Содержание тяжелых металлов в листьях городских древесных насаждений

УДК 502:504.05/06 М.В. Ларионов

СОДЕРЖАНИЕ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ЛИСТЬЯХ ГОРОДСКИХ ДРЕВЕСНЫХ НАСАЖДЕНИЙ

Установлено, что приоритетными загрязнителями древесных растений в городах Среднего и Нижнего Поволжья являются свинец, цинк и медь. Главными аккумуляторами техногенных тяжелых металлов являются представители мелколиственных пород деревьев: Ulmus pumila L., Ulmus laevis Pall, Padus avium Mill., Sorbus aucuparia L.

Ключевые слова: загрязнение, тяжелые металлы, древесные насаждения, города, металлоакку-муляция.

M.V. Larionov

HEAVY METALS CONTENT IN URBAN TREES PLANTATION LEAVES

Lead, zinc and copper are determined to be the priority pollutants of woody plants in the Middle and Lower Volga region cities. The main heavy metals anthropogenic accumulators are small-leaved tree species representatives: Ulmus pumila L., Ulmus laevis Pall, Padus avium Mill., Sorbus aucuparia L.

Key words: pollution, heavy metals, trees plantations, cities, metals accumulation.

Растения являются природными биоаккумуляторами микроэлементов, в том числе тяжелых металлов [1, 2]. Негативное воздействие на устойчивость растений оказывают повышенные концентрации тяжелых металлов в тканях [3, 4].

В городских условиях важнейшую роль в поддержании экологического баланса территорий выполняют древесные насаждения [4, 6].

Таким образом, объектами исследований являлись древесные насаждения в городах Среднего и Нижнего Поволжья: в Саратовской области - гг. Балашов, Саратов; в Пензенской области - гг. Сердобск, Кузнецк; в Ульяновской области - гг. Инза, Димитровград.

Цель исследований, выполненных в 2006-2011 гг., заключалась в оценке металлоаккумулирующей способности разных видов деревьев, используемых в качестве озеленительного материала в районе исследований.

Пробные площади закладывались в соответствии с общепринятыми методиками полевых исследований [1, 2, 5] в трех главных функциональных зонах городов: промышленных, селитебных и рекреационных. Размер каждой пробной площади составил 2500 м2 (50x50 м2). Данные размеры пробной площади обеспечили включение видового состава древесных растений, необходимого для проведения мониторинга модельных видов. Контроль включал пробные площади (4 шт.), заложенные в фоновых для Среднего и Нижнего Поволжья природных экосистемах Балашовского района Саратовской области. Данными природными, относительно ненарушенными экосистемами являлись участки пойменных лесов и разнотравных степей.

На пробных площадях отбирались образцы листьев у 14 видов древесных растений, которые встречаются в аборигенной флоре степного и лесостепного Поволжья (кроме видов-интродуцентов: Acer negundo L., Ulmus pumila L., Tilia platyphyllos Scop., Robinia pseudoacacia L., Aesculus hippocastanum L., Fraxinus pennsylvanica March.) и в городских насаждениях различного функционального назначения: рекреационного, пыле- и ветрозащитного, водоохранного, декоративного, противоэрозионного. Далее растительные образцы подвергались элементному анализу в лабораторных условиях.

В период с 2006 по 2011 г. отмечено относительное постоянство содержания тяжелых металлов в листьях модельных видов древесных растений, произрастающих на контрольных участках. Прослеживается незначительный рост концентрации Cu в листьях деревьев, что свидетельствует о начавшемся процессе техногенного загрязнения природных экосистем.

Для того чтобы оценить объемы среднегодового накопления тяжелых металлов в фитомассе листьев модельных видов, вычислены средние арифметические значения установленных концентраций элементов (табл. 1).

Таблица 1

Содержание техногенных тяжелых металлов в листьях древесных растений в контроле

Вид М ±mM на ПП № 1-4, мг/кг сухого вещества

Pb Zn Mn Cu

Acer platanoides L. 0,27±0,012 24,40±1,1 234,8±10,2 5,4±0,10

A. negundo L. 0,34±0,01 41,0±1,8 62,5±2,9 6,0±0,15

Ulmus laevis Pall. 0,61±0,013 42,7±1,4 109,8±2,7 28,3±1,3

U. pumila L. 0,47±0,017 74,4±2,6 86,0±2,1 35,4±1,5

Tilia cordata Mill. 0,45±0,017 31,4±1,5 118,6±2,3 8,9±0,11

T. platyphyllos Scop. 0,37±0,014 31,7±3,1 70,6±2,5 6,7±0,21

Cerasus vulgaris Mill. 0,37±0,015 19,2±0,12 56,02±1,4 10,0±0,12

Pinus sylvestris L. 0,33±0,014 15,8±0,11 31,47±1,2 7,4±0,11

Sorbus aucuparia L. 0,43±0,019 54,9±2,1 65,1±2,6 3,2±0,09

Robinia pseudoacacia L. 0,37±0,018 46,5±1,8 47,9±1,4 6,8±0,30

Aesculus hippocastanum L. - - - -

Fraxinus pennsylvanica March. 0,12±0,005 23,8±0,9 36,6±0,9 13,6±0,22

Padus avium Mill. 0,45±0,02 47,9±0,84 88,5±3,6 12,1±0,20

Betula verrucosa Ehrh. 0,39±0,008 49,4±1,3 61,4±1,4 12,6±0,38

Критическая концентрация (норматив) 10,0 - 334,0 150,0

ПДК(норматив) 0,5 134,0 - 20,0

Средневзвешенные величины концентраций техногенных тяжелых металлов в природных экосистемах (контроль) не превышали критических и предельно допустимых концентраций.

Среднеарифметические значения содержания тяжелых металлов в листьях древесных насаждений г. Балашова (Саратовская область) не превышали критических значений (табл. 2).

Таблица 2

Содержание техногенных тяжелых металлов в листьях древесных растений г. Балашова

Вид M±mM на ПП № 1-10, мг/кг сухого вещества

Pb Zn Mn Cu

A. platanoides L. 0,59±0,03 41,1±0,77 286,7±13,4 22,9±0,24

A. negundo L. 1,03±0,02 100,8±4,6 143,6±2,1 20,8±1,0

U. laevis Pall. 1,05±0,04 92,2±3,5 155,9±3,9 90,8±3,6

U. pumila L. 0,78±0,03 139,7±6,6 176,0±4,3 78,8±3,2

T. cordata Mill. 0,71±0,03 59,9±1,9 194,8±5,2 52,4±2,5

T. platyphyllos Scop. 0,58±0,02 76,6±2,3 151,1 ±5,4 21,4±0,82

C. vulgaris Mill. 0,50±0,009 34,2±1,1 77,7±2,3 19,3±0,88

P. sylvestris L. 0,43±0,02 26,1 ±0,44 97,8±3,6 17,6±0,18

S. aucuparia L. 0,58±0,013 97,6±2,5 135,5±4,4 18,1 ±0,89

R. pseudoacacia L. 0,48±0,012 85,7±2,3 76,1 ±3,6 16,4±0,76

A. hippocastanum L. 0,45±0,011 155,9±4,6 109,1 ±4,9 20,2±0,75

F. pennsylvanica March. 0,32±0,013 66,5±1,7 52,3±2,0 36,5±1,7

P. avium Mill. 0,78±0,02 55,0±1,5 134,5±5,8 23,9±0,86

B. verrucosa Ehrh. 0,49±0,018 80,3±2,9 62,5±2,4 19,6±0,83

Критическая концентрация (норматив) 10,0 - 334,0 150,0

ПДК (норматив) 0,5 134,0 - 20,0

Примечание: здесь и далее курсивом выделено значение М±mм, превышающее критическую концентрацию; жирным шрифтом выделено значение М±mм, превышающее ПДК.

Наибольшие количества Pb (мг/кг сухого вещества) концентрировались в листьях A. negundo L. (1,03±0,02) и U. laevis Pall. (1,05±0,04), наименьшие - в F. pennsylvanica March. (0,32±0,013) и P. sylvestris L. (0,43±0,02). Максимальное содержание Zn (мг/кг сухого вещества) отмечено в листьях A. hippocastanum L. (155,9±4,6) и U. pumila L. (139,7±6,6), минимальное содержание - в P. sylvestris L. (26,1±0,44) и C. vulgaris Mill. (34,2±1,1 мг/кг сухого вещества). Максимум Mn накопилось в листьях A. platanoides L. (286,7±13,4 мг/кг сухого вещества), T. cordata Mill. (194,8±5,2) и U. pumila L. (176,0±4,3), минимум - в F. pennsylvanica March. (52,3±2,0) и B. verrucosa Ehrh. (62,5±2,4).

У ряда видов (A. platanoides L., A. negundo L., U. laevis Pall., U. pumila L., T. cordata Mill., T. platyphyllos Scop., A. hippocastanum L., F. pennsylvanica March. и P. avium Mill.) содержание Cu превышало ПДК. Максимальная металлоаккумуляция Cu выявлена у U. laevis Pall. (90,8±3,6 мг/кг сухого вещества) и U. pumila L. (78,8±3,2 мг/кг сухого вещества).

Накопление тяжелых металлов в фитомассе листьев г. Сердобска (Пензенская область) происходило в количествах, не превышающих ПДК (табл. 3).

Таблица 3

Содержание техногенных тяжелых металлов в листьях древесных растений г. Сердобска

Вид М ±mM на ПП № 1-10, мг/кг сухого вещества

V Pb Zn Co

A. platanoides L. 3,0±0,14 0,40±0,02 11,9±0,44 3,3±0,07

A. negundo L. 5,9±0,17 0,50±0,02 5,3±0,07 6,1 ±0,12

U. laevis Pall. 5,б±0,21 0,50±0,021 45,4±1,1 6,4±0,08

U. pumila L. 8,9±0,32 0,44±0,017 45,9±1,4 7,4±0,07

T. cordata Mill. 6,3±0,25 0,37±0,013 30,3±0,89 3,3±0,09

T. platyphyllos Scop. 2,2±0,08 0,40±0,015 45,5±1,2 6,5±0,14

C. vulgaris Mill. 1,1 ±0,05 0,40±0,019 13,6±0,26 5,6±0,17

P. sylvestris L. 1,9±0,09 0,45±0,020 10,3±0,22 2,2±0,10

S. aucuparia L. 15,0±0,63 0,31±0,014 54,2±1,5 3,5±0,11

R. pseudoacacia L. 26,1±0,98 0,49±0,014 41,3±1,8 6,9±0,25

A. hippocastanum L. 15,3±0,67 0,37±0,011 87,0±3,2 5,3±0,25

F. pennsylvanica March. 1,0±0,03 0,26±0,012 32,2±1,5 1,9±0,05

P. avium Mill. 12,9±0,61 0,34±0,015 23,5±1,1 3,9±0,18

B. verrucosa Ehrh. 17,3±0,43 0,48±0,021 34,1±1,3 4,2±0,19

Критическая концентрация (норматив) 2,0 10,0 - 5,0

ПДК (норматив) - 0,5 134,0 10,0

V накапливался в образцах листьев всех исследованных растений с превышением критической концентрации. Максимальные концентрации V (мг/кг сухого вещества) зарегистрированы в R. pseudoacacia L. (26,1±0,98), B. verrucosa Ehrh. (17,3±0,43) и A. hippocastanum L. (15,3±0,67). Максимальные концентрации Pb (мг/кг сухого вещества) отмечены в A. negundo L. (0,50±0,02), U. laevis Pall. (0,50±0,021), B. verrucosa Ehrh. (0,48±0,021). Больше всего Zn концентрируется в A. hippocastanum L. (87,0±3,2) и S. aucuparia L. (54,2±1,5 мг/кг сухого вещества). Максимальное количество Co (мг/кг сухого вещества) выявлено в U. pumila L. (7,4±0,07) и U. laevis Pall. (6,4±0,08).

В процессе выполнения мониторинговых исследований в г. Камышине (Волгоградская область) получены результаты, представленные в таблице 4.

Таблица 4

Содержание техногенных тяжелых металлов в листьях древесных растений г. Камышина

Вид М±mм на ПП №№ 1-10, мг/кг сухого вещества

Pb Zn Cd Cu

A. platanoides L. 0,31±0,01 39,6±1,8 0,003±0,0001 20,8±0,82

A. negundo L. 0,40±0,012 97,9±4,6 0,011 ±0,0004 20,4±0,79

U. laevis Pall. 0,45±0,019 109,3±4,9 0,026±0,001 101,5±4,5

U. pumila L. 0,50±0,023 154,4±6,1 0,029±0,001 113,6±4,6

T. cordata Mill. 0,38±0,007 70,9±2,3 0,02±0,0009 55,1 ±2,1

T. platyphyllos Scop. 0,44±0,015 60,1±1,5 0,013±0,0004 24,4±1,2

C. vulgaris Mill. 0,45±0,018 34,4±0,76 0,008±0,0001 27,5±1,3

P. sylvestris L. 0,29±0,014 46,3±0,88 0,006±0,0001 32,0±1,5

S. aucuparia L. 0,31±0,012 101,2±4,7 0,018±0,0008 28,6±1,1

R. pseudoacacia L. 0,65±0,031 113,7±4,4 0,013±0,0005 25,6±0,88

A. hippocastanum L. 0,20±0,003 117,1 ±4,5 0,009±0,0003 31,1 ±0,95

F. pennsylvanica March. 0,62±0,022 74,0±2,2 0,002±0,0001 28,1 ±0,78

P. avium Mill. 0,38±0,014 66,3±2,3 0,003±0,0001 39,4±1,2

B. verrucosa Ehrh. 0,29±0,008 56,9±1,7 0,002±0,00009 22,5±0,85

Критическая концентрация (норматив) 10,0 - - 150,0

ПДК (норматив) 0,5 134,0 0,35 20,0

Максимальное содержание Cu (мг/кг сухого вещества) зарегистрировано в золе U. pumila L. (113,6±4,6), U. laevis Pall. (101,5±4,5) и T. cordata Mill. (55,1±2,1). Pb в большей мере оказывал влияние на R. pseudoacacia L. (0J65±0J031) и F. pennsylvanica March. (0,62±0,022 мг/кг сухого вещества). Zn и Cd концентрировались в листьях деревьев в небольших количествах, которые не превышали ПДК. Лишь в образцах листьев U. pumila L. обнаружено превышение критической концентрации U. pumila L. (154,4±6,1 мг/кг сухого вещества).

В таблице 5 приведены элементные составы (ряды по убыванию концентраций) модельных растений и почв в районе исследований.

Таблица 5

Элементный ряд техногенных тяжелых металлов в листьях модельных растений и в почвенном покрове

Исследуемые районы Элементный состав листьев модельных растений Элементный состав почв

Контроль Mn > Zn > Cu > Pb Mn > Zn > Cu > Pb

Балашов Mn > Zn > Cu > Pb Mn > Zn > Cu > Pb > Ni

Саратов Mn > Zn > Cu > Pb > Cd > Hg Mn > Zn > Pb > Cu > Co > Ni > Hg > Cd

Сердобск Zn > V > Co > Pb V > Zn > Co > Pb

Кузнецк Fe > Zn > Pb > Cr > Co > Sb Fe > Cr > Zn > Co > Pb > Sb

Камышин Zn > Cu > Pb > Cd Zn > Cu > Pb > Sb > Cd

Волжский Zn > Cu > Ni > Pb > Cd > Hg Zn > Pb > Cu > Ni > Cd > Hg

Инза Zn > V > Cr > Pb Cr > V > Zn > Pb

Димитровград Zn > Cu > V > Cr > Pb Cr > V > Cu > Pb > Zn > Ni

В сводной таблице 6 содержатся результаты вычисления сумм концентраций идентифицированных техногенных тяжелых металлов в листьях модельных растений района исследований.

Таблица 6

Оценка суммарной металлоаккумулирующей способности древесными растениями в районе исследований

Город Вид Хтм, мг/кг сухого вещества

Балашов U. pumila L. 395,3

A. platanoides L. 351,3

U. laevis Pall. 340,0

Саратов U. pumila L. 625,1

U. laevis Pall. 512,1

A. platanoides L. 486,7

Сердобск A. hippocastanum L. 108,0

R. pseudoacacia L. 74,8

S. aucuparia L. 73,0

Кузнецк P. avium Mill. 470,5

T. platyphyllos Scop. 404,3

U. laevis Pall. 388,1

Камышин U. pumila L. 268,6

U. laevis Pall. 211,2

A. hippocastanum L. 148,4

Волжский U. laevis Pall. 291,3

U. pumila L. 265,6

S. aucuparia L. 209,7

Инза U. pumila L. 158,6

A. hippocastanum L. 150,3

A. negundo L. 131,2

Димитровград U. pumila L. 296,2

U. laevis Pall. 276,3

S. aucuparia L. 230,5

Примечание. Жирным шрифтом выделены представители рода Ulmus L.

Главными аккумуляторами техногенных тяжелых металлов в районе исследований являются представители мелколиственных пород деревьев. В первую очередь, это U. pumila L., U. laevis Pall, P. avium Mill., S. aucuparia L.

Из широколиственных пород-концентраторов тяжелых металлов выделяются A. hippocastanum L. (гг. Сердобск, Камышин, Инза), R. pseudoacacia L. (г. Сердобск), A. platanoides L. (гг. Балашов, Саратов) и A. negundo L. (г. Инза).

Литература

1. Гармаш Г.А. Накопление тяжелых металлов в почвах и растениях вокруг металлургических предприятий: автореф. дис. ... канд. биол. наук. - Новосибирск, 1985. - 25 с.

2. Глазовская М.А. Геохимические основы и методики исследования природных ландшафтов. - М.: Изд-во МГУ, 1964. - 230 с.

3. Тарабрин В.П. Физиолого-биохимические механизмы взаимодействия загрязнений и растений // Растения и промышленная среда. - Днепропетровск: Наука, 1990. - С. 64-71.

4. Assungao A.G.L., Schat H., Aarts M.G.M. Thlaspi caerulecens, an attractive model species to study heavy metal hyperaccumulation in plants // New Phytol. - 2003. - V. 159. - P. 351-360.

5. Bowen H.J.M. Trace elements in biochemistry. - New York; London: Academle Press, 1966. - 241 p.

6. Dynamics of cadmium distribution in the intercellular space and inside cell in soybean roots, stems and leaves / S. Kevresan [et al.] // Boil. Plant. - 2003. - V. 46, № 1. - P. 85-88.

---------♦'-----------