Аккумуляция тяжелых металлов в почве и растениях в условиях городской среды (на примере г. чита)
На правах рукописи
Войтюк Екатерина Александровна
Аккумуляция тяжелых металлов в почве и растениях
в условиях городской среды (на примере г. Чита)
03.02.08 – Экология
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата биологических наук
Улан-Удэ 2011
Работа выполнена на кафедре биологии и методики обучения биологии ГОУ ВПО «Забайкальский государственный гуманитарно-педагогический университет им. Н.Г. Чернышевского»
Научный руководитель: Якимова Елена Павловна
кандидат биологических наук, доцент
Официальные оппоненты: Анцупова Татьяна Петровна
доктор биологических наук, профессор
Жигжитжапова Светлана Васильевна
кандидат биологических наук, старший
научный сотрудник
Ведущая организация: ГОУ ВПО «Иркутская государственная
сельскохозяйственная академия»
Защита состоится « 29 » апреля 2011 г. в 15.00 часов на заседании диссертационного совета Д.212.022.03 по защите докторских диссертаций при
Бурятском государственном университете по адресу: 670000, г. Улан-Удэ
ул. Смолина, 24а, конференц-зал.
Факс: (3012) 210588, e-mail: [email protected];
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке
Бурятского государственного университета
Автореферат разослан «26» марта 2011 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
кандидат биологических наук Н.А. Шорноева
ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность. С ростом урбанизации происходит изменение городской среды, которая во многих отношениях отличается от природной. Основной причиной является загрязнение тяжелыми металлами в силу их цитотоксического и мутагенного действия на все живые организмы, в том числе и на растения. Тяжелые металлы занимают особое положение среди других техногенных загрязняющих веществ, поскольку, не подвергаясь физико-химической или биологической деградации, накапливаются в поверхностном слое почв и изменяют их свойства, в течение длительного времени остаются доступными для корневого поглощения растениями и активно включаются в процессы миграции по трофическим цепям. В их числе находятся как элементы с хорошо известными биологическими функциями и жизненно необходимые для живых систем, но переходящие в разряд токсичных при повышении некоторых пределов их содержания в биологических объектах, так и элементы, физиологическая роль которых выяснена недостаточно или неизвестна и проявляющие токсический эффект уже при относительно низких концентрациях.
В настоящее время для удаления тяжелых металлов с загрязненных территорий используют различные методы (Корте, 1997; Фелленберг, 1997; Протасов, 2005). Известно, что технологические методы недостаточно эффективны и экономически невыгодны. Восстановление окружающей среды при помощи растений вызывает широкий интерес во всем мире благодаря возможностям, которые открывает технология фиторемедиации для очистки атмосферы и верхних слоев загрязненных почв (Salt D.E. et al., 1995; 1998; Экология…, 2004; Прасад, 2005; Буравцев, Крылова, 2005; Холодова и др., 2005; Маджугина и др., 2008). Известно, что растительные организмы чувствительны к составу окружающей среды и активно реагируют на изменение ее состояния. Разные виды растений обладают неодинаковой способностью накапливать загрязнители, в том числе и тяжелые металлы, что может широко применяться для снижения антропогенного воздействия на урбанизированных территориях и использовать их в качестве перспективных аккумулянтов-фиторемедиантов.
Цель и задачи исследования.
Цель исследования – изучить содержание и особенности накопления некоторых тяжелых металлов в почвах и растениях в условиях городской среды (г. Чита).
Задачи исследования:
1. Определить валовое содержание железа, меди, цинка, никеля, ртути в почвах городской среды и уровень их загрязнения. Провести корреляционный анализ для выявления взаимосвязи между содержанием тяжелых металлов в почве, в древесных и травянистых растениях.
2. Установить годовую и сезонную динамику в накоплении некоторых тяжелых металлов в древесных и травянистых растениях.
3. Изучить характер накопления тяжелых металлов в органах древесных и травянистых растений.
4. Выявить видовую специфику среди древесных и травянистых растений к аккумуляции железа, меди, цинка, никеля, ртути.
Научная новизна. Впервые проведены комплексные эколого-биологические исследования содержания некоторых тяжелых металлов в почвах и растениях в условиях г. Чита. Определен уровень загрязнения железом, медью, цинком, никелем, ртутью почв в условиях городской среды. Показана корреляционная зависимость между валовым содержанием металлов в почве и растениях. Получены сведения о годовой и сезонной динамики в накоплении некоторых тяжелых металлов в древесных и травянистых растениях. Выявлены виды-аккумуляторы Populus balzamifera и Caragana arborescens по содержанию железа и цинка соответственно. Получены достоверные данные о накоплении ртути в листьях древесных и травянистых растений.
Теоретическая и практическая значимость. Полученные в работе результаты существенно расширяют и дополняют современные представления о накоплении тяжелых металлов в древесных и травянистых растениях в условиях городской среды (г. Чита). Данные по аккумуляции некоторых тяжелых металлов могут быть использованы в биоиндикации экологического состояния почв и растений, а также могут быть учтены при составлении карт геохимического загрязнения почв и растительного покрова г. Чита. Результаты исследований позволяют рекомендовать некоторые виды растений в целях фиторемедиации и для озеленения города Читы, и населенных пунктов в Забайкальском крае. Материалы исследований используются в учебном процессе при изучении дисциплин: «Экологической биохимии и физиологии растений», «Экологической химии», «Химии окружающей среды» на естественно-географическом факультете Забайкальского государственного гуманитарно-педагогического университета им. Н. Г. Чернышевского.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Антропогенная деятельность оказывает негативное влияние на состояние почв в городской среде. Почвы в условиях г. Чита загрязнены железом, медью, цинком, никелем, ртутью. Однако содержание их относятся к категории допустимых.
2. Поглощение некоторых тяжелых металлов видо - и элементоспецифично. Железо, медь, цинк, никель накапливаются преимущественно в корнях, ртуть аккумулируется в листьях у исследованных видов растений. Целесообразно создание разновидовых насаждений на урбанизированных территориях для наиболее полного очищения атмосферы и почвы от тяжелых металлов.
Апробация работы. Материалы диссертации были представлены и обсуждены на конференциях: «Экология Южной Сибири и сопредельных территорий» (Абакан, 2008), «Молодая наука Забайкалья» (Чита, 2008), «Проблемы озеленения городов Сибири и сопредельных территорий: международная научно-практическая конференция» (Чита, 2009).
Публикации. По материалам исследования опубликовано 9 работ, в том числе 2 статьи в рекомендованном ВАК издании.
Объем работы. Работа изложена на 143 страницах машинописного текста и состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы и приложения. Библиографический список состоит из 196 источников. Текст иллюстрирован 12 рисунками и 24 таблицами.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Глава 1. Тяжелые металлы в почвах и растениях, их биологическая роль
В главе приводится обзор литературных данных по биологической роли и токсикологическому действию тяжелых металлов на живые организмы, дана расшифровка понятия «тяжелые металлы» (ТМ) различными авторами (Алексеев, 1987; Гусакова, 2004; Протасов, 2005). Особое место занимают вопросы классификации тяжелых металлов, содержание изученной группы элементов в горных и почвообразующих породах, почвах и растениях. Недостаточно изучено содержание тяжелых металлов в почве и растениях г. Чита, используемых для озеленения урбанизированных территорий, что послужило обоснованием для проведения настоящего исследования.
Глава 2. Объекты, методы исследования
2.1. Физико-географическая характеристика района исследования
На основе литературных материалов дана характеристика географического положения, геологического строения, климата и растительности. Приведены основные особенности района исследования.
2.2. Объекты исследования
Объектами исследования выбраны древесные и травянистые растения: Populus balsamifera L., Ulmus pumila L., Malus baccata (L.) Borkh., Caragana arborescens Lam., широко используемые в озеленении городских территорий; травянистые – Taraxacum mongolicum Hand.-Mazz, Plantago major L., данные виды наиболее часто встречаются на всех исследуемых площадках и имеют большую биомассу. Определение видов исследуемых растений проводили по «Флоре Сибири» (1988-1997).
2.3. Методы исследования
Для исследования были выбраны участки в г. Чита, отличающиеся неодинаковой степенью антропогенной нагрузки и условно чистый участок (фон) с. Беклемишево (Читинский район). Для отбора проб в каждом исследуемом районе закладывались площадки (Пл. 1 – Каштак, Пл. 2 – Титовская сопка, Пл. 3 – СибВО, Пл. 4 (фон) – Беклемишево) размером 100 м2 по общепринятым методикам (Методические…, 1981; Майстренко и др., 1996).
Химический анализ на определение ТМ в растительных и почвенных образцах проводили в лаборатории рентгеновских методов в институте геохимии СО РАН (г. Иркутск). Ртуть определяли атомно-абсорбционным методом на анализаторе РА 915+, железо, цинк, медь, никель – рентгенофлуоресцентным методом на спектрометре S4 Pioneer (Bruker, Germany). Повторность опыта трехкратная.
Отбор проб почвы и растительного материала проводили согласно общепринятым методикам (Алексеенко, 1990; Инструкция…, 1965; Методические…, 1981). Пробы почв и растений для элементного анализа были собраны в течение трех лет (2007-2009 гг.) в сухое время летом в июне, июле, августе. Для химического анализа у травянистых растений использовали надземную часть (лист) и подземную часть (корни); у древесных растений: лист, кору и корни (Инструкция…, 1965; Методические…, 1981).
Определение степени опасности загрязнения почвы химическими веществами проводили с помощью коэффициента концентрации (KC) и суммарного показателя загрязнения (ZC) по оценочной шкале (Методические…, 1999; Головин и др., 2000; Белых, 2006).
Корневое поступление элементов из почвы определяли с помощью коэффициента накопления (Кн) (Воскресенская и др., 2009); процессы передвижения химических элементов с помощью коэффициента передвижения (Кп) (Ковалевский, 1969).
Обработку полученных данных проводили методами статистического анализа – описательная статистика: одномерный анализ для нахождения средней квадратичной, квадратичной ошибки среднего, t-критерий Стьюдента и уровни достоверности, коэффициент линейной корреляции (Пирсона) (r), коэффициент детерминации (r2), вариации (Cv) (Зайцев и др., 2003); одномерный дисперсионный анализ методом Краскала – Уоллиса (непараметрический метод) (Реброва, 2002; Пузаченко, 2004). Использовалось программное обеспечение Statistika 7.0, Excel, Past 1.52.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Глава 3. Содержание тяжелых металлов в почве
3.1. Уровень загрязненности почвы тяжелыми металлами в условиях г. Чита
Содержание тяжелых металлов в почвах зависит от ряда природных факторов: состава почвообразующих пород, рельефа местности, климата, растительности и т.д. В последние десятилетия к естественным источникам поступления тяжелых металлов в почву прибавился и техногенный, который вызывает загрязнение окружающей среды и нарушает естественные экосистемы. Было определено валовое содержание тяжелых металлов в почвах в условиях города и условно чистого участка (фона) в течение сезонного периода в 2009 г. Валовое содержание тяжелых металлов характеризует степень опасности загрязнения почвы и позволяет осуществлять контроль за техногенным загрязнением в условиях города (табл. 1).
Таблица 1
Валовое содержание ТМ в почвах городской среды в 2009 г.*
| Уч-к | Месяц | Тяжелые металлы, мг/кг сухой массы | ||||
| Fe | Cu | Zn | Ni | Hg | ||
| Пл. 1 | июнь | 11200,0±1251,9 | 10,0±1,2 | 134,0±5,3 | 10,0±1,2 | 0,012±0,001 |
| июль | 18550,0±1808,5 | 22,0±1,5 | 207,0±11,4 | 23,0±2,7 | 0,058±0,001 | |
| август | 22750,0±2084,6 | 24,0±2,1 | 121,0±1,4 | 19,0±1,2 | 0,080±0,002 | |
| Пл. 2 | июнь | 20200,0±1463,1 | 13,0±1,1 | 88,0±10,1 | 10,0±1,3 | 0,057±0,003 |
| июль | 15610,0±2376,7 | 10,0±1,4 | 42,0±3,2 | 6,0±0,7 | 0,015±0,001 | |
| август | 20510,0±1682,7 | 11,0±1,3 | 51,0±2,9 | 10,0±0,1 | 0,032±0,001 | |
| Пл. 3 | июнь | 14000,0±1641,5 | 17,0±2,1 | 84,0±5,9 | 10,0±1,2 | 0,041±0,003 |
| июль | 11620,0±1158,3 | 10,0±0,1 | 58,0±8,2 | 10,0±1,2 | 0,038±0,001 | |
| август | 24080,0±3353,6 | 28,0±1,7 | 102,0±4,1 | 15,0±1,5 | 0,100±0,010 | |
| Фон | июнь | 26040,0±3304,1 | 17,0±1,5 | 76,0±9,2 | 10,0±0,1 | 0,024±0,001 |
| июль | 28280,0±1627,4 | 20,0±2,2 | 74,0±8,9 | 10,0±1,2 | 0,045±0,005 | |
| август | 25830,0±1411,3 | 41,0±4,2 | 136,0±15,5 | 14,0±1,7 | 0,104±0,001 | |
| ПДК | 38000,0 | 55,0 | 100,0 | 85,0 | 2,1 | |
*Примечание: одной чертой подчеркнуты значения, превышающие фон, двумя – ПДК.
Анализ валового содержания тяжелых металлов в почвах показал, что содержание железа, меди, никеля и ртути в течение исследуемого периода не превышало ПДК в условиях города и фона. Содержание цинка в почвах превышало ПДК на площадке 1, в то время как на площадке 2 превышение концентрации металла не отмечено. На площадке 3 и на фоновом участке превышение ПДК наблюдалось в августе, что вероятно связано с постепенным накоплением металла и увеличением антропогенного воздействия. Из литературы известно, что одним из источников цинкового загрязнения выступает автотранспорт, который возможно и является одним из главных источников поступления металла в окружающую среду в городе (Цинк и кадмий…, 1992; Дубов, 1995). Из ранее проведенных исследований нами было установлено, что на площадке 1 количество автотранспорта было больше (720 ед/ч), чем на площадках 2 (120 ед/ч) и
3 (80 ед/ч) (Ефименко, Манукян, 2009), что в свою очередь связано с расположением в исследуемом районе городской автостоянки, с ростом котеджного строительства, а также с увеличением нагрузки на федеральную автотрассу
М – 58 «Амур», проходящей вблизи исследуемой площадки.
Превышение фоновых концентраций отмечено в отдельные месяцы: на площадке 1 для меди, никеля и ртути; на площадках 2 и 3 – для ртути.
При рассмотрении динамики посезонного накопления металлов в почве, их закономерного увеличения к августу не прослеживалось. Полученные данные подтверждают существующее мнение об относительном постоянстве физико-химических свойств почв в течение сезонного периода, а увеличение того или иного металла на исследуемых площадках вероятнее всего связано с усилением антропогенной нагрузки.
Для оценки степени опасности загрязнения почвы химическими веществами рассчитали коэффициент концентрации химических веществ (KC) и суммарный показатель загрязнения (ZC), позволяющий вычислить геохимический (фоновый) уровень загрязнения. Оценку степени опасности загрязнения почв по показателю ZC, отражающему дифференциацию загрязнения металлами проводили по оценочной шкале (Методические…, 1999).
Таблица 2
Суммарные показатели загрязнения почв городской среды (2009 г.)
| Уч-к | Месяц | ZC | Ряды вкладов загрязняющих веществ (коэффициент концентрации, KC) |
| Пл. 1 | июнь | 0,3 | Hg(0,5) – Cu(0,7) – Ni(1) – Zn(1,7) – Fe (0,4) |
| июль | 4,2 | Hg(1,3) – Cu(1,1) – Ni(2,3) – Zn(2,8) – Fe(0,7) | |
| август | 0,6 | Hg(0,8) – Cu(0,6) – Ni(1,4) – Zn(0,9) – Fe(0,9) | |
| Пл. 2 | июнь | 2,2 | Hg(2,4) – Cu(0,8) – Ni(1) – Zn(1,2) – Fe(0,8) |
| июль | -1,4 | Hg(0,3) – Cu(0,5) – Ni(0,6) – Zn(0,6) – Fe(0,6) | |
| август | -1,5 | Hg(0,3) – Cu(0,3) – Ni(0,7) – Zn(0,4) – Fe(0,8) | |
| Пл. 3 | июнь | 1,3 | Hg(1,7) – Cu(1) – Ni(1) – Zn(1,1) – Fe(0,5) |
| июль | -0,5 | Hg(0,8) – Cu(0,5) – Ni(1) – Zn(0,8) – Fe(0,4) | |
| август | 0,4 | Hg(0,9) – Cu(0,7) – Ni(1,1) – Zn(0,8) – Fe(0,9) |
Суммарные показатели (ZC) были выше на площадке 1 в июле и августе, что свидетельствовало о большей загрязненности исследуемого участка в городе. На основании полученных результатов по уровню загрязнения (ZC), почвы отнесены к категории допустимых с возможным их использованием под растения и с меньшим негативным воздействием на здоровье населения в условиях города.
3.2. Взаимосвязь содержания тяжелых металлов в почве и растениях
При анализе литературных источников (Леванидов, Давыдов, 1961; Ковалевский, 1969; Добровольский, 1983; Ильин, 1985; Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989; Прохорова и др., 1998) известно, что почва как основа экотопа в значительной мере определяет макро и микроэлементный химический состав, произрастающих на ней растений. При проведении корреляционного анализа было выявлено, что между валовым содержанием тяжелых металлов в почве и их накоплением в растениях существует определенная математически обоснованная зависимость (табл. 3).
Таблица 3
Коэффициент корреляции (r) и детерминации (r2) между накоплением ТМ
в Populus balsamifera и их валовым содержанием в почве*
| Уч-к | Populus balsamifera (корни) | Содержание ТМ в почвах, за вегетационный период, 2009 г. | |||||||||
| Fe | Cu | Zn | Ni | Hg | |||||||
| r | r2,% | r | r2,% | r | r2,% | r | r2,% | r | r2,% | ||
| Фон | Fe | 0,24 | 6 | -0,97 | 94 | -0,96 | 92 | -0,93 | 86 | -0,99 | 98 |
| Cu | -0,99 | 98 | 0,39 | 15 | 0,41 | 17 | 0,5 | 25 | 0,26 | 7 | |
| Zn | 0,91 | 83 | -0,79 | 62 | -0,80 | 64 | -0,85 | 72 | -0,69 | 48 | |
| Ni | 0,35 | 12 | -0,99 | 98 | -0,98 | 96 | -0,97 | 94 | -0,99 | 98 | |
| Hg | -0,39 | 15 | 0,99 | 98 | 0,99 | 98 | 0,97 | 94 | 0,99 | 98 | |
| Пл. 1 | Fe | -0,98 | 96 | -0,91 | 83 | 0,17 | 3 | -0,66 | 44 | -0,97 | 94 |
| Cu | 0,16 | 3 | 0,39 | 15 | -0,99 | 98 | 0,74 | 55 | 0,19 | 4 | |
| Zn | -0,96 | 92 | -0,99 | 98 | -0,29 | 8 | -0,93 | 86 | -0,97 | 94 | |
| Ni | 0,63 | 39 | 0,79 | 62 | 0,79 | 62 | 0,98 | 96 | 0,66 | 44 | |
| Hg | -0,22 | 5 | 0,01 | 0,01 | 0,97 | 94 | 0,43 | 18 | -0,18 | 3 | |
| Пл. 2 | Fe | -0,86 | 74 | -0,27 | 7 | -0,12 | 1 | -0,83 | 69 | -0,34 | 12 |
| Cu | -0,99 | 98 | -0,76 | 58 | -0,65 | 42 | -1 | 1 | -0,81 | 66 | |
| Zn | -0,98 | 86 | -0,84 | 71 | -0,76 | 58 | -0,98 | 96 | -0,89 | 79 | |
| Ni | 0,99 | 98 | 0,76 | 58 | 0,65 | 42 | 1 | 1 | 0,81 | 66 | |
| Hg | 0,99 | 98 | 0,63 | 39 | 0,51 | 26 | 0,98 | 96 | 0,69 | 48 | |
| Пл. 3 | Fe | -0,62 | 38 | -0,43 | 18 | -0,22 | 5 | -0,75 | 56 | -0,72 | 52 |
| Cu | -0,65 | 42 | -0,79 | 62 | -0,91 | 83 | -0,5 | 25 | -0,54 | 29 | |
| Zn | -0,19 | 4 | 0,02 | 0,04 | 0,25 | 6 | -0,36 | 13 | -0,32 | 10 | |
| Ni | -0,98 | 96 | -0,92 | 85 | -0,81 | 66 | -1 | 1 | -0,99 | 98 | |
| Hg | 0,81 | 66 | 0,92 | 85 | 0,98 | 96 | 0,69 | 48 | 0,72 | 52 | |
*Примечание: темным фоном отмечены достоверные коэффициенты парной корреляции и детерминации (при уровне значимости 0,05)
Аналогично такая взаимосвязь была выявлена и для всех других исследуемых видов. При этом прямая или обратная достоверная корреляция только установила наличие и силу статистической связи, а детерминация долю влияния валового содержания тяжелых металлов на поступление элементов в древесные и травянистые растения, поэтому возможно в одних случаях влияние валового содержания металлов на поступление элементов в растения, в других случаях влияние второго признака на первый, но не исключается и тот факт, что наряду с установленной связью имеет место и наличие других факторов, которые определяют поступление тяжелых металлов из почвы в древесные и травянистые растения (подвижные формы, рН и др.). Отсутствие линейной корреляции также не означает, что анализируемые признаки независимы, т.к. их взаимосвязь может быть нелинейной (Реброва, 2002; Зайцев и др., 2003).
Поэтому целесообразнее определять не валовое содержание тяжелых металлов, а их подвижные формы и видовые особенности к аккумуляции элементов, что согласуются с данными других исследователей (Цветкова, 1977; Ильин, 1991; Староверова, Ващенко, 1998; Кудряшова, 2003).
Глава 4. Содержание тяжелых металлов в древесных растениях
4.1. Годовая динамика аккумуляции тяжелых металлов в листьях древесных растений
Многими авторами (Прохорова и др., 1998; Битюцкий, 1999) отмечены видовые различия в характере металлоаккумуляции у растений. При этом установлено, что видовая специфичность металлоаккумуляции может проявляться очень четко, так как для некоторых видов нормой становятся концентрации тяжелых металлов, в сотни и тысячи раз превосходящие фоновые (Fernandes, Henriques, 1991). Такие аномальные по металлоаккумуляции способности видов редки, но они являются фитоиндикаторами повышенного содержания тяжелых металлов или отдельного элемента в почвах и подстилающих породах.
Для выявления технического загрязнения тяжелыми металлами исследовались листья древесных растений в июле 2007-2009 гг. (рис. 1, табл. 4). При анализе содержания тяжелых металлов непараметрическим тестом Краскала-Уоллиса в листьях древесных растений в июле с 2007-2009 гг. было выявлено, что содержание никеля, меди и ртути достоверно не различалось по площадкам. Отличие в содержании и накоплении было отмечено для железа и цинка (рис. 1). Такая закономерность была прослежена у всех исследуемых древесных видов.
Рис. 1. Среднее содержание металлов в листьях Populus balsamifera
в июле на участках 1, 2, 3 в условиях города и фона
(анализ методом Краскала – Уоллиса)
Таблица 4
Среднее содержание тяжелых металлов в листьях древесных растений
в условиях городской среды (июль, 2007-2009 гг.)*
| ТМ, мг/кг | Объекты исследования | 2007 | 2008 | 2009 | ПДК, норма, мг/кг сухого вещества* |
| железо | Populus balsamifera | 206,7±20,2 | 177,7±22,8 | 150,0±20,8 | 20-300 (норма) |
| Ulmus pumila | 183,3±17,6 | 158,3±48,5 | 160,0±26,4 | ||
| Malus baccata | 236,0±45,1 | 176,7±8,8 | 173,3±14,5 | ||
| Caragana arborescens | 223,7±15,2 | 213,3±52,1 | 220,0±48,9 | ||
| медь | Populus balsamifera | 7,2±0,4 | 7,0±0,6 | 5,3±0,3 | 15-20 (ПДК) |
| Ulmus pumila | 6,5±0,3 | 6,7±0,9 | 4,7±0,9 | ||
| Malus baccata | 5,3±0,9 | 6,7±0,9 | 5,3±0,9 | ||
| Caragana arborescens | 7,3±0,9 | 8,3±1,3 | 4,5±0,4 | ||
| цинк | Populus balsamifera | 172,7±41,4 | 121,3±38,4 | 144,7±29,2 | 150-300 (ПДК) |
| Ulmus pumila | 36,7±5,5 | 35,7±1,8 | 28,3±3,7 | ||
| Malus baccata | 76,3±51,9 | 25,7±5,2 | 18,7±0,9 | ||
| Caragana arborescens | 25,3±4,7 | 34,7±1,7 | 21,0±1,6 | ||
| никель | Populus balsamifera | 1,1±0,1 | 2,0±0,1 | 2,0±0,01 | 20-30 (ПДК) |
| Ulmus pumila | 1,5±0,2 | 2,3±0,1 | 2,3±0,3 | ||
| Malus baccata | 2,3±0,3 | 1,9±0,1 | 2,0±0,1 | ||
| Caragana arborescens | 2,3±0,3 | 2,1±0,1 | 2,0±0,1 | ||
| ртуть | Populus balsamifera | 0,056±0,003 | 0,037±0,002 | 0,028±0,002 | – |
| Ulmus pumila | 0,079±0,002 | 0,028±0,001 | 0,03±0,01 | ||
| Malus baccata | 0,012±0,003 | 0,041±0,001 | 0,034±0,005 | ||
| Caragana arborescens | 0,02±0,01 | 0,045±0,001 | 0,069±0,001 |
*Примечание: - данные ПДК (Ni, Cu, Zn) по Sauerbeck (1982); нормальное содержание (Fe) по Baker, Chesnin (1975)
Анализ проведенных исследований показал, что содержание железа в листьях древесных растений в течение исследуемого периода 2007-2009 гг. на площадках 1, 2, 3 было различным, превышение нормы не наблюдалось. В среднем в условиях города концентрация металла в P. balsamifera составляла 178 мг/кг сухой массы (n=9, Lim 120-240, Cv 23%). В U. pumila содержание железа составляло 167 мг/кг сухой массы (n=9, Lim 85-250, Cv 31%); для M. baccata – 195,3 мг/кг сухой массы (n=9, Lim 160-326, Cv 26%), для C. arborescens – 218,9 мг/кг сухой массы (n=8, Lim 110-300, Cv 28%). При сравнении годовой динамики в накоплении металла в условиях города, повышенное содержание отмечено в 2007 году, что согласуется с усиленной антропогенной нагрузкой в силу пожароопасного периода, большой задымленности и небольшим количеством осадков. Среди исследуемых растений видом – накопителем являлась C. arborescens, концентрация металла, в которой практически не изменялась в течение 3-х лет и была выше, чем в других исследуемых древесных видах, поэтому данный вид рекомендуется использовать для озеленения и оздоровления городской среды.
Содержание меди в листьях древесных растений на площадках 1, 2, 3 в течение исследуемого периода практически оставалось без изменений и не превышало ПДК. В среднем в условиях города концентрация металла в P. balsamifera составляла 6,4 мг/кг сухой массы (n=9, Lim 5-8, Cv 18%). В U. pumila содержание меди составило 5,9 мг/кг сухой массы (n=9, Lim 4-8, Cv 22%); для M. baccata – 5,8 мг/кг сухой массы (n=9, Lim 4-7, Cv 19%), для C. arborescens – 7 мг/кг сухой массы (n=8, Lim 5-11, Cv 29%). При сравнении годовой динамики к аккумуляции металла наименьшее содержание наблюдалось в 2009 г. Вероятно данная закономерность связана с отсутствием медного загрязнения и климатическими особенностями в годы исследования. В 2009 г. было зафиксировано наибольшее количество осадков, чем в период с 2007 по 2008 гг. Видовой специфики к аккумуляции металла не отмечено.
Содержание цинка в листьях древесных растений в течение исследуемого периода на площадках 1, 2, 3 достоверно различалось. Как известно из литературы (Цинк и кадмий…, 1992), при отсутствии специфических источников загрязнения отмечена широкая вариация по среднему содержанию цинка в почвах и растениях. В среднем содержание металла в P. balsamifera за исследуемый период составило 146,2 мг/кг сухой массы (n=9, Lim 54-218, Cv 40,6%).
U. pumila накапливал цинка в среднем 33,6 мг/кг сухой массы (n=9, Lim 21-44, Cv 21%), M. baccata – 29,1 мг/кг сухой массы (n=9, Lim 17-80, Cv 69%), C. arborescens – 27,8 мг/кг сухой массы (n=8, Lim 18-38, Cv 27%). При сравнении годовой динамики к накоплению металла наименьшее содержание цинка было зафиксировано в 2009 году. Среди исследуемых древесных растений P. balsamifera был отмечен как вид-концентратор цинка, что согласуются с данными других авторов (Бессонова, 1992; Прохорова и др., 1988).
Содержание никеля в древесных растениях в течение исследуемого периода оставалось без изменений и не различалось на площадках 1, 2, 3. В среднем содержание металла в P. balsamifera составляло 1,7 мг/кг сухой массы (n=9, Lim 0,8-2,3, Cv 29%). Концентрация металла в U. pumila достигала 2,1 мг/кг сухой массы (n=9, Lim 1,2-3, Cv 26%), для M. baccata – 2,1 мг/кг сухой массы (n=9, Lim 1,9-3, Cv 17%), для C. arborescens – 2,2 мг/кг сухой массы (n=8, Lim 1,9-3,
Cv 16%). При сравнении годовой динамики отличий в содержании никеля не отмечено, что вероятно было связано с отсутствием источников никелевого загрязнения в городе. Превышение ПДК и видовой специфики к аккумуляции металла не выявлено.
Содержание ртути достоверно не различалось на площадках 1, 2, 3 в течение исследуемого периода 2007-2009 гг. В среднем содержание металла в P. balsamifera составляло 0,035 мг/кг сухой массы (n=9, Lim 0,015-0,061, Cv 57%). Концентрация металла в U. pumila достигала 0,047 мг/кг сухой массы (n=9, Lim 0,09-0,126, Cv 74%), для M. baccata – 0,029 мг/кг сухой массы (n=9, Lim 0,009-0,065, Cv 63%), для C. arborescens – 0,042 мг/кг сухой массы (n=8, Lim 0,019-0,087, Cv 57%). Видовой специфики к накоплению металла не отмечено.
Таким образом, исследуемые древесные виды накапливали тяжелые металлы в течение 3-х лет без превышения показателей ПДК и в пределах установленной нормы, что вероятно связано с барьерными свойствами растений к аккумуляции металлов и невысоким уровнем техногенного загрязнения в условиях города.
4.2. Сезонная динамика накопления тяжелых металлов в листьях древесных растений
Сезонная динамика в P. balsamifera и U. pumila была отмечена для меди, цинка и ртути.
Содержание меди в листьях древесных растений не превышало ПДК и снижалось к концу вегетации (рис. 2).
А В
Рис. 2. Среднее содержание меди в Populus balsamifera, Ulmus pumila
за вегетационный период (2008-2009 гг., мг/кг сухой массы)
Примечание: А – Populus balsamifera; В – Ulmus pumila
В листьях P. balsamifera в 2008 г. концентрация меди в течение вегетационного периода была больше, чем в 2009 г. и снижалась к августу. Содержание металла в 2009 г. в условиях города не отличалось от фона и составляло в среднем 4,3-5 мг/кг сухой массы. В U. pumila концентрация меди в 2008 году, аналогично P. balsamifera, была выше и составляла в среднем 4-8 мг/кг сухой массы. В 2009 г. содержание металла было меньше и не превышало фоновое (6-4 мг/кг), достигая в среднем 4,3-4 мг/кг сухой массы, при этом наблюдалось закономерное снижение меди к концу вегетации в условиях фона и города.
Содержание цинка в P. balsamifera в условиях городской среды за вегетационный период 2008-2009 гг. было выше, чем в U. pumila (рис. 3).
А В
Рис. 3. Среднее содержание цинка в Populus balsamifera, Ulmus pumila
за вегетационный период (2008-2009 гг., мг/кг сухой массы)
Примечание: А – Populus balsamifera; В – Ulmus pumila
В 2008 г. концентрация цинка в P. balsamifera в условиях города повышалась к концу вегетации и составляла в среднем 125-177 мг/кг сухой массы. В 2009 г. содержание металла увеличилось в 1,9 и 1,5 раза соответственно, закономерно повышаясь к августу. В то время как в условиях условно чистого участка (фона) концентрация металла в листьях P. balsamifera снижалась к концу вегетации, составляя в среднем 54-31 мг/кг сухой массы. Данная закономерность к аккумуляции цинка связана с физиологическими особенностями вида к накоплению металла. Содержание цинка в листьях U. pumila в условиях города и фона оставалось практически одинаковым, при закономерном снижении метала к концу вегетации, что возможно связано с физиологическими особенностями вида и защитными механизмами, обеспечивающими небольшое поступление цинка в растение. В 2008 г. концентрация металла в U. pumila была выше, чем в 2009 г., снижаясь к концу вегетационного периода и достигая в среднем – 47,7-27 мг/кг сухой массы. В 2009 г. концентрация металла снижалась к августу в 1,9 и 1,2 раза соответственно. Содержание цинка на фоновом участке составляло в среднем 37-21 мг/кг сухой массы, закономерно снижаясь к августу, как в условиях города, что вероятно, связано с биологической ролью металла и физиологическими особенностями исследуемого вида.
Содержание ртути в листьях древесных растений закономерно увеличивалось к концу вегетационного периода 2008-2009 гг., что свидетельствовало о постепенной аккумуляции металла (рис. 4).
А В
Рис. 4. Среднее содержание ртути в Populus balsamifera, Ulmus pumila
за вегетационный период (2008-2009 гг., мг/кг сухой массы)
Примечание: А – Populus balsamifera; В – Ulmus pumila
Содержание ртути в листьях в P. balsamifera в 2008 г. составляло в среднем 0,04-0,09 мг/кг сухой массы, в 2009 г. – 0,03-0,04 мг/кг сухой массы. В условиях фона концентрация была выше, чем в условиях города и составляла в среднем 0,04-0,07 мг/кг сухой массы. Содержание ртути в U. pumila в 2008 г. в условиях города составило 0,03-0,06 мг/кг сухой массы. В 2009 г. концентрация ртути была выше – 0,04-0,07 мг/кг сухой массы, превышая фоновое содержание в июле-августе в 1,5 и 1,4 раза соответственно. Следует отметить, что в условиях города и фона в исследуемый период наблюдалась увеличение концентрации металла к августу, что вероятно связано с физико-химическими особенностями ртути и способностью к накоплению. Исследуемые древесные виды накапливали металл в определенном диапазоне, что возможно связано с барьерным типом накопления ртути и защитными механизмами к аккумуляции у растений.
Таким образом, сезонная динамика в листьях P. balsamifera, U. pumila была выявлена для меди, ртути и цинка, растения накапливали металлы в пределах нормы и ПДК. P. balsamifera в условиях повышенной антропогенной нагрузке аккумулировал больше цинка, превышая фоновое содержание, данный вид рекомендуется использовать в целях фиторемедиации для снижения уровня цинкового загрязнения.
4.3. Особенности накопления тяжелых металлов в органах древесных растений
Как известно (Григорьев, Бучельников, 1999; Денисов и др., 2006; Шаркова, Надежкина, 2007), растения наземных экосистем являются универсальными индикаторами состояния окружающей среды, так как они первые испытывают на себе выбросы промышленного производства, автотранспорта, топливной энергетики, пыли грунтовых дорог, кислотных дождей и т.д. Распределение поглощенных загрязнителей, в том числе и тяжелых металлов, в растениях зависит от их биологической роли и специфики биохимических процессов в различных частях растений. Поэтому распределение по органам элементов в пределах одного растения, так же как и концентрация одного и того же элемента в растениях различных видов, будут неравномерным. Следует отметить тот факт, что в последнее время на условия поступления и характер распределения значительное влияние оказывают антропогенные факторы. Однако обширный экспериментальный материал свидетельствует о том, что распределение различных металлов по органам растений в основном характеризуется их аккумуляцией в корнях, затем в вегетативных, и наименьшее количество металлов характерно для генеративных органов.
Наряду с изучением годовой и сезонной динамики накопления тяжелых металлов, была исследована аккумуляция тяжелых металлов в органах Populus balsamifera, Ulmus pumila, Malus baccata, Caragana arborescens в разные сезонные периоды вегетационного развития растений, произрастающих в условиях городской среды с различной антропогенной нагрузкой, для возможного использования в фиторемедиационном методе для очистки окружающей среды (табл. 5). Аналогичные результаты были получены для M. baccata, C. arborescens.
Исходя из полученных результатов, органами-концетраторами железа в течение всего вегетационного периода выступают корни и кора стебля, превышая норму и нередко критические концентрации. Наименьшая концентрация отмечена в листьях. Полученные результаты согласуется с данными других авторов (Саенко и др., 1968; Кулагин, Шагиева, 2005).
Таблица 5
Среднее содержание тяжелых металлов в органах Populus balsamifera
за вегетационный период в 2009 г.*
| Месяц | Исследуемая часть | Тяжелые металлы, мг/кг | ||||
| Железо | Медь | Цинк | Никель | Ртуть | ||
| июнь | лист | 116,7±6,7 130,0±13,8 | 5,0±0,6 5,0±0,1 | 244,3±66,5 54,0±11,1 | 2,0±0,01 2,0±0,01 | 0,027±0,005 0,020±0,002 |
| корень | 746,7±96,4 880,0±57,8 | 6,7±0,3 7,0±0,2 | 136,3±37,3 65,0±21,4 | 3,3±07 6,0±0,2 | 0,029±0,01 0,052±0,002 | |
| кора | 613,3±94,3 1540,0±87,1 | 6,3±0,7 7,0±0,1 | 74,0±11,2 114,0±43,1 | 3,0±0,01 4,0±0,02 | 0,023±0,01 0,009±0,001 | |
| июль | лист | 150,0±20,8 130,0±10,0 | 5,3±0,3 4,0±0,3 | 144,7±29,2 39,0±8,7 | 2,0±0,01 2,0±0,01 | 0,028±0,002 0,024±0,02 |
| корень | 516,7±38,4 640,0±45,9 | 8,0±0,6 7,0±0,3 | 80,7±6,2 77,0±15,6 | 3,7±0,3 5,0±0,01 | 0,019±0,003 0,015±0,01 | |
| кора | 786,7±178,2 1850,0±91,4 | 6,0±0,6 6,0±0,1 | 75,7±15,9 143,0±25,8 | 3,0±0,01 4,0±0,01 | 0,015±0,002 0,018±0,01 | |
| август | лист | 150,0±39,9 150,0±21,1 | 4,3±0,9 2,0±0,3 | 260,3±30,9 31,0±5,6 | 2,3±03 2,0±0,3 | 0,098±0,01 0,126±0,001 |
| корень | 326,7±12,2 210,0±43,2 | 7,0±0,01 7,0±0,2 | 78,7±7,8 54,0±8,6 | 3,3±03 2,0±0,01 | 0,031±0,02 0,064±0,002 | |
| кора | 726,7±94,8 460,0±54,7 | 6,0±0,02 4,0±0,02 | 158,3±14,3 37,0±3,5 | 4,0±0,6 3,0±0,01 | 0,035±0,001 0,036±0,01 | |
*Примечание: над чертой – показатели в условиях городской среды, под чертой – фоновые
Для меди и никеля отмечена аналогичная закономерность: наименьшая концентрация металлов наблюдалась в листьях, наибольшая в корнях и коре стебля. Превышение ПДК во всех исследуемых органах древесных растений не отмечено.
Содержание цинка в листьях исследуемых древесных растений было меньше, чем в корнях и коре стебля. Исключение составил P. balsamifera, где концентрация цинка в листьях в условиях городской среды превышала фоновые показатели и содержание металла в корнях и коре стебля, что вероятно связано с фолиарным типом поступления металла в окружающую среду и особенностями вида к аккумуляции цинка.
Содержание ртути в древесных растениях было выше в листьях, чем в корнях и коре стебля, что возможно связано с фолиарным типом поступления. Видовой специфики к накоплению металла не выявлено.
Таким образом, при анализе изученных видов к накоплению природного металла (железа) и техногенных (медь, цинк, никель, ртуть) было выявлено, что P. balsamifera, U. pumila, M. baccata, C. arborescens накапливали металлы в большей степени в корнях и коре стебля, только для ртути была отмечена повышенная концентрация в листьях и постепенное увеличение содержания металла к концу вегетации. Превышение ПДК для меди, цинка и никеля не выявлено. Превышение критических концентраций в коре стебля и корнях отмечено для железа. Среди исследуемых видов к накоплению повышенных концентраций цинка способен P. balsamifera в условиях городской среды, данный вид рекомендуется использовать в озеленении для снижения цинкового воздействия на живые организмы.
На основании геохимических показателей интенсивности биологического поглощения (К.н.) и передвижения (К.п.) железо отнесено в группу с очень низкой интенсивностью поглощения. Это определяется тем, что накопление железа в древесных растениях происходит по барьерному типу. Поэтому при высоких концентрациях железа на фоновом участке, и в условиях города, количество его в зольном остатке растения ниже. Основными барьерами на пути поступления металла являются барьеры на границе корень-стебель. Базальная часть стебля играет исключительно важную роль в регулировании взаимоотношений между надземной и подземной частями растений. Вследствие этого, содержание железа, в корнях значительно выше, чем в надземной части. Помимо барьерных механизмов растений на поглощение железа влияют и его геохимические свойства и, прежде всего слабая растворимость основных соединений элемента (Fe3+) в почвах – гидроксидов и оксидов: лишь незначительная часть их растворяется в воде, образуя гидролизованные или комплексные формы. Этому способствует то, что ионный потенциал трехвалентного железа равен 4.4, тогда как в виде свободных ионов могут преимущественно существовать элементы с ионными потенциалами ниже 3.0 (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989). Вследствие этого железо рассматривается нами как микроэлемент, из-за низкой концентрации в растениях, несмотря на макроколичества в почвах.
Для меди, цинка и никеля коэффициент накопления был ниже 1, металлы отнесены в группу среднего захвата и слабого накопления. Следует отметить, что в условиях городской среды для P. balsamifera было отмечено повышенное поступление цинка в растение (коэффициент накопления больше единицы), что вероятно связано с особенностями вида и его способностью к аккумуляции металла в условиях повышенной антропогенной нагрузки.
Для ртути отмечено варьирование в накоплении и захвате растениями, в одних случаях металл средне захватывался и слабо передвигался по растению, в других случаях накопление и захват – происходил быстрее. Вероятно, это связано с физико-химическими особенностями металла, наличием атмосферного источника и фолиарном пути поступления ртути в растения. Не один из исследуемых древесных видов не отнесен в группу-гипераккумуляторов, накопление металлов наблюдалось по барьерному типу, не превышая фоновые показатели, норму и ПДК.
Глава 5. Содержание тяжелых металлов в травянистых растениях
5.1. Годовая динамика накопления тяжелых металлов в листьях травянистых растений
При анализе накопления тяжелых металлов в листьях травянистых растений тестом Краскала-Уоллиса было выявлено, что содержание никеля, меди, цинка, ртути в течение 2007-2009 гг. на площадках 1, 2, 3 достоверно не различалось, отличие было отмечено только для железа (рис. 5). Такая закономерность была выявлена и для Taraxacum mongolicum, и Plantago major.
Рис. 5. Среднее содержание металлов в листьях Taraxacum mongolicum в июле
на участке 1, 2, 3 в условиях городской среды и фона
(анализ методом Краскала – Уоллиса)
Содержание железа в листьях травянистых растений превышало нормальное содержание на всех исследуемых площадках в городе, и нередко критические концентрации. При сравнении годовой динамики наименьшее содержание железа наблюдалось в 2008 г. (табл. 6).
Таблица 6
Среднее содержание тяжелых металлов в листьях травянистых растений в условиях городской среды (июль, 2007-2009 гг.)*
| ТМ, мг/кг | Объекты исследования | 2007 | 2008 | 2009 | ПДК, норма, мг/кг сухого вещества* |
| Fe | Taraxacum mongolicum | 778,0±41,22 | 508,7±90,4 | 716,7±101,4 | 50-240 (норма) |
| Plantago major | 503,3±74,9 | 265,7±44,9 | 650,0±103,5 | ||
| Cu | Taraxacum mongolicum | 6,7±0,7 | 8,0±0,6 | 5,3±0,3 | 15-20 (ПДК) |
| Plantago major | 6,0±0,6 | 4,7±0,7 | 4,0±0,3 | ||
| Zn | Taraxacum mongolicum | 40±7,0 | 43,0±7,2 | 47,0±5,1 | 150-300 (ПДК) |
| Plantago major | 60,3±9,5 | 38,0±5,3 | 42,0±3,6 | ||
| Ni | Taraxacum mongolicum | 2,7±0,3 | 2,3±0,3 | 4,0±0,6 | 20-30 (ПДК) |
| Plantago major | 3,0±0,3 | 1,7±0,2 | 3,3±0,3 | ||
| Hg | Taraxacum mongolicum | 0,025±0,003 | 0,029±0,002 | 0,070±0,005 | – |
| Plantago major | 0,019±0,002 | 0,037±0,007 | 0,056±0,007 |
*Примечание: данные ПДК (Ni, Cu, Zn) по Sauerbeck (1982); нормальное содержание (Fe) по Baker, Chesnin (1975)
Содержание меди в течение исследуемого периода достоверно не различалось на площадках, что вероятно связано с отсутствием медного загрязнения и барьерным типом накопления. Превышение ПДК не отмечено. При сравнении годовой динамики, наименьшее содержание металла наблюдалось в 2009 г.
Для цинка и никеля отмечена аналогичная закономерность, превышение ПДК и видовой специфики не выявлено. Для ртути наблюдалось постепенное накопление к 2009 г. на всех исследуемых площадках в городе. Видовой специфики к накоплению металла не отмечено.
Таким образом, полученные результаты показали, что аккумуляция тяжелых металлов в листьях травянистых растений наблюдалось практически одинаково, видовой специфики к накоплению железа, меди, цинка, никеля и ртути не отмечено. Содержание железа превышало норму, и нередко критические концентрации, что свидетельствовало о способности данных видов к аккумуляции металла. В условиях города на всех площадках в 2009 г. наблюдалось превышение фонового показателя для железа, что вероятно связано с антропогенной нагрузкой. Достоверных различий по аккумуляции меди, никеля и цинка в исследуемый период не отмечено, превышение ПДК и видовой специфики не выявлено. Для ртути отмечено постепенное накопление в травянистых растениях к 2009 г. на всех исследуемых площадках в городе.
5.2. Сезонная и годовая динамика накопления тяжелых металлов в органах травянистых растений
Рассмотрена сезонная и годовая динамика к аккумуляции железа, меди, цинка, никеля и ртути в течение вегетационного периода (июнь, июль, август) в травянистых растениях 2008-2009 гг.
Полученные результаты показали, что концентрация железа 2008-2009 гг. была больше в корнях к концу вегетации, чем в листьях. В 2008 г. содержание железа в корнях T. mongolicum в августе в среднем достигало 776,3 мг/кг сухой массы, в 2009 г. концентрация возрастала в 1,4 раза, при этом наблюдалось превышение фонового показателя в 1,3 раза. Содержание железа в P. major аналогично T. mongolicum, было выше в корнях, достигая максимального значения к августу. В 2008 г. содержание железа в условиях города в среднем составляло 1006,3-2737,7 мг/кг сухой массы, в 2009 г. – 1493,3-2736,7 мг/кг, превышая нормальное содержание и критические концентрации. Следует отметить, что исследуемые травянистые виды способны к аккумуляции железа в большей степени, чем древесные, поэтому могут использоваться в целях удаления металла из почвы.
Содержание меди, аналогично содержанию железа, было больше в корне. Превышение ПДК в листьях и в корнях не отмечено. В T. mongolicum концентрация металла в листьях в 2008 г. составляла в среднем 6,7-8 мг/кг сухой массы, в 2009 г. – 5-5,3 мг/кг сухой массы. Закономерного повышения металла к концу вегетации не отмечено. В корнях содержание меди было больше: в 2008 г. концентрация металла в среднем составляла 17,3 и 23,3 мг/кг сухой массы, превышая ПДК и закономерно увеличиваясь к концу вегетации. В 2009 г. концентрация в корнях была меньше в 1,6 и 2,1 раза соответственно, аналогично увеличиваясь к августу. В P. major концентрация в надземной фитомассе была меньше, чем в корнях, изменений в течение вегетации не отмечено. В 2008 г. концентрация меди в условиях города в среднем составляла 3,3-5,7 мг/кг сухой массы, в 2009 г. – 3,3-4 мг/кг сухой массы. В корнях концентрация металла в 2008 г. варьировала в пределах 12,7-15 мг/кг сухой массы, в 2009 г. концентрация меди была меньше в 1,5-1,4 раза, достигая максимального значения в июле. В 2009 г. наблюдалось превышение фоновых концентраций в июле-августе в надземной и подземной части растения.
Содержание цинка было больше в корнях исследуемых растений. Содержание цинка в T. mongolicum в надземной фитомассе в 2008 г. в условиях города составляло в среднем 41-50,3 мг/кг сухой массы, в 2009 г. – 47-63 мг/кг сухой массы, закономерно увеличиваясь к концу вегетации. Содержание в корнях варьировало: в 2008 г. концентрация цинка составляла в среднем 29-64,7 мг/кг сухой массы, в 2009 г. – 34-37 мг/кг сухой массы. Отмечено, наименьшая концентрация металла в корнях приходилась на июль месяц в 2008-2009 гг., вероятно это связано с периодом вегетации растения (цветение) и оттоком металла в вегетативные и генеративные органы. В 2009 г. наблюдалось превышение фоновых концентраций в исследуемых органах в течение всего вегетационного периода. Содержание цинка P. major в надземной части в период 2008-2009 гг. было наименьшее. В 2008 г. в условиях города концентрация металла в надземной фитомассе составляла в среднем 32-42 мг/кг сухой массы, в 2009 г. – 35,7-45,3 мг/кг сухой массы, при этом наблюдалось постепенное увеличение концентрации к концу вегетации. В корнях содержание цинка было выше и в течение 2-х лет практически не изменялось, в 2008 г. концентрация металла составляла в среднем 50,7-51,7 мг/кг сухой массы, в 2009 году – 46-51 мг/кг сухой массы. Данная закономерность, вероятно, связана с барьерным типом накопления металла. В 2009 г. наблюдалось превышение фоновых показателей. Превышение ПДК и видовой специфики к накоплению цинка не отмечено.
Нами установлено, что никель также как и древесными, аккумулируется травянистыми довольно слабо. В T. mongolicum концентрация никеля была меньше в надземной фитомассе: в 2008 г. содержание металла составляло в среднем 2,3-2,7 мг/кг сухой массы, в 2009 году концентрация увеличивалась в 1,7 раза. Изменение в течение вегетационного периода не отмечено. В корнях содержание никеля было наибольшее. В 2008 г. содержание металла составляло в среднем 2,3-6,7 мг/кг сухой массы, в 2009 г. – 4,25-6 мг/кг сухой массы. В
P. major концентрация в листьях, аналогично T. mongolicum, была меньше, чем в корнях. В 2008 г. концентрация в среднем составляла 2-3 мг/кг сухой массы, в 2009 г. – 2,3-3,7 мг/кг сухой массы. Концентрация в корнях практически не отличалась: в 2008 г. она варьировала от 3-3,7 мг/кг сухой массы, в 2009 г. возрастала в 1,8 и 2,1 раза соответственно, увеличиваясь к концу вегетации. В 2009 г. наблюдалось превышение фоновых показателей в корнях. Видовой специфики к аккумуляции никеля не выявлено.
Содержание ртути было больше в надземной фитомассе, что вероятно связано с фолиарным путем поступления металла в исследуемые растения. Содержание ртути в листьях T. mongolicum в 2008 г. достигало в среднем 0,018-0,061 мг/кг сухой массы, в 2009 году – 0,064-0,100 мг/кг сухой массы, при этом наблюдалось закономерное увеличении ртути к концу вегетации. Концентрация ртути в корнях 2008-2009 гг. была меньше. В 2008 г. концентрация в среднем составляла 0,007-0,021 мг/кг сухой массы, в 2009 г. содержание металла возрастало в 3 и 2,3 раза соответственно. Превышение фоновых показателей не наблюдалось. Содержание ртути в P. major аналогично было больше в листьях. В 2008 г. концентрация ртути в надземной части в среднем составляла 0,015-0,055 мг/кг сухой массы, в 2009 г. содержание ртути увеличилось в 4,2 и 3,2 раза соответственно, при этом следует отметить, закономерное увеличение к концу вегетации. Содержание ртути в корнях меньше: в 2008 г. концентрация в среднем составляла 0,009-0,018 мг/кг сухой массы, в 2009 г. содержание ртути увеличилось в 4,9 и 2,3 раза соответственно. Вероятно данная закономерность связана с поступлением ртути из атмосферного источника.
На основании полученных данных по валовому содержанию тяжелых металлов в почве и различных частях растений позволили нам рассчитать для характеристики биогенной миграции металлов в системе почва-растение геохимические показатели интенсивности биологического поглощения элементов растительностью (табл. 7).
Таблица 7
Коэффициенты накопления (К.н.) и передвижения (К.п.)
тяжелых металлов в травянистых растениях (2008-2009 гг.)*
| год | металл | Taraxacum mongolicum | Plantago major | ||||||||||
| К.н. | К.п. | К.н. | К.п. | ||||||||||
| июнь | июль | август | июнь | июль | август | июнь | июль | август | июнь | июль | август | ||
| 2008 | Fe | 0,04 | 0,03 | 0,06 | 0,7 | 1,4 | 0,7 | 0,08 | 0,08 | 0,09 | 0,4 | 0,5 | 0,6 |
| Cu | 0,6 | 1,4 | 1,2 | 0,4 | 0,3 | 0,3 | 0,4 | 0,9 | 1 | 0,5 | 0,3 | 0,2 | |
| Zn | 0,5 | 0,4 | 0,7 | 0,8 | 1,3 | 0,9 | 0,5 | 0,6 | 0,7 | 0,7 | 0,7 | 0,8 | |
| Ni | 0,4 | 0,2 | 0,2 | 0,5 | 1,1 | 0,6 | 0,2 | 0,1 | 0,2 | 1,1 | 1,5 | 1,2 | |
| Hg | 0,07 | 0,05 | 0,2 | 2,3 | 3,4 | 3,05 | 0,1 | 0,07 | 0,2 | 1,3 | 2,1 | 2,7 | |
| 2009 | Fe | 0,09 0,04 | 0,6 0,01 | 0,06 0,03 | 0,3 0,7 | 0,8 1 | 0,8 0,8 | 0,2 0,09 | 0,1 0,02 | 0,1 0,03 | 0,3 0,1 | 0,1 0,4 | 0,5 0,6 |
| Cu | 0,8 0,9 | 0,8 0,4 | 0,9 0,3 | 0,4 0,4 | 0,4 0,2 | 0,7 0,5 | 0,7 0,5 | 0,5 0,3 | 0,5 0,1 | 0,4 0,4 | 0,4 0,3 | 0,4 0,4 | |
| Zn | 0,5 0,6 | 0,7 0,4 | 0,6 0,2 | 1,2 0,8 | 1,1 0,9 | 1,1 0,9 | 0,5 0,8 | 0,7 0,6 | 0,6 0,3 | 0,8 0,7 | 0,8 0,8 | 1 0,7 | |
| Ni | 0,5 0,3 | 0,7 0,3 | 0,5 0,2 | 0,9 1 | 0,6 0,7 | 0,6 1 | 0,5 0,4 | 0,7 0,3 | 0,3 0,2 | 0,4 0,5 | 0,6 0,7 | 0,5 0,7 | |
| Hg | 0,7 0,4 | 0,8 0,9 | 0,9 0,5 | 3,6 6,8 | 3,1 2,1 | 2,7 3,1 | 1,5 1,1 | 1,3 0,5 | 0,8 0,5 | 2,4 1,7 | 1,9 2,4 | 5,8 2 | |
*Примечание: над чертой – показатели в условиях городской среды, под чертой – фоновые
На сновании полученных данных, накопление железа происходило по барьерному типу, металл нами отнесен в группу с очень низкой интенсивностью поглощения, аналогично, древесным видам. Накопление меди, цинка, никеля и ртути происходило по барьерному типу, данные металлы включены в группу среднего захвата и слабого передвижения. Коэффициенты передвижения были выше у ртути в течение всего вегетационного периода 2008-2009 гг. в условиях фона и города, что свидетельствовало о фолиарном пути поступления металла, а также быстрым передвижением по растению. Среди исследуемых травянистых видов – гипераккумуляторов тяжелых металлов не отмечено.
Таким образом, проведенные исследования по аккумуляции тяжелых металлов в травянистых растениях показали, что содержание железа, меди, цинка и никеля больше в корнях, чем в надземной фитомассе. Превышение нормы и критических концентраций отмечено для железа, аккумуляция меди, цинка, никеля в пределах нормы и ПДК. Видовой специфики к накоплению металлов не отмечено. Следует отметить, что корни P. major способны к наибольшей аккумуляции металлов, чем T. mongolicum. Накопление ртути происходило фолиарным и корневым путем, при этом содержание металла в исследуемых органах травянистых растений закономерно увеличивалось к концу вегетационного периода.
Выводы
1. Почвы по валовому содержанию железа, меди, никеля и ртути не превышают значения ПДК, исключение составляет цинк. На основании геохимического показателя (ZС) почвы по уровню загрязнения отнесены к категории допустимых с возможным использованием для выращивания растений и с меньшим негативным воздействием на здоровье населения в условиях города.
2. Установлено, что исследованные древесные (P. balsamifera, U. pumila, M. baccata, C. arborescens) и травянистые (T. mongolicum, P. major) виды растений накапливают тяжелые металлы в неодинаковых количествах: у древесных растений преимущественно аккумулируется железо и цинк, у травянистых – железо.
3 При изучении годовой динамики в накоплении тяжелых металлов четкой закономерности не выявлено. При анализе сезонной динамики содержании металлов было определено увеличение концентрации ртути у всех исследуемых видов растений.
4. Изучение накопления тяжелых металлов в органах исследуемых растений показало, что железо, медь, никель, цинк преимущественно аккумулируются в корнях и коре стебля. Наибольшее содержание ртути отмечено в листьях древесных и травянистых растений
5. Среди древесных видов выявлена видовая специфика. Видом – аккумулятором цинка является P. balsamifera. железа – C. arborescens. Среди исследуемых видов – гипераккумуляторов тяжелых металлов не отмечено.
6. Результаты проведенных исследований показали, что древесные и травянистые виды растений аккумулируют тяжелые металлы, выступая своеобразной фильтрационной системой, которая способствует созданию благоприятных условий и снижению токсического действия различных загрязнителей.
Основные положения диссертационного исследования отражены в следующих публикациях:
Статьи, опубликованные в рекомендованном ВАК издании:
- Ефименко, Е.А. Роль растений в детоксикации тяжелых металлов в городской среде / Е.А. Ефименко, О.А. Лескова, Е.П. Якимова // Естественные и технические науки. – М.: Компания Спутник+, 2008. –№5. – С.59-63.
- Ефименко, Е.А. Содержание ртути в растениях городской среды /
Е.А. Ефименко, О.А. Лескова, Е.П. Якимова // Естественные и технические науки. – М.: Компания Спутник+, 2009. – №2. – С.126-130.
В других изданиях:
- Ефименко, Е.А. Влияние катионов железа и свинца на рост и развитие растений / Е.А. Ефименко, О.А. Лескова, Е.П. Якимова // Естествознание и гуманизм. Современный мир. Природа и человек. – Томск, 2006. – Т.3. – №4. – С.39.
- Ефименко, Е.А. Влияние солей тяжелых металлов на рост и развитие растений / Е.А. Ефименко, О.А. Лескова // Наш край. Сборник статей. – Чита, 2007. – С.51-54.
- Ефименко, Е.А. Определение тяжелых металлов в растениях в городской среде / Е.А. Ефименко // Экология Южной Сибири и сопредельных территорий. – Вып.II. – Абакан: Изд-во Хакасского гос-го ун-та. – 2007. – Т.11. – С.18.
- Ефименко, Е.А. Физиологические аспекты действия тяжелых металлов на растения / Е.А. Ефименко // Молодая наука Забайкалья: аспирантский сборник. – Чита: Изд-во ЗабГГПУ, 2008. – Ч.1. – С.3-8.
- Ефименко, Е.А. Накопление тяжелых металлов древесными растениями г. Читы / Е.А. Ефименко, Л.В. Красноперова, О.А. Лескова, Е.П. Якимова // Проблемы озеленения городов Сибири и сопредельных территорий: материалы международной научно-практической конференции. – Чита: Изд-во ЗабГГПУ, 2009. – С.64-67.
- Ефименко, Е.А. Ртутное загрязнение городской среды / Е.А. Ефименко // Проблемы озеленения городов Сибири и сопредельных территорий: материалы международной научно-практической конференции. – Чита: Изд-во
ЗабГГПУ, 2009. – С.56-59. - Ефименко, Е.А. Токсичность почвы городской среды / Е.А. Ефименко, Е.О. Манукян // Альманах современной науки и образования. – Тамбов: Грамота, 2009. – № 11 (30): в 2-х томах. Ч.1. – С. 129-132.
Подписано в печать 25.03.11. Формат 6090/16. Бумага офсетная.
Способ печати оперативный. Усл. печ. л. 1,3. Уч.-изд. л. 1,3.
Заказ № 03711. Тираж 100 экз.
Забайкальский государственный гуманитарно-педагогический
университет им. Н.Г. Чернышевского
672007, г. Чита, ул. Бабушкина, 129
