Прогнозирование микроэлементного загрязнения территории с использованием методов статистического анализа и биотестирования

Прогнозирование микроэлементного загрязнения территории с использованием методов статистического анализа и биотестирования

Р.Ф. Гарипова, к.б.н, Оренбургский ГАУ

Метод регрессионного анализа позволяет прогнозировать динамические изменения в окружающей среде, вызванные техногенным воздействием. При этом прогноз адекватен при относительно константных во времени условиях реализации изучаемых зависимостей. Биоценозы загрязняемой территории составляют одно из таких условий. Посредниками между поллютантами и депонирующими средами, такими как почвы, являются почвенная биота и растительность. Именно эти звенья ценоза могут повлиять на концентрацию загрязнителей в почве и скорректировать статистический прогноз. Следовательно, для коррекции неблагоприятного прогноза загрязнения требуется изучить биологические реакции посредников-модификаторов загрязнения и разработать технологии экологической ремиссии.

Для проведения биотестирования использовали цитологические методы оценки на A. cepa З.П. Паушевой [1]. Регрессионный анализ применили для прогнозирования динамики загрязнения почв в зоне влияния выбросов ОГХК (Оренбургский газохимический комплекс), корреляционный анализ (rS Спирмена) — тенденций взаимовлияния потенциальных токсикантов. Обработка данных и построение диаграмм осуществлены с помощью программы Excel и статистического пакета «Statistics».

Использование регрессионного анализа, с учётом данных за 1980—2000 гг., позволило спрогнозировать риск динамичного никелевого и хромового загрязнения почв территории к 2020 г. (рис. 1).

R2 = 1

R2 = 1

R2 = 1

R2 = 1

R2 = 1

R2 = 1

R2 = 1

При этом получили следующие уравнения регрессии и величины достоверности аппроксимации кривых:

у(№) = 49,35х2 - 171,45х + 205,6; у(7п) = -47,25х2 + 189,35х - 90,5; у(Сг) = 102,05х2 - 433,25х + 647,3; у^г) = -26,45х2 + 54,35х + 197,1; у(Си) = -9,75х2 + 28,85х + 22; у(РЬ) = -22,7х2 + 87,4х - 52,3; у^п) = 1,2х2 - 5,3х + 9,1;

В процессе эксплуатации земледельческих полей орошения ОГХК происходит интенсивное накопление металлов в растительной массе. На рисунке 2 показано изменение коэффициента биологического поглощения металлов из почв растениями за период 1980-1998 гг. Для изучения проблемы накопления металлов в растениях был проведён корреляционный анализ данных по микроэлементному составу в ассоциированных по точкам отбора образцах растений и почв (табл. 1), который показал:

- высокую положительную корреляционную зависимость концентрации большинства металлов от концентрации меди в растениях. Это подтверждает данные о высокой деполяризующей клеточные мембраны активности меди [2], что ведёт к усиленному накоплению прочих металлов (и др. токсинов) в растениях;

- высокую положительную корреляцию содержания конкретного металла в растениях от его концентрации в почве - по хрому, умеренную положительную - по свинцу и никелю, высокую отрицательную - по меди, умеренную отрицательную - по цинку и олову. Таким образом, первичный барьер на пути поглощения

♦ Медь Д Свинец

♦ Хром

♦ Стронций

----Полиномиальный

----Полиномиальный

----Полиномиальный

Цинк X Никель О Олово

-  - Полиномиальный

----Полиномиальный

----Полиномиальный

—  Полиномиальный

Рис. 1 - Прогноз загрязнения почв ЗПО ОГХК металлами на 2010-2020 гг.

1. Корреляционные зависимости по валовому содержанию металлов в почвах ЗПО ОГХК и концентрацией металлов в растениях

Зависимые показатели Медь Цинк Свинец Никель Хром Олово

гё медь в растениях - металлы в растениях 1 1 0,5 1 1

гё металлы в почве - металлы в растениях -0,89 -0,5 0,35 0,5 0,82 -0,38

гё медь в почве - металлы в почве 0,45 -0,44 -0,4 -0,7 0,24

-Медь

- Кобальт

- Барий

—в—Цинк -в-Хром -Ж- Стронций

- Свинец Молибден

- Марганец

- Никель

- Олово

Рис. 2 - График изменений коэффициента биологического поглощения металлов из почв растениями ЗПО в период 1980-1998 гг.

металлов из почвенного раствора преодолевается доступными формами меди, цинка, олова, вслед за которыми в ткани растений проникают хром, никель, свинец;

- умеренную положительную корреляцию между содержанием меди в почвах и концентрацией в почвах цинка, отрицательную умеренную зависимость - в ряду: никель<свинец<хром.

2. Концентрация подвижных металлов (мг/кг) в почвах ЗПО ОГХК и корреляционная зависимость результатов биотестирования на Allium cepa от концентрации металлов в средах

Проба почв Медь Цинк Никель Свинец Хром

1 0,2 2,4 1,39 1,28 0,9

2 0,35 2,4 0,97 1,62 0,96

3 0,14 1,85 1,4 1,33 0,8

4 0,22 2,33 1,25 1,35 0,8

5 0,22 4,7 1,41 1,78 0,91

6 0,28 3,4 1,11 2,1 0,9

7 0,29 4,9 1,26 1,5 0,83

8 0,2 3,5 1,38 1,3 0,72

9 0,27 2,2 0,97 1,2 0,83

10 0,3 1,52 1,18 1,2 1

гё медь в почве - металлы в почве 0,06 -0,8 0,27 0,61

гё металлы в почве - ядрышковый тест 0,24 0,79 0,54 0,54 0,22

гё металлы в почве - митотическая активность 0,46 -0,34 -0,67 -0,09 -0,07

Можно предположить, что, находясь в почвах, медь и цинк могут проявлять сходное активное воздействие на растения; проникновение никеля, свинца, хрома в растения опосредовано действием меди, например, это могут быть условия нарушенного медью транскорневого потенциала растений.

Наше заключение согласуется с исследованиями Kennedi C.D. с сотр. [2]. Введение микроэлектродов в клетки эпидермиса корня в исследованиях учёных подтвердило, что внешние мембраны корневых клеток определяют основной вклад в изменение транскорневого потенциала. Авторами определена максимальная скорость деполяризации мембран, расположенная в ряду: Co2+<Zn2+=Cu2+<Hg2+. Максимальная скорость ингибирования Н+-оттока представлена в ряду: Pb2+=Co2+<Zn2+<Cu2+<Hg2+. На основе вышепредставленных рассуждений и ряда констант устойчивости образуемых металлами комплексных соединений с биосубстратами по Меллор и Мели [3]: Hg>Cu>Ni>Pb>Co= Zn>Cd>Fe>Mn>Mg нами была запланирована и проведена проверка гипотезы о вероятном риске формирования токсичного никелевого фона в почвах при поливе сточными водами ОГХК, а также предположения об усилении повреждающего действия на растения никеля при совместном действии с антагонистами (медью и цинком).

По результатам биотестирования на луке Allium cepa, где тестировались водные вытяжки почв с известными концентрациями подвижных металлов, и корреляционного анализа выявлено (табл. 2), что:

— количество ядрышек на ядро увеличивается с увеличением концентрации цинка, никеля и свинца в среде. Следовательно, эти металлы, в изученных концентрациях, являются факторами среды, вызывающими сверхсинтез стрессовых белков (металлотионеинов), в отличие от хрома;

— с возрастанием концентрации меди в среде митотическая активность усиливается, с возрас-

танием концентраций цинка и никеля митоз подавляется. Следовательно, цинк и никель проявляют антагонизм по отношению к меди на клеточном уровне. Хром не проявил влияния на митоз;

— умеренная положительная корреляция между содержанием подвижной формы меди и концентрацией подвижного хрома, высокая отрицательная — никеля. Последнее характеризует ионы никеля как ионы, активно участвующие в ионном обмене; ионы хрома накапливаются в тканях растений в результате пассивного проникновения, в условиях нарушенного мембранного потенциала клеток.

Таким образом, нами установлено, что медь обладает высокой доступностью для растений ЗПО ОГХК. Вероятность накопления никеля и хрома в почвах и растениях ЗПО ОГХК обусловлена концентрацией меди. В условиях насыщения почв медью накопление большинства МЭ (микроэлементов) в растениях возрастает, в почвах — убывает. При этом медь влияет на биодоступность металлов, конкурирующих за биолиганды в средах и вызывающих компенсаторные реакции. Ведущими токсикантами растений из числа МЭ являются медь, цинк, никель; свинец вызывает стрессовую реакцию, но не влияет на митотическую активность растительных тканей; хром не проявил участия в формировании цитотоксичной реакции. Насыщение почв никелем и хромом в условиях эксплуатации ЗПО неизбежно. Для рекультивации почв ЗПО ОГХК целесообразно использование фитомелиорации.

Литература

1. Паушева З.П. Практикум по цитологии растений. М.: Колос, 1988. 120 с.

2. Kennedy C.D., Gonsalves F.A.N. The action of divalent zinc, cadmium, mercury, copper and lead on the trans-root potential and H+ efflux of excised roots // J.Exp.Bot. 1987. Vol. 38. № 190. P. 800-817.

3. Физиология растительных организмов и роль металлов: сборник научных трудов / под ред. Н.М. Чернавской. М.: Изд-во МГУ, 1989. 156 с.