С избытком цинка. Ученые изучили перспективы использования горчицы после выращивания на субстрате с ионами металлов

Загрязнение почв ионами металлов является одной из актуальных проблем сельского хозяйства. Среди вариантов экологически безопасной очистки почв от этих химических элементов известна технология фиторемедиации, которая подразумевает высаживание на загрязненных почвах видов растений, устойчивых к высоким концентрациям металлов и способных поглощать ионы в довольно больших количествах и накапливать их в надземных органах. Однако при выборе таких растений для очистки почв необходимо учитывать климатические условия конкретного региона.

Поиском возможных видов, подходящих для фиторемедиации загрязненных цинком почв в условиях
Севера, а также вариантами их последующей переработки занялись физиологи растений Карельского
научного центра РАН. Они оценили возможность использования двух видов горчицы для очистки почв от
загрязнения цинком.

В регионах с рискованным земледелием, при неблагоприятных условиях климата и на бедных почвах
аграрии вынуждены использовать большие объемы цинксодержащих удобрений для повышения урожайности сельскохозяйственных культур и улучшения качества готовой продукции, что приводит к увеличению содержания цинка в почвах. Несмотря на то, что цинк является важным микроэлементом для всех живых организмов, в высоких концентрациях он может оказывать негативное действие на живые организмы.

Очистить почвы от избытка ионов металлов можно при помощи растений «аккумуляторов», которые способны активно поглощать ионы металлы и накапливать их в больших количествах в надземной части. Такая технология называется фиторемедиацией, считается перспективной, экологически безопасной и экономически выгодной. Однако в качестве «поглотителей» ионов металлов подходят далеко не все виды растений. Виды, перспективные для фиторемедиации, должны быть устойчивыми к действию избыточных концентраций металлов и способными успешно расти на загрязненных ими почвах, причем в условиях конкретного региона.

Поиском видов растений, подходящих для фиторемедиации загрязненных цинком почв в условиях
Севера, а также вариантов их последующей переработки занялись физиологи растений Института биологии
Карельского научного центра РАН. Исследователи изучили фиторемедиационный потенциал двух важных
масличных культур — горчицы сарептской и горчицы белой в условиях Севера. Работа поддержана грантом
РНФ.

— На основании литературных данных мы выбрали два вида растений: горчицу сарептскую и горчицу белую, как хорошо известные сидераты, но с разной стратегией накопления металлов. Горчица сарептская накапливает ионы металлов в надземной биомассе, горчица белая — в корнях. Отдельно был поставлен эксперимент по смешанному посеву. Мы предположили, что такой вариант может быть еще более эффективным. Данные культуры широко используют в сельском хозяйстве с целью улучшения структуры почвы, обогащения азотом и угнетения роста сорняков. Кроме того, оба вида горчицы являются сырьем для пищевой и фармацевтической промышленности, — рассказала Наталья Репкина, руководитель исследования, старший научный сотрудник лаборатории экологической физиологии растений Института биологии КарНЦ РАН.

Отдельное внимание ученые уделили вариантам переработки растений, выращенных на субстрате с избытком цинка. Поскольку цинк — необходимый для жизнедеятельности микроэлемент, то скашиваемая
надземная биомасса может быть использована в качестве добавки в корма животным, а корни растений для
компоста.

— Мы установили, что оба вида растений не различаются стратегией накопления, как считалось ранее, и накапливают цинк в надземной части в достаточно высоких концентрациях уже на стадии стеблевания, спустя 3–4 недели после посева, при этом содержание металла в субстрате заметно снижается. При более длительном выращивании «лучшего» эффекта очистки почвы не отмечалось. Это важно при практическом использовании, поскольку нет необходимости выращивать растения полный вегетационный период, а достаточно 4-х недель для получения необходимого эффекта. Кроме того, именно на этой стадии роста растений их используют для заготовки на корм животным. Нами также обнаружено, что совместное выращивание двух видов горчиц не целесообразно, так как в этом случае более эффективного накопления ионов металла в растениях и снижения его содержания в почве, не происходит. По результатам исследований мы можем рекомендовать использовать горчицу сарептскую в качестве добавки в корм животным как источник цинка и ненасыщенных жирных кислот, а надземную часть растений горчицы белой — в качестве сырья для биотоплива, — рассказала физиолог.

Результаты исследований опубликованы в международных научных журналах Plants и Horticulturae. Полученные данные также говорят о том, семена горчицы сарептской и горчицы белой, выращенных на почвах с высоким уровнем загрязнения цинком, могут быть использованы в дальнейшей переработке для производства масла.

— При избыточном поступлении ионов цинка в клетки у растений запускается каскад различных биохимических реакций, направленных на защиту клетки и обезвреживание ионов металла. На уровне целого растения защитные механизмы направлены на предотвращение избыточного поступления ионов металлов в семена. Проведенный нами анализ химического состава растений также это подтверждает, содержание цинка в семенах обоих видов горчиц было значительно меньше, чем в надземной части растений. Благодаря наличию транспортных каналов на мембране, ионы металлов не задерживаются в билипидный слое и беспрепятственно проникают внутрь клетки, где происходит их связывание с низкомолекулярными соединениями. При отжиме масла происходит отделение липидной и белковой фракции. Связанные ионы металлов остаются в белковой фракции. В связи с этим выделенная липидная «чистая» фракция из семян горчицы сарептской может быть использована при производстве масла, – обозначила Наталья Репкина.

Поскольку цель исследования комплексная и обширная, некоторые из задач были решены при сотрудничестве с коллегами из лаборатории экологической биохимии Института биологии (ИБ) КарНЦ РАН, на базе которой проводились работы по изучению липидного и жирнокислотного состава исследуемых растений.

— К тому же в семенах горчицы сарептской, выращенных на субстратах с избытком цинка, отмечено более высокое содержание ненасыщенных жирных кислот, что важно для пищевой промышленности. Напротив, в семенах горчицы белой значительно возрастает содержание насыщенных жирных кислот, что рассматривается как менее ценная характеристика сырья для пищевой промышленности. Однако в этом случае в совокупности с обнаруженным нами высоким содержанием триацилглицеринов, такие семена могут быть использованы, например при производстве биотоплива, физико-химические свойства которого можно корректировать согласно назначению, – пояснила Светлана Мурзина, заведующая лабораторией экологической биохимии ИБ КарНЦ РАН.

Фото на обложке: Наталья Репкина, старший научный сотрудник лаборатории экологической физиологии растений Института биологии КарНЦ РАН / Служба научных коммуникаций КарНЦ РАН