vuzbiochemiИзвестия вузов. Прикладная химия и биотехнологияProceedings of Universities. Applied Chemistry and Biotechnology2227-29252500-1558ИРНИТУ10.21285/2227-2925-2023-13-2-272-282FILZTNvuzbiochemi-1021Research ArticleФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ БИОЛОГИЯPHYSICOCHEMICAL BIOLOGYОценивание распределения вещества в системе почва–растение (на примере агрокультур)Estimation of substance distribution in the soil-plant system (on the example of crop species)https://orcid.org/0000-0002-2990-0059БелыхЛ. И.BelykhL. I.

Белых Лариса Ивановна - доктор химических наук, старший научный сотрудник, профессор кафедры промышленной экологии и БЖД.

664074, Иркутск, ул. Лермонтова, 83

Larisa I. Belykh - Dr. Sci. (Chemistry), Senior Researcher, Professor.

83, Lermontov St., Irkutsk, 664074

belariv2000@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0001-8427-3732ТимофееваС. С.TimofeevaS. S.

Тимофеева Светлана Семеновна - доктор технических наук, профессор, заведующая кафедрой промышленной экологии и БЖД.

664074, Иркутск, ул. Лермонтова, 83

Svetlana S. Timofeeva - Dr. Sci. (Engineering), Professor, Head of the Department of Industrial Ecology and Life Safety.

83, Lermontov St., Irkutsk, 664074

timofeeva@istu.eduИркутский национальный исследовательский технический университетРоссияIrkutsk National Research Technical UniversityRussian Federation202302072023132272282Copyright © Белых Л.И., Тимофеева С.С., 20232023Белых Л.И., Тимофеева С.С.Belykh L.I., Timofeeva S.S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vuzbiochemi.elpub.ru/jour/article/view/1021

Информативное оценивание распределения биогенных и загрязняющих веществ в системе почва–растение является теоретической и прикладной задачей в биогеохимии, агрохимии, экологической биотехнологии. Точечные, средние и экстремальные значения концентраций вещества в растении (Ср) и в почве (Сп), коэффициенты биологического поглощения (Кб=Ср/Сп) не характеризуют особенности распределения вещества в системе. Цель работы – изучение влияния концентрации в почве вещества на распределение его между растением и почвой. С помощью описания содержания в растении вещества от его концентрации в почве функциями Ср=f(Cп), Кб=f(Сп) предложены методические подходы к количественному оцениванию процесса распределения. Первый подход – аппроксимация зависимостей по линейным или адсорбционным степенным функциям Фрейндлиха и Ленгмюра Ср=f(Cп), из которых определяются концентрационные показатели вида а, 1Кр, Кр, С∞ . С их помощью оцениваются механизм и интенсивность накопления вещества растением. Второй подход включает получение степенной функции Кб=f(Cп) или ее линеаризированной формы lgКб=f(lgCп) с расчетом из них стандартизированных коэффициентов Кб – чувствительных при низких (1, 10) и предельных при высоких (100, 1000) концентрациях вещества в почве. На примере различных по физико-химическим и биологическим свойствам веществ – бенз(а)пирена, фтора и цинка – показано определение показателей для оценки абсолютного и относительного накопления веществ агрокультурами, проведены сравнения растений между собой, рассмотрены возможные механизмы распределения веществ и их интенсивность.

Assessment of the distribution of nutrients and pollutants in the soil-plant system is a relevant theoretical and applied task in biogeochemistry, agrochemistry and environmental biotechnology. Pointwise, average and extreme values of the concentration of the studied substance in the plant (Cp) and in the soil (Cs), as well as biological absorption coefficients (Kab=Cp /Cs), do not characterize the distribution of the studied substance in the system. This work investigates the effect of substance concentration in a soil on its distribution between the plant and the soil. The use of the Cp=f(Cs) and Kab=f(Cs) functions for describing the substance content in the plant depending on its concentration in the soil, allowed us to propose approaches to quantitative assessment of the distribution process. The first approach consists in the approximation of dependences by Freundlich and Langmuir linear or adsorption power functions Cp=f(Cs), on which basis the concentration parameters of а, 1Кр, Кр, С∞ are determined. These parameters are used to study the mechanism and intensity of substance accumulation by a plant. The second approach includes obtaining a power function Kab=f(Cs) or its linear representation lgKab=f(lgCs) and calculating standardized coefficients Kab. These coefficients are sensitive at low (1, 10) and limiting at high (100, 1000) concentrations of the studied substance in the soil. The example of benz(a)pyrene, fluorine and zinc, i.e., substances different in terms of their physical, chemical and biological properties, was applied to demonstrate the process of determining the absolute and relative accumulation of the substances by different crop species. A comparison of different plants was conducted; possible mechanisms of the distribution of the studied substances and their intensity are considered.

система почва–растениеагрокультурараспределение веществаконцентрационные показателистандартизированные коэффициенты поглощенияSoil-plant systemcrop speciessubstance distributionconcentration indicesstandardized absorption coefficientsReferencesКабата-Пендиас А., Пендиас Х. Микроэлементы в почвах и растениях / пер. с англ. М.: Мир, 1989. 439 с.Kabata-Pendias A., Pendias H. Trace elements in soils and plants; 2001. 331 p. (Russ. ed.: Kabata-Pendias A., Pendias Kh. Mikroelementy v pochvakh i rasteniyakh. Moscow: Mir; 1989. 439 p.).Попов А.И. Трофосистема почва–растение – основа функционирования экосистемы // Экосистемы, их оптимизация и охрана. 2012. N 7. С. 251–260.Popov A.I. The plant–soil trophic system is a basis of ecosystem functioning. Ekosistemy, ikh optimizatsiya i okhrana. 2012;(7):251-260. (In Russian).Lekberg Y., Bever J.D., Bunn R.A., Callaway R.M., Hart M.M., Kivlin S.N., et al. Relative importance of competition and plant–soil feedback, their synergy, context dependency and implications for coexistence // Ecology Letters. 2018. Vol. 21, no. 8. Р. 1268–1281. https://doi.org/10.1111/ele.13093.Lekberg Y., Bever J.D., Bunn R.A., Callaway R.M., Hart M.M. , Kivlin S.N., et al. Relative importance of competition and plant–soil feedback, their synergy, context dependency and implications for coexistence. Ecology Letters. 2018;21(8):1268-1281. https://doi.org/10.1111/ele.13093.Thakur M.P., van der Putten W.H., Wilschut R.A., (Ciska) Veen G.F., Kardol P., van Ruijven J., et al. Plant–soil feedbacks and temporal dynamics of plant diversity–productivity relationships // Trends in Ecology & Evolution. 2021. Vol. 36, no. 7. Р. 651–661. https://doi.org/10.1016/j.tree.2021.03.011.Thakur M.P., van der Putten W.H., Wilschut R.A., (Ciska) Veen G.F., Kardol P., van Ruijven J., et al. Plant– soil feedbacks and temporal dynamics of plant diversity–productivity relationships. Trends in Ecology & Evolution. 2021;36(7):651-661. https://doi.org/10.1016/j.tree.2021.03.011.Reinhart K.O., Bauer J.T., McCarthy-Neumann S., MacDougall A.S., Hierro J.L., Chiuffo M.C., et al. Globally, plant-soil feedbacks are weak predictors of plant abundance // Ecology and Evolution. 2021. Vol. 11, no. 4. P. 1756–1768. https://doi.org/10.1002/ece3.7167.Reinhart K.O., Bauer J.T., McCarthy-Neumann S., MacDougall A.S., Hierro J.L., Chiuffo M.C., et al. Globally, plant-soil feedbacks are weak predictors of plant abundance. Ecology and Evolution. 2021;11(4):17561768. https://doi.org/10.1002/ece3.7167.Белых Л.И. Распределение полициклических ароматических углеводородов в системе почва–растение // Почвоведение. 2009. N 9. С. 1083–1089.Belykh L.I. Distribution of polycyclic aromatic hydrocarbons in the soil-plant system. Pochvovedenie = Eurasian Soil Science. 2009;(9):1083-1089. (In Russian).Canarini A., Kaiser C., Merchant A., Richter A., Wanek W. Root exudation of primary metabolites: mechanisms and their roles in plant responses to environmental stimuli // Frontiers in Plant Science. 2019. Vol. 10. https://doi.org/10.3389/fpls.2019.00157.Canarini A., Kaiser C., Merchant A., Richter A., Wanek W. Root exudation of primary metabolites: mechanisms and their roles in plant responses to environmental stimuli. Frontiers in Plant Science. 2019;10. https://doi.org/10.3389/fpls.2019.00157.Калманова В.Б. Анализ распределения свинца в системе почва–растительность г. Биробиджан // Фундаментальные исследования. 2014. N 8-7. С. 1605–1611.Kalmanova V.B. Analysis of lead distribution in the soil–vegetation system in Birobidzhan. Fundamental’nye issledovaniya. 2014;(8-7):1605-1611. (In Russian).Сиромля Т.И., Мяделец М.А., Охлопкова О.В., Качкин К.В. Химические элементы в системе почва–листья подорожника большого на территории г. Новосибирска // Современные проблемы науки и образования. 2014. N 6. С. 1368.Siromlya T.I., Myadelets M.A., Okhlopkova O.V., Kachkin K.V. Chemical elements in the soil–leaves of plantago major in the Novosibirsk. Sovremennye problemy nauki i obrazovaniya. 2014;(6):1368. (In Russian).Page V., Feller U. Heavy metals in crop plants: transport and redistribution processes the whole plant level // Agronomy. 2015. Vol. 5, no. 3. Р. 447–463. https://doi.org/10.3390/agronomy5030447.Page V., Feller U. Heavy metals in crop plants: transport and redistribution processes the whole plant level. Agronomy. 2015;5(3):447-463. https://doi.org/10.3390/agronomy5030447.Rutkowska B., Szulc W., Spychaj-fabisiak E., Pior N. Prediction of molybdenum availability to plants in differentiated soil conditions // Plant, Soil and Environment. 2017. Vol. 63, no. 11. P. 491–497. https://doi.org/10.17221/616/2017-PSE.Rutkowska B., Szulc W., Spychaj-fabisiak E., Pior N. Prediction of molybdenum availability to plants in differentiated soil conditions. Plant, Soil and Environment. 2017;63(11):491-497. https://doi.org/10.17221/616/2017-PSE.Ефремов И.В. Оценка риска загрязнения почвенно-растительных систем тяжелыми металлами при антропогенном воздействии // Вестник Оренбургского государственного университета. 2018. N 6. С. 132–139. https://doi.org/10.25198/18146457-218-132.Efremov I.V. Assessment of the risk of contamination of soil and plant systems with heavy metals under anthropogenic influence. Vestnik Orenburgskogo gosudarstvennogo universiteta = Vestnik of the Orenburg State University. 2018;(6):132-139. (In Russian). https://doi.org/10.25198/1814-6457-218-132.Noulas C., Tziouvalekas M., Karyotis T. Zinc in soils, water and food crops // Journal of Trace Elements in Medicine and Biology. 2018. Vol. 49. P. 252–260. https://doi.org/10.1016/j.jtemb.2018.02.009.Noulas C., Tziouvalekas M., Karyotis T. Zinc in soils, water and food crops. Journal of Trace Elements in Medicine and Biology. 2018;49:252-260. https://doi.org/10.1016/j.jtemb.2018.02.009.Побилат А.Е., Волошин Е.И. Мониторинг йода в системе «почва–растение» (обзор) // Вестник КрасГАУ. 2020. N 10. С. 101–108. https://doi.org/10.36718/1819-4036-2020-10-101-108.Pobilat A.E., Voloshin E.I. Monitoring of iodine in the soil plant system (review). Vestnik KrasGAU = Bulletin of KSAU. 2020;(10):101-108. (In Russian). https://doi.org/10.36718/1819-4036-2020-10-101-108.Котельникова А.Д., Рогова О.Б., Столбова В.В. Лантаноиды в почве: поступление, содержание, влияние на растения, генотоксичность (обзор) // Почвоведение. 2021. N 1. С. 100–119. https://doi.org/10.31857/s0032180x21010056.Kotelnikova A.D., Rogova O.B., Stolbova V.V. Lanthanides in the soil: routes of entry, content, effect on plants, and genotoxicity (a review). Pochvovedenie = Eurasian Soil Science. 2021;(1):100-119. (In Russian). https://doi.org/10.31857/s0032180x21010056.De Long J.R., Heinen R., Steinauer K., Hannula S.E., Huberty M., Jongen R., et al. Taking plant–soil feedbacks to the field in a temperate grassland // Basic and Applied Ecology. 2019. Vol. 40. P. 30–42. https://doi.org/10.1016/j.baae.2019.08.001.De Long J.R., Heinen R., Steinauer K., Hannula S.E., Huberty M., Jongen R., et al. Taking plant–soil feedbacks to the field in a temperate grassland. Basic and Applied Ecology. 2019;40:30-42. https://doi.org/10.1016/j.baae.2019.08.001.Querejeta J.I., Ren W., Prieto I. Vertical decoupling of soil nutrients and water under climate warming reduces plant cumulative nutrient uptake, water-use efficiency and productivity // New Phytologist. 2021. Vol. 230, no. 4. P. 1378–1393. https://doi.org/10.1111/nph.17258.Querejeta J.I., Ren W., Prieto I. Vertical decoupling of soil nutrients and water under climate warming reduces plant cumulative nutrient uptake, water-use efficiency and productivity. New Phytologist. 2021;230(4):13781393. https://doi.org/10.1111/nph.17258.Png G.K., Lambers H., Kardol P., Turner B.L., Wardle D.A., Laliberté E. Biotic and abiotic plant–soil feedback depends on nitrogen-acquisition strategy and shifts during long-term ecosystem development // Journal of Ecology. 2019. Vol. 107, no. 1. P. 142–153. https://doi.org/10.1111/1365-2745.13048.Png G.K., Lambers H., Kardol P., Turner B.L., Wardle D.A., Laliberté E. Biotic and abiotic plant–soil feedback depends on nitrogen-acquisition strategy and shifts during long-term ecosystem development. Journal of Ecology. 2019;107(1):142-153. https://doi.org/10.1111/1365-2745.13048.Kempel A., Rindisbacher A., Fischer M., Allan E. Plant soil feedback strength in relation to large-scale plant rarity and phylogenetic relatedness // Ecology. 2018. Vol. 99, no. 3. P. 597–606. https://doi.org/10.1002/ecy.2145.Kempel A., Rindisbacher A., Fischer M., Allan E. Plant soil feedback strength in relation to large-scale plant rarity and phylogenetic relatedness. Ecology. 2018;99(3):597-606. https://doi.org/10.1002/ecy.2145.Wandrag E.M., Bates S.E., Barrett L.G., Catford J.A., Thrall P.H., van der Putten W.H., et al. Phylogenetic signals and predictability in plant–soil feedbacks // New Phytologist. 2020. Vol. 228, no. 4. Р. 1440– 1449. https://doi.org/10.1111/nph.16768.Wandrag E.M., Bates S.E., Barrett L.G., Catford J.A., Thrall P.H., van der Putten W.H., et al. Phylogenetic signals and predictability in plant–soil feedbacks. New Phytologist. 2020;228(4):1440-1449. https://doi.org/10.1111/nph.16768.Ильницкий А.П., Краснянская П.Н., Соленова Л.Г. Содержание бенз(а)пирена в сельскохозяйственных растениях // Растения и химические канцерогены. 1979. С. 139–142.Il’nitskii A.P., Krasnyanskaya P.N., Solenova L.G. The content of benzo(a)pyrene in agricultural plants. Rasteniya i khimicheskie kantserogeny. 1979;139-142. (In Russian).Дикун П.П., Калинина И.А. Фоновое содержание бенз(а)пирена в зерне // Растения и химические канцерогены. 1979. С. 113–115.Dikun P.P., Kalinina I.A. Background content of benzo(a)pyrene in grain. Rasteniya i khimicheskie kantserogeny. 1979;113-115. (In Russian).Лукин С.В. Закономерности накопления цинка в сельскохозяйственных растениях // Агрохимия. 1999. N 2. С. 380–390.Lukin S.V. Patterns of zinc accumulation in agricultural plants. Agrokhimiya = Agricultural Chemistry. 1999;(2):380-390. (In Russian).Волошин Е.И. Цинк в пахотных почвах Красноярского края // Агрохимия. 2002. N 5. С. 33–40.Voloshin E.I. Zinc in arable soils of the Kras noyarsk Territory. Agrokhimiya = Agricultural Chemistry. 2002;(5):33-40. (In Russian).Танделов Ю.П. Фтор в системе почва–растение: монография. Красноярск: Красноярская городская типография, 2012. 146 с.Tandelov Yu.P. Fluorine in the soil–plant system: monograph. Krasnoyarsk: Krasnoyarskaya gorodskaya tipografiya; 2012. 146 p. (In Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.