Использование мхов Hylocomium splendens и Pleurozium schreberi для оценки абсолютных значений атмосферных выпадений тяжелых металлов в Калининградской области

УДК 502.5 (203): 574.21

Ю.В. Королёва

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МХОВ НУЕОСОМШМ БРЕЕКВЕЖ И РЬБШОгШМ БСШЕБЕШ ДЛЯ ОЦЕНКИ АБСОЛЮТНЫХ ЗНАЧЕНИЙ АТМОСФЕРНЫХ ВЫПАДЕНИЙ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В КАЛИНИНГРАДСКОЙ ОБЛАСТИ

Данные об атмосферных выпадениях тяжелых металлов (ТМ) на основе одномоментного сбора и анализа мхов позволяют оценивать пространственные и временные тренды в выпадениях ТМ, а также идентифицировать области с высоким уровнем атмосферных выпадений в результате трансграничного переноса. Концентрация ТМ во мхах хорошо коррелирует с содержанием их в атмосферных выпадениях. Переход к абсолютным значениям ТМ в воздухе осуществляется с помощью градуировочных зависимостей.

The data from the regular surveys for heavy metal concentrations in mosses allow both spatial and temporal trends in heavy metal concentration to be examined, and the areas where there is high deposition of heavy metals from long-range transport to be identified. Calibration factors for the transformation of relative values to absolute have been developed by plotting concentrations in moss against wet deposition values for the same site determined from precipitation analysis.

Загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами — серьезная проблема, решением которой занимаются различные международные организации. В рамках конвенции Европейской экономической комиссии ООН в 1979 г. «О трансграничном загрязнении воздуха на большие расстояния» в 1998 г. был подписан Протокол по тяжелым металлам, в целях контроля выбросов ТМ в атмосферу. В том же году подписана и Конвенция ООН «По контролю выбросов ТМ в атмосферу с помощью биомониторинга» (Протокол Архуса) [1].

В соответствии с Протоколом Совместная программа наблюдения и оценки трансграничного переноса загрязняющих веществ (EMEP) осуществляется при участии международных организаций и программ (HELCOM, AMAP, OSPARCOM и т. д.). В настоящее время контроль за содержанием ТМ в воздухе осуществляется на 65 измерительных станциях (на 22 измеряется концентрация ТМ и в воздухе, и в атмосферных осадках). Однако станции мониторинга неравномерно распределены по территории Европы и практически отсутствуют в южной и восточной Европе [2].

Согласно протоколу Архуса в 36 европейских государствах, включая Россию, на основе одномоментного сбора и анализа мхов-биомониторов собираются данные об атмосферных выпадениях ТМ и других токсичных элементов. Проект по ТМ во мхах координируется центром международной кооперативной программы по изучению воздействия

загрязнений воздуха на природную и сельскохозяйственную растительность (ICP Vegetation). Данные по одновременному сбору мхов-биоиндикаторов на больших территориях позволяют оценивать как пространственные, так и временные тренды (концентрации) в выпадениях ТМ, а также идентифицировать области с высоким уровнем атмосферных выпадений в результате трансграничного переноса воздушных загрязнений. По результатам этих исследований каждые пять лет издается Атлас атмосферных выпадений тяжелых металлов, в котором содержатся карты распространения интенсивно вовлекаемых в круговорот тяжелых металлов, большая часть из которых чрезвычайно токсична: As, Hg, Cd, Pb, Cr, Ni, Cu, Fe, Zn [3; 4].

Карты атмосферных выпадений ТМ более информативны, чем карты, которые могут быть построены на основе контроля атмосферных осадков. Однако оценка загрязнения воздушной среды методом биоиндикации относительна. Для того чтобы получить абсолютные значения выпавших за некий временной отрезок ТМ, необходимо определить зависимость накопления металлов мхами от содержания их в атмосферных осадках за тот же период времени.

Мхи эффективно концентрируют микроэлементы, в том числе ТМ, из воздуха и осадков. Отсутствие корневой системы (мхи крепятся к субстрату с помощью ризоидов) практически исключает вклад других источников, кроме атмосферных выпадений. Некоторые типы покровообразующих видов мхов (Hylocomium splendens, Pleurozium schreberi) распространены в широком интервале умеренных климатических зон, а их растущая часть такова, что годовой прирост может быть легко идентифицирован. Сбор образцов несложен, анализ мхов значительно проще, чем осадков, период экспозиции может быть точно определен — обычно для анализа берется трехлетний прирост мха. Содержание ТМ в этих видах мхов сопоставимо с их атмосферными выпадениями, следовательно, через корреляционные зависимости возможен переход к абсолютным величинам содержаний ТМ в воздухе [5].

В Норвегии, Дании, Финляндии и Швеции с помощью химического анализа мхов Hylocomium splendens и Pleurozium schreberi и атмосферных осадков на содержание 48 элементов обнаружены существенные положительные корреляции между концентрацией ТМ во мхах и в осадках.

Исследования способности видов Hylocomium splendens и Pleuro-zium schreberi накапливать ТМ указывают на некоторые различия в сорбции. Известно, что содержание ТМ во мхах определяется рядом факторов: естественным фоном (гомеостаз растений), трансграничным переносом, наличием локальных источников, выщелачиванием листового опада и растительности, влиянием океанического аэрозоля (последний фактор для Балтийского региона имеет немаловажное значение). Содержащиеся в океанических аэрозолях ионы (Na+, K+, Cl-) влияют на поглощающую и удерживающую способность мхов [6; 7]. По этой причине необходимо выделять прибрежные и континентальные зоны. Таким образом, были разработаны две корреляционные модели — морская и континентальная [7; 8]. Корреля-

ционные модели, основанные на уравнениях регрессии, можно использовать для перехода к абсолютным величинам содержания ТМ в воздухе [5]. Модели построены на базе данных о содержании ТМ в двух видах мхов — Hylocomium splendens и Pleurozium schreberi и атмосферных осадках. Материалы, использованные в скандинавском проекте, были обеспечены ЕМЕР (первоначально из различных национальных и международных программ — НЕЬСОМ, ЛМЛР, ОБРАИСОМ) [7; 8].

Континентальные мхи поглощают и удерживают ТМ сильнее, чем аналогичные виды с побережий, — эта закономерность выполняется для ряда элементов, например кадмия, мышьяка, ванадия, когда велика роль трансграничного переноса. Для количественной оценки оседающих вместе с атмосферными осадками металлов можно использовать один вид мха Hylocomium splendens, однако в этом случае некоторые результаты могут быть невоспроизводимы [6]. На рисунке 1а представлены: зависимости накопления кадмия на континентальных участках (1) с уравнением регрессии У = 0,227 + + 0,00328Х (г2 = 0,844), на морских побережьях (2) — У = 0,033 + + 0,00605Х (г2 = 0,936), а также зависимость, отражающая накопление кадмия видом Hylocomium splendens (3) — У = 0,002+ 0,0029Х (г2 = 0,82). Надо отметить, что третья модель создана на основе данных, полученных только со станций, расположенных в Норвегии, т. е. ее можно отнести к так называемым морским моделям.

мкг/г

мкг/ м2-год

а

1 — морская модель; 2 — континентальная модель; 3 — зависимость накопления свинца Hylocomium splendens от содержания кадмия в атмосферных осадках

Рис. 1. Корреляционные модели для расчета абсолютных значений выпадений кадмия

мкг/г

45 40 35 30 25 20 15 10 5 0

0

б

1 — континентальная модель; 2 — морская модель; 3 — зависимость накопления кадмия Hylocomium splendens от содержания свинца в атмосферных осадках

Рис. 1.

Однако подход с выделением морской и континентальной моделей, рекомендованный в работе T. Berg [8], не пригоден для оценки атмосферных выпадений свинца. Снижение поглощающей способности прибрежных мхов по сравнению с континентальными не просматривается, что очевидно из корреляционных зависимостей представленных на рисунке 1б. Уместнее использовать весь массив данных для построения одной градуировочной прямой (Y = 0,45 + + 0,0058X, r2 = 0,94). Надо отметить, что эта зависимость практически идентична модели 3 (рис. 1б), полученной при использовании только вида Hylocomium splendens (Y = 0,92 + 0,0055X, r2 = 0,998). Помимо океанического аэрозоля достаточно ощутимое влияние на концентрацию ТМ во мхах оказывают сухие осаждения. Это сказывается на характере зависимости между количеством ТМ во мхах и атмосферных осадках, «морская и континентальная модели» в таком случае идентичны [5 — 8].

В Калининградской области метод биоиндикации с использованием покровообразующих видов мхов Hylocomium splendens и Pleurozium schreberi используется для оценки загрязнения ТМ с 1994 г. Отбор проб был осуществлен в 1999, 2000 и 2005 гг. В отчетах европейских программ в основном содержится информация о распределении во мхах мышьяка, ртути, кадмия и свинца. Перемещения других ТМ также представляют интерес, и именно применение корреляционных моделей позволяет оценить пространственные и временные тренды в выпадениях этих металлов. С помощью разработанных T. Berg градуировочных за-

32

2000 4000 6000 8000

мкг/ м2тод

висимостей [6; 8] можно оценить количество ТМ (в мкг/ м2- год), осевших на территории Калининградской области (табл.).

Абсолютные значения выпадений ТМ с атмосферными осадками в Калининградской области

Металл Содержание ТМ

1994 1999 2000

Міп Мах Міп Мах Міп Мах

Си 242 1942 39 1564 101 1475

Бе 3274 76822 4976 66067 5682 42343

N1 110 1069 92 2809 18 2615

са 22 152 16 218 2 116

РЬ 669 2220 245 4800 328 4669

33

По данным ИБЬСОМ [10], среднегодовое перемещение кадмия в 1996 и 2000 гг. над территорией Калининградской области превысило 50 мкг/м2- год (модельные оценки переноса получены на основе региональной и полусферной моделей [2]). Распределение атмосферных выпадений Са аналогично распределению металлов во мхах [9], однако с учетом особенностей концентрирования в условиях морского и континентального климата карты более информативны. Варьирование абсолютных значений выпадений кадмия в 1999 — 2000 гг. составило 2 — 218 мкг/ м2- год. Характер среднегодового перемещения свинца, по данным ИБЬСОМ, в 2000 г. был более контрастен, выделяются три зоны на территории Калининградской области: западная — 900 — 1000; центральная — 1000—1100; восточная — 1100—1200 мкг/м2-год [2]. Аналогично распределяется свинец во мхах, наибольшая нагрузка приходится на восточную часть области. Однако концентрации свинца в атмосферных выпадениях существенно отличаются и составляют 245 — 4669 мкг/м2- год.

Заключение

Большинство станции контроля ТМ в Европе расположены в районе Балтийского моря, поэтому на результаты существенное влияние оказывает окружающая среда. Работа этих станций — часть мониторинговых программ типа ОБРЛИ и ИБЬСОМ. Сами станции расположены в непосредственной близости к океану: ЬМа — в Норвегии, Л8р-отеЬеп — в Швеции, иЬо — в Финляндии, ЛпЬок — в Дании [8]. Мхи, растущие вблизи морских побережий, накапливают ТМ в меньшей степени, поскольку их аккумуляция подавляется другими ионами (натрием, калием, кальцием и магнием). В Скандинавских странах есть континентальные станции, но в большинстве стран Европы таковые отсутствуют. Из этого следует, что подход к проблеме оценки абсолютных выпадений через метод биоиндикации не может быть однозначен. Необходимо учитывать климатические особенности изучаемой территории, а для хорошей воспроизводимости результатов использовать несколько видов мхов, лучшими для такого рода исследований считаются Hylocomium splendens и Pleurozium schreberi. Информативность карт абсолютных выпадений ТМ, выполненных на основе данных, полученных

через корреляционные зависимости, существенно выше, чем карт, основанных на математических моделях. Этот факт, безусловно, повышает значимость исследований, связанных с изучением особенностей накопления ТМ покровообразующими видами мхов.

Список литературы

1. Aarhus Protocol // http://www. unece. org/env/lrtap/pops_h1.htm

2. Ильин И., Травников О., Аас В., Уггеруд Х. Тяжелые металлы: Трансграничное загрязнение окружающей среды: Информационный отчет ЕМЕР. 2/2003.

3. Rtihling A. Atmospheric heavy metal deposition in Europe — estimations based on moss analysis / Nordic Council of Ministers. Copenhagen: Nord, 1994.9.

4. Rtihling A., Steinnes E. atmospheric heavy metal deposition in Europe 1995 — 1996. Nord Environment. Nord 1998:15.

5. Berg T., Steinnes E. Use of mosses (Hylocomium splendens and Pleurozium schre-beri) as biomonitors of heavy metal deposition: from relative to absolute deposition values // Environmental Pollution. 1997 Vol. 98. №. 1. P. 61 — 71.

6. Berg T., Royset O., Steinnes E. Moss (Hylocomium splendens) used as biomonitor

of atmospheric trace element deposition: estimation of uptake efficiencies

//Atmospheric Environment. Vol. 29. 1995. № 3. P. 353 — 360.

7. Gjengedal E., Steinnes E. Uptake of metal ions in moss from artificial precipitation // Environmental Monitoring and Assess. № 14. P. 77 — 87.

8. Berg T., Hjellbrekke A., Ruhling A. et al. Absolute deposition maps of heavy metals for the Nordic countries based on moss surveys. Tema Nord 2003:505 / Nordic Council of Ministers. Copenhagen, 2003.

9. Королева Ю.В. Биоиндикация атмосферных выпадений тяжелых металлов в Калининградской области (по мхам): Автореф. дис. ... канд. геогр. наук. Калининград, 2004.

10. Atmospheric Supply of Nitrogen, Lead, Cadmium, Mercury and Lindane to the Baltic Sea in the period 1996 — 2000 //http://www.emep.int/helcom2002/index.html

Об авторе

Ю.В. Королева — канд. геогр. наук, доц., РГу.

34

УДК 502.34

Е.В. Салихова

РЕТРОСПЕКТИВА ФОРМИРОВАНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО КАРКАСА КАЛИНИНГРАДА

Обсуждаются этапы формирования и экологическая направленность системы озеленения Калининграда.

Ecological directions of a system of gardening in Kaliningrad and stages of its formation are considered.

Предметом многих специальных исследований являются проблемы, связанные с обогащением ландшафтно-архитектурных композиций городов и формированием их эколого-градостроительного каркаса с