Фиторемедиационные аспекты загрязнения урбанизированных почв оренбурга
На правах рукописи
ВАСИЛЬЕВА ТАТЬЯНА НИКОЛАЕВНА
ФИТОРЕМЕДИАЦИОННЫЕ АСПЕКТЫ ЗАГРЯЗНЕНИЯ УРБАНИЗИРОВАННЫХ ПОЧВ ОРЕНБУРГА
Специальность: 03.02.01 – Ботаника, 03.02.08 – Экология
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата биологических наук
Оренбург – 2011
Работа выполнена на кафедре общей биологии федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Оренбургский государственный университет»
| Научный руководитель: | Доктор биологических наук, профессор Русанов Александр Михайлович Доктор биологических наук, профессор Рябинина Зинаида Николаевна |
| Официальные оппоненты: | Доктор биологических наук, профессор Мирошников Сергей Александрович Доктор сельскохозяйственных наук, профессор Абаимов Виктор Федорович |
| Ведущая организация: | ФГБОУ ВПО Башкирский ГАУ Государственный аграрный университет |
Защита диссертации состоится «27» декабря 2011 г. в 1000 часов на заседании диссертационного совета Д 212.180.02 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Оренбургский Государственный педагогический университет» по адресу: 460014, г.Оренбург, ул. Советская, 19.
C диссертацией можно ознакомится в библиотеке ФГБОУ ВПО «Оренбургского государственного педагогического университета».
Автореферат разослан «26» ноября 2011 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета, Н.И.Мушинская
кандидат биологических наук
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы.
Химический состав почв и грунтов в крупных городах продолжает оставаться функцией совокупного воздействия различных факторов, ключевым из которых является антропогенный. Проблема загрязнения почв в последние десятилетия приобрела статус одной из важнейших экологических проблем урбанизации и стимулировала развитие новых ремедиационных технологий (Чибилев А.А.,1998; Рябинина З.Н., 1996, 2005; Русанов А. М., 2006; Юрина С.В., 2000; Грошев И.В., 2004; Ложкин И.В., 2005; Боев В.М., Воляник М.Н., 1995). Среди последних методы фиторемедиации признаются наиболее адекватными способами очистки почв от различных загрязнений, как с точки зрения эффективности, так и с позиций экономических затрат (Baker A.J.M., 2000). Фиторемедиационные технологии основаны на применении растений-гипераккумуляторов и специальных агротехнических приемов, являются относительно недорогими способами очистки почв, реализуемыми in situ. Одной из главных задач при разработке фиторемедиационных технологий является поиск местных видов растений, способных произрастать на загрязненных почвах и аккумулировать значительные количества поллютантов (Рябинина З.Н., 2005; Русанов А. М., 2006).
Применительно к Южно-Уральскому региону следует отметить, что выполнен ряд исследований, посвященных изучению как особенностей загрязнения урбанизированных и неурбанизированных степных и лесостепных почв (Ложкин И.В., 2005; Грошев И.В., 2004; Русанов А. М., 2006), так и взаимосвязи загрязненных почв с некоторыми видами растений (Рябинина З.Н., 1996). При этом системного анализа взаимосвязей концентраций металлов-поллютантов в почве и, как следствие, их накопления в надземных частях растений до сих пор проведено не было.
В этой связи представляется актуальным изучение типичных для региона представителей травянистой флоры с точки зрения накопления металлов-поллютантов с загрязнением урбанизированных почв, на которых эти растения произрастают.
Целью работы является разработка рекомендаций по выбору растений-ремедиаторов из числа типичных представителей местной флоры на основе анализа взаимосвязей уровней загрязнений урбанизированных почв и произрастающих на них травянистых растений.
Задачи исследования:
1.Определение содержания тяжелых металлов (ТМ) в надземных частях травянистых растений – представителей типичной региональной флоры, произрастающих на территории г. Оренбурга.
2.Анализ уровней загрязнения урбанизированных почв г. Оренбурга металлами-поллютантами и изучение динамики их накопления в почвах.
3.Сопоставление уровней накопления ТМ в почвах и растениях. Определение таксономических различий растений по степени взаимосвязи концентраций металлов в почвах и исследуемых растениях.
4.Выработка рекомендаций по выбору растений-ремедиаторов из числа изученных представителей флоры региона.
Научная новизна исследования.
В рамках региональных комплексных программ «Мониторинг земель Оренбургской области на 1993–2000 годы» и «Экологический мониторинг земель Оренбургской области на 2001–2005 годы», в том числе и г. Оренбурга, а также в рамках инициативного исследования уровня загрязнения растений, произрастающих на реперных участках города, впервые определены уровни загрязнения почв и растений следующими металлами: Cd, Co, Cr, Cu, Mn, Ni, Pb, Zn. На протяжении 5-летнего наблюдения впервые изучены уровни загрязнения и динамика содержания ТМ в слоях почв 0-10 см и 30-40 см. Сделаны выводы о мозаичности загрязнения ТМ почв, об отсутствии доминирующих металлов-поллютантов на территории г. Оренбурга, а также об отрицательной динамике накопления металлов в период наблюдения с 1996 г. по 2005 г.
Так же впервые проведено систематизированное сопоставление концентраций металлов-поллютантов в почвах с уровнями накопления этих же металлов у 30 видов травянистых растений. Аналогичные сведения получены для представителей 9 видов травянистых растений – представителей типичной региональной флоры. Показано, что независимо от видовой принадлежности, наблюдается положительная корреляционная связь, носящая линейный характер, между концентрациями металлов-поллютантов в почве и их концентрациями в надземных частях представителей флоры региона.
Анализ полученных результатов позволил впервые для Южно-Уральского региона выделить наиболее предпочтительные виды растений – потенциальных фиторемедиаторов. При этом наибольшая эффективность в отношении накопления наиболее опасных металлов-поллютантов (Pb и Cd) показана для таких растений как лопух большой (Arctium lappa L.), одуванчик лекарственный (Taraxacum officinale Wigg.), полынь обыкновенная (Artemisia vulgaris L.), полынь горькая (Artemisia absinthium L.), птичий горец (Polygonum aviculare L.), тысячелистник обыкновенный (Achillea millefolium L.).
Полученные новые сведения стали основой для разработки рекомендаций по выбору растений потенциальных ремедиаторов тех или иных металлов-поллютантов, наиболее предпочтительных для дальнейшей экспериментальной разработки фиторемедиационных технологий в регионе исследования, основанных на применении представителей местной флоры.
Положения выносимые на защиту:
- На основе сопоставления концентраций тяжелых металлов в почве и надземных частях растений применительно к Южно-Уральскому региону проведен системный анализ и отбор растений, наиболее предпочтительных в отношении аккумуляции тех или иных металлов-поллютантов, т.е. растений потенциальных ремедиаторов при разработке фиторемедиационных технологий.
- В отношении наиболее опасных металлов Pb и Cd эффективными потенциальными фитоаккамуляторами с точки зрения их накопления в надземных частях растений являются следующие виды: одуванчик лекарственный (Taraxacum officinale Wigg.), лопух большой (Arctium lappa L.), полынь обыкновенная (Artemisia vulgaris L.), полынь горькая (Artemisia absinthium L.), птичий горец (Polygonum aviculare L.), тысячелистник обыкновенный (Achillea millefolium L.). Для других металлов (Co, Cr, Cu, Mn, Ni, Zn), относящихся к менее токсичным загрязнителям, определены потенциально наиболее эффективные фиторемедиаторы: цикорий обыкновенный (Cichorium intybus L.), подорожник средний (Plantago media L.), тысячелистник обыкновенный (Achillea millefolium L.).
- Загрязнение почв г. Оренбурга металлами-поллютантами (Cd, Co, Cr, Cu, Mn, Ni, Pb, Zn) не носит характер аномального по уровню загрязнения, имеет за последние годы тенденцию к отрицательной динамике и характеризуется мозаичностью, что связано с наличием тех или иных промышленных предприятий или транспортных магистралей. Схожий характер и динамику проявляют показатели загрязнения растений, произрастающих на реперных участках.
Практическая значимость
Полученные новые сведения о взаимосвязи накопления металлов-поллютантов в надземных частях растений представителей типичной флоры Оренбургского региона с уровнем накопления этих металлов в почвах на реперных участках позволяют расширить теоретические представления о накоплении токсичных металлов в растениях в связи с загрязнением почв, что явилось основанием для разработки практических рекомендаций по выбору растений-ремедиаторов из числа типичных представителей региональной фитофлоры для последующей разработки фиторемедиационных технологий, основанных на применении специальных агротехнических приемов с целью повышения эффективности фиторемедиации. Полученные данные реализуют начальный этап разработки фиторемедиационных технологий, адаптированных к региону исследования (Оренбургской области).
Полученные результаты внедрены в практику преподавания экологических дисциплин в Оренбургском Государственном Университете и других образовательных учреждениях, в том числе в учебных курсах «Экологический мониторинг» и «Экологическое проектирование и экспертиза». Материалы научно-исследовательской работы используются при чтении цикла лекций и проведении семинарских занятий дисциплины «Промышленная гигиена» в областном центре повышения квалификации работников со средним медицинским и фармацевтическим образованием.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы обсуждались на II Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы геоэкологии Южного Урала» (Оренбург, 2005), Всероссийской молодежной школе-семинаре «Теоретические и прикладные вопросы современной географии» (Томск, 2005), IV Международном симпозиуме «Степи Северной Евразии» (Оренбург, 2006), Всероссийской научно-практической конференции «Вызовы ХХI века и образование» (Оренбург, 2006), Всероссийской научно-практической конференции «Многопрофильный университет как региональный центр образования и науки» (Оренбург, 2009, 2010).
Публикации по теме диссертации
По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе 2 работы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, и 1 монография (в соавторстве).
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, обзора современной литературы, описания главы материалов и методов исследования, 3 глав собственных исследований, заключения, выводов, списка цитируемой литературы.
Общий объем диссертации составляет 172 машинописных страниц вместе с приложениями, иллюстрациями, рисунками и таблицами. Список цитируемой литературы включает 225 источников из них 105 источников зарубежной литературы.
ГЛАВА 1. Фиторемедиация урбанизированных почв
В главе описаны растительный и почвенный покров города Оренбурга. Дана характеристика тяжелых металлов и их воздействия на живые системы. Рассмотрены теоретические и практические основы фиторемедиации почв.
ГЛАВА 2. Материал и методы исследования
Основу содержания работы составили результаты полевых исследований, проводившихся в течение 1995-2005 гг. и включавшие маршрутное обследование почв на участках с отбором образцов на анализ в соответствии с ГОСТ 17.4.2.01-81, ГОСТ 17.4.3.01-83, ГОСТ 17.4.3.04-85, ГОСТ 17.4.3.05-86 (СТ СЭВ 5297-85), ГОСТ 17.0.0.01-76. С каждого контрольного участка отбирали по 5 проб почв из 5 точек послойно с глубины 0-10 см и 30-40 см. Образцы с каждой глубины объединяли и, таким образом, с каждого реперного участка получали 2 средних образца почв. Всего (за весь период исследований) было отобрано 150 образцов почв. В них атомно-абсорбционным методом определяли содержание подвижных форм ТМ.
Реперные участки для исследования в основном были заложены на территориях санитарно-защитных зон предприятий г. Оренбурга (таблица 1).
Параллельно с полевым обследованием почв в местах заложения основных почвенных разрезов произведен сбор наземных частей доминантных видов растений.
Учету и анализу подвергались представители 40 видов растений, относящихся к следующим семействам: Asteraceae Dumort.–18 видов, Рoaceae Barnhart–6 видов, Chenopodiaceae vent.–5 видов, Fabaceae Lindl.–3, Plantaginaceae Juss.–2, Papaveraceae Juss.–1, Polygonaceae Juss.–1, Brassicaceae Burnett.–1, Convolvulaceae Juss.–1, Boraginaceae Juss.–1, Urticaceae Juss.–1 вид.
Таблица 1.
Реперные участки для изучения загрязнения почв
| № | Расположение |
| 1 | Ранее – АО «Оренбургское сверло», в настоящее время – рынок «Мир» (ул. Орская, 47) |
| 2 | ЗАО «Стрела» (ул. Шевченко, 22) |
| 3 | ОАО «Радиатор» (ул. Невельская, 11) |
| 4 | ОАО «Гидропресс» (ул. Бр. Коростелёвых, 54) |
| 5 | ОАО «Завод РТИ», ОАО «Силикатный завод» (ул. Столпянского, 63) |
| 6 | ОАО «Завод холодильного оборудования» (ул. Новая, 1) |
| 7 | ОАО «Нефтемаслозавод» (ул. Заводская, 22) |
| 8 | ОАО «Завод Спецэлеватормельмаш» (ул. Туркестанская, 14,) |
| 9 | ОАО «Завод «Инвертор» (ул. Промышленная, 14) |
| 10 | Ранее – транспортное предприятие «ОПОГАТ–1», в настоящее время – рынок «Форштадт» (ул. 60 лет Октября, 1) |
| 11 | ОАО «Оренбургсельхозремонт» (ул. Шоссейная, 24а) |
| 12 | ОАО «Рембыттехника» (ул. Космическая, 7) |
| 13 | ОАО «Тепловозоремонтный завод» (ул. Ткачёва, 6) |
| 14 | ОАО «Завод сантехзаготовок» (пр-д Автоматики, 12а) |
| 15 | ОАО «Станкозавод» (ул. Ногина, 8) |
По результатам оценки частоты встречаемости были отобраны виды, распространенные повсеместно (на всех реперных участках г. Оренбурга), относящиеся к типичным представителям региональной флоры.
Такими видами оказались:
- Пырей ползучий (Elytrigia repens (L.) Nevski).
- Лопух большой (Arctium lappa L.).
- Чистотел большой (Chelidonium majus L.).
- Цикорий обыкновенный (Cichorium intybus L.).
- Подорожник средний (Plantago media L.).
- Птичий горец (Polygonum aviculare L.).
- Одуванчик лекарственный (Тaraxacum officinale Wigg.).
- Полынь горькая (Artemisia absinthium L.).
- Полынь обыкновенная чернобыльник (Artemisia vulgaris L.).
- Тысячелистник обыкновенный (Achillea millefolium L.).
- Донник лекарственный (Melilotus officinalis( L.) Pall.).
- Пижма, дикая рябинка (Tanacetum vulgare L.).
Участками для анализа загрязнения растений тяжелыми металлами послужили следующие территории:
1. Санитарно-защитная зона ОАО «Гидропресс» (ул. Бр. Коростелёвых, 54) для растений, соответствует реперному участку № 4.
2. Санитарно-защитная зона ОАО «Завод Спецэлеватормельмаш» (ул. Туркестанская,142) для растений, соответствует реперному участку № 8.
3. Санитарно-защитная зона ОАО «Завод «Инвертор» (ул. Промышленная, 14) для растений, соответствует реперному участку № 9.
4. Санитарно-защитная зона бывшего ОПОГАТ-1, район оптового рынка «Форштадт» (ул. 60 лет Октября, 1) для растений, соответствует реперному участку № 10.
5. Санитарно-защитная зона ОАО «Рембыттехника» (ул. Космическая, 7) для растений, соответствует реперному участку № 12.
Определение концентраций металлов в надземных частях растений поводили на атомно-абсорбционном спектрофотометре «Спектр» СП-115 в соответствии с методикой (Методические указания по проведению полевых и лабораторных исследований почв и растений…, 1981). Оценка результатов проводилась по «Перечню ПДК и ОДК химических веществ в почве» (№6229-91, 1991) с дополнениями, изложенными в (Ориентировочно допустимые концентрации// Гигиенические нормативы, 1991), и в соответствии (Гигиеническая оценка качества почвы населённых мест, 1999). Сбор растений осуществлялся в течение 2003-2005 годов.
Полученные результаты были подвергнуты статистической обработке с использованием стандартных методов вариационной статистики (Лакин Г.Ф., 1990; Иберла К., 1980).
ГЛАВА 3 Особенности загрязнения тяжелыми металлами почв города Оренбурга
В третьей главе описывается почвенный покров коренных ландшафтов города, который представлен закономерным сочетанием почв, характерных для степной зоны Южного Предуралья – подзоны южных черноземов (Афанасьева, Василенко, Терешина, Шеремет 1979). По результатам изучения загрязнения почв ТМ на территории санитарно-защитных зон было выявлено, что аномалий с доминированием отдельных поллютантов в г. Оренбурге не существует.
Для всех 15 реперных участков, расположенных на территориях санитарно-защитных зон промышленных предприятий, общей закономерностью явилось загрязнение Zn, Pb и Cu, уровни которых либо постоянно, либо часто превышали ПДК на протяжении всего периода наблюдений (рисунок 1).
Повышенное содержание тяжелых металлов было зарегистрировано на отдельных участках с конкретным производством.
Рисунок 1. Относительные уровни накопления цинка (А), свинца (Б) и меди (В) на реперных участках г. Оренбурга.
Наиболее существенные превышения ТМ отмечены на участках, прилегающих к ОАО «Стрела», ОАО «Радиатор», ОАО «Гидропресс», «Завод РТИ», «Завод холодильного оборудования», ОАО «Завод Спецэлеватормельмаш», «Тепловозоремонтный завод», ОАО «Станкозавод», а также на территории, прилегающей к ОПОГАТ. В целом по частоте превышений значения ПДК эти три металла располагались в ряду (по убыванию) Zn>Pb>Cu.
В зависимости от характера накопления металлов-поллютантов в почвах все реперные участки были ранжированы на следующие категории:
1. Территории с постоянными превышениями ПДК Zn, Pb, Cu. Это площади санитарно-защитных зон ОАО «Радиатор», ОАО «Гидропресс», ОАО «Завод РТИ». Все перечисленные производства работающие. На территории их санитарно-защитных зон происходят процессы накопления ТМ.
2. Участки с частыми превышениями Zn, Pb, Cd, Cu. К ним относятся территории, примыкающие к ЗАО «Стрела» (где зафиксированы частые превышения концентрации меди, а содержание Cd и Pb превышали ПДК во всех пробах почв), к ОАО «Завода холодильного оборудования» и к ОАО «Рембыттехника». Здесь выявлены превышения концентраций Zn, Pb, Cu, Cd.
На территории ОАО «Завод Спецэлеватормельмаш» были зарегистрированы высокие значения содержания Zn и Pb, но не во все годы наблюдений, кроме того в динамике по годам наблюдались колебания содержания в почве Cu. Территория, прилегающая к бывшему ОПОГАТ-1, характеризуется высокими значениями содержания Zn и Pb. На территории ОАО «Оренбургсельхозремонт» наблюдалось высокое содержание Zn, Pb, Cu, Cd, Mn. Повышенное содержание Cu, Mn, Ni, Zn, Pb регистрировали в зоне «Тепловозоремонтного завода», значения Cu, Mn, Ni, Pb, Zn были выше ПДК и у ОАО «Станкозавода».
3. Площади с иными значимыми превышениями концентраций поллютантов: на территории ОАО «Нефтемаслозавода» превышения наблюдались по Mn, Pb, Zn. На территории ОАО «Завод Инвертор» превышения наблюдались по Zn, Mn, Cd. У предприятий ОАО «Завод сантехзаготовок» было отмечено повышенное значение Mn и Zn.
4. Относительно «чистые» участки были выявлены в зоне бывшего АО «Оренбургское сверло», где отмечено превышение содержания Pb в 2 пробах, однако его динамика по всем годам наблюдений оказалась отрицательной.
В целом по реперным участкам на 4 из них наблюдалась отрицательная динамика накопления большинства исследуемых поллютантов и на 4 – положительная.
По Cd была зарегистрирована положительная динамика по годам на 9 из 15 реперных участков. Содержание в почвах данного ТМ связано с близко расположенными крупными автомагистралями, гаражами, стоянками автомобилей.
Для города Оренбурга общая динамика концентрации Co была отрицательная, но на 4 участках отмечены явления аккумуляции этого элемента.
Динамика Mn по всем реперным участкам была отрицательной, так как из 15 исследуемых территорий лишь на 5 была отмечена аккумуляция элемента.
В целом по реперным участкам зарегистрирована положительная динамика концентрации Cu в почвах. Она отмечалась на 9 реперных участках из 15. На участках в районе ОАО «Радиатор», ОАО «Тепловозоремонтный завод» были крайне высокие концентрации Cu во всех слоях почв.
Отмечена отрицательная динамика Ni на 12-ти реперных участках и только на 3 из них выявлены процессы его депонирования.
Для Pb показана положительная динамика на 9 из 15 участках. Наибольшие концентрации Pb были отмечены на реперном участке зоны ОАО «Радиатор» (Кс=18,52), на территории санитарно-защитной зоны ОАО «Оренбургсельхозремонт» (Кс=5,79), на территории санитарно-защитной зоны бывшего ОПОГАТ-1 (Кс=6,53).
Изменение концентрации Cr в большинстве случаев была отрицательная и только на 3 участках отмечена положительная динамика.
Для 9 исследуемых участков характерна положительная динамика усредненных концентраций Zn. На реперных участках ОАО «Радиатор» и на территории санитарно-защитной зоны ОАО «Завод РТИ» были отмечены самые высокие концентрации Zn при Кс=33,14 и Кс=18,96.
Таким образом, в пределах г. Оренбурга с точки зрения динамики содержания ТМ наблюдаются процессы мозаичного загрязнения, происходящие в почвах, что подтверждает необходимость проведения систематического мониторинга почв. Выполненные исследования согласуются с результатами исследований почвенного покрова г. Оренбурга Новоженина И. В., Грошева И. В., Ложкина И.В. и др.
Мозаичность загрязнения почв ТМ связана не только с близостью исследуемых участков к источникам загрязнения, но и с полигеничностью городских почв, мозаичностью их генетических свойств. На доступность солей ТМ влияет целый комплекс почвенных свойств и в первую очередь гранулометрический состав и содержание органического вещества. Изучение гранулометрического состава реперных участков показало, что он изменяется от легко- и среднесуглинистых до тяжелосуглинистых и глинистых. Преобладание в почвенной массе фракции физической глины обуславливает поглощение ТМ глинистыми минералами и переход их в недоступную форму. Почвы легкого механического состава, наоборот, обладая высокой (порой чрезмерной) водопроницаемостью способны к фильтрации ТМ в нижележащие горизонты в период летних и осенних дождей и весеннего снеготаяния. Органическое вещество почв и в первую очередь гумусовые кислоты способны, в свою очередь, связывать соли тяжелых металлов в стабильные комплексные соединения типа хелатов, переводя их в недоступную для растений форму. Почвы (урбаноземы) реперных участков имеют укороченный гумусовый профиль и по содержанию гумуса характеризуются как малогумусные (2-4%) и слабогумусированные (менее 2%). Проведенный корреляционный анализ полученных результатов дал возможность выявить наличие достоверной связи между показателями содержания гумуса с концентрацией в почве доступных форм ТМ (r-0,6 при p<0,01).
ГЛАВА 4 Уровни загрязнения металлами-поллютантами травянистых растений г. Оренбурга
В четвертой главе описаны закономерности накопления металлов-полютантов в надземных частях высших травянистых растений, доминирующих на исследуемых реперных участках.
Растительный покров реперных участков соответствовал по составу типичным степным фитоценозам, включающим искусственные древесные насаждения. Для исследования были выбраны 5 реперных участков расположенных в различных микрорайонах города. Это территории санитарно-защитных зон предприятий. Растения были собраны в период вегетации. Ценоиндикацию проводили методом эталонных участков, на которых подробно изучали растительность и её сопряженность с определенными факторами среды.
Было исследовано 9 видов растений, относящихся к 4 семействам. При анализе растений в целом выяснили, что для большинства поллютантов была характерна отрицательная динамика их накопления в растениях. Среди элементов, доминирующих в составе растений, отмечены Cr и Zn, уровни которых постоянно, либо в большинстве случаев превышали ПДК на протяжении всего периода наблюдения. Положительная динамика концентрации металлов-поллютантов на всех участках наблюдалась в течение 3 лет у цикория обыкновенного (Cichorium intybus L.), подорожника среднего (Plantago media L.), тысячелистника обыкновенного (Achillea millefolium L.). В зависимости от степени накопления металлов в тканях растений, все изученные виды растений классифицированы следующим образом:
1. Растения с постоянными (почти постоянными) превышениями ПДК Zn, Cr, Cd: птичий горец (спорыш, Polygonum aviculare L.).
2. Растения с частыми превышениями Zn, Cr, Cd, Pb, Ni: цикорий обыкновенный (Cichorium intybus L.), подорожник средний (Plantago media L.), одуванчик лекарственный (Taraxacum officinale Wigg.).
3. Растения с иными значимыми концентрациями металлов-поллютантов: пырей ползучий (Elytrigia repens (L.) Nevski) - превышения показаны для Co, Сr, Ni, Zn, Pb; лопух большой (Arctium lappa L.) – по Co, Cr, Pb и Cd выявлены высокие значения ПДК; полынь горькая (Artemisia absinthium L.) и полынь обыкновенная (Artemisia vulgaris L.) – для Сr, Ni, Zn, Pb, Cd выявлено превышение значений предельно допустимых концентраций; тысячелистник обыкновенный (Achillea millefolium L.) – аналогичный результат по Co, Сr, Zn, Pb.
Из таблицы 2 видно, что доминирующими металлами-поллютантами в системе почва-растение на исследуемых реперных участках являлся Zn и в меньшей степени (но более токсичные) Pb и Cd.
Анализ динамики накопления ТМ в растениях по годам наблюдения выявил следующие тенденции.
Таблица 2.
- Сопоставление рядов доминирующих металлов-поллютантов на изученных реперных участках г. Оренбурга
| № участка | Ряд металлов-поллютантов убывающих по частоте встречаемости и величине превышений ПДК | |
| в почвах | в растениях | |
| 4 | Zn>Cu>Pb>Mn>Co | Cr>Zn>Pb |
| 8 | Zn>Pb>Cu>Mn>Cd | Cr>Ni>Cd |
| 9 | Zn>Mn>Pb>Cd | Cr>Zn>Pb>Co |
| 10 | Cd>Zn | Cr>Zn>Cd>Co |
| 12 | Zn>Pb>Cu>Cd | Cr>Co>Zn |
Положительную динамику накопления Cd отмечали у 6 видов растений из 9. Доминирующим поллютантом Cd являлся лишь на одном реперном участке (СЗЗ ОАО «Завод Спецэлеватормельмаш»). Максимальные значения отмечены здесь у цикория обыкновенного (Cichorium intybus L.) Кс=4,26 и у горца птичьего (Polygonum aviculare L.) Кс=2,2.
Почти у всех исследуемых видов растений по годам наблюдения была отмечена отрицательная динамика накопления Co. Высокие значения данного параметра наблюдались у цикория обыкновенного (Cichorium intybus L.) Кс=450 в 2005 г на реперном участке «Рембыттехника» и у пырея ползучего (Elytrigia repens (L.) Nevski) Кс=7,13. Практически у всех видов растений было отмечено превышение концентрации Сr, а также положительная динамика его накопления растениями. Высокие концентрации Сr выявлены у подорожника среднего (Plantago media L.) Кс=11 и лопуха большого (Arctium lappa L.) Кс=11. Накопление Cu растениями имело разнонаправленный характер, при этом существенных превышений допустимых концентраций не показано. Была отмечена разнонаправленная по годам динамика накопления Ni, у 4 из 9 видов растений выявлена положительная динамика его накопления. Максимальные значения концентрации этого полютанта были отмечены у лопуха большого (Arctium lappa L.) Кс=1,75 и пырея ползучего (Elytrigia repens (L.) Nevski) Кс=1,57.
Для свинца показана в целом отрицательная динамика накопления в растениях; положительная динамика отмечена лишь у цикория обыкновенного (Cichorium intybus L.) и подорожника среднего (Plantago media L.). Превышения содержания Pb были отмечены в почвах и растениях в пределах санитарно-защитной зон ОАО «Завода «Инвертор» и ОАО «Гидропресс». Максимальные значения выявлены у лопуха большого (Arctium lappa L.) Кс=2,5.
Для цинка отмечена устойчивая положительная динамика накопления растениями. У 6 видов из 9 отмечали рост концентрации параметра по годам наблюдения. Накопление его отмечено на всех реперных участках. Максимальные значения выявлены у одуванчика лекарственного (Taraxacum officinale Wigg.) Кс=1,75, подорожника среднего (Plantago media L.) Кс=1,55.
Анализ частоты и величины превышений ПДК металлов-поллютантов в почвах и растениях указывает на наличие частых совпадений относительных сдвигов концентраций доминирующих полютантов, причем как для почв реперных участков, так и для изучаемых видов растений. Данный факт является косвенным доказательством взаимосвязи накопления металлов-поллютантов в почвах и растениях.
Среди элементов, доминирующих в тканях растений, отмечены Cr и Zn, уровни которых либо постоянно, либо часто превышали ПДК на протяжении всего периода наблюдения. Доминирующим поллютантом в почвах и растениях является Zn. Динамика Cd в почвах совпадала с динамикой растений. Этот процесс отчетливо проявился на территории санитарно-защитной зоны ОАО «Завод Спецэлеватормельмаш». Динамика Zn в почвах совпадала с динамикой его в растениях на территориях санитарно-защитных зон ОАО «Гидропресс», ОАО «Завода «Инвертор», бывшего ОПОГАТ-1, ОАО «Рембыттехника». Положительная динамика концентрации поллютантов по всем участкам за все годы работ выявлена у цикория обыкновенного (Cichorium intybus L.), подорожника среднего (Plantago media L.), тысячелистника обыкновенного (Achillea millefolium L.).
В настоящее время существует относительно большое количество работ, посвященных изучению влияния поллютантов на растения в разных регионах нашей страны и зарубежья (Щербинина А.А., Пильчуг О.Н.; Волкова К.С., Мохамед Али Махму Ибрахим и др). В работе Янчук Е.Л. исследованы особенности профильной миграции, биологического накопления подвижных форм металлов-поллютантов в растениях и проведена комплексная оценка загрязнения биогеоценозов степной зоны Оренбуржья. В настоящей работе эти исследования были продолжены и представлены виды-фиторемедиаторы для урбанизированной территории г. Оренбурга. Таким образом, она представляет собой этап фиторемедиционных исследований на территории региона.
ГЛАВА 5 Анализ взаимосвязи загрязнения почв металлами с их накоплением в растениях
В этой главе приводится анализ взаимосвязи содержания поллютантов в почвах и растениях с использованием корреляционного и регрессионного методов вариационной статистики. Были оценены взаимосвязи содержания тяжелых металлов в почвах и растениях.
Определены растения, имеющие наибольший из изученных видов потенциал к фиторемедиации: одуванчик лекарственный (Taraxacum officinale Wigg.), лопух большой (Arctium lappa L.), пырей ползучий (Elytrigia repens (L.) Nevski), полынь обыкновенная (Artemisia vulgaris L.), птичий горец, спорыш (Polygonum aviculare L.), тысячелистник обыкновенный (Achillea millefolium L.), полынь горькая (Artemisia absinthium L.), цикорий обыкновенный (Cichorium intybus L.).
Кроме того, показаны различия между самими металлами-поллютантами в их подверженности фитоаккумуляции (убывающий ряд для поверхностных слоев – Cd<Co<Pb<Cr<Zn<Ni<Cu), а также между поверхностными и глубокими слоями почв.
При сопоставлении связи параметров в почвенных горизонтах можно проследить, что корреляционные связи была сильнее в верхних слоях почвы, и она имела положительный достоверный характер (таблица 3, 4).
Таблица 3.
Сравнительный анализ металлов-поллютантов с точки зрения эффективности утилизации растениями
| Элемент | Показатели взаимосвязи содержания металлов в почвах и растениях при сопоставлении с ПДК металлов в почвах | |||||
| На глубине 0-10 см | На глубине 30-40 см | |||||
| K | R | K/ПДК1 | K | R | K/ПДК1 | |
| Pb | 0,002 | 0,2744 | 0,0003 | 0,001 | 0.209 | 0,0002 |
| Cd | 0,248 | 0.4084 | 0,63502 | 0,035 | 0.204 | 0,08902 |
| Mn | 0,112 | 0.4124 | 0,0008 | 0,091 | 0.241 | 0,0007 |
| Ni | 0,074 | 0.171 | 0,0185 | 0,008 | 0.091 | 0,0020 |
| Fe | 208,8 | 0.3334 | 105,1 | 0.294 | ||
| Cr | 0,212 | 0.240 | 0,0353 | 0,094 | 0.098 | 0,0150 |
| Zn | 0,294 | 0.289 | 0,0120 | 0,052 | 0.3534 | 0,0022 |
| Cu | 0,228 | 0.3714 | 0,0760 | 0,116 | 0.309 | 0,0050 |
| Co | 0,405 | 0.3584 | 0,0810 | 0,110 | 0.3884 | 0,0220 |
Обозначения: K – коэффициент регрессии; R – R; 1 – отношение коэффициента регрессии к ПДК в почвах. 2 – отношение коэффициента регрессии к фоновым (референсным) значениям. - P< 0,05. 4 - P< 0,01.
Наиболее опасными токсикантами среди тяжелых металлов являются Pb и Cd. Ремедиаторами по данным элементам, как установлено в результате проведенных исследований, являются одуванчик лекарственный (Taraxacum officinale Wigg.),лопух большой (Arctium lappa L.), полынь обыкновенная (Artemisia vulgaris L.), полынь горькая (Artemisia absinthium L.), птичий горец, спорыш (Polygonum aviculare L.), тысячелистник обыкновенный (Achillea millefolium L.).
Рисунок 1. Связь концентрации свинца (вверху) кадмия (внизу) в почве и наземных частях лопуха большого (Arctium lappa L.)
- Обозначения: Слева – корреляция для поверхностного (0–10 см) слоя почвы, справа – для глубокого (30–40 см). По оси абсцисс – концентрация металла в почве, мг/кг. По оси ординат – концентрация металла в надземной части растения, мг/кг сухой массы.
Рисунок 2. Связь концентрации свинца (вверху) кадмия (внизу) в почве и наземных частях подорожника среднего (Plantago media L.)
- Обозначения: Слева – корреляция для поверхностного (0–10 см) слоя почвы, справа – для глубокого (30–40 см). По оси абсцисс – концентрация металла в почве, мг/кг. По оси ординат – концентрация металла в надземной части растения, мг/кг сухой массы.
Таблица 4.
- Достоверные корреляционные связи концентраций металлов в почве и растениях (верхние слои почв)
| Наименование растений | Pb | Cd | Zn | Ni | Cr | Co | Cu |
| Поверхностные слои почв | |||||||
| Одуванчик лекарственный (Taraxacum officinale Wigg.) | + | + | + | + | + | + | + |
| Лопух большой (Arctium lappa L.) | + | + | + | + | + | + | + |
| Пырей ползучий (Elytrigia repens (L.) Nevski) | + | + | + | + | + | + | + |
| Полынь обыкновенная (Artemisia vulgaris L.) | + | + | + | + | + | + | + |
| Птичий горец, спорыш (Polygonum aviculare L.) | + | + | + | - | + | + | + |
| Тысячелистник обыкновенный (Achillea millefolium L.) | + | + | - | - | + | + | + |
| Полынь горькая (Artemisia absinthium L.) | + | + | + | + | - | + | - |
| Цикорий обыкновенный (Cichorium intybus L.) | - | + | + | + | + | + | - |
| Подорожник средний (Plantago media L.) | + | + | - | - | + | + | - |
| Глубокие слои почв | |||||||
| Одуванчик лекарственный (Taraxacum officinale Wigg.) | + | - | + | - | - | + | + |
| Лопух большой (Arctium lappa L.) | + | - | - | - | - | + | + |
| Пырей ползучий (Elytrigia repens (L.) Nevski) | - | - | + | - | - | + | + |
| Полынь обыкновенная (Artemisia vulgaris L.) | + | - | - | + | - | + | - |
| Птичий горец, спорыш (Polygonum aviculare L.) | + | - | + | - | + | + | + |
| Тысячелистник обыкновенный (Achillea millefolium L.) | + | - | - | - | + | - | - |
| Полынь горькая (Artemisia absinthium L.) | + | - | - | - | - | + | + |
| Цикорий обыкновенный (Cichorium intybus L.) | - | - | - | - | - | + | - |
| Подорожник средний (Plantago media L. ) | - | - | - | - | - | + | - |
Группа западных ученых ранжировала ряд неорганических загрязняющих веществ, включая металлы, по эффективности, скорости фитоэкстракции и готовности для коммерциализации их использования, а также признания технологии (Kuperberg et аl., 2000). В качестве местных видов растений-ремедиаторов мы рекомендуем использовать: одуванчик лекарственный (Taraxacum officinale Wigg.) и лопух большой (Arctium lappa L.), такие же ремедиаторы необходимо выбирать для аккумуляции из почвы Pb и Cd. По выстроенным моделям взаимосвязи содержания поллютантов в почвах и растениях можно спрогнозировать наиболее эффективные-гипераккумуляторы.
Выводы:
- Показана мозаичность загрязнения почв г. Оренбурга металлами-поллютантами, на фоне которой наиболее частые превышения допустимых концентраций в почвах отмечены для Zn, Pb и Cu.
- Показана в целом отрицательная динамика накопления металлов-поллютантов в почвах г. Оренбурга.
- Анализ частоты и величин превышений ПДК тяжелых металлов в почвах и растениях указывает на наличие совпадений среди доминирующих поллютантов. Данный факт является косвенным доказательством взаимосвязи почв и растений.
- Среди элементов, доминирующих в надземных частях растений, наиболее значимые по величине и частоте встречаемости показаны для Cr и Zn, уровни которых либо постоянно, либо часто превышали ПДК на протяжении всего периода наблюдения. Доминирующим поллютантом в почвах и растениях является Zn.
- Максимальные значения коэффициента аккумуляции (Кс) в надземных частях растений показаны для цикория обыкновенного (Cichorium intybus L.) по кадмию, кобальту, хрому, свинцу; у лопуха большого (Arctium lappa L.) по кобальту, хрому, никелю.
- Растения, имеющие наибольший из изученных видов потенциал к фиторемедиации: одуванчик лекарственный (Taraxacum officinale Wigg.), лопух большой (Arctium lappa L.), пырей ползучий (Elytrigia repens (L.) Nevski), полынь обыкновенная (Artemisia vulgaris L.), птичий горец, спорыш (Polygonum aviculare L.), тысячелистник обыкновенный (Achillea millefolium L.), полынь горькая (Artemisia absinthium L.), цикорий обыкновенный (Cichorium intybus L.).
- Выявлены полютанты, которые более всего подвержены аккумуляции. Фитоаккумуляция микроэлементов лучше всего происходит из верхних горизонтов по следующим параметрам: Cd, Co, Pb, Cr, Zn, Ni, Cu. Из глубоких слоев почв депонируются растениями следующие элементы: Co, Pb, Cu, Zn, Cr, Ni.
- Для наиболее опасных металлов-поллютантов Pb и Cd наилучшими ремедиаторами из изученных травянистых растений явились (в порядке убывания) лопух большой (Arctium lappa L.), одуванчик лекарственный (Taraxacum officinale Wigg.), полынь обыкновенная (Artemisia vulgaris L.), полынь горькая (Artemisia absinthium L.), птичий горец, спорыш (Polygonum aviculare L.), тысячелистник обыкновенный (Achillea millefolium L.).
Список работ опубликованных по теме диссертации:
- Васильева Т.Н. Оценка био-геосистем урбанизированной территории на примере г. Оренбурга / З.Н. Рябинина, Т.Н. Васильева // Труды института биоресурсов и прикладной экологии. – Оренбург.- Выпуск 5.- – 2004- С.73-76.
- Васильева Т.Н. Био-геосистемы урбанизированной территории (на примере г. Оренбург)/ Т.Н. Васильева // Сборник тезисов докладов Всероссийской молодежной школы – семинара.- Томск: Дельтаплан. – 2005. – С. 204-205.
- Васильева Т.Н. Методика и результаты определения биогеохимического состояния урбогеосистем г. Оренбурга/ Т.Н. Васильева // Сборник тезисов докладов Региональная научно-практическая конференция молодых ученых и специалистов. Часть 1. Сборник материалов.- Оренбург. -2005. - С. 292-295.
- Васильева Т.Н. Аспекты и способы оценки биохимического состава лекарственных фитоценозов в геотехнических системах/ О.К. Рычко, Т.Н. Васильева // Сборник тезисов докладов Второй всероссийской научно-практической конференции «Проблемы геоэкологии Южного Урала» - Оренбург. – 2005. С. 248-254.
- Васильева Т.Н. Математическое моделирование в исследовании тяжелых металлов лекарственных растений урбанизированной территории (г. Оренбург) / В.И. Чепасов, Т.Н. Васильева // Оренбург: ОГУ. – 2005. – 37с.
- Васильева Т.Н. Исследование почв урбосистем (на примере г. Оренбурга) на патогенную и условно-патогенную микрофлору/ В.И. Чепасов, Т.Н. Васильева // Оренбург: ОГУ. – 2005. – 22 с.
- Васильева Т.Н. Определение параметрического прогноза микроэлементов в биогеоценозах (г. Оренбург)// Т.Н. Васильева // IV Международный симпозиум Степи Северной Евразии. – Оренбург. – 2006. – С. 152-153.
- Васильева Т.Н. Интерактивная минимизация количества параметров исследования при мониторинге окружающей среды/ В.И. Чепасов, Т.Н. Яценко-Степанова, Т.Н. Васильева// Коллективная монография. - Оренбург: ОГУ. – 2006. – 355 с.
- Васильева Т.Н. Тяжелые металлы в биогеоценозах урбанизированной территории на примере г. Оренбурга/ Т.Н. Васильева // Материалы всероссийской научно-практической конференции – Оренбург. – ОГУ – 2006. С. 17-21.
- Васильева Т.Н. Загрязнение металлами почв города Оренбурга: общие параметры взаимосвязи с фитоаккумуляцией металлов представителями синантропной флоры/ Ю.А.Брудастов, Т.Н. Васильева// Вестник ГОУ ОГУ, № 12. – 2007. – С. 83-86.
- Васильева Т.Н. Потенциальные фитоаккумуляторы металлов-полютантов / Ю.А.Брудастов, Т.Н. Васильева// Вестник ГОУ ОГУ, № 6. – 2011. – С. 142-146.
