Под руководством Центра Гельмгольца по экологическим исследованиям (UFZ), Германия, и Университета Дьюка в Дареме, США, штат Северная Каролина, исследовательская группа изучила зёрна пшеницы, чтобы понять пути загрязнения кадмием.
Используя специальный изотопный анализ, ученые обнаружили, что большая часть токсичных металлов поступает из минеральных удобрений. А сочетание минеральных и органических удобрений не только снижает концентрацию токсичных металлов, но и увеличивает концентрацию металлов, важных для питания человека. Исследователи пришли к такому выводу в своем исследовании, опубликованном в журнале Environment International.
«Из полевых и тепличных исследований известно, что тип удобрения — минеральное или органическое — влияет на концентрацию металлов в сельскохозяйственных культурах. Однако до сих пор не было известно, поступают ли металлы в растения из почвы или непосредственно из удобрений», — говорит профессор, доктор Мари Мюэхе, руководитель рабочей группы по биогеохимии растений в UFZ и соруководитель исследования.
Учёные использовали образцы почвы и зёрна пшеницы, полученные в ходе эксперимента по статическому удобрению на исследовательской станции UFZ в Бад-Лаухштедте. Эксперимент по статическому удобрению был начат в 1902 году и является одним из самых ценных долгосрочных экспериментов в мире, во многом благодаря своей исключительной продолжительности.
«Некоторые участки не удобрялись более 120 лет, в то время как другие удобрялись только минеральными удобрениями, только органическими удобрениями (например, навозом с соседних ферм) или смесью того и другого», — говорит Мюэхе.
За время длительного эксперимента свойства почвы (например, значение pH или содержание органического вещества) значительно различались. Поэтому образцы, полученные в ходе этого длительного эксперимента, послужили идеальной основой для анализа. Поскольку образцы почвы и собранное зерно пшеницы со всех опытных участков архивируются ежегодно, у исследователей есть отличная база данных.
В рамках своей работы учёные более подробно изучили образцы, собранные за последние 20 лет. «Сначала мы определили содержание соответствующих металлов в почве, собранном зерне пшеницы и использованных удобрениях», — объясняет Александра Пеньковская, докторант Университета ФРГ и соавтор исследования.
Чтобы выяснить, попадают ли содержащиеся в зернах пшеницы металлы из почвы или из удобрений, исследователи использовали метод изотопной стронция, основанный на том, что химический элемент стронций (Sr) встречается в двух различных изотопах: 87 Sr и 86 Sr.
«Поскольку соотношение этих двух изотопов различается в каждом типе почвы, это, по сути, отпечаток пальца. Если соотношение изотопов в зерне пшеницы такое же, как и в почве, на которой произрастало растение, можно сделать вывод, что растение поглотило стронций из почвы. Однако, если соотношение изотопов в зерне соответствует соотношению изотопов в удобрении, это явно указывает на то, что стронций попал в зерно через удобрение. А поскольку известно, что растения поглощают стронций и кадмий схожими путями, можно сделать выводы и в отношении кадмия», — объясняет Роберт Хилл, докторант Университета Дьюка и один из ведущих авторов исследования.
Результаты показывают, что токсичные металлы в исследуемых зернах пшеницы попадают в почву из удобрений, а не из почвы. Более того, содержание металлов особенно высоко при использовании минеральных, а не органических удобрений.
«Чтобы интерпретировать эти результаты, важно отметить, что наши исследования проводились в регионе с очень плодородными чернозёмными почвами. Эти эффекты могут быть ещё более выражены на песчаных или кислых почвах. Учитывая, что длительное внесение минеральных удобрений также приводит к закислению почвы, меры по стабилизации уровня pH (например, известкование) становятся еще более важными», — говорит Пеньковская.
Однако не все металлы, содержащиеся в минеральных удобрениях, нежелательны. Например, цинк — важный микроэлемент для питания. Но можно ли улучшить усвоение цинка пшеницей, одновременно предотвращая поглощение токсичных металлов?
«Наши исследования также показали, что комбинированное применение удобрений позволило повысить концентрацию цинка в зерне пшеницы без увеличения концентрации кадмия. Поэтому мы рекомендуем комбинированное внесение удобрений или чередование минеральных и органических удобрений. Это не только снижает затраты на удобрения, но и улучшает качество зерна», — говорит Мюэхе.
Большинство токсичных металлов содержится в минеральных удобрениях. Сочетание минеральных и органических удобрений может снизить их содержание. Автор фото: Александра Пеньковская / UFZ.
В последующих исследованиях ученые намерены изучить, как уровни металлов в сельскохозяйственных культурах реагируют на изменяющиеся условия окружающей среды, в том числе вызванные изменением климата.
Источник: Helmholtz Association of German Research Centres.
На фото - сбор зерна в эксперименте по статической подкормке на опытной станции UFZ в Бад-Лаухштедте (Германия). Автор фото: Андре Кюнцельманн / UFZ.
