Способ снижения накопления радионуклидов в растениях люпина желтого при выращивании на загрязненных почвах

СПОСОБ СНИЖЕНИЯ НАКОПЛЕНИЯ РАДИОНУКЛИДОВ В РАСТЕНИЯХ ЛЮПИНА ЖЕЛТОГО ПРИ ВЫРАЩИВАНИИ НА ЗАГРЯЗНЕННЫХ ПОЧВАХ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт экспериментальной ботаники имени В.Ф.Купревича Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Будкевич Тамара Амвросиевна Матусов Георгий Дмитриевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт экспериментальной ботаники имени В.Ф.Купревича Национальной академии наук Беларуси(57) Способ снижения накопления радионуклидов в растениях люпина желтого при выращивании на загрязненных почвах, включающий посев предшествующих растений, обладающих свойством уменьшать содержание радионуклидов в почве, отличающийся тем,что в качестве предшествующих растений высевают рапс яровой. .. или горчицу белую., выращивают до достижения фазы полного созревания семян, удаляют репродуктивную часть растений и запахивают растительные остатки в почву, а с наступлением следующего вегетационного сезона высевают и выращивают желтый люпин. Заявляемое изобретение относится к растениеводству, а именно к агротехническим способам снижения накопления радионуклидов (РНД) в культурных кормовых растениях,и может быть использовано для возделывания сельскохозяйственных культур на дерновоподзолистых супесчаных и песчаных почвах, загрязненных радионуклидами цезия-137 и стронция-90 в результате аварии на Чернобыльской атомной электростанции (ЧАЭС). При возделывании сельскохозяйственных культур на почвах, загрязненных радионуклидами чернобыльского происхождения, наиболее широко используемым агротехническим приемом снижения поступления в растения из почвы основных дозообразующих радионуклидов чернобыльского происхождения - 137 и 90 - является известкование кислых почв и внесение в почву минеральных удобрений. Этот способ основан на принципе увеличения в почве суммы поглощенных оснований и повышении концентрации обменных форм калия, что приводит к усилению при корневом поглощении конкуренции между ионами РНД и ионами элементов-антагонистов К и Са 1. 9448 1 2007.06.30 Однако систематическое использование повышенных регламентированных доз извести и фосфорно-калийных удобрений под посевы кормовых культур, наряду с определенным эффектом снижения содержания РНД в продукции растениеводства, наряду с существенными материальными затратами, приводит к нарушению баланса питательных веществ в растениях и ризосфере, а их миграция минеральных элементов в почвенном профиле - к нежелательным экологическим последствиям для окружающей среды. Кроме того, на фоне известкования почвы усиленное потребление растениями калия и фосфора у бобовых культур, таких как люпин, горох, клевер, люцерна и др., сопровождается усилением оттока поглощенных (РНД) цезия и стронция из корневых систем в надземные органы. Уменьшение доступности РНД для корневых систем растений вследствие перевода их в прочносвязанные формы достигается при внесении в почву фиксирующих неорганических и органических соединений 2. Внесение в почву органических удобрений (навоза, торфа, сапропелей и др.) дает незначительный (на 15-30 ) эффект снижения перехода РНД в растения, при этом затраты на добычу и транспортировку этих удобрений не компенсируют прибавку урожая от их использования. Известен способ локализации РНД в почвах и грунтах при использовании в качестве вещества-поглотителя гранул вспученного перлита, на внутреннюю поверхность которых нанесены поглотители 3. Применение этого способа сопровождается трудностями технического характера, связанными с извлечением и удалением из пахотного слоя почвы адсорбентов с фиксированными на их поверхности (или внутри них) РНД. Высокой эффективностью характеризуется способ дезактивации почвогрунтов от радионуклида 137 за счет усиления его десорбции в почве путем обработки почвы водным раствором неорганической соли аммония и дополнительным введением растворимой в воде некомплексной неорганической соли железа 4. Однако обработка почвы предлагаемым способом при достаточно высокой степени ее очищения (до 70 ) от РНД цезия сталкивается с проблемой возможности очистки только малых объемов почвы, что ограничивает использование этого способа для выращивания растений в полевых условиях. Для экологически безопасного земледелия в регионах, загрязненных радиационными эмиссиями, наиболее приемлемыми представляются способы минимизации перехода РНД из почвы в растениеводческую продукцию, основанные на частичном или полном использовании регулирующих факторов биологической природы. К таким приемам относится способ очистки почвы от РНД путем обработки ее солями аммония с добавками микроорганизмов как биологически активных элементов, чем достигается усиление десорбции радиоцезия, и последующим высеванием в слой почвы однолетних и многолетних растений с отчуждением в конце вегетационного периода их надземной фитомассы, загрязненной РНД 5. Однако это требует использования специальной технической установки для разделения загрязненной и чистой продукции. В основе биологического способа снижения поступления РНД в хозяйственно-ценные растения (древесная порода) за счет поглощения и накопления значительных количеств РНД кустарниковыми видами подлеска при совместном произрастании с древесными видами положено использование конкурентных взаимоотношений в процессе корневого питания у растений различной видовой принадлежности, выращиваемых одновременно на одной территории и различающихся способностью поглощать из почвы и накапливать радионуклиды в надземных органах, в результате чего растения, интенсивно поглощающие и аккумулирующие РНД (крушина ломкая), уменьшают концентрацию подвижных форм РНД в ризосфере, понижая тем самым уровень их накопления в органах и частях хозяйственно-ценных видов древесных растений (сосны) 6. 2 9448 1 2007.06.30 Этот прием получения экологически чистой растительной продукции трудно применим при культивировании смешанных посевов травянистых растений, поскольку при уборке урожая отделение фитомассы или семян основной культуры от компонентов растения, накапливающего РНД, неосуществимо. Наиболее близким к заявляемому способу приемом снижения поступления и накопления РНД в кормовые растения является предварительная (перед высевом основной культуры) фитодезактивация почвы путем выращивания на ней в течение нескольких вегетационных периодов травянистых растений-накопителей РНД (подмаренника мягкого, тысячелистника обыкновенного, донника белого, клевера лугового красного, подорожника среднего, ежи сборной, болиголова пятнистого и др.) с отчуждением в конце каждой вегетации их надземной массы, содержащей значительное количество инкорпорированных РНД 7 (прототип). Основной недостаток способа подготовки почвы для выращивания экологически чистой кормовой продукции путем предварительной фитодезактивации почвы за счет выведения из нее РНД с помощью растений-накопителей обусловлен трудностью его практического применения, связанного с техническим осуществлением и экономическими затратами при утилизации загрязненной фитомассы, особенно в условиях личных и фермерских хозяйств. Помимо этого приобретение или сбор семенного материала предложенных травянистых видов-дезактиваторов (тысячелистника, подмаренника, болиголова, подорожника) для засевания очищаемой от РНД территории достаточно трудоемкая задача, учитывая низкую полевую всхожесть семян данных видов. Задачей настоящего изобретения является снижение накопления РНД в растениеводческой продукции, выращиваемой в условиях загрязнения почв 137 и 90 с одновременной экологической безопасностью и экономической рентабельностью, особенно для условий личных хозяйств. Поставленная задача достигается тем, что в способе снижения накопления радионуклидов в растениях люпина желтого при выращивании на загрязненных почвах, включающем посев предшествующих растений, обладающих свойством уменьшать миграцию РНД из почвы и накопление их в основной кормовой культуре, в качестве предшествующих растений высевают рапс яровой (. . .) или горчицу белую(.). Выращивают до достижения фазы полного созревания семян. Удаляют репродуктивную часть растений и запахивают растительные остатки в почву. А с наступлением следующего вегетационного сезона высевают и выращивают люпин желтый. Предлагаемый нами способ снижения поступления РНД в кормовую продукцию при выращивании сельскохозяйственных культур на загрязненных почвах имеет черты сходства с прототипом в части использования для решения поставленной задачи посевов растений-предшественников основной культуры. Принципиальное отличие заявляемого способа от прототипа заключается в том, что в качестве фактора, ограничивающего миграцию РНД из почвы и накопление их в хозяйственно-ценных органах и частях основной культуры, выращиваемой с кормовыми целями, предлагается не дезактивация почвы путем отчуждения загрязненной РНД фитомассы промежуточных культур, а использование в качестве предшественников видов растений, обладающих сильными аллелопатическими свойствами, прижизненные корневые выделения и растительные остатки которых в ризосфере служат источником биологически активных соединений, способных трансформировать подвижные формы РНД в труднодоступные, а также оказывать влияние на метаболизм последующей культуры, ингибируя процессы поглощения и аккумуляции РНД в ее фитомассе. К аллелопатически активным культурам относятся представители сем. Крестоцветных, характеризующиеся высоким содержанием в корнях и надземных органах физиологически активных соединений, способных также накапливаться в ризосфере в составе прижизненных корневых выделений. Посевы крестоцветных растений выполняют 3 9448 1 2007.06.30 роль химических санитаров в растительных сообществах, участвуя в химическом взаимодействии между высшими растениями и микробоценозами, а также во взаимодействии растений между собой. В период активного вегетативного роста и развития крестоцветные растения при плотности посева 50-70 экз./м 2 выделяют в ризосферу до 1 г на м 2 в сутки свободных серусодержащих аминокислот, -группы (сульфгидрильные группы) которых способны связывать ионы 137 и 90. Кроме того, в смешанных посевах крестоцветных и кормовых культур - представителей других семейств под воздействием биологически активных соединений крестоцветных происходит устойчивая стимуляция ростовых процессов и минерального питания компонентов, в надземных органах которых содержание К и Са возрастает по сравнению с их монокультурой на 20-40 , соответственно снижается поступление в растение химических аналогов -и . Однако аллелопатическое воздействие крестоцветных культур как доноров биологически активных соединений на ризосферу проявляется на почвах различного генезиса видоспецифично, т.е. в зависимости от видовой принадлежности воздействующих культур и типа почв, на которых они произрастают, и может отрицательно сказаться на росте и развитии произрастающих совместно с ними или после них культур и сопровождаться снижением продуктивности последних. Радиоэкологические эксперименты на дерново-подзолистых почвах легкого механического состава - наиболее распространенном типе сельскохозяйственных почв, загрязненных РНД - убедительно доказали возможность эффективного снижения биологической подвижности РНД в системе почва - кормовые культуры без потери их продуктивности путем аллелопатического последействия на ризосферу представителей сем.Крестоцветных рапса ярового (. . .) и горчицы белой (.). В качестве основной культуры использовали люпин желтый, характеризующийся в ряду кормовых культур самыми высокими коэффициентами накопления РНД. Пример 1 В модельном 2-х этапном лабораторном эксперименте на 1-м этапе пластмассовые сосуды емкостью 250 мл наполняли речным песком, предварительно обработанным 10 раствором НС и промытым дистиллированной водой согласно методике закладки вегетационных опытов в песчаной культуре. Масса песка в воздушно-сухом состоянии в сосуде 240 г. Перед наполнением сосудов песок тщательно перемешивали с питательной смесью Кноппа. Каждый вариант 1-го этапа эксперимента выполняли в 12-кратной повторности по схемевариант - в сосуды, наполненные песком с питательной смесью, высевали по 8 всхожих семян рапса яровоговариант - в сосуды высевали по 8 всхожих семян горчицы белойвариант - контроль (без посева). Сосуды с высеянными семенами крестоцветных растений и контрольные сосуды помещали в фитотрон. Освещенность в опыте составляла 1860 люкс, влажность песка в сосудах с растениями поддерживали на уровне 60 от полной полевой влагоемкости (ППВ). При достижении растениями фазы образования стручков растения и субстрат из каждого сосуда переносили в специальную емкость, растения (надземная частькорни) отделяли от субстрата, измельчали ножницами и тщательно перемешивали с песком из сосуда, после чего этой смесью наполняли сосуд снова. Подготовленные таким образом сосуды с растительными остатками и контрольные сосуды сохранялись в лабораторных условиях при температуре 18-20 С в течение 6 месяцев. На 2-м этапе эксперимента в сосуды каждого из трех вариантов (сосуды с растительными остатками рапса ярового, с растительными остатками горчицы белой и контрольные сосуды) вносили по 25 мл водного раствора, содержащего 5 мл раствора 137 с концентрацией радиоизотопа цезия 1200 Бк/мл (повторность 6-кратная), в оставшиеся сосуды каждого варианта (также 6-кратной повторности) вносили по 25 мл раствора, включающего 5 мл раствора 902 с концентрацией радиоизотопа стронция 900 Бк/мл. Семена люпина желтого (сорт Жемчуг) проращивали в чашках Петри на влажной фильтровальной бумаге в течение 2-х суток, после чего проросшие семена высевали в сосуды с радиоак 4 9448 1 2007.06.30 тивными метчиками (6 растений на сосуд). Растения выращивали в течение 25 суток до фазы 3-х пар листьев в условиях фитотрона при освещенности 1860 люкс. Надземную часть 25-дневных проростков люпина срезали на высоте 1,0 см над поверхностью субстрата, измельчали и высушивали в термостате при 105 С до постоянного веса и формировали образцы для радиометрического анализа. Корневые системы растений отмывали от песка дистиллированной водой, после чего песок высушивали до воздушно-сухого состояния и анализировали. Концентрацию радиоизотопов в растительных и почвенных образцах определяли отдельно для каждого сосуда с использованием бета-радиометра РУБ-01 П с блоком детектирования БДЖБ-06 П 1. Эффект воздействия заявляемого способа снижения содержания РНД в растениях оценивали по величинам коэффициентов накопления (Кн),которые рассчитывали по формуле КнУА растений (Бк/г) / УА субстрата (Бк/г). Статистическая оценка полученных данных проведена с применением программы . В результате воздействия рапса ярового на ризосферу накопление 137 в проростках люпина снизилось в 3,4 раза, накопление 90 в 1,8 раза. Под воздействием горчицы белой кратность снижения составила соответственно 137 - 1,9, 90 - 1,3 (табл. 1). Таблица 1 Удельная активность субстрата,Бк/г Вариант воздействия на ризосферу Удельная активность растений люпина, Бк/г Последействие рапса ярового Последействие горчицы белой Контроль Последействие рапса ярового Последействие горчицы белой Контроль Пример 2 В полевых условиях семена рапса ярового или горчицы белой высеваются в почву,загрязненную РНД, с соблюдением сроков посева и правил агротехники, принятых при выращивании крестоцветных культур на дерново-подзолистых почвах легкого механического состава. В фазе полной зрелости семян репродуктивная часть (ветки со стручками) срезается для получения семенного материала, который может быть использован в дальнейшем для посева или для переработки с целью получения растительного масла технического назначения. Растительные остатки крестоцветной культуры запахиваются в почву до следующего вегетационного сезона. Весной в соответствии со стандартными правилами агротехники производится посев основной кормовой культуры на зеленый корм или семена. Полевые опыты проводили в Хойникском районе Гомельской области в 30-км зоне ЧАЭС (участок Оревичи, плотность загрязнения по 137 45 Ки/км 2) и на прилегающей к зоне территории (участок Новоселки, плотность загрязнения по 137 10 Ки/км 2) на землях бывших личных хозяйств. Почва участков дерново-подзолистая супесчаная 5 9448 1 2007.06.30 окультуренная. Опыты закладывали рендомизированным способом в 3-кратной повторности. Площадь опытной делянки 8 м 2. Схема опытов Участок Оревичи. 1. Последействие рапса ярового. 2. Последействие ежи сборной (контроль). Участок Новоселки. 1. Последействие рапса ярового. 2. Последействие горчицы белой. 3. Последействие ячменя (контроль). Семена рапса ярового и горчицы белой высеваются сплошным способом с шириной междурядий 15 см, норма высева 10 кг/га всхожих семян. Норма высева ячменя в качестве предшественника - 180 кг/га, ежи сборной - 16 кг/га. Основную культуру - люпин желтый высевали также сплошным способом с шириной междурядий 15 см, норма высева 180 кг/га всхожих семян. Агрофон (предпосевное внесение удобрений) для предшественников 606090, для люпина - Р 6090. Отбор растительных образцов люпина для анализа на содержание 137 производили 2 раза за вегетационный период в фазу цветения (зеленая масса) и в фазу созревания (зрелые семена). На каждой делянке опытных и контрольных вариантов отбирали по 20 растений. Надземную часть растения срезали на высоте 10-12 см от поверхности почвы,производили учет зеленой массы, затем растения измельчали ножницами, формировали среднеделяночную пробу после взятия пробы на влажность растительный образец высушивали до постоянной массы в термостате при 60 С. Сухую пробу измельчали на электрической мельнице, помещали в кюветы емкостью 0,5 л и анализировали на содержание 137 с использованием радиометра РКГ 03 (минимальная детектируемая активность 3,7 Бк/кг). Семена люпина анализировали в состоянии их естественной влажности. Для определения удельной активности почвы одновременно с растительными образцами на каждой делянке специальным почвенным буром в слое 0-20 см методом конверта (5 проб) отбирали образцы почвы, из которых формировали среднеделяночную пробу. Почву анализировали в воздушно-сухом состоянии. Принимая во внимание высокую степень пестроты загрязнения почвенного покрова и соответственно высокую вариабельность показателей удельной активности (УА) растений, эффективность исследуемого способа снижения загрязненности растений РНД так же, как и в модельном эксперименте, оценивали по значениям коэффициентов накопления (КнУА растений (Бк/кг) / УА почвы (Бк/кг. В сравнении с контрольными вариантами, где предшественниками были злаковые травы и зерновые культуры (табл. 2), в хозяйственных частях растений люпина, выращенного на почве с последействием рапса ярового или горчицы белой, концентрация 137 снижается в зеленой массе в 1,5-6 раз, в семенах - в 1,2-10,5 раз, при этом продуктивность зеленой массы и семян основной культуры в вариантах с последействием крестоцветных растений на 5-40 превышала показатели в контрольных вариантах. Таким образом, предлагаемый способ снижения накопления РНД в кормовых растениях на легких по механическому составу дерново-подзолистых почвах позволяет не только минимизировать концентрацию РНД цезия и стронция в растениеводческой продукции при сохранении или даже стимуляции продуктивности хозяйственно-ценных частей кормовой культуры, но и одновременно является экологически безопасным и экономически рентабельным, особенно в условиях личных хозяйств, так как не требует применения высоких доз минеральных удобрений, обеспечивая при этом получение побочного хозяйственно-ценного продукта - семян рапса и горчицы - для использования в новом цикле выращивания кормовых растений с применением заявляемого способа снижения содержания в них РНД. 9448 1 2007.06.30 Таблица 2 Плотность Вариант Продуктивность загрязне- воздейстосновной Основная ния вия культуры культура почвы,на ризо(сухая масса Ки/км 2 сферу 100 растений), г ЛюпинЗеленая 60040 Последеймасса ствие рапса ярового Семена 87761 455 Контроль Люпин(последей- Зеленая 59240 ствие масса ежи Семена 88661 сборной) ЛюпинЗеленая 55361 Последеймасса ствие рапса ярового Семена 72370 ЛюпинПоследей- Зеленая масса ствие горчицы белой Семена Контроль Люпин(последей- Зеленая ствие ячмасса меня) Семена Источники информации 1. Руководство по ведению агропромышленного производства в условиях радиоактивного загрязнения земель Республики Беларусь на 1997-2000 гг. / Под ред. акад. ААН РБ И.М. Богдевича. - Минск, 1997. - С. 14-16. 2. Руководство по ведению агропромышленного производства в условиях радиоактивного загрязнения земель Республики Беларусь на 1997-2000 гг. / Под ред. акад. ААН РБ И.М. Богдевича. - Минск, 1997. - С. 17. 3. Патент 1581084 , МПК 521 9/34. Опубл. 30.10.94 // Бюл.20. 4. Патент 2050029 , МПК 621 9/30. Опубл. 10.12.95 // Бюл.34. 5. Патент 1780436 , МПК 521 9/24. Опубл. 30.07.94 // Бюл.14. 6. Патент 2120208 , МПК 6 А 01 23/00, А 01 В 79/02 // Опубл. 20.10.98. Бюл.29. 7. Патент 2077749 , МПК 621 9/34. Опубл. 20.04.97 // Бюл.11 (прототип). Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 7