Содержание тяжёлых металлов в побочной продукции полевых культур в условиях техногенного воздействия

Содержание тяжёлых металлов в побочной продукции полевых культур в условиях техногенного воздействия

И.В. Чикенёва, к.б.н., Ю.В. Абузярова, аспирантка, Институт степи УрО РАН

Токсичность выбрасываемых в воздух соединений различна и увеличивается в ряду основных ингредиентов: окислов углерода, окислов азота, окислов серы, тяжёлых металлов (ТМ). Учитывая относительную приуроченность выбросов, поступающих из труб промышленных предприятий, их способность рассеиваться на многие десятки и сотни километров, следует заключить, что именно промышленные предприятия определяют уровень загрязнения окружающих экосистем. Среди этих видов химических загрязнений ТМ обладают особой значимостью благодаря своим свойствам оказывать острое токсическое воздействие [1].

Группа тяжёлых металлов 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 [2, 3].

Источники и пути техногенного рассеивания тяжёлых металлов разнообразны. Наиболее значительными являются выбросы в атмосферу при высокотемпературных технологических процессах (металлургического производства, сжигания 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 [4]. Наиболее мощные потоки металлов возникают вокруг предприятий чёрной и особенно цветной металлургии [2]. 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 [5].

ТМ отличаются от других металлов высоким содержанием в промышленных отходах и высокой токсичностью, своей долговечностью и практической невыводимостью из системы: почва — растения — животные — человек. Эти металлы относятся к категории неспецифических загрязняющих веществ, так как присутствуют практически во всех почвах в том или ином количестве. Как недостаток, так и избыток микроэлементов в почвах приводит к различным отклонениям в развитии растений [2, 3]. 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 [6].

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). Выделяют три классические зоны загрязнения почвы: импактную (1—3 км от источника загрязнения), буферную (4—12 км) и фоновую (более 12 км) [6].

Попадающие на поверхность растений соединения металлов поглощаются и частично перерабатываются в процессе естественного круговорота веществ.

Любой живой организм обладает биологическим фильтром, ограждающим его от всего инородного. И только когда пределы биологической самозащиты исчерпаны, организм не в состоянии активно сопротивляться разрушительному действию ряда элементов. Это происходит, когда содержание поступающего вредного вещества или элемента оказывается выше предельно допустимой концентрации (ПДК) [4].

ПДК — один из основных показателей, по которому оценивается и прогнозируется состояние экосистем, развивающихся в условиях техногенного воздействия [4].

Smilde (1981), изучая фитотоксичность металлов, добавляя их в питательную среду по одному и в сочетании друг с другом, установил следующий ряд возрастающего вредного их воздействия на растения: Cd<Ni<Cu<Zn<Cr<Pb. При этом было выявлено, что токсичность металлов в чистом виде меньше, чем при их сочетании друг с другом [4].

Фитотоксичность ТМ проявляется по-разному. Цинк обладает слабой токсичностью: проявление соответствующих признаков отмечается

при его содержании в тканях растений на уровне 300—500 мг/кг сухого вещества. Обычное же его содержание находится в пределах 7—95 мг/кг (меньше — в бедных хлорофиллом органах, больше — в богатых). Медь: при высоких концентрациях её токсичность вдвое выше цинка. Симптомы негативного воздействия: некроз корней, их окрашивание в коричневый цвет, хлороз листьев. Свинец: допустимое его содержание не должно превышать 10 мг/кг. Обычное же его содержание в растительных продуктах находится в пределах 1—5 мг/кг. Основная часть этого металла задерживается в корнях. Кадмий: в 2—20 раз токсичнее для растений по сравнению с другими металлами [4]. Он мобилен в органах растений и способен концентрироваться не только в корнях, листьях, но и в зерне. По данным Кабаты-Пендиас [3] нормальное содержание кадмия в надземной части растений составляет 0,05—0,6 мг/кг сухого вещества, токсическое — 1,0—70 мг/кг. Основными источниками антропогенного поступления кадмия в природную среду являются предприятия чёрной и цветной металлургии (85%) и ТЭЦ (10%).

Часть из ТМ выведена в группу элементов, способных попадать в почву и на растения из выбросов, сбросов и отходов (техногенное загрязнение) и подразделяется на три группы опасности. В первый класс опасности включены кадмий, ртуть, свинец, цинк и др. (ГОСТ 17.4.1.02.-83). Их токсичность (ЛД50) составляет до 200 мг/кг живой массы животных, а персистентность (продолжительность сохранения биологической активности элемента, характеризующая степень его устойчивости к процессу разложения) в почве и растениях превышает 12 и 3 месяца соответственно. Ко второму классу отнесены никель, медь, хром и др., к третьему — марганец. Токсичность металлов третьего класса превышает 1000 мг/кг живой массы животных, а персистентность в почве и растениях соответственно менее шести и одного месяцев [4].

Объекты, методы и результаты исследований. Для химического анализа нами были отобраны доминанты растительных сообществ, располагающихся в 0,5 и 3 км от ОХМК (Орско-Халиловского металлургического комбината). Район исследования является типично уральским промышленным комплексом. Ядро комплекса образует Орско-Новотроицкий промышленный узел, для которого характерна высокая степень техногенной нагрузки. Орско-Новотроицкий промышленный узел — наиболее загрязнённая территория в Оренбургской области. Санитарнозащитные зоны для отдельных предприятий не организованы. Чрезмерная концентрация промышленных объектов, несовершенная технология процессов очистки, разбросанность жилых массивов и близкое их расположение к

Содержание тяжёлых металлов в побочной продукции полевых культур в условиях промышленного воздействия, мг/кг

Тяжёлые металлы Cu Zn Cd Pb

ПДК 30 50 0,3 5,0

Площадка № 1 в 0,5 км от ОХМК

а о о о о в ь ь н 0 1 п о л н о в о -типчаковое сообщество)

Типчак 18,5 34,0 240,0 106,0

Полынь австрийская 25,0 33,0 213,0 60,0

Ковыль Залесского 15,0 25,0 237,0 70,0

Проба сообщества 25,0 33,0 267,0 60,0

Эфедра 12,0 22,0 267,0 80,0

Площадка № 2 в 3 км от ОХМК

Типчак 15,0 31,0 133,5 40,0

Чабрец 8,0 46,0 100,0 96,0

Ковыль Залесского 20,0 37,0 133,5 80,0

Полынь австрийская 37,0 47,0 267,0 80,0

Проба сообщества 21,0 35,0 128,5 70,0

Примечание: при проведении исследований были использованы региональные ПДК А.В. Ряховского

промзонам приводят к тому, что окружающая среда находится под мощным антропогенным прессом. Здесь располагаются одни из самых крупных в России предприятий: ООО «Уральская сталь» (Орско-Халиловский металлургический комбинат (ОХМК)), ОАО НОСТА), ООО «Южполиметалл» (ОАО «Южуралникель» (ЮУНК)), ОАО «ОРМЕТО» (Южно-Уральский машиностроительный завод), АО «ОНОС» (Орскнефтеоргсинтез), ОАО «Новотроицкий завод хромовых соединений». Основными загрязнителями являются ОХМК и ЮУНК, где выбросы вредных веществ по области составляют 25,5 и 41,9% соответственно [7].

С целью установления промышленного воздействия на растительный покров отбирали пробы наземных и подземных органов растений для химического анализа. С каждого растительного сообщества срезали надземную массу (фитомассу) с площадок 25x25 см в трёхкратной повторности, где отбирали среднюю пробу Подготовку проб растительных образцов проводили в соответствии с требованиями к отбору проб при общих и локальных загрязнениях [7]. В полученных вытяжках определяли содержание тяжёлых металлов (/и, Си, РЬ, Cd) на атомноадсорбционном спектрофотометре типа С-115 ТМ в ФГУ ГЦАС «Оренбургский» по следующим контрольным документам: подвижные (доступные для растений) формы: /и — ГОСТ Р 50686-94, Си — ГОСТ Р 50683-94, остальные — по ГОСТу 26929-94 [7].

Содержание ТМ в органах растений отражено в таблице. В результате химических исследований полевых культур установлено, что содержание металлов первого класса опасности (Cd, РЬ) в изучаемых сообществах превышает допустимые

значения в сотни раз. При увеличении нагрузки снижается биоразнообразие фитоценозов, изменяется флористический состав растительного сообщества, в основном за счёт выпадения чувствительных видов.

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.

Рекомендации. Для предотвращения загрязнения поверхности Земли нужны предупредительные меры. Пока единственным путем существенного уменьшения загрязнения окружающей среды являются малоотходные технологии. В настоящее время создаются малоотходные производства, в которых выбросы вредных веществ не превышают предельно допустимых концентраций, а отходы не приводят к необратимым изменениям природы.

Литература

1. Алексеев Ю.А. Тяжёлые металлы в почве и растениях. Л.: Агропромиздат, 1987.

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

3. Кабата-Пендиас А., Пендиас Х. Микроэлементы в почвах и растениях. М.: Мир, 1989. С. 191-201.

4. Ковальский В.В. Геохимическая экология. М.: Наука, 1974. С. 24-49.

5. Ряховский А.В., Батурин И.А., Березнёв А.П. Агрономическая химия (в приложении к условиям степных районов РФ). Оренбург, 2004. С. 147-150.

6. Fritz E. L., Pennypacker S. P. Attemps to use satellite to detectvegetative damage and alternation caused by air and soil pollutants // Phutopatology, 1975. V. 65. X2 10. P. 10561060.

7. Чикенёва И.В. Эколого-биогеохимическая оценка растительного покрова зоны влияния Орско-Новотроицкого промышленного узла: дис. ... канд. биол. наук. Оренбург, 2009. 176 с.