Исследование биоаккумуляции тяжелых металлов дождевыми червями в почве города Брянска

УДК 595.14

ИССЛЕДОВАНИЕ БИОАККУМУЛЯЦИИ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ ДОЖДЕВЫМИ ЧЕРВЯМИ В ПОЧВЕ ГОРОДА БРЯНСКА

И.Л. Прокофьев, С.С. Голощапова

В работе исследована роль дождевых червей в почвенных процессах в урбанизированной экосистеме города Брянска. Отмечается значимая корреляция между биоаккумуляцией №, 2п и РЬ дождевыми червями и концентрацией металлов в почве. Выявлено, что разные виды дождевых червей имеют разную способность к аккумуляции тяжелых металлов в своем организме.

Ключевые слова: биоаккумуляция, тяжелые металлы, дождевые черви, г. Брянск.

Введение. В 2012 году на территории города Брянска хозяйственную деятельность, связанную с природопользованием, осуществляло свыше 10 тыс. субъектов различных отраслей экономики [1, с. 35]. Порядка 1200 предприятий и организаций имеют стационарные источники загрязнения атмосферного воздуха. По данным управления по технологическому и экологическому надзору Ростехнадзора по Брянской области в 2009 году промышленными предприятиями и автотранспортом города Брянска выброшено в атмосферный воздух 53,14 тыс. т различных загрязняющих веществ, в том числе от стационарных источников 7,6 тыс. т и 45,54 тыс. т от автотранспорта [1, с. 89]. Город обладает сетью главных транспортных путей, которые не совсем хорошо и эффективно справляются с увеличивающимся количеством автотранспорта на дорогах. Пробки на узловых перекрестках стали нормой города. Все это создает напряженность в экологической обстановке города.

Неблагополучная ситуация в городах требует обратить внимание на механизмы функционирования городской природной среды, которые обеспечивают самоочищение и самовосстановления загрязненных и нарушенных экосистем. Особым компонентом урбонизированных экосистем является почва. Она претерпевает ряд серьезных изменений и преобразований под действием антропогенных факторов, но она выполняет ряд важных экологических функций, от которых зависит не только состояние других биологических компонентов экосистемы, но и здоровье человека.

Мезофауна оказывает серьезное воздействие на почву и во многом определяет ее свойства. В последнее десятилетие XX века появились две важные концепции:

- беспозвоночные, как экосистемные инженеры;

- концепция дрилосферы.

Они основаны на том, что беспозвоносные и особенно дождевые черви серьезно влияют на почвенные процессы. К сожалению, их функции еще не в достаточной мере изучены в условиях урбанизированных экосистем.

Цель исследования: изучить роль дождевых червей в почвенных процессах в урбанизированной экосистеме города Брянска.

Методика исследования. Исследования проводились в летний период 2012 года на территории Фокинского района города Брянска. Это типичное городское образование, на котором можно выделить следующие зоны: промышленная, жилая, зеленая. Через центр района проходят две расположенные перпендикулярно друг другу транспортные артерии: Московский проспект и ветвь московской железной дороги.

Для проведения исследований на территории района было заложено 25 пробных площадей 5х5 м. Для пробных площадей выбирались участки, на которых не производились какие-либо земельные и ландшафтные работы на протяжении 5 лет. На каждой пробной площади отбирались пробы (блоки) размером 25*25 см для сбора дождевых червей стандартным методом [5, р. 49]. Отбор почвенных проб производился в соответствие с рекомендациями ИСО 10381 - 1 и ГОСТ 28168, но только в поверхностном слое (0-10 см.), так как именно он в первую очередь загрязняется в урбанизированных экосистемах.

Аналитические исследования почвы и дождевых червей осуществлялись в ФГУ «БРЯНСКАГРОХИМРАДИОЛОГИЯ» методом атомно-абсорбционной спектрометрии. При оценке городских почв вычисляли средние показатели физико-химических и агрохимических свойств почвы и валовые концентрации трех химических элементов (свинец, цинк, никель) для поверхностного слоя. Эти значения сравнивали с содержанием вещества в поверхностном слое фоновых территорий и существующими нормативами. Фоновые значения для трех тяжелых металлов: РЬ - 6 мг/кг; N1 - 3,6 мг/кг; 2п - 6 мг/кг.

Результаты исследования. В городе Брянске, а, именно, в Фокинском районе основными источниками загрязнения являются места сбора бытовых отходов, транспорт, несанкционированные старые свалки промышленных и бытовых отходов. На основе данных о валовом содержании свинца в городских почвах (табл. 1) была построена модель распределения загрязнителя в почвах Фокинского района, которая показала, что большая часть района имеет загрязнение не превышающее ПДК. Имеются локальные очаги слабого загрязнения, привязанные к местам сбора мусора или свалок. Наибольшее загрязнение, превышающее ПДК в 3 и более раз, отмечено вблизи территории завода «Литий», который специализировался на выпуске кинескопов в советское время. В настоящее время забот не функционирует, остались небольшие производственные участки по выпуску стеклянной банки. Вполне вероятно, что завод «Литий» является основным источником загрязнения почвы свинцом.

Московский проспект - главная транспортная артерия для автомобильного транспорта не является основным загрязнителем почвы, но, тем не менее, вносит свой вклад в загрязнение. Данные загрязнение почвы по некоторым пробным площадям, которые располагается на трансекте перпендикулярно расположенной по отношению к проспекту, доказывают это. Так пробная площадь в 3 метрах от дороги имеет загрязнение 55 мг/кг, на удалении 1 км - 21,3 мг/кг и на расстоянии 2 км - 9,6 мг/кг

Цинк принадлежит к числу распространенных в технике и быту металлов, поэтому ежегодное внесение его в почву очень велико. Не исключение и город Брянск. Анализируя модель распространённого распределения загрязнителя, построенную по данным таблицы 1 можно сделать вывод, что большая часть территории района имеет загрязнение превышающее ПДК. Пятна с высоким содержанием загрязнителя также как и для свинца приурочены к свалкам мусора и промышленным зонам. Причём наибольшее количество пробных площадей с загрязнением, превышающим ПДК в 2-3 раза, находятся в промышленной зоне.

Таблица 1

Степень загрязнения почв пробных площадей тяжелыми металлами ^п, N1, РЬ)

Номер пробной Содержание тяжелых Номер пробной Содержание тяжелых

СР8 металлов в почвенных СР8 металлов в почвенных

точка пробах

площади Zn N1 РЬ площади Zn N1 РЬ

1 48 80,3 6,7 55,5 14 64 69 7 45,3

2 49 25,2 4,9 12,7 15 65 84 5,6 31,3

3 51 24,3 4 9,6 16 66 114 9,5 43,2

4 52 56 14,9 41,1 17 67 51,3 4,1 11,8

5 54 54,2 8,9 21,8 18 68 84,2 6,7 27,9

6 55 51,6 5,4 40,5 19 69 190 23,2 49,2

7 56 64,1 6,6 25,6 20 70 101 5,5 25,9

8 57 75,2 7,2 38,4 21 71 96,2 7,2 32,1

9 58 56,9 7 21,8 22 72 134 6,7 34,8

10 59 66,7 4,8 39 23 73 69,4 5,9 23,9

11 61 77,2 7,2 33 24 74 59,9 5,1 31,5

12 62 23,3 5,6 11,5 25 75 79,2 8,9 16,4

13 63 154 18,1 179,1

Модель распространения никеля в почвах Фокинского района показывает, что

загрязнение этим металлом не значительно превышает ПДК. Большая часть территории района имеет загрязнение меньше ПДК. Анализируя пространственный разброс максимальных показаний содержания загрязнителя в почве можно сделать вывод, что основным источником Ni для почвы является железнодорожный транспорт. Именно на территории ветки Московской железной дороги и обслуживающих ее предприятий зафиксировано превышение валового ПДК. Московский проспект, как главная транспортная артерия для автомобильного транспорта также вносит вклад в загрязнение, но не значительный. Так пробная площадь в 3 метрах от дороги имеет загрязнение 6,7 мг/кг, на удалении 1 км - 4,9 мг/кг и на расстоянии 2 км - 4,0 мг/кг.

Таким образом, городские почвы города Брянска существенно отличаются по физическим и химическим показателям от естественных почв. В значительной мере они формируются под прессом антропогенной нагрузки, что значительно преобразует их свойства и структуру. Одним из существенных факторов является загрязнение тяжелыми металлами. Как показал анализ и пространственное моделирование с экстраполяцией данных о загрязнении, территория Фокинского имеет участки с превышением ПДК содержания загрязнителей в почве. Основными источниками загрязнения являются промышленность и транспорт. Причем, автомобильный транспорт преимущественно загрязняет почву свинцом, а железнодорожный - никелем. Наибольшее загрязнение цинком с транспортом связано в меньшей мере.

В результате наших исследований было установлено, что в урбоэкосистеме Брянска в почвах встречается 8 видов дождевых червей: Dendrobaena octaedra, Lumbricus castaneus, Lumbricus rubellus, Aporrectodea caliginosa, Allolobophora chlorotica, Aporrectodea rosea, Lumbricus terrestris, Aporrectodea longa.

В результате исследований установлено, что Pb, Zn, Ni накапливаются в теле червей, то есть изучаемая группа животных способна к биоаккумуляции. Коэффициент биоаккумуляции (отношение концентрации загрязнителя в теле червей / концентрация в почве) больше единицы. Распределение тяжелых металлов в тканях дождевого червя был рассмотрен Хопкинсом [3, p. 43], Пейжненбургом и Врижвером [4, p. 179]. В своих работах они сделали попытку объяснить эффект аккумуляции тяжелых металлов. Они установили, что для среднего отдела пищеварительной системы характерна высокая метаболическая активность, следовательно, он больше участвует в поглощении, транспортировке, хранении и выделении металлов [3, p. 67]. Химические элементы могут связываться белками и храниться в виде гранул. Некоторые металлы могут белками не связываться. Lumbricus terrestris имеет хорошо функционирующие известковые железы, что способствует меньшему накоплению свинца, в то время как Aporrectodea longa образует узелки внутри тела для обезвреживания свинца и следовательно накапливает его больше [61].

В наших исследованиях была выявлена значимая корреляция между концентрациями металлов в почве и в организме червей Dendrobaena octaedra и Lumbricus rubellus. То есть при росте концентрации тяжелых металлов в почве увеличивалась их биоаккумуляция в организме червей (Pb (R2 = 0,54), Zn (R2 = 0,48), (R2 = 0,47). Также в ходе исследований было установлено, что дождевые черви поглощают не одинаково хорошо различные тяжелые металлы (табл.2). Лучше всего накапливается цинк, а свинец и никель - примерно одинаково. Лучше всех накапливает атомы металлов - Dendrobaena octaedra, а хуже всех -Allolobophora chlorotica (Zn) и Lumbricus castaneus (Ni и Pb).

Таблица 2.

Коэффициенты биоаккумуляции тяжелых металлов в организме дождевых червей

Виды червей Zn Pb Ni

Dendrobaena octaedra 17 0,5 0,7

Lumbricus castaneus 8 0,1 0,3

Lumbricus rubellus 7 0,2 0,3

Aporrectodea caliginosa 13 0,8 0,6

Allolobophora chlorotica 5 0,8 0,7

Aporrectodea rosea 7 0,7 0,8

Lumbricus terrestris 11 0,7 0,7

Aporrectodea longa 7 0,6 0,5

Альберти с коллегами [2, p.53] в своих исследованиях установили, есть разница в биоаккумуляции свинца в свежезагрязненных и «старых» почвах. В последних - он накапливается существенно хуже. Почвы Фокинского района можно условно отнести к «старым», так как на протяжении нескольких десятков лет подвергаются загрязнению. Возможно - это причина низкого уровня аккумуляции свинца в организме червей по сравнению с цинком.

Заключение. Таким образом, можно сделать следующие выводы:

1. Поверхностный слой почв города Брянска загрязнен тяжелыми металлами (Zn, Pb, Ni). Наиболее не благополучна обстановка по Pb и Zn, уровень валового загрязнения по этим металлам превышает на многих участках ПДК в 2-3 раза.

2. Основными источниками загрязнения поверхностного слоя почвы тяжелыми металлами (Zn, Ni, Pb) являются автотранспорт, промышленные предприятия и свалки мусора.

3. Главная автотранспортная магистраль Фокинского района является источником загрязнения поверхностного слоя почвы Pb и Zn. Валовые концентрации этих поллютантов статистически достоверно снижаются при удалении от автотранспортной магистрали.

4. Наиболее важной и существенной по количеству особей и биомассе частью почвенной мезофауны городских почв являются дождевые черви. В урбоэкосистеме Брянска в почвах встречается 8 видов дождевых червей: Dendrobaena octaedra, Lumbricus castaneus, Lumbricus rubellus, Aporrectodea caliginosa, Allolobophora chlorotica, Aporrectodea rosea, Lumbricus terrestris, Aporrectodea longa.

5. Имеется значимая корреляция между коэффициентом биоаккумуляции Ni, Zn и Pb дождевыми червями и концентрацией этих металлов в почве.

6. Разные виды дождевых червей имеют разную способность к аккумуляции тяжелых металлов в своем организме. Лучше всего накапливается цинк. Лучше накапливает металлы Dendrobaena octaedra, а хуже всех - Allolobophora chlorotica и Lumbricus castaneus.

Resume. We studied the role of earthworms in earth processes in urbanized ecosystem of Bryansk. We registered significant correlation between bioaccumulation Ni, Zn and Pb in earthworms and metal concentration in earth. We revealed different ability of different earthworm species for accumulation heavy metals in organism.

Key worlds: bioaccumulation, heavy metals, earthworms, Bryansk.

Список литературы

1. Государственный доклад «О состоянии окружающей природной среды Брянской области в 2009 году» / Комитет природопользования и охраны окружающей среды, лицензирования отдельных видов деятельности Брянской области // С. А. Ахременко, А. В. Городков, Г. В. Левкина, О. А. Фильченкова. - Брянск, 2010. - 294 с .

2. Alberti G. Dekomposition / G. Alberti, B. Hauk, H. R. Kohler, V. Storch. - Landsberg: Ecomed, 1996. - 93 p.

3. Hopkin S. P. Ecophysiology of metals in terrestrial invertebrates / S. P. Hopkin. -

London: Elsevier, 1989. - 126 p.

4. Peijnenburg W.J. Earthworms and their use in ecotoxicological modeling / W. J. Peijnenburg, M. G. Vrijver // Ecotoxicology modeling. - Heidelberg: Springer, 2009. - pp. 177 -204.

5. Sims R.W. Earthworms. Syn. Br. Fauna / R. W. Sims, B, M. Gerard. - London, 1999. -

156 p.

Об авторах

Прокофьев И.Л. - кандидат биологических наук, доцент Брянского государственного университета имени академика И.Г. Петровского, bioindication.lab@gmail.com Голощапова С.С. - аспирант естественно-географического факультета Брянского государственного университета имени академика И.Г. Петровского, bioindication. lab@gmail. com