
15. Большая советская энциклопедия / Гл. ред. А.М. Прохоров. М.: «Сов.
энциклопедия», 1976. 3-е изд. Т. 25. 600 с.
16. Брей, С.М. Азотный обмен в растениях / С.М. Брей; пер. с англ. и предисл.
Э.Е. Хавкина. – М.: Агропромиздат, 1986. – 200 с.
17. Вадюнина, А.Ф. Методы исследования физических свойств почв / А.Ф.
Вадюнина, З.А. Корчагина. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Агропромиздат,
1986. 416 с.
18. Вернадский, В.И. Живое вещество и биосфера / В.И. Вернадский М.: Наука,
1994. С. 672.
43
«Биуд» – жидкое органическое удобрение (см. с.).
125
19. Вернадский, В.И. Химическое строение биосферы земли и ее окружения /
Вернадский В.И. М.: Наука, 1965. 374 с.
20. Веселкин, Д.В. Реакция эктомикориз хвойных на техногенное загрязнение:
дис. … канд. биол. наук: 03.00.16 / Д.В. Веселкин. Екатеринбург, 1999. 167
с.
21. Википедия [Сайт]: Гомеостаз (дата обращения: 30.09.2014); Инфракрасная
спектрометрия (дата обращения: 18.11.2014); Компосты (дата обращения:
10.09.2014); Мезофилы (дата обращения: 28.09.2014); Термофилы (дата
обращения: 28.09.2014); Ядерный магнитный резонанс (дата обращения
15.12.2016). Режим доступа: https://ru.wikipedia.org.
22. Влияние бактериального меланина на рост и развитие огурца в культуре in
vitro и in vivo / Л.Е. Тоноян, М.Т. Петросян, К.Г. Азарян, Ю.Г. Попов //
Ученые записки Ереванского государственного университета. Химия и
биология. − № 1. − 2010. − С. 50-55.
23. Влияние длительного применения средств химизации на агрохимические и
микробиологические свойства дерново-подзолистой почвы / В.Г. Минеев,
Н.Ф. Гомонова, Г.М. Зенова, И.Н. Скворцова // Агрохимия. – 1998. № 5. С.
5-12.
24. Влияние минеральных удобрений на устойчивость микробных систем
дерново-бурых почв, загрязненных уксуснокислым свинцом [Электронный
ресурс] / В.И. Каменщикова, Л.В. Кувшинская, О.А. Лысова, О.А. Игнатова //
Вестник
ПГУ.
Биология.
–
2009.
№
10.
Режим
доступа:
http://cyberleninka.ru (дата обращения: 13.06.2014).
25. Водяницкий, Ю.Н. Об опасных тяжелых металлах/металлоидах в почве / Ю.Н.
Водяницкий // Бюллетень Почвенного института им. В.В. Докучаева. М.,
2011. Вып. 68. С. 65.
126
26. Водяницкий, Ю.Н. Тенденции развития химии почв / Ю.Н. Водяницкий //
Бюллетень Почвенного института им. В.В. Докучаева. М., 2010. Вып. 66.
С. 64-82.
27. Водяницкий, Ю.Н. Тяжелые и сверхтяжелые металлы и металлоиды в
загрязненных почвах / Ю.Н. Водяницкий. – М.: ГНУ Почвенный институт им.
В.В. Докучаева Россельхозакадемии, 2009. 96 с.
28. Водяницкий, Ю.Н. Тяжелые металлы и металлоиды в почвах / Ю.Н.
Водяницкий. М.: Почвенный институт им. В.В. Докучаева РАСХН, 2008.
164 с.
29. Войтович,
Н.В.
Оценка
загрязнения
почв
сельскохозяйственного
использования в результате агрогенного воздействия / Н.В. Войтович, Н.А.
Полев, А.В. Останина // Почвы Московской области и их использование. М.:
Почв. ин-т им. В.В. Докучаева, 2002. Т.1. С. 372-384.
30. Волгушева, А.А. Использование JIP теста как быстрого и чувствительного
приема для оценки физиологического состояния деревьев, растущих в разных
экологических условиях / А.А. Волгушева, Т.Е. Кренделева // В кн. Экология,
науки о жизни: инновации. М., 2010. С. 22.
31. Воронина,
Е.Ю.
Микоризы
физиологические
и
в
наземных
экосистемах:
молекулярно-генетические
аспекты
экологические,
микоризных
симбиозов / Е.Ю. Воронина // Микология сегодня. М.: Национальная
Академия Микологии, 2007. Т. I. С. 142-234.
32. Востров, И.С. Живое тело почвы / И.С. Востров // Арсеньевские вести.
2003. № 26 (537).
33. Востров,
И.С.
Рациональное
использование
микроорганизмов
для
потенциального повышения плодородия почв / И.С. Востров // Вест. с.-х.
науки. 1989. № I (389).
127
34. Выпуск новостей Первого канала от 14.07.2014 [Сайт]: Суровое челябинское
лето: на Урале в июле выпал снег. Режим доступа: http://www.1tv.ru (дата
обращения 02.08.2014).
35. Высокоэффективная жидкостная хроматография в биохимии: пер. с англ. / Г.
Бауэр, Х. Энгельгард, А. Хеншен и др.; под ред. А. Хеншен и др. – М.: Мир,
1988. 688 c.
36. Гавриленко, В.Ф. Большой практикум по физиологии растений. Фотосинтез.
Дыхание: уч. пособие / В.Ф. Гавриленко, М.Е. Ладыгина, Л.М. Хандобина.
М.: «Высшая школа», 1975. 392 с.
37. Газарян, И.Г. Пероксидазы растений / И.Г. Газарян // В кн. Итоги науки и
техники, серия Биотехнология. М., 1992. Т. 36. С. 4-28.
38. Геоглобус.ру
[Сайт]:
Разбалансировка
климата
и
опасные
гидрометеорологические явления. Режим доступа: http://www.geoglobus.ru
(дата обращения 02.08.2014).
39. Гесслер, Н.Н. Меланиновые пигменты грибов в экстримальных условиях
существования (обзор) / Н.Н. Гесслер, А.С. Егорова, Т.А. Белозерская //
Прикладная биохимия и микробиология. − 2014. − Т. 50. − № 2. − С. 125-134.
40. Гидрометцентр
России
[Сайт]:
Новости.
Режим
доступа:
http://meteoinfo.ru/news (дата обращения: 06.11.2014).
41. Гирусов, Э.В. Биосферная парадигма глобализации человечества / Э.В.
Гирусов // Философские идеи В.И. Вернадского и современность. М.:
Технетика, 2013. С. 17.
42. Гирусов, Э.В. Экологический кризис / Э.В. Гирусов // Глобалистика.
Энциклопедия. М.: ЦНПП «Диалог», ОАО Изд-во «Радуга», 2003. 1328 с.
43. Гланц, С. Медико-биологическая статистика / С. Гланц; пер. с анг. Ю.А.
Данилов; под ред. Н.Е. Бузикашвили, Д.В. Самойлов. М.: Практика, 1999.
459 с.
128
44. Глинка, Н.Л. Общая химия / Н.Л. Глинка. Москва-Ленинград: «Химия»,
1964. С. 567-570.
45. ГН 2.1.7.2041-06 Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических
веществ в почве: введ. 01-04-2006.
46. ГН
2.1.7.2042-06
Ориентировочно-допустимые
концентрации
(ОДК)
химических веществ в почве: введ. 01-04-2006.
47. Гоготов, И.Н. Характеристика биогумусов и почвогрунтов, производимых
некоторыми фирмами России / И.Н. Гоготов // Дождевые черви и плодородие
почв: материалы I Международной научно-практической конференции.
Владимир, 2002. С. 96-99.
48. Гордеева, О.Н. К вопросу о методике изучения форм нахождения тяжелых
металлов в почвах на примере Южного Прибайкалья и Северо-Восточного
Китая / О.Н. Гордеева, Г.А. Белоголова // Современные проблемы загрязнения
почв: сборник материалов II Международной научной конференции. М.,
2007. Т. 2. С. 191-194.
49. Горелов, А.А. «Невозмутимый строй во всем…» / А.А. Горелов //
Биополитика. Открытый междисциплинарный семинар на биологическом
факультете
Московского
государственного
университета
им.
М.В.
Ломоносова. Избранные сообщения тезисы по теме «Экологические аспекты
биополитики». М.: каф. общей экологии, биол. ф-т МГУ, 2012. С. 17-29.
50. ГОСТ 17.4.1.02-83 Охрана природы. Почвы. Классификация химических
веществ для контроля загрязнения: Приложение 3. Переизд. Август 2008. –
М.: Стандартинформ, 2008.
51. ГОСТ 17.4.4.02-84 Методы отбора и подготовки проб для химического,
бактериологического,
гельминтологического
анализа:
Охрана
природы.
Почвы: Сб. ГОСТов: введ. 01.01.1986 г. Переизд. Август 2008 г. – М.:
Стандартинформ, 2008.
129
52. Дабахов, М.В. Экотоксикология и проблемы нормирования / М.В. Дабахов,
Е.В. Дабахова, В.И. Титова; Нижегородская гос. с.-х. академия. – Н. Новгород:
Изд-во ВВАГС, 2005. – С. 111-112.
53. Демин, В.В. Вероятный механизм действия гуминовых веществ на живые
клетки / В.В. Демин, В.А. Терентьев, Ю.А. Завгородняя // Гуминовые
вещества в биосфере. М.: Изд-во МГУ им. М.В. Ломоносова, 2003. С. 1820.
54. Дергачева, М.И. Гумусовая память почв / М.И. Дергачева // Память почв.
Почва как память биосферно-геосферно-антропогенных взаимодействий. М.:
ЛКИ, 2008. С. 530-560.
55. Дергачева, М.И. Органическое вещество почв: статистика и динамика /
Дергачева М.И. Новосибирск: Наука, 1984. 155 с.
56. Дергачева, М.И. Система гумусовых веществ почв / М.И. Дергачева.
Новосибирск: Наука (Сиб. отд.): РАН, 1989. 110 с.
57. Дероум, Э. Современные методы ЯМР для химических исследований: Пер. с
англ. / Э Дероум. – М.: Мир, 1992. – 403 с.
58. Детрит / Глав. ред. М.С. Гиляров // Биологический энциклопедический
словарь. М.: «Советская энциклопедия», 1986. С. 175.
59. Добровольский, Г.В. Сохранение почв как незаменимого компонента
биосферы: функционально-экологический подход / Г.В. Добровольский, Е.Д.
Никитин. М.: Наука, 2000. 186 с.
60. Добровольский, Г.В. Функции почв в биосфере и экосистемах / Г.В.
Добровольский, Е.Д. Никитин. М., 1990. 262 с.
61. Доклад о состоянии окружающей среды в городе Москве в 2013 году /
Правительство
Москвы,
Департамент
природопользования
и
окружающей среды города Москвы. М.: «ЛАРК ЛТД», 2014. 222 с.
охраны
130
62. Доржонова, В.О. Фитоэкстракция и фитотоксичность тяжелых металлов в
загрязненных почвах: автореф. дис. … канд. биол. наук / В.О. Доржонова. –
Улан-Удэ, 2013.22 с.
63. Дорогова, Е. Поле слышит, чувствует и общается / Е. Дорогова // Новый
аграрный журнал. – М., 2013. Вып. № 1 (5).
64. Дубенюк, А. Получение садового компоста [Электронный ресурс] / А.
Дубенюк // Журнал садовода «Делёнка». Режим доступа: http://www.delenkaclub.ru/article/196 (дата обращения: 10.09.2014).
65. Душенков, В. Фиторемедиациям [Электронный ресурс]: зеленая революция в
экологии
/
В.
Душенков,
И.
Раскин.
2002.
Режим
доступа:
http://www.chem.msu.su (дата обращения: 27.03.2014).
66. Жизневская, Г.Я. Элементный состав экотола из соломы пшеницы в сравнении
с природным мумие / Г.Я. Жизневская, Г.В. Лебедев // Микроэлементы в
медицине. – 2001. – № 2 (2). С. 50.
67. Зверев, В.Л. Система и проблемы биосферной экологии
XXI века
[Электронный ресурс] / В.Л. Зверев // Журнал «Самиздат». 2014. Режим
доступа: http://samlib.ru/z/zwerew_w_l/01.shtml (дата обращения: 06.12.2014).
68. Зыкин, М.А. EXAFS- и XANES-спектроскопия: метод. Разработка / М.А.
Зыкин, Я.В. Зубавичус. М.: МГУ им. М.В. Ломоносова, 2011. С. 2-16.
69. Иванов, Д.Н. Атомно-абсорбционный метод определения микроэлементов в
почвах / Д.Н. Иванов, Л.А. Лернер. – М., 1970. – С. 58-73.
70. Иванов, И. Великая Эпоха [Электронный ресурс]: В Китае с большой
скоростью уменьшается плодородие земли / И. Иванов. 2012. Режим
доступа: http://www.epochtimes.ru (дата обращения: 28.08.2014).
71. Игонин,
А.М.
Консервы
почвенного
плодородия
//
Международный
сельскохозяйственный журнал / А.М. Игонин. 1995. № 1. С. 44-46.
131
72. Изучение
физиологического
состояния
древесных
растений
по
характеристикам флуоресценции в коре однолетних побегов деревьев / П.С.
Венедиктов, Ю.В. Казимирко, Т.Е. Кренделева и др. // Экология. 2000. №
5. С. 338-342.
73. Ильин, В.Б. Микроэлементы и тяжелые металлы в почвах и растениях
Новосибирской области / В.Б. Ильин, А.И. Сысо. Новосибирск: Изд-во СО
РАН, 2001. 231 с.
74. Ильин, В.Б. Поступление тяжелых металлов в растения при их повышенном
содержании в почве / В.Б. Ильин, Г.А. Гармаш // Изв. СОАН СССР. Сер. биол.
наук. 1980. Вып. 2. – № 10. С. 54-58.
75. Инновационные аспекты биогеохимии / В.В. Ермаков, Е.А. Карпова, В.Д.
Корж, С.А. Остроумов. М.: ГЕОХИ, 2012. 340 с.
76. Кабата-Пендиас, А. Микроэлементы в почвах и растениях: Пер. с англ / А.
Кабата-Пендиас, Х. Пендиас. – М.: Мир, 1989. 439 с.
77. Казимирко, Ю.В. Разработка флуорометрических методов оценки состояния
фотосинтетического аппарата для биоиндикации среды: дисс. ... канд. биол.
наук: 03.00.02, 03.00.16 / Ю.В. Казимирко. М., 2006. – 117 с.
78. Кайгородов, Д. Беседы о русском лесе: Напечатана по изданию 1910 – 1911 гг.
/ Д. Кайгородов. М.: Белый город, 2010. 304 с.
79. Каренов, Р.С. Состояние и перспективы развития свинцово-цинковой
промышленности Республики Казахстан [Электронный ресурс] / Р.С. Каренов
// Научные статьи Казахстана. 2007. Режим доступа: http://articlekz.com
(дата обращения: 28.02.2014).
80. Карташова,
Е.Р.
Восстановление
деградированных
почв
с
позиции
биополитики / Е.Р. Карташова, С.Д. Терешкина, Н.В. Фитискина // Избранные
сообщения – тезисы. Биополитика. Открытый междисциплинарный семинар
на Биологическом факультете Московского государственного университета
132
им. М.В. Ломоносова. По теме «Биополитика и Россия». – М.: Биологический
факультет МГУ, 2010. – С. 24-28.
81. Карташова, Е.Р. Летняя производственная практика по физиологии растений:
уч.-метод. пособие / Е.Р. Карташова. М.: МГУ, 1977. 40 с.
82. Карташова, Е.Р. Полифункциональность растительных пероксидаз и их
практическое использование / Е.Р. Карташова, Г.Н. Руденская, Е.В. Юрина //
С.-х. биология. 2000. № 5. С. 63-70.
83. Карташова, Е.Р. Синтез научного знания и философской мысли в
экологической проблематике / Е.Р. Карташова, А.В. Олескин, Н.В. Фитискина
// Биополитика. Открытый междисциплинарный семинар на биологическом
факультете
Московского
государственного
университета
им.
М.В.
Ломоносова. Избранные сообщения тезисы по теме «Экологические аспекты
биополитики». М.: каф. общей экологии, биол. ф-т МГУ, 2012. С. 29-36.
84. Касатиков, В.А. Вермикультура перерабатывает осадки / В.А. Касатиков.
ПИКъ инфо, 2002. № 3(8). С. 3.
85. Климатический монитор [Сайт]: Июль 2010 года. Режим доступа:
http://www.pogodaiklimat.ru (дата обращения: 18.01.2013).
86. Князев, Д.А. Неорганическая химия: уч. для вузов / Д.А. Князев, С.Н.
Смарыгин. М.: Изд-во Дрофа, 2004. С. 7.
87. Кобринец, Л.А. Изменение активности ферментов антиоксидантной системы у
проростков люпина вызванной действием соединений свинца / Л.А. Кобринец
// Вестник Брестского государствоенного технического университета. 2012.
№ 2. С. 86-89.
88. Ковда, В.А. Биогеохимия почвенного покрова / В.А. Ковда. М.: Наука, 1985.
264 с.
133
89. Комаров, А.А. Роль гидролизного лигнина в плодородии почв и питании
растений: дисс. … докт. с.-х. наук: 06.01.03 / А.А. Комаров. – СПб., 2004. –
383 с.
90. Комаров, А.А. Фенольная основа гуминовых веществ и физиологическое
действие на растения / А.А. Комаров1, А.А. Комаров2 // Фенольные
соединения: фундаментальные и прикладные аспекты: сб. материалов IX
Международного симпозиума. − М., 2015. − С. 305-307.
91. Коцарь, Е.М. Использование биотехнологий для восстановления гумуса как
ведущего фактора в решении проблемы продовольственной и экологической
безопасности / Е.М. Коцарь, Б.Б. Коцинский // Збiрник наукових статей IX
Мiжнародна наукова-практична конференция. Екологiчна безпека: проблеми I
шляхи вирiшения. Алушта, АР Крим, Украiна, 2013. Т. II. С. 249-254.
92. Кретович, В.Л. Основа биохимии растений / В.Л. Кретович. М.: Высшая
школа, 1971. 464 с.
93. Крушельницкий, А. ЯМР для «чайников», или Десять основных фактов о
ядерном магнитном резонансе / А. Крушельницкий // «Троицкий вариант». −
№ 9 (128). – 2013. – С. 10.
94. Кудрин, В.С. Различия в механизмах ауторефлектроной регуляции биосинтеза
и высвобождения дофамина в подкорковых структурах мозга крыс / В.С.
Кудрин, И.И. Мирошниченко, К.С. Раевский // Нейрохимия. 1988. – Т. 7. – №
1. С. 8.
95. Кулагин, Ю.З. Древесные растения и промышленная среда / Ю.З. Кулагин.
М.: Наука, 1974. 125 с.
96. Курченко, В.П. Меланиновые пигменты: получение, свойство и применение /
В.П. Курченко // ЭкоБиотех – 2015: материалы доклада на Международной
научной конференции (13-16 октября 2015), г. Уфа.
134
97. Лебедев,
Г.В.
Экотолы,
класс
природных
физиологически-активных
соединений / Г.В. Лебедев. М.: «Яхонт», 1999. 207 с.
98. Леонов, В.П. Применение статистики в статьях и диссертациях по медицине и
биологии. Часть I. Описание методов статистического анализа в статьях и
диссертациях / В.П. Леонов, П.В. Ижевский // Международный журнал
медицинской практики. 1998. № 4. С. 7-12.
99. Лескова, О.А. Влияние катионов железа и свинца на рост и развитие растений
/ О.А. Лескова, Е.П. Якимова // Сборник научных трудов «Естествознание и
гуманизм». – Томск: Забайкальский гос. гум.-пед. ун-т, 2006. Т. 3. № 4.
100. Лобакова, Е.С. Ассоциативная симбиология на примере растительных
симбиозов / Е.С. Лобакова // Вестник Московского университета. Серия 16.
Биология. 2006. № 4. С. 9-16.
101. Лотош, В.Е. Пиритные огарки / В.Е. Лотош // Переработка отходов
природопользования. Екатеринбург: УрГУПС, 2002. С. 231.
102. Лыков, А.М. Органическое вещество пахотных почв Нечерноземья / А.М.
Лыков, А.Л. Еськов, М.П. Новиков. М.: Рос. акад. с.-х.
наук: ГНУ
ВНИПТИОУ, 2004. 630 с.
103. Мазей, Н.Г. Влияние ионов Cd+2 и Pb+2 на рост и развитие проростков
пшеницы / Н.Г. Мазей // Известия ПГПУ им. В.Г. Белинского. – 2008. № 10
(14). – С. 33-38.
104. Малиновский, В.И. Физиология растений: уч. пособие / В.И. Малиновский.
– Владивосток: Изд-во ДВГУ, 2004.
105. Марфенина, О.Е. Антропогенная экология почвенных грибов / О.Е.
Марфенина. М.: Медицина для всех, 2005. 195 с.
106. Медведев, С.С. Физиология растений: уч. / С.С. Медведев. – СПб.: Изд-во
С.-Петерб. ун-та, 2004. 337 с.
135
107. Методические указания МУ 2.1.7.730-99. Гигиеническая оценка качества
почвы населенных мест: утв. Гл. гос. санит. врачом РФ 7.02.1999 г. – 1999.
108. Методы оценки состояния зеленых насаждений и окружающей среды.
Оценка по флуоресценции хлорофилла // Состояние зеленых насаждений в
Москве. Аналитический доклад по данным мониторинга 1997. М.: ПримаПресс, 1998. С. 25-27.
109. Микробиология: словарь терминов / Н.Н. Фирсов. М: Дрофа, 2006.
Режим доступа: http://dic.academic.ru (дата обращения: 03.10.2014).
110. Миркин, Б.М. Популярный экологический словарь / Б.М. Миркин, Л.Г.
Наумова. Уфа: Китап, 1997. 200 с.
111. Мониторинг городских зеленых насаждений. Флуоресценция хлорофилла //
Состояние зеленых насаждений в Москве. Аналитический доклад по данным
мониторинга 1997. М.: Прима-Пресс, 1998. С. 119-122.
112. Назаренко, В.И. Мировые экологические проблемы / В.И. Назаренко. М.:
ВНИИТЭИагропром, 1991. 138 с.
113. Накопление
кадмия
и
свинца
некоторыми
сельскохозяйственными
культурами на дерново-подзолистых почвах разной степени окультуренности /
Б.А. Ягодин, В.В. Говорина, С.Б. Виноградова, А.Г. Замараев // Изв. ТСХА.
1995. – Вып. 2. С. 85-98.
114. Неизвестная, Н.Г. Изучение состава и свойств промышленных гуминовых
препаратов различного генезиса методами биотестирования и количественной
спектроскопии ЯМР: дисс. … канд. биол. наук: 03.02.08 / Н.Г. Неизвестная. –
М., 2013. – 125 с.
115. Нейромедиаторные амины, их предшественники и продукты окисления в
биомассе и супернатанте культуры Escherichia coli К-12 / В.А. Шишов, Т.А.
Кировская, В.С. Кудрин, А.В. Олескин // Прикладная биохимическая
микробиология. 2009. Т. 45. № 5. С. 550-554.
136
116. Никитин, Е.Д. Экологические функции почв / Е.Д. Никитин, Е.П. Сабодина
// Глобалистика. Энциклопедия. М.: ЦНПП «Диалог», ОАО Изд-во
«Радуга», 2003. 1328 с.
117. Николаевский, В.С. Экологическая оценка загрязнения среды и состояние
наземных экосистем методами фитоиндикации / В.С. Николаевский. М.:
МГУЛ, 1998. 192 с.
118. Ниязова, Г.А. Накопление микроэлементов почвенной микробиотой в
условиях Сумсарской свинцово-цинковой биогеохимической провинции
Киргизии / Г.А. Ниязова, С.В. Летунова // Экология. – 1981. № 5. 89 с.
119. НПО «ПИКСА» [Сайт]. Режим доступа: http://www.piksa.ru (дата
обращения: 12.09.2014).
120. Одум, Ю. Основы экологии / Ю. Одум. М.: Изд-во «Мир», 1975. 740 с.
121. Орлов, Д.С. Гумусовые кислоты почв и общая теория гумификации / Д.С.
Орлов. М.: Изд-во МГУ, 1990. 325 с.
122. Орлов, Д.С. Химия почв: уч. / Д.С. Орлов. – М.: Изд-во Моск. ун-та, 1985.
376 с.
123. Остроумов, С.А. Введение в биохимическую экологию / С.А. Остроумов.
М.: Изд-во МГУ, 1986. 176 с.
124. Остроумов, С.А. Живое вещество и роль детрита в биогенной миграции
микроэлементов / С.А. Остроумов // В кн. В.В. Ермаков, Е.А. Карпова, В.Д.
Корж, С.А. Остроумов. Инновационные аспекты биогеохимии. М.: ГЕОХИ,
2012а. С. 103-133.
125. Остроумов, С.А. Новая типология вещества и роль ex-living matter (ELM) в
биосфере / С.А. Остроумов // Экология, науки о жизни: инновации. М.:
МАКС Пресс, 2010. С. 62-65.
126. Остроумов, С.А. Новые результаты экспериментальной работы по изучению
химико-биотических взаимодействий и три проблемы, поставленные В.И.
137
Вернадским
/
С.А.
Остроумов
//
Биополитика.
Открытый
междисциплинарный семинар на биологическом факультете Московского
государственного
университета
им.
М.В.
Ломоносова.
Избранные
сообщения-тезисы по теме «Экологические аспекты биополитики». М.:
каф. общей экологии, биол. ф-т МГУ, 2012б. С. 41-44.
127. Остроумов, С.А. Обезвреживание токсичных элементов в биосфере и
совершенствование экологического мониторинга / С.А. Остроумов //
Экология промышленного производства. 2012в. № 1. С. 26-33.
128. Остроумов, С.А. Фундаментальные вопросы экологии обезвреживания
токсичных элементов в биосфере и улучшения экологического мониторинга /
С.А. Остроумов // Экология и промышленность России. Ноябрь 2011. С.
24-27.
129. Остроумов, С.А. Химико-биотические взаимодействия и новое в учении о
биосфере В.И. Вернадского / С.А. Остроумов. М.: Макс Пресс, 2013. Изд.
2-е, доп. 92 с.
130. Перминова, И.В. Гуминовые вещества вызов химикам XXI века / И.В.
Перминова // Химия и жизнь XXI век. 2008. № 1. С. 50-55.
131. Петрозаводский государственный университет [Сайт]: кафедра физики
твердого тела: EXAFS (ТСРП) – анализ тонкой структуры рентгеновского
поглощения. Режим доступа: http://dssp.petrsu.ru/p/tutorial/fopi/6_2.html
(дата обращения: 26.09.2014).
132. ПНД Ф 16.2.2:2.3.71-2011 Количественный химический анализ почв.
Методика измерений массовых долей металлов в осадках сточных вод,
донных отложениях, образцах растительного происхождения спектральными
методами. 2011.
138
133. Постановление Правительства Москвы от 10.09.2002 г. N 743-ПП «Об
утверждении Правил создания, содержания и охраны зеленых насаждений
города Москвы» (с изм. на 13.08.2013 г.).
134. Постановление Правительства Москвы от 17.06.2008 г. N 514-ПП «Об
утверждении методических рекомендаций и требований по производству
компостов и почвогрунтов, используемых в городе Москве»: Приложение 2.
Методические
рекомендации
по
приготовлению
и
использованию
биокомпостов на основе лиственного опала древесных культур.
135. Почва как природный банк микроорганизмов / Д.Г. Звягинцев, Т.Г.
Добровольская, Л.М. Полянская и др.; Государственный Комитет Российской
Федерации по высшему образованию. Программа «Университеты России» //
Биология, экология, биотехнология и почвоведение М.: Изд-во МГУ им.
М.В. Ломоносова, 1994. С. 228-238.
136. Почвенная экология / В.И. Савич, Н.В. Парахин, В.Г. Сычев и др. Орел:
Изд-во Орел ГАУ, 2002. 546 с.
137. Правительство Москвы [Сайт]: Состояние зеленых насаждений Москвы.
Режим доступа: http://www.dpioos.ru (дата обращения: 14.07.2014)
138. Правительство
Москвы
[Сайт]:
Экология:
Новость
от
08.08.2013.
Подготовлен буклет о породах деревьев, предлагаемых для высадки в
московских дворах. Режим доступа: http://www.mos.ru (дата обращения:
14.07.2014).
139. Правительство Москвы [Сайт]: Экология: Новость от 30.07.2013. В
ближайшие 5-10 лет в Москве будет высажено около 1 млн деревьев.
Режим доступа: http://www.mos.ru (дата обращения: 14.07.2014).
140. Проблемы озеленения крупных городов: материалы X конференции.
Альманах. Вып. 12. М.: Прима-Пресс-М, 2007. 221 с.
139
141. Проблемы управления качеством городской среды: сборник докладов. М.:
Прима-Пресс-М, 2003. 216 с.
142. Проблемы управления качеством городской среды: сборник докладов IX
научно-практической конференции. М.: Прима-Пресс-М, 2005. 165 с.
143. Проблемы управления качеством городской среды. М.: Прима-Пресс-М,
2006. 186 с.
144. Развитие арбускулярной микоризы у трансгенных растений табака с
измененным синтезом изопреноидов и растений с гиперпродукцией ауксинов
/ А.А. Ермошин, П.В. Кондратков, В.В. Алексеева, Е.Б. Рукавцова // Вестник
Нижегородского ун-та им. Н.И. Лобачевского. 2013. – №1 (1). – С. 146-150.
145. Растворимые фенольные соединения и почвообразование / А.Г. Заварзина,
А.А. Заварзин, Е.А. Гончарук, Н.В. Загоскина; отв. ред. Н.В. Загоскина //
Фенольные соединения: фундаментальные и прикладные аспекты: материалы
докладов VIII Международного симпозиума (Москва, 2-5 октября 2012 г.) –
М.: ИФР РАН; РУДН, 2012. С. 275-278.
146. Реймерс, Н.Ф. Экология. Теории, законы, правила, принципы и гипотезы /
Н.Ф. Реймерс. М.: Россия молодая, 1994. 366 с.
147. Рощина, В.В. Нейротрансмиттеры – биомедиаторы и регуляторы растений
[Электронный ресурс]: уч. пособие / В.В. Рощина; Электронное издательство
«Аналитическая микроскопия», ред. проф. А.Ю. Буданцева, техн. поддержка
– ред. 1 кат. Шатурная Н.В. 2010. 83 с.
148. Саловарова,
В.П.
Эколого-биотехнологические
основы
конверсии
растительных субстратов / В.П. Саловарова, Ю.П. Козлов. М.: Изд-во
РУДН, 2001. 330 с.
149. СанПиН 2.1.4.1074-01 Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству
воды централизованных систем питьевого водоснабжения: введ. 1.01.2002.
140
150. Связывание ионов меди грибными меланинами / Н.М. Ровбель, И.А.
Гончарова, А.Э. Томсон и др. // Микробиоогия и биотехнология на рубеже 21
столетия: материалы Межд. конференции. – Минск, 2000. – С. 79-80.
151. Селиванов, И.А. Микосимбиотрофизм как форма консортивных связей в
растительном покрове Советского Союза / И.А. Селиванов. М.: Изд-во
«Наука», 1981. 230 с.
152. Сенновская, Т. Сад у дороги / Т. Сенновская // Журнал «Наука и жизнь». –
2006. – № 5.
153. Скайград (группа компаний) [Сайт]. Режим доступа: http://innovations.skygrad.ru/fosfogips (дата обращения: 11.01.2015).
154. Словарь терминов МЧС, 2010.
155. Смит, С.Э. Микоризный симбиоз / С.Э. Смит, Д.Дж. Рид; перевод с третьего
английского издания Ворониной Е.Ю. М.: Товарищество научных изданий
КМК, 2012. 776 с.
156. Современные
проблемы
загрязнения
почв:
сборник
материалов
II
Международной научной конференции / Факультет почвоведения МГУ им.
М.В. Ломоносова, Докучаевское общество почвоведов, Российский фонд
фундаментальных исследований. М., 2007. Т. 1. 451 с. Т. 2. 337 с.
157. Солодухо, Н.М. Методические разработки к спецкурсу «Основы всеобщей
экологии». Казань: КГТУ, 1995. 20 с.
158. Солодухо, Н.М. Основные этапы эволюции экологии / Н.М. Солодухо // В
кн. Актуальные вопросы всеобщей экологии. Казань: Изд-во КГТУ, 2007.
С. 230-234.
159. Состояние зеленых насаждений в Москве: аналитический доклад. М.:
Прима-Пресс-М, 1998. 238с. 2001. 289 с. 2004. 224 с.
160. Сохранение свойств экотола и способностей его воздействия на растения во
временном аспекте / Е.Р. Карташова, А.В. Олескин, Т.П. Юрина и др.
//
141
Биотехнология:
состояние
и
перспективы
развития:
материалы
VI
Московского международного конгресса. М.: ЗАО «Экспо-биотехнология»,
РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2011. Ч. 2. С. 37-38.
161. Способ очистки черноземных почв, загрязненных тяжелыми металлами:
пат. 2492944 Российская Федерация: МПК В 09 С 1/00, А 01 В 79/02 / И.С.
Белюченко, О.А. Мельник, Ю.Ю. Петух; патентообладатель ФГБОУ ВПО
Куб. гос. агр-ый ун-т. № 2012111066/13; заявл. 22.03.2012; опубл. 20.09.2013,
Бюл. № 26. 6 с.
162. Сравнительный анализ активности компонентов антиоксидантной системы
древесных растений в условиях техногенного стресса [Электронный ресурс] /
А.Р. Гарифзянов, С.В. Горелова, В.В. Иванищев, Е.Н. Музафаров // Известия
ТулГУ.
2009. – № 1. Режим доступа: http://cyberleninka.ru (дата
обращения: 24.05.2014).
163. Существование
центра
пероксидазах
растений,
связывания
индолил-3-уксусной
структурное
сходство
кислоты
пероксидаз
в
и
ауксинсвязывающих белков / П.А. Савицкий, А.М. Рожкова, В.И. Тишков и
др. // Биохимия. 1998. 63. 6. С. 749-754.
164. Тараканов, И.Г. Фундаментальные и прикладные исследования регуляторов
роста: по материалам XX международной конференции по ростовым
веществам растений / И.Г. Тараканов // Гавриш. 2011. – № 1. – С. 48-51.
165. Таргульян, В.О. Память почв. Почва как память биосферно-геосферноантропогенных взаимодействий: монография / В.О. Таргульян, С.В. Горячкин
(ред.). М.: ЛКИ, 2008. 687 с.
166. Титов, И.Н. Вермикультура: возобновляемый источник биологически
активных веществ / И.Н. Титов // Биотехнология: состояние и перспективы
развития: материалы VI Московского международного конгресса. М.: ЗАО
«Экспо-биохим-технологии», РХТУ им. Менделеева, 2011. Ч. 2. С. 26-27.
142
167. Трапезников, В.К. Локальное питание растений / В.К. Трапезников, И.И.
Иванов, Н.Г. Тальвинская. Уфа: Гилем, 1999. 260 с.
168. Третьякова, Е.Б. Зообактериальные сообщества в вермикомпосте и
подстилке
/
Е.Б.
Третьякова,
Б.А.
Бызов,
Т.Г.
Добровольская
//
Микроорганизмы в сельском хозяйстве. Пущино, 1992. С. 199.
169. Трофимов, С.Я. «Экстра-Growth» гуминовый препарат нового поколения
для ремедиации загрязненных почв и стимулирования роста растений / С.Я.
Трофимов, А.Л. Степанов, Д.А. Соколова // Биотехнология: состояние и
перспективы
развития:
материалы
VI
Московского
международного
конгресса. М.: ЗАО «Экспо-биохим-технологии», РХТУ им. Менделеева,
2011. Ч. 2. С. 27-28.
170. Тюрюканов, А.Н. Н.В. Тимофеев-Ресовский: Биосферные раздумья / А.Н.
Тюрюканов, В.М. Федоров. М., 1996. 368 с.
171. Тяжелые металлы как фактор антропогенного воздействия на почвенную
микробиоту / С.В. Левин, В.С. Гузев, И.В. Асеева и др. // В кн.:
Микроорганизмы и охрана почв. М.: МГУ, 1989. С. 5-46.
172. Убугунов, В.В. Почвенные нитрификаторы в условиях свинцового
загрязнения / В.В. Убугунов, М.Г. Меркушева, Д.Б. Сосорова // Экология
Южной Сибири: материалы Южно-Сибирской международной конференции.
Абакан, 2001. Т. 2. С. 94.
173. Убугунов, В.Л. Тяжелые металлы в садово-огородных почвах и растениях г.
Улан-Удэ: автореф. дис. … канд. биол. н.: 03.00.27 / В.Л. Убугунов. УланУдэ, 2003. 24 с.
174. Убугунов, В.Л. Тяжелые металлы в садово-огородных почвах и растениях г.
Улан-Удэ / В.Л. Убугунов, В.К. Кашин. Улан-Удэ: Изд-во БНЦ СО РАН,
2004. 128 с.
143
175. Физико-химические характеристики хитозан-меланиновых комплексов /
А.В. Бакулин, В.П. Курченко, Н.В. Сушинская и др. // Труды БГУ. − 2009. −
Т. 4. − Ч. 2. − С. 290-297.
176. Философские идеи В.И. Вернадского и современность. М.: Технетика,
2013. 191 с.
177. Фокина, А.И. Влияние свинца на структуру фототрофных микробных
комплексов почвы: дис. … канд. биол. наук: 03.00.16 / А.И. Фокина. –
Сыктывкар. 2007. – 168 с.
178. Циклопедия [Сайт]. Режим доступа: http://cyclowiki.org (дата обращения:
09.12.2014).
179. Чернавина, И.А. Физиология и биохимия микроэлементов / И.А. Чернавина.
М.: Изд-во Высшая школа. 1970. 309 с.
180. Чернова, Н.М. Экологические сукцессии при разложении растительных
остатков / Н.М. Чернова. М.: Наука, 1977. 200 с.
181. Шапиро, Д.К. Практикум по биологической химии / Д.К. Шапиро. Минск:
«Вышэйшая школа», 1976. 2-е изд. 288 с.
182. Шишов, В.А. Биогенные амины в динамике роста микроорганизмов: дис. …
канд. биол. наук: 03.02.03 / В.А. Шишов. – М., 2010. 122 с.
183. Штамм Bacillus subtilis ИБ-22-продуцент цитокининов: пат. 2178970
Российская Федерация: A 01 N 63/00, C 12 N 1/20, C 12 N 1/20, C 12 R 1:125 /
А.И. Мелентьев, Г.Р. Кудоярова, С.Ю. Веселов и др.; патентообладатель
Институт биологии Уфимского научного центра РАН. № 2000105807/13;
заявл. 13.03.2000; опубл. 10.02.2002.
184. Экологический манифест // В кн. Реймерс Н.Ф. Экология. Теории, законы,
правила, принципы и гипотезы. М.: Россия молодая, 1994. С. 359-363.
185. Экологический энциклопедический словарь / Гл. ред. И.И. Дедю.
Кишинев: Молдовская советская энциклопедия, 1989. 406 с.
144
186. Экотолы. Производство и применение / Г.В. Лебедев, Е.Д. Сабинина, Н.Г.
Лебедева и др. М.: ФГУП ВИМИ, 2004. 116 с.
187. Юркова, Р.Е. Приемы инактивации тяжелых металлов и восстановления
почвенного плодородия орошаемых земел / Р.Е. Юркова // Научный журнал
Российского НИИ проблем мелиорации. 2012. № 1(05).
188. Якименко, О.С. Гуминовые препараты и оценка их биологической
активности для целей сертификации / О.С. Якименко, В.А. Терехова //
Почвоведение. 2011. № 11. С. 1334-1343.
189. Яшин, А.Я. Аналитические возможности жидкостного хроматографа
«ЦветЯуза» с электрохимическими детекторами / А.Я. Яшин, Я.И. Яшин //
Российский химический журнал. 2002. – Т. 64. – № 4. С. 1090-1115.
190. Arbuscular mycorrhizal contribution to heavy metal uptake by maize (Zea mays
L.) in pot culture with contaminated soil / I. Weissenhorn, C. Leyval, G. Belgy, J.
Berthelin // Micorrhiza. 1995. V. 5. P. 245-251.
191. Arshad, M. Microbial production of plant hormones / M. Arshad, W.
Frankenberger // Plant and Soil. 1991. V. 133. P. 1-8.
192. Biochemical molecular and physiological aspects of plant peroxidases / O.
Tarvainen, U. Ahonen-Jonnarth, A.M. Markkola et al.; ed. J. Lobarzewski.
Geneve Univ., 1991. P. 443-445.
193. Capuana, M. Heavy metals and woody plants biotechnologies for
phytoremediation [Electronic resource] / M. Capuana // Journal of Biogeosciences
and Forestry. – Jan 2011. V. 4. Р. 7-15. URL: http://sisef.org (date of
treatment: 01.04.2014).
194. Christie, P. Arbuscular mycorrhiza can depress translocation of zinc to shoots of
host plants in soils moderately polluted with zinc /, X.L. Li, B.D. Chen // Plant and
Soil. 2004. – V. 261. – P. 209-217.
145
195. Copper-Adapted Suillus luteus, a Symbiotic Solution for Pines Colonizing Cu
Mine Spoils / K. Adriaensen, T. Vralstad, J.-P. Noben et al. // Applied and
Environmental Microbiology. – Nov 2005. – V. 71(11). – P. 7279-7284. doi:
10.1128/AEM.71.11.7279-7284.2005.
196. Crommentuijn, T. Maximum Permissible Concentrations and Negligible
Concentrations for metals, taking background concentrations into account / T.
Crommentuijn, M.D. Polder, E.J. Van de Plassche // RIVM Report 601501001.
Bilthoven, 1997. 260 p.
197. Denny, H.J. Zinc tolerance in Betula spp. IV. The mechanism of ectomycorrhizal
amelioration of zinc toxicity / H.J. Denny, D.A. Wilkins // New Phytologist.
1987. V. 106. P. 545-553.
198. Direct determination of lead speciation in contaminated soils by EXAFS
spectroscopy / A. Mаnceau, M.C. Boisset, G. Sarret et al. // Environ. Sci. Technol.
1996. V. 30. P. 1540-1552.
199. Edwards, C.A. The science of vermiculture: the use of earthworms in organic
waste management / C.A. Edwards, N.Q. Arancon; Guerrero R.D. III, Guerrero-del
Castillo MRA (Eds.) // In: Vermi Technologies for Developing Countries:
proceedings of the International Symposium-Workshop on Vermi Technologies for
Developing Countries (nov. 16-18, 2005, Los Banos, Laguna, Philippines).
Philippine Fisheries Association, Inc. P. 1-30.
200. Effects of diverse doses of Lead (Pb) on different growth attributes of Zea-Mays
L. / A. Hussain, N. Abbas, F. Arshad et al. // Agricultural Sciences. 2013. V. 4.
№ 5. Р. 262-265.
201. Extracellular
and
cellular
mechanisms
sustaining
metal
tolerance
in
ectomycorrhizal fungi / M. Bellion, M. Courbot, C. Jacob et al. // FEMS
Microbiology Letters. 2006. V. 254. P. 173-181.
146
202. Frey, B. Extracellular complexation of Cd in the Hartig net and cytosolic Zn
sequestration in the fungal mantle of Picea abies-Hebeloma crustuliniforme
ectomycorrhizas / B. Frey, K. Zierold, I. Brunner // Plant Cell and Environment.
2000. V. 23. P. 1257-1265.
203. Gish, C.D. Cadmium, nickel, lead and zinc in earthworms from roadside soil /
C.D. Gish, R.E. Christensen // Environ. Sci. Technol. 1973.–V.7. –P.1060-1973.
204. Green, E. Cytokinine production by microorganisms / E. Green // Bot. Rev.
1980. V. 46. № 1. P. 25-74.
205. Heinrichs, H. Distribution and cycling of major and trace elements in two Central
European forest ecosystems / H. Heinrichs, R. Mayer // J. Env. Qual. 1977. V.
6. P. 402-407.
206. Inductively coupled plasma mass spectrometry handbook / Ed. S.M. Nelms. –
CRC Press: Boca Raton, 2005.
207. Jentschke, G. Distribution of lead in mycorrhizal and nonmycorrhizal Norway
spruce seedlings / G. Jentschke, E. Fritz, D.L. Godbold // Physiologia Plantarum.
1991. V. 81. P. 417-422.
208. Joner, E.J. Metal-binding capacity of arbuscular mycorrhizal mycelium / E.J.
Joner, R. Briones, C. Leyval // Plant and Soil. 2000. – V. 226. – P. 227-234.
209. Mаnceau, A. Quantitative speciation of heavy metals in soils and sediments by
synchrotron X-ray techniques / A. Mаnceau, M.A. Marcus, N. Tamura //
Applications of Synchrotron Radiation in Low-Temperature Geochemistry and
Environmental Science. Reviews in Mineralogy and Geochemistry. Washington,
DC, 2002. V. 49. P. 341-428.
210. Masters, R.D. Biology and politics: linking nature and nurture / R.D. Masters //
Ann. Rev. Polit. Sci. 2001. V. 4. P. 345-369.
211. Minnesota Rules Chapter 4761.0300. Residential Lead Abatement. Standards /
Minnesota Department of Health. 1993.
147
212. Mycorrhizal associations [Website] / M. Brundrett. 2008. URL:
http://www.mycorrhizas.info/ecm.html (date of treatment: 18.04.2014).
213. Nabulo, G. Trace metal uptake by tropical vegetables grown on soil amended
with urban sewage sludge / G. Nabulo, C.R. Black, S.D. Young // Environmental
Pollution. 2011. V. 159, no. 2. P. 368-376.
214. Oceanography / C. Summerhayes, S. Thorpe (Eds.). London: Manson
Publishing, 1996. 352 p.
215. Oleskin, A.V. Symbiotic Biofilms and Brain Neurochemistry / A.V. Oleskin, V.I.
Shishov, K.D. Malikina . Hauppage (NY): Nova Science Publishers, 2010.
216. Organic acids produced by mycorrhizal Pinus sylvestris exposed to elevated
aluminium and heavy metal concentrations / U. Ahonen-Jonnarth, P.A.W. van
Hees, S. Lu, R.D. Finlay // New Phytologist. 2000. V. 146. P. 557-567.
217. Ostroumov, S. Ecology and biogeochemistry of detoxification of hazardous
substances in the biosphere: a new concept of 'ex-living matter' (elm) / S.
Ostroumov // Environment, Life Sciences. V. 18. Moscow: MAKS Press,
2013. P. 67-68.
218. Piccolo, A. Supramolecular structure of humic substances / A. Piccolo // Soil
Science. 2001. V. 166. № 11. P. 823-829.
219. Pinho, S. Phytotoxicity by Lead as Heavy Metal Focus on Oxidative Stress / S.
Pinho, B. Ladeiro // Journal of Botany. 2012. 10 p. doi:10.1155/2012/369572.
220. Protein measurement with Folin phenol reagent / O.H. Lowry, N.J. Rosebrough,
A.L. Farr, R. Randall // Journ. Biol. Chem. – 1951. – V. 193. – № 1. – Р. 265-275.
221. Quantitative speciation of lead in selected mine tailing from Leadvill, Co. / J.D.
Ostergren, G.E. Brown, G.A. Parks, T.N. Tingle // Environ. Sci. Technol. 1999.
V. 33. № 10. P. 1627-1636.
222. Rattan, R.K. Effect of long term application of sewage effluents on available
water status in soils under Keshopure Effluent Irrigation Scheme in Delhi / R.K.
148
Rattan, S.P. Datta, A.K. Singh // Journal of Water Management. – 2001. № 9.
P. 21-26.
223. Rosen, C.J. Lead in the home garden and urban soil environment [Electronic
resource] / C.J. Rosen. URL: http://www.extension.umn.edu (date of treatment:
01.04.2014).
224. Sharma, P. Lead toxicity in plants / P. Sharma, R.S. Dubey // Braz. J. Plant
Physiol. 2005. V. 17 (1).
225. SKYLEAF ECO TV [Сайт]: Программа «Миллион деревьев». Режим
доступа: http://skyleaftv.com (дата обращения: 14.07.2014).
226. United States Environmental Protection Agency [Website]: Publications:
Analysis of Composting as an Environmental Remediation Technology: Chapter 1.
The Composting Process. 1998. URL: http://www.epa.gov (date of treatment:
12.09.2014).
227. United States Environmental Protection Agency [Website]: Publications:
Analysis of Composting as an Environmental Remediation Technology: Chapter 4.
Potential for reclamation of mine spoils and brownfields with compost. 1998.
URL: http://www.epa.gov (date of treatment: 12.09.2014).
228. Use of Humic Substances to Remediate Polluted Environments: From Theory to
Practice / Ed. by I.V. Perminova, K. Hatfield, N. Hertkorn // Proceedings of the
NATO Advanced Research Workshop on Use of Humates to Remediate Polluted
Environments: From Theory to Practice, held in Zvenigorod, Russia, 23-29
September 2002. NATO Science Series: IV. Earth and Environmental Sciences.
Vol. 52. The Netherlands: Springer, 2005. 534 p.
229. Vermistabilization of sewage sludge (biosolids) by earthworms: converting a
potential biohazard destined for landfill disposal into a pathogen-free, nutritive and
safe biofertilizer for farms / R.K. Sinha, S.L. Herat, G. Bharambe, A. Brahambhatt
149
// Journal of Waste Management & Research. Sage Publications, 2010. V. 28.
P. 872-881.
230. Wikipedia [Website]: Hartig net. URL: http://en.wikipedia.org/wiki/Hartig_net
(date of treatment: 23.10.14).
231. XAFS determination of the chemical form of lead in smelter-contaminated soils
and mine tailings: Importance of adsorption process / G. Morin, J.D. Ostergren, F.
Juillot et al. // Am. Mineral. 1999. V. 84. P. 420-434.
232. Xia, K. Studies of the nature of Cu and Pb binding sites in soil humus substances
using X-ray absorption spectroscopy / K. Xia, W. Bleam, P.A. Helmke // Geochim.
Cosmochim. Acta, 1997. Vol. 61. P. 2211-2221.
150
ПРИЛОЖЕНИЕ
151
Приложение 1
Сравнительная характеристика инфракрасного спектра экотола и
гуминовой кислоты, выделенной из почвы
Снятие
инфракрасного
спектра
экотола.
Метод
инфракрасной
спектроскопии (ИК-спектроскопия) применяется с целью установления структуры
различных соединений. При пропускании инфракрасного излучения через
изучаемое вещество происходит возбуждение колебательных движений молекул
или их отдельных фрагментов. В результате чего наблюдается ослабление
интенсивности света при тех длинах волн, энергия которых соответствует
энергиям возбуждения колебаний в изучаемых молекулах. Следовательно, длины
волн, при которых наблюдается максимальное поглощение инфракрасного
излучения, могут свидетельствовать о наличии в молекулах образца тех или иных
функциональных групп и других фрагментов. Экспериментальным результатом в
ИК-спектроскопии является инфракрасный спектр (ИК-спектр) график
зависимости интенсивности пропущенного инфракрасного излучения от его
длины волны. Обычно инфракрасный спектр содержит ряд полос поглощения, по
положению и относительной интенсивности которых делается вывод о строении
изучаемого образца (Википедия [Сайт]: Инфракрасная спектрометрия).
ИК-спектр препарата экотола был снят на инфракрасном спектрометре
Tensor 27 (Bruker, Германия) с применением KBr-техники, использование которой
обусловлено особенностями работы в инфракрасной области излучения. В ИКобласти стеклянная и кварцевая оптика неприменима из-за сильного поглощения
инфракрасных лучей этими материалами, в связи с чем призмы, линзы, защитные
стекла, кюветы изготавливают из кристаллов солей КВг, LiF и NaCl. Так как мы
предполагали получить ИК-спектр препарата экотола с целью сопоставления его с
152
имеющимся ИК-спектром гуминовый кислоты, выделенной из почвы, особый
характер имела и техника подготовки образцов к анализу. Водные растворы
гуминовых и фульвокислот практически невозможно изучать, так как вода сильно
поглощает ИК-излучение и, кроме того, оказывает растворяющее действие на
материал, из которого изготовлены кюветы. В то же время органические
растворители, обычно применяемые в ИК-спектрометрии, также непригодны,
потому что в них не растворяются специфические гумусовые вещества. Поэтому
гуминовые кислоты и фульвокислоты обычно изучают в твердом состоянии,
путем запрессовывания растертых препаратов в солевые пластины.
Подготовка образцов для снятия ИК-спектра препарата экотола с
применением KBr-техники заключалась в следующем. Химически чистый KBr
тщательно растирали в агатовой ступке и высушивали в течение 4-6 ч в
сушильном шкафу при температуре 200 °С. Затем отвешивали 1 мг
предварительно высушенного при 40
°С, а затем растертого
экотола.
Одновременно отвешивали 300 мг KBr. Соль и навеску препарата экотола
тщательно смешивали, слегка перетирая в агатовой ступке до получения
однородной смеси. Смесь вторично высушили при 40 °С.
Далее полученную смесь вносили в пресс-форму и действовали согласно
заводской инструкции используемой пресс-формы. В результате была получена
готовая
пластинка,
в
толще
которой
равномерно
распределен
образец
исследуемого вещества. Для изготовления контрольной пластинки, 300 мг KBr
прессовали
аналогично
прессованию
пластинки
с
препаратом
экотола.
Полученные пластинки были прозрачными, с гладкой блестящей поверхностью и
однородные по толщине, что соответствует требованию методики. Готовые
пластинки закрепляли в спектрофотометре, после чего производили снятие
инфракрасного спектра препарата экотола (Орлов, Гришина, 1981, с. 188-205).
Сопоставление
ИК-спектра
экотола
и
гуминовой
кислоты.
Инфракрасный спектр поглощения препарата экотола, синтезированного нами в
153
лабораторных условиях, и инфракрасный спектр гуминовой кислоты, выделенной
из почвы44, представлены на рисунках 1 и 2.
При рассмотрении рисунков 1 и 2 видно, что ИК-спектр препарата экотола,
полученного лабораторным путем, своей формой и пиками имеет сходство с ИКспектром гуминовой кислоты, выделенной из почв. Конкретно, идентична полоса
около 2900 см-1, говорящая о присутствии СН2 и СН3 групп; полоса 1725 1700
см-1, свидетельствующая о присутствии СООН групп и полоса 1620 см-1,
характерная для С=С связей в ароматических соединениях. Исходя из этого, мы
склонны предполагать наличие гуминовых веществ в экотоле.
На основе ряда косвенных данных Г.В. Лебедев также предполагал, что
экотолы могут содержать предшественники гуминовых соединений (Жизневская,
Лебедев, 2001). Как
известно, для
уверенного
отнесения
органических
соединений к классу гумусовых веществ необходимо и достаточно сочетание
пяти важнейших признаков, одним из которых является характер инфракрасных
спектров поглощения в интервале волновых чисел 4000 800 см-1 (Орлов, 1985, с.
231-232).
ИК-спектр гуминовой кислоты, выделенной из почвы, был любезно предоставлен нам
сотрудниками Лаборатории биоразнообразия и экологии почв Института экологического
почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова.
44
154
*Absorbance Units – единицы поглощения (А). А = log (100 / %T), где A – величина поглощения и
T – процент пропускания (% Transmittance). Процент пропускания на каждой частоте
определяется уравнением %T = (IS/IB)* 100, где IS – интенсивность инфракрасной энергии,
прошедшей через образец, и IB – интенсивность инфракрасной энергии без установленного
образца. IB называют фоном. Процент пропускания может быть получен из поглощения,
используя уравнение %T = 100*10(A), где A = поглощение (Алгоритмы обработки данных
программы OMNIC TM [Сайт]).
Рис. 1. ИК-спектр поглощения препарата экотола, полученный с применением
KBr-техники
Рис. 2. ИК-спектр гуминовой кислоты, выделенной из почвы
155
Приложение 2
Метеорологические условия летнего сезона 2010 г., в котором
выявились различия в ростовых параметрах Acer platanoides L.,
обработанных и необработанных экотолом
Начало летнего сезона 2010 г. характеризовалось обильными ливнями и
умеренно высокой температурой. В середине июня наступило короткое, но
сильное похолодание до + 15 °C, а с 24 июня в столичном регионе установилась
аномальная жара, которая продолжалась два месяца. 23 июля температура
впервые с 1938 г. превысила + 36 °C. 24 июля был установлен новый абсолютный
максимум месяца. 26 июля
в Москве был зафиксирован
абсолютный
исторический максимум + 37,5 °C. 29 июля на метеостанции ВВЦ была
зафиксирована самая высокая температура за 130 лет метеонаблюдений в Москве
+ 38,2 °C. 28 июля стали самыми тёплыми сутками за всю историю
метеонаблюдений
и
первыми
в
климатической
истории
сутками
со
среднесуточной температурой выше + 30 °C. 29 июля абсолютный рекорд был
преодолён, температура достигла + 38,2 °C. Впервые в истории наблюдений
среднесуточная температура превысила + 30 °C. Таким образом, средняя
температура июля составила 26,1 °C, что на 2,8 °C выше предыдущего рекорда
(июль 1938) и на 7,9 °C выше нормы. Дожди прошли в Москве только 20 июля и
24 июля. 2 августа был установлен очередной рекорд и превышен на 0,1 °C
абсолютный максимум августа, датированный 7 августа 1920 г.; со 2 августа он
был равен + 36,9 °C. 3 и 4 августа также были перекрыты рекорды
соответствующих дней, причём 4 августа снова был побит абсолютный рекорд
августа. Новый рекорд составлял + 37,2 °C, при этом в третий раз в истории и за
лето среднесуточная температура составила + 30,2 °C, что на 12,4 °C выше нормы.
5 августа в полдень метеостанция ВВЦ зафиксировала + 34,4 °C, что явилось
156
новым, четвёртым в августе и шестнадцатым за лето, рекордом дня. В течение
следующей ночи столбик термометра опустился всего до + 26,4 °C, и такая
температура стала самой высокой минимальной температурой за сутки в истории.
Днём 6 августа к 17 часам воздух прогрелся до + 37,3 °C, что явилось новым
абсолютным рекордом августа и перекрыло рекорд для этого дня за весь срок
наблюдений, начиная с 1879 г. Восемнадцатый рекорд состоялся 8 августа: + 36,1
°C. 9 августа рекорд был побит уже в 13 часов (+ 33,3 °C). 10 августа рекорд для
соответствующих суток перекрыт вновь: температура поднялась к 17 часам до +
34,1 °C. Средняя температура первой десятидневки августа составила + 28,2 °C,
что является абсолютным рекордом для десятидневки. 15 августа был побит
рекорд для этого числа: вместо + 30,5 °C (2007 г.) верхняя планка составляет + 31
°C. За первые 15 дней августа средняя температура составила + 27,2 °C.
Последний, десятый в августе и двадцать второй за лето, рекорд установлен 18
августа + 33,2 °C. На следующий день в центральные области России пришел
атмосферный фронт, благодаря чему погода стала более характерной для конца
лета.
С начала лета максимальная температура воздуха в течение 44 дней
превышала + 30 °C, из них 33 дня подряд (с 14 июля по 15 августа), а 16 дней
подряд максимальная температура превышала + 35 °C, что наблюдается в среднем
1 раз в 10-15 лет. Всего за лето 2010 года установлено 22 суточных
температурных рекорда, два рекорда месяца и абсолютный рекорд, из них два в
июне, десять в июле (а также месячный и абсолютный (+ 38,2 °C), плюс
абсолютный рекорд среднесуточной температуры (+ 30,8 °C) и абсолютный
рекорд минимальной ночной температуры (+26,0 °C)) и десять в августе (а также
месячный и абсолютные максимальные рекорды максимальной дневной
температуры (+ 37,3 °C)). Таким образом, лето 2010 года стало самым жарким за
всю историю метеонаблюдений, начиная с 1879 года (Циклопедия [Сайт]).
157
Приложение 3
Воздействие экотола на ростовые процессы яровой пшеницы
В опытах, проведенных в 2014 г. на семенах яровой пшеницы сорта Иволга
урожая 2013 г., было показано, что растения, обрабатываемые экотолом дважды:
спустя 3 недели после посева семян и повторно через неделю45, при
продолжающемся формировании корневой системы, положительно реагировали
на внесение экотола46. Это нашло отражение в результатах морфологического
анализа
ростовых
показателей
растений,
обрабатываемых
экотолом,
и
контрольного варианта (табл. 1).
Таблица 1. Величина верхнего междоузлия, высота всего растения, длина
листовой пластинки**, озерненность колоса и масса 1000 зерен***
Вариант
Высота
растения
Длина
междоузлия
Длина
листовой
пластинки
Длина колоса
Число
зерен в
колосе
Масса 1000
зерен
см
%
см
%
см
%
см
%
шт.
%
г
%
Контроль
64,8
±8,6
100
15,9
±2,7
100
20,7 ±3,8
100
8,8 ±1,3
100
41,4
±7,3
100
19,321
100
Экотол
80,7* 125
±5,7
20*
±2,2
126
27,6*
±5,2
133
11,2*
±1,2
127
65,4*
±11,7
158
31,343
162
* отмечены статистически значимые отличия от значений контрольного варианта при р = 0,05.
** учитывалась длина верхнего листа.
*** в работе приведены средние данные на основе измерения 50 растений и 50 колосьев.
Весь этот период времени был без дождей. При обработке растений экотол разбавлялся водой
в 5 раз (первичная обработка) и в 2 раза (вторичная обработка). Контроль в тех же объемах
поливался водой.
46
Работа была выполнена на территории Учебно-опытного почвенно-экологического центра
МГУ им. Ломоносова «Чашниково» совместно с к.б.н. Т.П. Юриной.
45
158
Из таблицы видно, что по всем учтенным в работе ростовым параметрам
растения, обработанные экотолом, превосходили контрольный вариант, что
нашло отражение и в урожае. Число зерен в колосе в 1,6 раза и прибавка в весе
зерен также в 1,6 раза варианта с экотолом превосходило контрольный вариант.
Удлинение верхнего междоузлия и высоты всего растения характерно для
воздействия
гиббереллинов
на
зерновые
культуры.
Однако,
действие
гиббереллинов при этом сопряжено с плохим завязыванием семян и снижением
их урожайности (Беккер, 1963, с. 152-155). В наших опытах урожайность
пшеницы увеличивалась. По всей видимости, положительный эффект от
воздействия экотола на пшеницу связан с наличием в нем меланинов.
При обработке растений гиббереллинами отмечается, что растения
истощаются и нуждаются в усиленном удобрении (Беккер, 1963, с. 154).
Поскольку экотол содержит в себе сумму разнообразных неорганических и
органических
веществ,
истощение растений
при
его
использовании
не
наблюдается (рис. 1).
Рис. 1. Растения яровой пшеницы сорта Иволга (сфотографировано 23.07.2014 г.):
1. Растения, обработанные экотолом.
2. Растения, не обработанные экотолом.
159
Стоит отметить, что период роста и развития яровой пшеницы – лето 2014
года вошло в историю, как одно из самых жарких за весь период регулярных
метеорологических наблюдений на Северном полушарии планеты. Так, в первые
шесть дней июня 2014 г. было установлено два температурных максимума,
превысивших температурные рекорды более чем за 100-летнюю практику
метеорологических наблюдений, а в середине июня наблюдались заморозки,
повторяющиеся в среднем один раз в 20 лет. Также отличительной чертой июня
стали порывистые ветры. Количество выпавших в июле осадков составило 5 % от
климатической нормы, в результате чего этот месяц стал самым сухим за всю
историю метеонаблюдений. Средняя суточная температура июля превысила
норму на 3 °С, при этом в последнюю неделю в Московском регионе наблюдался
суховей. Данный температурный режим отмечается в столице примерно один раз
в 10 лет. Средняя месячная температура августа превысила обычную на 2,8 °С,
при этом осадков выпало чуть больше месячной нормы 106 % или 82 мм
[Гидрометцентр России [Сайт]: Новости]. Как видно из данных таблицы 1 и
рисунка 1, аномальные условия летнего сезона 2014 г. меньше сказались на
растениях, обработанных экотолом.
