Особенности накопления тяжелых металлов в исследуемых растительных сообществах, развивающихся в зоне промпредприятий Орско-Новотроицкого промузла

Особенности накопления тяжелых металлов в исследуемых растительных сообществах, развивающихся в зоне промпредприятий Орско-Новотроицкого промузла

И.В. Чикенева, аспирантка; Н.О. Кин, к.биол.н., Институт степи УрО РАН

Орский внутриобластной экономический район расположен в восточной части Оренбургской области и занимает 31% от ее территории. На его долю приходится 60% промышленного производства области. Преобладающее развитие тяжелой промышленности и ее структура свидетельствуют о том, что район является типично уральским промышленным комплексом. Ядро комплекса образует Орско-Новотроицкий промышленный узел, в состав которого входят города Орск и Новотроицк, а также ряд других небольших населенных пунктов, для которых характерна высокая степень техногенной нагрузки [4].

По данным «Государственного доклада о состоянии окружающей природной среды Оренбургской области» [1], Орско-Новотроицкий промышленный узел является наиболее загряз-

ненной территорией в Оренбургской области. Основу промышленного комплекса составляют 8 крупных предприятий, среди которых: ООО «Уральская сталь» (Орско-Халиловский металлургический комбинат (ОХМК, ОАО НОСТА), ООО «Южуралполиметалл» (ОАО «Южуралникель», ЮУНК)), ОАО «ОРМЕТО-ЮУМЗ» (Южно-Уральский машиностроительный завод), АО «ОНОС» (Орскнефтеоргсинтез), ОАО «Новотроицкий завод хромовых соединений». Основными загрязнителями являются ООО «Уральская сталь» и ООО «Южуралполиметалл». Их выбросы вредных веществ от стационарных источников в целом по области составляют 25,5 и 41,9% соответственно.

Одним из видов химических загрязнений Орско-Новотроицкого промузла являются тяжелые металлы (ТМ), которые оказывают острое токсическое воздействие на живые организмы. При длительном поступлении из стационарных источников их содержание в почвах сопостави-

мо с количеством в естественных геохимических аномалиях или даже превосходит его [3]. Вокруг крупных предприятий образуются зоны с высоким уровнем содержания ТМ в почве и скудной растительностью.

Материалы и методы. Изучение степного комплекса в районе Орско-Новотроицкого промуз-ла велось в период с 2006 по 2007 гг. За исследованные вегетационные периоды (май-сентябрь) была выявлена динамика накопления ТМ в растительных сообществах, развивающихся на территории Орско-Новотроицкого промузла.

Для проведения исследований были выбраны 4 стационарных участка, два из которых находились в непосредственной близости к промышленным предприятиям (№2 и №3), один на удалении в 3 км (№1). Контрольный участок (№4) был заложен в 30 км северо-западнее от промузла (рис. 1).

Рис. 1 - Схема района исследований

Соответственно: участок №1 — это ковыльно-полынково-типчаковое сообщество; №2 — ковыльное; №3 — молочайно-пырейно-житняко-вое; №4 — грудницево-ковыльное сообщество.

Были приняты следующие обозначения: G — зеленая надземная масса, L — подстилка, D — ветошь, R — живые корни, V — мертвые корни, «av» указывает среднее значение за определенный период. Единица измерения запасов и приростов — ц/га. В экосистеме растительное вещество расположено в двух сферах — надземной (ANP) и подземной (BNP), в которых создается чистая первичная продукция [5, 6].

С целью установления влияния промышленного воздействия на растительный покров, на

каждом участке с исследуемого растительного сообщества І раз в месяц (май-сентябрь) отбирали пробы надземных и подземных органов растений для биохимических анализов. В надземной сфере брали зеленую массу, выбирали ветошь и собирали подстилку. В подземной части сообщества выбранные корни делили на живые и мертвые. Минерализация образцов проводилась в соответствии с ГОСТ 26929-94 [2]. В полученных вытяжках определяли содержание тяжелых металлов Zn, Cu, Pb, Cd, Co, Mn, Ni на атомно-адсорбционном спектрофотометре типа С-ІІ5 ТМ в ФГУ ГЦАС «Оренбургский». При анализе накопления и динамики тяжелых металлов использовали дедукционно-индукционный подход. Для определения количественного содержания ТМ было отобрано 252 образца.

Результаты и обсуждение.

Медь. По полученным данным по содержанию Cu в основных блоках исследуемых сообществ очевидно, что большее содержание этого металла, за 2 года исследования (2006—2007 гг.), обнаружено в молочайно-пырейно-житняковом сообществе, составляя 592,1 и 1170,7 мг/кг соответственно. Наиболее активное накопление меди во всех растительных сообществах отмечается в зоне BNP, кроме грудницево-ковыльного сообщества. Здесь в 2006 г. наиболее активное накопление наблюдается в блоке L (8З,З мг/кг). Наименьшее количество меди в 2006 г. накапливается в блоках ковыльно-полынково-типчако-вого сообщества (84,З мг/кг).

Следует отметить, что содержание Cu в 2007 г. в исследуемых сообществах выше по сравнению с предыдущим почти 1,5—2 раза. Только для груд-ницево-ковыльного сообщества эта закономерность не наблюдается, напротив, отмечено снижение содержания Cu по сравнению с 2006 г. в 1,2 раза (141,7 мг/кг).

Цинк. В 2006 г. наибольшее количество Zn адсорбируется в блоках ковыльного сообщества (Lav по блокам — 381,8 мг/кг), а в 2007 г приоритетность накопления отмечается в молочайно-пырей-но-житняковом сообществе (Lav по блокам — 899,5 мг/кг). Наименьшее количество цинка отмечено в

2006 г. в ковыльно-полынково-типчаковом сообществе (Lav по блокам — 175,3 мг/кг), а в 2007 г. на контрольном участке, под грудницево-ковыль-ном сообществом (Lav по блокам — 381,7 мг/кг).

Наиболее активное накопление цинка в исследуемых блоках растительных сообществ отмечается в зоне ANP и приходится на мортмассу (D+L). Исключением является ковыльно-полын-ково-типчаковое сообщество, в котором в 2006 г. наибольшее количество Zn было отмечено в блоке R. Отмечено, что количество Zn в исследуемых блоках в 2007 г. в 2—3,5 (для ковыльно-полынково-типчакового сообщества — в 3,7) раза больше, чем в 2006 г.

Кадмий. Молочайно-пырейно-житняковое сообщество наиболее активно накапливает Cd относительно других исследуемых сообществ. Адсорбирование кадмия различными блоками идет с разной активностью, поэтому сложно привести единую концепцию о приоритетности накопления этого металла какими-либо определенными блоками, но следует отметить высокую активность его накопления в живых блоках сообществ.

По сравнению с 2006 г. в 2007 г. накопление Cd в блоках ковыльно-полынково-типчакового и ковыльного сообщества увеличилось в 1,5— 2 раза (6,8 и 6,7 мг/кг соответственно). Для молочайно-пырейно-житнякового сообщества, напротив, наблюдается некоторое снижение — в 1,3 раза — (9,1 мг/кг). В грудницево-ковыль-ном сообществе ситуация по годам остается практически неизменна (Xav по блокам — 3,0 и 2,9 мг/кг соответственно).

Свинец. Наибольшее количество свинца было накоплено в 2006 г. в блоках ковыльного сообщества (Xav по блокам — 82,3 мг/кг), а в 2007 г.

— ковыльно-полынково-типчакового сообщества (£av по блокам — 156,0 мг/кг). Наименьшее значение по количеству Pb отмечается в грудни-цево-ковыльном сообществе за 2 года исследований (Xav по блокам — 39,6 и 57,4 мг/кг соответственно). Наиболее активное накопление Pb происходит в зоне ANP мортмассой (D, L). Накопление свинца в 2007 г. в исследуемых растительных сообществах в 1,5—3,5 раза больше по сравнению с 2006 г.

Никель. Большое содержание Ni, относительно других ТМ, связано с характерными выбросами ООО «Южуралполиметалл». Молочно-пырейно-житняковое сообщество развивается в непосредственной близости к ООО «Южуралпо-лиметалл» и наиболее активно аккумулирует этот металл в своих блоках. Содержание никеля в этом сообществе составляло в 2006 г. в среднем по блокам 10372,7 мг/к, а в 2007 г. 1<av по блокам

— 66635,1 мг/кг. Наименьшее количество никеля накапливается в грудницево-ковыльном сообществе (Xav по блокам — 366,9 и 587,0 мг/кг соответственно). Разница между накоплением по сравнению с молочайно-пырейно-житняко-вым сообществом составляла в 2006 г. 28,3 раза, а 2007 г. — 113,5 раза.

В ковыльном и ковыльно-полынково-типча-ковом сообществах в 2006 г. накопление Ni наиболее активно в зоне BNP. В 2007 г. наиболее восприимчивой оказалось ковыльно-полынко-во-типчаковое сообщество в зоне ANP, особенно в блоке L (1693,2 мг/кг). Для молочайно-пырей-но-житнякового сообщества отмечено высокое содержание Ni в 2006 г. в мортмассе зоны ANP, а в 2007 г. никель активно поглощался надземными блоками, особенно подстилкой — 32430,6 мг/кг

и фитомассой — 15456,0 мг/кг. Такое активное накопление металла блоком G связано с тем, что в 2007 г. ООО «Южуралполиметалл» работало более интенсивно, что соответственно привело к увеличению промышленных выбросов.

На контрольном участке, где развивается грудницево-ковыльное сообщество, в 2006 г. наиболее восприимчивой к накоплению Ni оказалась ветошь (218,6 мг/кг), а в 2007 г. — фитомасса (350,0 мг/кг).

По сравнению с 2006 г., в 2007 г. накопление Ni в ковыльно-полынково-типчаковом и моло-чайно-пырейно-житняковом сообществах увеличилось в 6 раз, а в ковыльном и грудницево-ковыльном сообществах только в 1,5 раза.

Кобальт. Приоритетность накопления Со за период исследования остается по-прежнему за молочайно-пырейно-житняковым сообществом. Наименьшее количество Со зарегистрировано в ковыльно-полынково-типчаковом сообществе в

2006 г. (Lav по блокам — 25,1 мг/кг), а в 2007 г. в грудницево-ковыльном сообществе (Lav по блокам — 36,5 мг/кг).

В ковыльно-полынково-типчаковом сообществе в 2006 г. наибольшее количество Со отмечено в блоке R (12,3 мг/кг), а в 2007 г. — в блоке V (15,2 мг/кг), что связано с переходом во времени живых корней в мертвые. В молочайно-пы-рейно-житняковом сообществе в 2006 г. наибольшее количество кобальта отмечается в мертвых корнях (65,8 мг/кг), а в 2007 г. — в блоке L (1307,2 мг/кг). На контрольном участке с груд-ницево-ковыльным сообществом в 2006 г. накопление Со отмечается в подземной части мортмассы, а в 2007 г. — в блоке G (11,9 мг/кг).

По сравнению с 2006 г. в 2007 г. количество Со в исследуемых сообществах увеличилось: в ковыльно-полынково-типчаковом сообществе — в 1,8 раза; в ковыльном сообществе — в 7; в молочайно-пырейно-житняковом сообществе — в 13,3; в грудницево-ковыльном — в 1,2 раза.

Марганец. Накопление Mn в 2006 г. наиболее активно происходит в ковыльном сообществе (£av по блокам — 594,3 мг/кг), а в 2007 г. в молочайно-пырейно-житняковом (Xav по блокам — 1691,9 мг/кг). Наименьшее содержание марганца за 2 года исследований отмечено в блоках грудницево-ковыльного сообщества (£av по блокам — 513,6 и 993,9 мг/кг соответственно).

Наиболее активно накопление Mn в ковыль-но-полынково-типчаковом сообществе отмечено в сфере BNP. Но в 2006 г. марганец активно накапливается в блоке R (221,8 мг/кг), а в

2007 г. — в блоке V (449,2 мг/кг), что связано с переходом этих блоков во времени. В ковыльном сообществе в 2006 г. наибольшее содержание Mn отмечено в блоке L (177,3 мг/кг), а в 2007 г. — в подземной части сообщества.

Для молочайно-пырейно-житнякового сообщества наиболее активны подземные органы, но в 2007 г. хорошо адсорбирует Мп и подстилка. На контрольном участке в грудницево-ковыль-ном сообществе в 2006 г. накопление Мп идет активнее в блоках Б (153,5 мг/кг) и V (163,5 мг/кг), а в 2007 г. приоритет достается блоку Ь (372,0 мг/кг). По сравнению с 2006 г. для всех исследуемых сообществ накопление Мп в 2007 г. возросло в 2—3 раза.

Таким образом, можно отметить, что наибольшее количество ТМ отмечается в блоках моло-чайно-пырейно-житнякового сообщества, наименьшее — в грудницево-ковыльном.

Следует подчеркнуть, что в 2007 г. содержание ТМ в блоках исследуемых сообществ, по сравнению с 2006 г., в несколько раз выше. Причем наблюдается следующая тенденция: в ковыль-но-полынково-типчаковом и молочайно-пырей-но-житняковом сообществах концентрация Хп, №, РЬ, Мп увеличивается в одинаковых пропорциях. Такая же зависимость отмечена между ковыльным и грудницево-ковыльным сообществами. Для ковыльно-полынково-типчакового и молочайно-пырейно-житнякового сообществ увеличение со временем происходит в схожее число раз, такая же тенденция отмечена по ковыльному и грудницево-ковыльному сообществам.

В 2006 г. по среднесуммарному накоплению всех исследуемых ТМ в блоках в порядке снижения идут сообщества: молочайно-пырейно-житняковое (12046,3 мг/кг); ковыльное (2508,6 мг/кг); грудницево-ковыльное (1350,5 мг/кг); ковыльно-полынково-типчаковое (1235,1 мг/кг). В 2007 г. среди сообществ лидирует также мо-лочайно-пырейно-житняковое (72650,0 мг/кг), далее в порядке снижения идут: ковыльно-

полынково-типчаковое (4297,5 мг/кг); ковыльное (4015,3 мг/кг); грудницево-ковыльное (2201,1 мг/кг).

ПДК — один из основных показателей, по которому оценивается и прогнозируется состояние экосистем, развивающихся в условиях техногенного воздействия. На территории Оренбургской области были приняты и действуют региональные ПДК для Си, Zn, Cd, Pb и Ni [7]. Для Со и Мп предельная концентрация не установлена.

Следует отметить, что в 2006 г. по отношению к 2007 г. зарегистрировано наименьшее отклонение от ПДК по превышению металлов. Тем не менее, в общесуммарном зачете отмечается превышение по ПДК за весь период исследования. Таким образом, наибольшее превышение ПДК по исследуемым тяжелым металлам за вегетационный период 2006 и 2007 гг. отмечается в моло-чайно-пырейно-житняковом сообществе.

Литература

1. Государственный доклад о состоянии окружающей природной среды Оренбургской области в 2006, 2007 году // Комитет природных ресурсов по Оренбургской области. Оренбург, 2007, 2008. - 197 с., 199 с.

2. ГОСТ 26929-94. Сырье и продукты пищевые. Подготовка проб. Минерализация для определения содержания токсичных элементов.

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

4. Колодина, О.А. География Оренбургской области. Население и хозяйство. — Оренбург: Издательство «Орлит-А», 2006. - С. 41-132.

5. Методы изучения биологического круговорота в различных природных зонах / Н.И. Базилевич, А.А. Титлянова, В.В. Смирнов, JI.E. Родин, Н.Т. Нечаева, Ф.И. Левин. — М.: Изд-во «Мысль», 1978. - 181 с.

6. Подземные органы растений в травяных экосистемах / А.А. Титлянова, Н.П. Косых, Н.П. Миронычева-Токарева, И.П. Романова. — Новосибирск: Наука. Сибирская издательская фирма РАН, 1996. — 128 с.

7. Ряховский, А.В., Батурин, И.А., Березнева, А.П. Агрономическая химия. Оренбург, 2004. — 283 с.