Одна из «темных сторон» технического прогресса – накопление в воздухе, воде и почве токсичных промышленных отходов. Но если в начале индустриальной эпохи об их влиянии на здоровье зачастую не задумывались, то сейчас для мониторинга токсических веществ используют все более изощренные технологии. Так, недавно был изобретен способ поиска тяжелых металлов в сельскохозяйственных растениях непосредственно «в полях»
В периодической системе химических элементов кадмий занимает промежуточное место между цинком и ртутью. Он относится к редким, рассеянным элементам, встречаясь в виде примесей во многих природных минералах. В наши дни этот устойчивый к окислению тяжелый металл широко используется при производстве припоев, аккумуляторов и солнечных батарей, для создания антикоррозионных покрытий и т.д.
В норме кадмий присутствует в почвах в очень небольшом количестве, однако в некоторых случаях благодаря промышленному загрязнению его почвенные концентрации могут возрасти значительно. При этом даже в очень низких концентрациях кадмий токсичен для человека, поражая почки, легочную и костную ткань, а также вызывая онкологические заболевания.
Поскольку металлы со временем не разлагаются, очистить почву сельскохозяйственных угодий, загрязненную кадмием и другими тяжелыми металлами, очень непросто. Такой грунт нужно либо заменять, либо высаживать на нем специальные растения, активно адсорбирующие металл, которые впоследствии утилизировать. Кроме того, чтобы предотвратить накопление кадмия в пищевых культурах, почву можно обработать известью либо добавить биоуголь, способный связывать тяжелые металлы, – его получают при высокотемпературном сжигании органических материалов и специально обработанной древесины.
Но здесь есть одна важная проблема – как обнаружить уже загрязненные участки сельхозугодий? Ведь хотя кадмий активно накапливается в съедобных частях листовых овощей, для самих растений он малотоксичен, и они продолжают внешне выглядеть здоровыми, даже когда концентрации поглощенного тяжелого металла становятся опасными для человека.
Ученые из Университета Пердью (США) использовали для поиска растений, накопивших тяжелые металлы, технологию гиперспектральной визуализации. Кадмий может влиять на те или иные процессы физиологии растений, что отражается на окраске листьев, и этот способ позволяет детектировать на разных длинах волн сигналы, связанные с мельчайшими изменениями в пигментации. Технически речь идет о системе камер, которые «осматривают» растение, а полученные данные сортируются и классифицируются специальным алгоритмом.
В своих экспериментах ученые использовали растения базилика и капусты брокколи, которые подвергали действию разных концентраций кадмия. Затем у них измеряли так называемые индексы вегетации – «свечение» на нескольких длинах волн, отражающее конкретный физиологический процесс.
Оказалось, что воздействие кадмия слабо отражается на фотосинтезе и производстве светочувствительного зеленого пигмента хлорофилла – оно приводит лишь к небольшому уменьшению зеленого «свечения». Самым информативным оказался индекс, связанный с содержанием в листьях пигментов антоцианов, играющих в тканях растений защитную роль. Рост концентрации антоцианов выражается в существенном усилении фиолетового «свечения». Именно этот параметр на фоне ослабления зеленой окарски был принят в качестве маркера кадмиевого стресса.
Также выяснилось, что ярче всего кадмиевый стресс проявляется на ранних стадиях развития растений. При этом брокколи накапливает кадмий интенсивнее, чем базилик, а вот реакция на него у этого пряного растения сильнее.
В дальнейшем исследователи планируют применить метод гиперспектральной визуализации для обнаружения в растениях и других тяжелых металлов, таких как свинец и мышьяк. Для такого поиска они предлагают использовать беспилотные летательные аппараты, оснащенные специальным оборудованием.