Особенности накопления тяжёлых металлов в изучаемых растительных сообществах и их воздействие на окружающую среду

Особенности накопления тяжёлых металлов в изучаемых растительных сообществах и их воздействие на окружающую среду

И.В. Чикенева, к.б.н., Оренбургский ГПУ

Группа тяжёлых металлов (ТМ) объединяет свыше 40 химических элементов с атомной массой более 50 а.е.м. К наиболее токсичным химическим элементам относят бериллий, кобальт, никель, медь, цинк, олово, теллур, рубидий, серебро, кадмий, золото, ртуть, свинец, сурьму, висмут, платину. Для живых организмов важны и необходимы все химические элементы, поэтому правильнее будет рассматривать не токсичность, а токсичную концентрацию элемента [1—3].

Значительное развитие промышленности привело к тому, что содержание тяжёлых металлов в почвах постоянно повышается. На способность металлов мигрировать в почве и переходить в растения большое влияние оказывает увлажнённость, температура, освещение, кислотно-щелочная реакция среды [1, 4]. Так, Ю.М. Алексеев предлагает следующий убывающий ряд фитотоксичности: №<Си<Со<Мп<7п. [1]. Очень фитотоксичными элементами считаются те, которые оказывают вредное воздействие на тест-организмы при концентрациях в растворе до 1 мг/л. К таким элементам относятся ионы серебра, бериллия, ртути, олова, кобальта, никеля, свинца. Умеренно токсичными принято считать элементы, которые оказывают ингибирующее действие при концентрациях от 1 до 100 мг/л. Эта группа включает в

себя ионы мышьяка, селена, алюминия, кадмия, хрома, железа, марганца, цинка и др. Токсичность металла в чистом виде меньше, чем в сочетании с другими металлами. Также был описан антагонистический характер взаимоотношений отдельных химических элементов. Г.М. Илькун указывает, что существует обратная линейная связь между содержанием никеля и кальция, никеля и марганца и положительная — между никелем и кобальтом, кобальтом и марганцем [5]. Наряду с корневым поглощением у растений присутствует и внекорневое. Корни являются мощным биологическим барьером для токсических веществ, однако в условиях аэрогенного загрязнения среды тяжёлыми металлами разница в их накоплении в корнях и надземной части меньше, чем в экспериментах, когда ими загрязняется только почва [3].

ТМ отличаются от других металлов высоким содержанием в промышленных отходах и высокой токсичностью, своей долговечностью и практической невыводимостью из системы: почва — растения — животные — человек [2]. Источники и пути техногенного рассеивания тяжёлых металлов разнообразны. Наиболее значительными являются выбросы в атмосферу при высокотемпературных технологических процессах (металлургическое производство, сжигание мазута, масел, каменного угля и т.д.). Известно, что интенсивность вовлечения в био-

геохимический круговорот соединений ТМ из техногенных источников примерно в 100 раз выше, чем из природных.

Эти металлы относятся к категории неспецифических загрязняющих веществ, так как присутствуют практически во всех почвах в том или ином количестве. Большая часть их относится к микроэлементам, содержание их в почве находится в пределах микроконцентраций, измеряемых в миллиграммах на килограмм почвы. Как недостаток, так и избыток микроэлементов в почвах приводит к различным отклонениям в развитии растений. Таким образом, загрязнение среды может действовать в двух направлениях: с одной стороны, устранять ограничения в доступности для растений необходимых металлов, с другой — повышать поступление металлов до их токсических уровней [1, 4, 6].

Наиболее мощные потоки металлов возникают вокруг предприятий чёрной и особенно цветной металлургии. При длительном поступлении из стационарных источников их содержание в почвах сопоставимо с количеством в естественных геохимических аномалиях или даже превосходит его. Вокруг крупных предприятий образуются зоны с высоким уровнем содержания тяжёлых металлов в почве и скудной растительностью [1, 4, 7].

Основное количество поллютантов от предприятий чёрной и цветной металлургии поступает в почву в виде техногенной пыли. Поступление тяжёлых металлов из атмосферы на растительный и почвенный покровы осуществляется в виде сухих и влажных выпадений (осадков в виде дождя и снега, туманов и росы) [3].

Попадающие на поверхность почвы или растений соединения металлов поглощаются и частично перерабатываются в процессе естественного круговорота веществ. Некоторые металлы обладают большей подвижностью и быстро выносятся из почвы в ходе вертикальной и горизонтальной миграции, другие, менее подвижные, способны к длительной миграции в окружающей среде.

Разумеется, различные металлы имеют неодинаковые пределы обнаружения в почве. Известно, что содержание металлов зависит также от типа самой почвы. Миграция большинства элементов происходит тем интенсивнее, чем ниже содержание в ней гумуса и чем легче гранулометрический состав.

Продолжительность пребывания загрязняющих веществ в почвах гораздо больше, чем в других частях биосферы, и, по мнению А. Кабата-Пендиас и Х. Пендиас, практически вечно. При этом первый период полуудаления ТМ значителен и сильно варьирует: для цинка — от 70 до 510 лет, для кадмия — от 13 до 1100 лет, для меди — от 310 до 1500 лет и для свинца — от 740 до 5900 лет [6].

Химический состав растений зависит от состава сред, на которых произрастают растения, но не повторяет его, так как растения избирательно поглощают необходимые им элементы в соответствии с физиологическими и биохимическими потребностями [4].

Влияние избытка тяжёлых металлов на растения может быть как прямым, так и косвенным. Прямое влияние связано с непосредственным накоплением металлов растениями, косвенное — с негативным воздействием тяжёлых металлов на состав и свойства почвы и на её плодородие [5].

Изучение реакции растений на загрязнение среды тяжёлыми металлами является одной из задач биологического мониторинга окружающей среды. Специфические характеристики обмена у различных видов растений обусловливают их избирательную способность к накоплению одного или нескольких элементов [5].

Материалы и методы. Изучение степного комплекса в районе Орско-Новотроицкого промузла проводили в каждый вегетационный период (май — сентябрь) 2006—2007 гг. За время исследований на 4 стационарных участках было заложено 120 учётных площадок и 4 почвенных профиля. Для определения количественного содержания тяжёлых металлов было отобрано 252 образца (132 надземных и 120 подземных).

Участок № 1. N 51°13.803' E 058°24.803', высота 273 м, направление В 182 км. Располагается в 3 км на запад от Новотроицкого комбината (ОХМК), в 70 м севернее дороги Орск — Ново-троицк. Почва: чернозём южный маломощный глубокосолончаковый (гипсовый) на охристых глинах древней коры выветривания. Растительное сообщество — залесскоковыльно-полынково-типчаковое (Festuca valesiaca-Artemisia austriaca-Stipa zalesskii).

Участок № 2. N 51°13.512' E 058°22.983', высота 210 м, направление В 181 км. В 0,5 км на запад от Новотроицкого комбината ОХМК. Почва: чернозём южный карбонатный маломощный на жёлто-охристой коре выветривания. Растительное сообщество — залесскоковыльное (Stipa zalesskii).

Участок № 3. N 51°14.916' E 058°33.066', высота 204 м, направление В 191 км. В 0,5 км восточнее ЮУНК г. Орска. Почва: чернозём южный карбонатный малогумусный маломощный тяжёлосуглинистый. Растительное сообщество — молочайно-пырейно-житняковое (Agropyron pectinatum-Elytrigia repens — Euphorbia virgata).

Участок № 4. N 51°21.561' E 058°06.506', высота 345 м, направление В 158 км. В 30 км западнее г. Орска. Контрольный участок. Почва: чернозём южный маломощный тяжёлосуглинистый. Растительное сообщество-грудницево-залесскоковыльное (Stipa zalesskii-Galatella villosa).

На протяжении вегетативного периода с мая по сентябрь закладывались площадки (50 х 50 см), где травостой срезали на уровне почвы. Ветошь выбирали из укосных образцов при их разборе. Подстилку собирали с площадок после снятия надземной массы. Разделённые таким образом образцы высушивали до воздушно-сухого состояния. Запас корней учитывали методом монолитов. На площадке, с которой убрана надземная часть растительного сообщества, вынимали почвенный монолит размером 50 х50 см на глубину распространения корней (примерно 50 см). Отобранную почву укладывали в плотные мешки и этикировали. В лаборатории крупные корни выбирали вручную, остальные промывали водой на сите. Подземные органы делили на мёртвые и живые. Корни помещали в цилиндр, наполненный водой, где живые корни оседали на дно, а мёртвые всплывали. Корни, выбранные таким методом, извлекали из цилиндра и сушили до воздушно-сухого состояния. Сбор образцов проводили в трёхкратной повторности [4].

Были приняты следующие обозначения: G — зелёная надземная масса, L — подстилка, D — ветошь, R — живые корни, V — мёртвые корни, «av» указывает среднее значение за определённый период, «max» определяет максимальное значение соответствующего запаса за период, М — минерализация надземного органического вещества, W — его минерализация в подземной сфере. Единица измерения запасов и приростов — ц/га [3].

С целью установления промышленного воздействия на растительный покров отбирали пробы надземных и подземных органов растений для биогеохимических анализов. Подготовка проб растительных образцов проводилась в соответствии с требованиями к отбору проб при общих и локальных загрязнениях [8]. В полученных вытяжках определяли содержание тяжёлых металлов (Zn, Cu, Pb, Cd, Co, Mn, Ni) на атомно-адсорбционном спектрофотометре

типа С-115 ТМ в ФГУ ГЦАС «Оренбургский». Полученные данные пересчитывали кг/га.

Результаты исследования. По динамике содержания ТМ в растительных сообществах нами выявлена приоритетность их накопления в исследованных сообществах, блоках [8].

Залесскоковыльно-полынково-типчаковое сообщество. В среднем (табл. 1) за весь период исследования в данном сообществе в наибольшей степени накапливается Мп и N1, причём N1 занимает лидирующее положение в блоке G, а в 2007 г. и в блоке L. Соответственно в остальных блоках наиболее активно накапливается Мп. Менее активно аккумулируется Сё и Со.

Залесскоковыльное сообщество. В среднем за период исследования можно сказать, что в 2006 г. Мп в наибольшей степени накапливается в блоках G и L. В блоке D на первое место выходит 7п, оставляя за собой Мп и N1 в порядке снижения. В 2007 г. в надземной сфере растительных сообществ лидирует Мп, в подземной — №. В ветоши на первом месте — /п. Менее активно аккумулируется Сё, Со, РЬ (табл. 2).

Молочайно-пырейно-житняковое сообщество. В наибольшей степени за период исследования во всех блоках молочайно-пырейно-житнякового сообщества накапливается № (табл. 3). Далее в порядке снижения следует Мп и в двух случаях Со, причём № занимает лидирующее положение в блоке G, а в 2007 г. и в блоке L. Менее активно аккумулируется Сё и РЬ.

Высокое содержание № относительно других ТМ в основных блоках исследуемых сообществ связано с особенностями промышленной деятельности ЮУНК, где основным видом выпускаемой предприятием продукции является никель гранулированный.

Грудницево-залесскоковыльное сообщество. В наибольшей степени в 2006 г. в блоках G, R, и V накапливается Мп, далее в порядке снижения идут 7п и N1 (табл. 4). В блоке D на первое место выходит N1, оставляя за собой Мп в порядке

1. Приоритетность содержания ТМ с мая по сентябрь в залесскоковыльно-полынково-типчаковом сообществе

2QQ6 г. 2QQ7 г.

G Ni > Mn > Zn > Cu > Pb > Co > Cd G Ni > Mn > Zn > Cu > Co > Pb > Cd

D Mn > Ni > Cu > Zn > Pb > Cd > Co D Mn > Zn > Pb > Ni > Cu > Co > Cd

L Mn > Ni > Zn > Pb > Cu > Co > Cd L Ni > Mn > Zn > Pb > Cu > Co > Cd

R Mn > Ni > Zn > Cu > Co > Pb > Cd R Mn > Zn > Ni > Cu > Pb > Co > Cd

V Mn > Zn > Ni > Cu > Pb > Co > Cd V Mn > Zn > Ni > Cu > Pb > Co > Cd

2. Приоритетность содержания ТМ с мая по сентябрь в залесскоковыльном

сообществе

2QQ6 г. 2QQ7 г.

G Mn > Zn > Ni > Pb > Cu > Cd > Co G Mn > Zn > Ni > Pb > Cu > Co > Cd

D Zn > Mn > Ni > Cu > Pb > Co > Cd D Mn > Zn > Ni > Pb > Cu > Co > Cd

L Mn > Ni > Zn > Pb > Cu > Co > Cd L Mn > Zn > Pb > Ni > Cu > Co > Cd

R Ni > Mn > Cu > Zn > Co > Pb > Cd R Ni > Mn > Zn > Cu > Co > Pb > Cd

V Ni > Mn > Zn > Cu > Pb > Co > Cd V Ni > Mn > Co > Cu > Zn > Pb > Cd

3. Приоритетность содержания ТМ с мая по сентябрь в молочайно-пырейно-житняковом сообществе

2QQ6 г. 2QQ7 г.

G Ni > Mn > Cu > Zn > Co > Pb > Cd G Ni > Mn > Cu > Zn > Co > Pb > Cd

D Ni > Mn > Zn > Cu > Pb > Co > Cd D Ni > Mn > Zn > Cu > Pb > Co > Cd

L Ni > Mn > Zn > Cu > Co > Pb > Cd L Ni > Co > Cu > Mn > Zn > Pb > Cd

R Ni > Mn > Cu > Zn > Co > Pb > Cd R Ni > Mn > Cu > Co > Zn > Pb > Cd

V Ni > Cu > Mn > Co > Zn > Pb > Cd V Ni > Co > Mn > Cu > Zn > Pb > Cd

4. Приоритетность содержания ТМ с мая по сентябрь в грудницево-залесскоковыльном сообществе

2QQ6 г. 2QQ7 г.

G Mn > Zn > Cu > Ni > Pb > Co=Cd G Ni > Mn > Zn > Cu > Co > Pb > Cd

D Ni > Mn > Zn > Cu > Co > Pb > Cd D Mn > Zn > Ni > Pb > Cu > Co > Cd

L Cu > Zn > Mn > Ni > Pb > Co > Cd L Mn > Ni > Zn > Cu > Co > Pb > Cd

R Mn > Ni > Zn > Cu > Pb > Co > Cd R Mn > Zn > Ni > Cu > Pb > Co > Cd

V Mn > Zn > Ni > Cu > Pb > Co > Cd V Mn > Zn > Ni > Cu > Co > Pb > Cd

снижения. В блоке L наиболее активно аккумулируется Си. В 2007 г. в фитомассе лидирует N1, в остальных блоках — Мп, на второе место выходит 2п. Менее активно накапливается Сё, Со, РЬ.

Нами выявлена следующая тенденция: в залесскоковыльно-полынково-типчаковом и молочайно-пырейно-житняковом сообществах концентрация /п, N1, РЬ, Мп увеличивается в одинаковых пропорциях (в 6 раз). Такая же зависимость отмечена между залесскоко-выльным и грудницево-залесскоковыльным сообществами (в 1,5 раза). Это связано с тем, что залесскоковыльно-полынково-типчаковое и молочайно-пырейно-житняковое сообщества находятся примерно на одинаковом удалении от источника загрязнения, где и оседает большее количество ТМ. Залесскоковыльное сообщество, находящееся в непосредственной близости к ОХМК, возможно, располагается на таком удалении, где осаждение ТМ невелико. Напротив, грудницево-залесскоковыльное сообщество развивается на достаточном удалении от влияния промпредприятий (в 30 км), находясь в наименьшей досягаемости выбросов. Другой причиной такой зависимости может быть видовой состав

сообществ. Так, в фитоценозах, где доминантом является Stipa zalesskii, содержание тяжёлых металлов в общесуммарном зачёте невысокое в отличие от других исследуемых растительных сообществ [8].

В зависимости от особенностей динамики ТМ в природе, а также структуры, строения и расположения растительных сообществ, аккумуляция металлов блоками исследуемых фитоценозов проходит с различной активностью.

Литература

1. Алексеев Ю.М. Тяжёлые металлы в почвах и растениях. Л.: Агропромиздат, 1987. 142 с.

2. Добровольский В.В. Тяжёлые металлы: загрязнение окружающей среды и глобальная геохимия // Тяжёлые металлы в окружающей среде. М.: МГУ, 1980. С. 3-11.

3. Ильин В.Б. Тяжёлые металлы в системе почва — растение. Новосибирск: Наука, 1991. С. 148.

4. Кин Н.О. Современное состояние растительного покрова в зоне влияния газоперерабатывающих предприятий Западного Казахстана: дисс. ... канд. биол. наук. Оренбург, 2000. 241 с.

5. Илькун Г.М. Загрязнители атмосферы и растения. Киев: Наукова думка, 1978. 110 с.

6. Кабата-Пендиас А., Пендиас X. Микроэлементы в почвах и растениях. М.: Мир, 1989. 439 с.

7. Donaubauer E. Was ist Saurer Ragen, Wodurch sterben die Walder // Gemeinwirtschaft. 1983. Bd. 2. S. 33—37.

8. Чикенева И.В. Эколого-биогеохимическая оценка растительного покрова зоны влияния Орско-Новотроицкого промышленного узла: дисс. ... канд. биол. наук. Оренбург, 2009. 174 с.