Минеральные удобрения, а не почва, — основной источник токсичного кадмия в зернах пшеницы
Растения поглощают не только питательные вещества, но и токсичные металлы, такие как кадмий, через корни. Ранее было неясно, поступают ли токсичные металлы из почвы или из вносимых удобрений. Под руководством Центра экологических исследований им. Гельмгольца (UFZ) и Университета Дьюка в Дареме (Северная Каролина) исследовательская группа изучила зерна пшеницы, чтобы прояснить этот вопрос.
Используя специальную изотопную сигнатуру, они обнаружили, что большая часть токсичных металлов поступает из минеральных удобрений. Комбинация минеральных и органических удобрений не только снизила бы концентрацию токсичных металлов, но и повысила концентрацию металлов, важных для питания человека. К такому выводу исследователи приходят в своем исследовании, опубликованном в Environment International.
Контекст и цель исследования
"Из полевых и тепличных исследований известно, что тип удобрений — минеральные или органические — влияет на концентрацию металлов в сельскохозяйственных культурах", — говорит профессор д-р Мари Мюэ, руководитель рабочей группы по биогеохимии растений в UFZ и соавтор исследования. "Но до сих пор не было известно, поступают ли металлы, поглощаемые растениями, из почвы или непосредственно из удобрений". Это и стремилась выяснить немецко-американская исследовательская группа в своем текущем исследовании.
Ученые использовали образцы почвы и зерна пшеницы со статического эксперимента по удобрению на исследовательской станции UFZ в Бад-Лаухштедте. Этот эксперимент 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 их смесью", — говорит Мюэ.
Методология: долгосрочный эксперимент и изотопный анализ
За долгий срок эксперимента свойства почвы (например, значение pH или содержание органического вещества) значительно разошлись. Материал образцов из этого долгосрочного испытания стал идеальной основой для анализа. Поскольку образцы почвы и собранные зерна пшеницы со всех опытных участков архивируются каждый год, у нас есть отличная база данных.
Для своего исследования ученые более внимательно изучили образцы за последние 20 лет. "Сначала мы определили содержание соответствующих металлов в почве, собранных зернах пшеницы и использованных удобрениях", — объясняет Александра Пеньковска, докторант UFZ и соавтор исследования.
Чтобы выяснить, происходят ли металлы, содержащиеся в зернах пшеницы, из почвы или удобрений, исследователи использовали метод изотопной сигнатуры стронция. Он основан на том, что химический элемент стронций (Sr) встречается в виде двух разных изотопов, 87Sr и 86Sr.
"Поскольку соотношение этих двух изотопов различается для каждого типа почвы, это, по сути, отпечаток пальца", — объясняет Роберт Хилл, докторант Университета Дьюка и соавтор исследования. "Если соотношение в зерне пшеницы такое же, как в почве, на которой выросло растение, можно сделать вывод, что растение поглотило стронций из почвы. Однако если изотопное соотношение в зерне соответствует соотношению в удобрении, это явный признак того, что стронций попал в зерно через удобрение".
А поскольку известно, что растения поглощают стронций и кадмий схожими путями, можно сделать выводы и для кадмия.
Результаты и рекомендации
Результаты показывают, что токсичные металлы в проанализированных зернах пшеницы происходят из удобрений, а не из почвы. Кроме того, содержание металлов особенно высоко при использовании минеральных, а не органических удобрений.
"Для интерпретации этих результатов важно отметить, что наши исследования проводились в регионе с очень плодородными черноземными почвами. Эти эффекты могут быть еще более заметными на песчаных или кислых почвах", — говорит Пеньковска. "Учитывая, что долгосрочное минеральное удобрение также приводит к закислению почвы, меры по стабилизации уровня pH (например, известкование) становятся еще более важными".
Однако не все металлы, содержащиеся в минеральных удобрениях, нежелательны. Например, цинк является важным металлическим микроэлементом для питания. Но можно ли повысить усвоение цинка в зерне пшеницы, предотвратив при этом поглощение токсичных металлов?
"Наши исследования также показали, что, комбинируя удобрения, можно было повысить концентрацию цинка в зерне пшеницы, не увеличивая концентрацию кадмия", — говорит Мюэ. "Поэтому мы рекомендуем комбинированное удобрение или чередование внесения минеральных и органических удобрений. Это не только снижает затраты на удобрения, но и улучшает качество зерна".
В последующих исследованиях ученые намерены изучить, как уровни металлов в сельскохозяйственных культурах реагируют на меняющиеся условия окружающей среды, в том числе вызванные изменением климата.