Изменение элементного состава растений подсолнечника при воздействии засухи и тяжелых металлов

Актуальность. Исследование имеет особое значение ввиду усиливающихся темпов мировой аридизации климата, негативно влияющей в совокупности с антропогенным воздействием на сельское хозяйство. Статья посвящена исследованию изменения элементного состава растений подсолнечника ‘Посейдон 625’ на фоне вариабельности фотосинтетической системы при воздействии комбинированного стресса (влияние тяжелых металлов и засухи). Материалы и методы. Эксперимент проводили над группой контрольных образцов, выращенных при влиянии только засушливых условий, и двумя экспериментальными группами, подвергаемых дополнительному воздействию тяжелых металлов: кадмий (Сd) (концентрации: 0,384 мг/кг, 0,768 мг/кг, 1,536 мг/кг) и свинец (Pb) (концентрации: 13,04 мг/кг, 26,08 мг/кг, 52,16 мг/кг). Анализ элементного состава опытных и контрольных образцов осуществляли методом оптико-эмиссионной спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (ICP-MS) с использованием Agilent 7900 ICP-MS (Agilent Technologies, США). Результаты. Сформирована база данных содержания 24 элементов в растении подсолнечника (корень, побег, семя) и в почве. Установлено значимое увеличение поглощения P, K, Сa, Mg, Fe и B растениями подсолнечника при воздействии комбинированного стресса. Отмечено значительное увеличение (в 4 раза) содержания кадмия в конечной продукции. Однако, несмотря на повышение содержания свинца в корнях и побегах подсолнечника, в его семенах превышений контрольных показателей выявлено не было.

Заключение. Установлено отрицательное действие Cd и Pb на растения подсолнечника, которое проявляется в негативном изменении элементного состава биомассы и семенного материала.

1. Adrees M., Khan Z.S., Ali S., Hafeez M., Khalid S., Ur Rehman M.Z. et al. Simultaneous mitigation of cadmium and drought stress in wheat by soil application of iron nanoparticles. Chemosphere. 2020;238:12468. DOI: 10.1016/j.chemosphere.2019.124681

2. Ahmed T., Noman M., Manzoor N., Shahid M., Abdullah M., Ali L. et al. Nanoparticle-based amelioration of drought stress and cadmium toxicity in rice via triggering the stress responsive genetic mechanisms and nutrient acquisition. Ecotoxicology and Environmental Safety. 2021;209:111829. DOI: 10.1016/j.ecoenv.2020.111829

3. Akbar W.A., Ur Rahim H., Irfan M., Sehrish A.K., Mudassir M. Assessment of heavy metal distribution and bioaccumulation in soil and plants near coal mining areas: implications for environmental pollution and health risks. Environmental Monitoring and Assessment. 2024;196(1):97. DOI: 10.1007/s10661-023-12258-7

4. Astolfi M.L., Marini F., Frezzini M.A., Massimi L., Capriotti A.L., Montone C.M. et al. Multielement characterization and antioxidant activity of Italian extra-virgin olive oils. Frontiers in Chemistry. 2021;9:769620. DOI: 10.3389/fchem.2021.769620

5. Benavides B.J., Drohan P.J., Spargo J.T., Maximova S.N., Guiltinan M.J. Miller D.A. Cadmium phytoextraction by Helianthus annuus (sunflower), Brassica napus cv Wichita (rapeseed), and Chyrsopogon zizanioides (vetiver). Chemosphere. 2021;265:129086. DOI: 10.1016/j.chemosphere.2020.129086

6. Ding C., Chen J., Zhu F., Chai L., Lin Z., Zhang K. Et al. Biological toxicity of heavy metal(loid)s in natural environments: from microbes to humans. Frontiers in Environmental Science. 2022;10:920957. DOI: 10.3389/fenvs.2022.920957

7. Farzin L., Moassesi M.E. Determination of metal contents in edible vegetable oils produced in Iran using microwave-assisted acid digestion. Quarterly Journal of Applied Chemical Research. 2014;8(3):35-43.

8. Fu Y., Zhatova H., Li Y, Liu Q., Trotsenko V., Li C. Physiological and transcriptomic comparison of two sunflower (Helianthus annuus L.) cultivars with high/low cadmium accumulation. Frontiers in Plant Science. 2022;13:854386. DOI: 10.3389/fpls.2022.854386

9. ГОСТ 10856-96. Межгосударственный стандарт. Семена масличные. Метод определения влажности. Москва: Стандартинформ; 2010. URL: https://files.stroyinf.ru/Data/382/38247.pdf [дата обращения: 21.05.2025].

10. Keshavarzi A., Kumar V. Spatial distribution and potential ecological risk assessment of heavy metals in agricultural soils of Northeastern Iran. Geology, Ecology, and Landscapes. 2020;4(2):87-103. DOI: 10.1080/24749508.2019.1587588

11. Khan Z., Fan X., Khan M.N., Khan M.A., Zhang K., Fu Y. et al. The toxicity of heavy metals and plant signaling facilitated by biochar application: Implications for stress mitigation and crop production. Chemosphere. 2022;308(Pt 3):136466. DOI: 10.1016/j.chemosphere.2022.136466

12. Macnair M.R. The hyperaccumulation of metals by plants. Advances in Botanical Research. 2003;40:63-105. DOI: 10.1016/S0065-2296(05)40002-6

13. Martinec N., Balbino S., Dobša J., Šimunić-Mežnarić V., Legen S. Macro- and microelements in pumpkin seed oils: Effect of processing, crop season, and country of origin. Food Science and Nutrition. 2019;7(5):1634-1644. DOI: 10.1002/fsn3.995

14. Melo M., Michel F., Arakaki D., Lima N., Gonçalves D., Cavalheiro L. et al. First study on the oxidative stability and elemental analysis of Babassu (Attalea speciosa) edible oil produced in Brazil using a domestic extraction machine. Molecules. 2019;24(23):4235. DOI: 10.3390/molecules24234235

15. Shaheen S.M., Mosa A., Natasha, Jeyasundar P.G.S.A., Hassan N.E.E., Yang X. et al. Pros and cons of biochar to soil potentially toxic element mobilization and phytoavailability: Environmental implications. Earth Systems and Environment. 2023;7(1):321-345. DOI: 10.1007/s41748-022-00336-8

16. Шлык А.А. О спектрофотометрическом определении хлорофиллов a и b. Биохимия. 1968;33(2):275-285.

17. Xu J., Liu C., Hsu P.C., Zhao J., Wu T., Tang J. Et al. Remediation of heavy metal contaminated soil by asymmetrical alternating current electrochemistry. Nature Communications. 2019;10(1):2440. DOI: 10.1038/s41467-019-10472-x

18. Yan Y., Sun Q., Yang J., Zhang X., Guo B. Source attributions of Cadmium contamination in rice grains by Cadmium isotope composition analysis: A field study. Ecotoxicology and Environmental Safety. 2021;210:111865. DOI: 10.1016/j.ecoenv.2020.111865

19. Zehra A., Sahito Z.A., Tong W., Tang L., Hamid Y., Bilal Khan M. et al. Assessment of sunflower germplasm for phytoremediation of lead-polluted soil and production of seed oil and seed meal for human and animal consumption. Journal of Environmental Sciences (China). 2020;87:24-38. DOI: 10.1016/j.jes.2019.05.031