CC BY
346
УДК / UDC 669.018.674:544.726:581.148.2:711.433
НАКОПЛЕНИЕ ИОНОВ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ЛИСТОВОМ ОПАДЕ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ ДРЕВЕСНЫХ РАСТЕНИЙ НА УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЯХ
ACCUMULATION OF HEAVY METALS IN LEAF LITTER OF DIFFERENT TREE SPECIES
IN URBAN AREAS
Коношина С.Н., кандидат сельскохозяйственных наук, доцент Konoshina S.V., Candidate of Agricultural Sciences, Associate Professor Хилкова Н.Л., кандидат химических наук, доцент Khilkova N.L., Candidate of Chemical Sciences, Associate Professor Орловский государственный аграрный университет, Орел, Россия Orel State Agrarian University, Orel City, Russia E-mail: [email protected], [email protected]
АННОТАЦИЯ
Проведен анализ накопления тяжелых металлов листового опада древесных растений конского каштана обыкновенного Aesculus hippocastanum, липы сердцевидной Tilia cordata, лиственницы сибирской Larix sibirica, рябины обыкновенной Sorbus aucuparia, берёзы бородавчатой Betula verrucosa, произрастающих в черте г. Орел. Выявлены виды древесных растений, листовой опад которых обладает наибольшей аккумуляцией тяжелых металлов. Максимальное суммарное содержание ионов тяжелых металлов в листовом опаде наблюдали у рябины обыкновенной и березы бородавчатой.
ABSTRACT
Analysis of heavy metal accumulation of leaf litter of woody plants: Aesculus hippocastanum Aesculus hippocastanum, heart-shaped linden Tilia cordata, Siberian larch Larix sibirica, mountain ash Sorbus aucuparia, warty birch Betula verrucosa, growing within Orel City is given. The kinds of woody plants, which leaf litter has the largest accumulation of heavy metals are determined. The maximum total content of heavy metals in leaf litter was observed in mountain ash and birch.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА
Листовой опад, древесные растения, урабнизированные территории, аккумуляция тяжелых металлов.
KEY WORDS
Leaf litter, woody plants, urban areas, accumulation of heavy metals.
Последнее время возрос интерес к экологическим проблемам промышленных регионов, формирующих качество среды. Контроль за качеством окружающей среды является неотъемлемой частью комплекса природоохранных мероприятий. Биоиндикаторы являются объективными показателями состояния воздуха, почвы и других объектов. В качестве биоиндикаторов используются и различные виды растений и некоторые их части. Наиболее часто в качестве загрязнителей упоминаются тяжелые металлы [1].
К тяжелым металлам относят химические элементы, имеющие атомную массу выше 50 единиц, т.е. белее 40 химических элементов. Самые распространенные их них - железо, хром, медь, свинец, цинк, кадмий, никель, кобальт, ртуть, марганец, молибден.
Источниками поступления ионов тяжелых металлов являются в основном автомобильный транспорт, промышленные предприятия и минеральные удобрения, вносимые в почву.
В условиях городской среды в качестве важного барьера на пути распространения тяжелых металлов могут выступать древесные растения. Листья, имеющие развитую поверхность обмена с окружающей средой, поглощают и осаждают из воздуха наибольшее количество атмосферных примесей [2].
Листовой опад увеличивает содержание ионов тяжелых металлов в почве, что непосредственно влияет не только на экологию урбанизированных территорий, но и на онтогенез растений [3 ].
В литературных данных имеются сведения об изучении распространения тяжелых металлов в окружающей среде и их аккумуляции растениями [4-13].
.Многие из перечисленных элементов не всегда опасны, в некоторых случаях они выполняют жизненно важную функцию для растений: дефицит меди приводит к нарушению образования лигнина, а дефицит молибдена приводит к нарушению развития клеток, недостаток железа приводит к хлорозу [14-15].
Известно, что тяжелые металлы поступают в растения преимущественно через корни, но и значительное их количество поступает через листья, а максимальное количество ионов тяжелых металлов наблюдается в осенний период. [16], что и послужило выбором направления исследования.
Цель исследования - изучение накопления ионов тяжелых металлов (Cd^ Pb2+, Mn2+, Cu2+, Fe2+, Zn2+) в листовом опаде различных пород древесных растений.
Объектом исследования служил листовой опад древесных растений используемых в озеленении городов средней полосы России - каштан конский обыкновенный Aesculus hippocastanum, липа сердцевидная Tilia cordata, лиственница сибирская Larix sibirica, рябина обыкновенная Sorbus aucuparia, клён остролистный Acer platanoides, берёза бородавчатая Betula verrucosa. Листья собраны в сентябре-октябре в парке Орловского государственного аграрного университета.
УСЛОВИЯ, МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Орловская область расположена в центральной части Среднерусской возвышенности. Климат умеренно континентальный с неравномерным распределением осадков.
Среднегодовая температура воздуха +4,3о С. Абсолютный максимум - +38оС. Абсолютный минимум -38оС. Средняя температура воздуха наиболее тёплого месяца июля - составляет 17,9 - 19,6оС, а наиболее холодного месяца января - -9,0 - 10,5 оС.
Среднее число дней в году со снежным покровом - 123 дня. Общая продолжительность периода с положительной среднесуточной температурой составляет 220 дней.
Продолжительность безморозного периода в среднем составляет 146 дней. Гидротермический коэффициент равен 1.2 - 1.3, что является показателем достаточной влагообеспеченности растений в вегетационный период. За год выпадает 570-580 мм осадков, Осадки распределяются неравномерно. Как правило, в первой половине вегетационного периода ощущается недостаток влаги в почве, а во второй возможно избыточное её увлажнение.
Почва, на которой произрастают растения, представляет собой типичную для области тёмно-серую лесную среднесуглинистую почву, обладает близкой к нейтральной кислотности (pH солевой вытяжки 5,6 и %.8 соответственно), имеет повышенное содержание фосфора (13,6 мг /100 г почвы) и высокое содержание подвижного калия (20,5 мг/100г почвы), среднеобеспеченны гумусом (4,25%).
Микроэлементы определяли на приборе Спектрометр ICAP 6300 Дио методом атомно-адсорбционного анализа, основанном на свойстве атомов металлов поглощать в основном состоянии свет определенных длин волн, который они испускают в возбужденном состоянии. Необходимую для поглощения резонансную линию получали от лампы с полым катодом, изготовленным из определяемого элемента. Величина поглощения света пропорциональна содержанию определяемых элементов, на чем и основано их количественное определение.
Статистическая обработка полученных результатов. В графиках представлены средние арифметические из 3-кратных биологических повторностей и их стандартной ошибки. Аналитическая повторность 5-7 кратная. Результаты исследований были подвергнуты статистической обработке. Компьютерную обработку данных осуществляли на IBM PC с помощью программ EXCEL.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
J
/ J
л? ^ ^ J
Г jy .<V rip
.о?- „
У S
сР
jf ж
Содержание ионов тяжелых металлов в листьях не превышала ПДК, но имело различное значение в зависимости от видового состава древесных растений.
Известно, что кадмий и свинец не участвует в метаболизме растений и токсичны даже в очень низких концентрациях. В условиях города Орла данные тяжелые металлы накапливаются в основном в листьях березы, липы, меньше всего - в каштане конском.
1
0,8 0,6 0,4 0,2 0
□ кадмий
Рисунок 1 - Содержание ионов кадмия в листовом опаде, мг/кг сухой массы
Содержание ионов кадмия в листьях березы в два раза превышало содержание этих ионов в каштане конском, и почти в десять раз больше, чем в рябине обыкновенной, липе сердцевидной и лиственнице сибирской
3 2,5 2 1,5 1
0,5 0
^ ^ ¿Р <<
л* .¿Г л*
«Г
л»
<г У
□свинец
* / /
Рисунок 2 - Содержание ионов свинца в листовом опаде, мг/кг сухой массы
Максимальное содержание ионов свинца наблюдалось в образцах листьев березы бородавчатой и лиственницы сибирской (2,92 и 2,8 мг/кг сухой массы соответственно), содержание в липе сердцевидной и рябине обыкновенной было
приблизительно одинаково (1,8 и 2,0 мг/кг сухой массы соответственно), минимальное содержание - в каштане конском (0,3 мг/кг сухой массы).
500 400 300 200 100 0
□ марганец
^ ЧГ ¿Г ¿3»
МГ .о« *///
>
Рисунок 3 - Содержание ионов марганца в листовом опаде, мг/кг сухой массы
Марганец участвует в процессе фотосинтеза и является активаторов ряда ферментных систем. Его содержание было максимальным в листьях березы бородавчатой (480 мг/кг сухой массы) и почти в два раза меньше в листовом опаде рябины обыкновенной (215 мг/кг сухой массы соответственно), практически одинаковые данные (110, 104, 96 мг/кг сухой массы) были получены в образцах каштана конского, лиственницы сибирской, липы сердцевидной.
30 25 20 15 10 5 0
1медь
& ^ ^ ~
Ж АГ .о* ,
о* ч# о* Л
р * у у
Рисунок 4 - Содержание ионов меди в листовом опаде древесных растений, мг/кг сухой массы
Почти вся медь сосредоточена в хлоропластах растений и связана с процессом фотосинтеза, дыхания, фиксации азота, а также входит в состав ряда ферментов.
Максимальное количество ионов меди было зафиксировано в листовом опаде рябины обыкновенной (29,6 мг/кг сухой массы), что практически в два раза превышало содержание в каштане конском, березе бородавчатой, липе сердцевидной (15,2; 14,3; 13,8 мг/кг сухой массы соответственно). Минимальное содержание наблюдалось в лиственнице сибирской (1, 8 мг/кг сухой массы).
Железо играет важную роль в процессах, происходящих при фотосинтезе и дыхании, а также катализирует многие биохимические реакции.
800 600 400 200 0
□железо
^ ^ и/ ^
^ АГ .с
г лг ,0*"
¿г
Рисунок 5 - Содержание ионов железа в листовом опаде древесных растений,
мг/кг сухой массы
По количеству содержания ионов железа в листовом опаде растения распределились следующим образом: рябина обыкновенная > береза бородавчатая > липа сердцевидная > каштан конский > лиственница сибирская.
100 80 60 40 20 0
& £ ^ ^
/ ¿Г ^ о«* У У
□ Цинк
Рисунок 6 - Содержание ионов цинка в листовом опаде древесных растений, мг/кг сухой массы
Рисунок 7 - Общее содержание ионов тяжелых металлов в листовом опаде древесных
растений, мг/кг сухой массы
Цинк необходим для образование дыхательных ферментов и влияет на содержание витамина С, каротина, углеводов и белков, усиливает рост корневой системы. Его содержание в исследуемых образцах изменялось от 82 в каштане конском до 8,5 мг/кг сухой массы в лиственнице сибирской.
Максимальное суммарное содержание ионов тяжелых металлов в листовом опаде наблюдали у рябины обыкновенной и березы бородавчатой. Однако, у рябины обыкновенной высокое суммарное содержание ионов тяжелых металлов обеспечено за счет большого количества ионов железа (70,5%), тогда как береза бородавчатая накапливает тяжелые металлы за счет содержания не только ионов железа (46,45%), но и ионов кадмия (0,1%), свинца (0,32%), марганца (52,33%).
Листья липы сердцевидной накапливают преимущественно ионы железа, каштан конский - ионы цинка, меньше всего накапливает тяжелые металлы - лиственница сибирская.
ВЫВОДЫ
В условиях урбанизированной территории отчетливо выраженной способностью к аккумуляции тяжелых металлов обладает береза бородавчатая, которая накапливает самые токсичные тяжелые металлы - кадмий, свинец, а также марганец. Поскольку породы древесных растений накапливают по-разному ионы тяжелых металлов, необходимо максимально использовать видовое разнообразие древесных растений в озеленении города. Целесообразно удаление листового опада в городской черте для предотвращения загрязнения тяжелыми металлами почвы и ингибирования развития травяной и древесной растительности.
БИБЛИОГРАФИЯ
1. Есенжолова А.Ж., Панин М.С., Биоиндикационный потенциал листьев древесных и кустарниковых растений г. Темиртау, Вестник Томского государственного университета. Биология,2012.№3.(19). С.160-168
2. Илькун Г.М. Загрязнители атмосферы и растения. Киев: Наукова думка, 1978. 246с.
3. Коношина С.Н., Хилкова Н.Л., Прудникова Е.Г. Аллелопатическая активность листового опада древесных растений Орловской области.- Ученые записки Орловского государственного университета.- №3(59), 2014, с.-152-155.
4. Коршиков И.И., Котов В.С., Михеенко И.П., Игнатенко А.А., Чернышова Л.В. Взаимодействие растений с техногенно загрязненной средой. Стойкость. Фитоиндикация. Оптимизация. Киев: Наукова думка, 1995. 192 с.
5. Давыдова С.Л. Тяжелые металлы как суперэкотоксиканты XXI века. М.: Издательство РУДН, 2002. 140с
6. Иванова Р.Р. Оценка состояние окружающей среды по содержанию тяжелых металлов в почве и растительности города. [Электронный ресурс]// Научный журнал КубГАУ.- 2012.- №81(07)
URL:http://ej.kubagro.ru/2012/07/pdf/32.pdf (дата обращения: 10.02.2015)
7. Кретович В. Л. Биохимия растений (учебник для университетов). Издательство: Москва, Высшая школа. С.445, 1980
8. Новиков А.В., Козак М.Ф., Чуйков Ю.С., Щепетова Е.В., Дубровин Ю., Екимова Г., Матвеева А. Исследование воздействия антропогенного загрязнения среды с помощью растительных тест-объектов. Астраханский вестник экологического образования, 2008, №1-2, С.24-31.
9. Зокиров Р.С., Неверова О.А. Оценка аккумулирующей способности древесных растений в отношении тяжелых металлов в примагистральных зонах г. Худжанда // Современные проблемы науки и образования. - 2012. - № 5; URL: www.science-education.ru/105-7230 (дата обращения: 17.02.2015).
10. Кирилюк Л.И., Захарина Т.Н., Бахтина Е.А. тяжелые металлы в растениях Ямальского региона и формирование принципа экологической инфраструктуры // Успехи современного естествознания. - 2005. - № 7 - С. 60-60
URL: www. rae. ru/use/?section=content&op=show_article&article_id=7782225 (дата обращения: 17.02.2015).
11. Копылова Л.В. Аккумуляция железа и марганца в листьях древесных растений в техногенных районах Забайкальского края. Известия Самарского научного центра Российской академии наук, т.12, №1(3), 2010, С.709-712.
12. Memon A.R., Aktoprakligil D., Ozdemir A., Vertii A., Heavy Metal Accumulation and Detoxification Mechanisms in Plants // Turk. J. Bot. 2001. Vol. 25. P. 111-121.
13. Помогайбин А.В., Кавеленова Л.М., Силаева О.Н. Некоторые особенности химического состава и биологической активности листового опада рода Орех (Juglans L.) при интродукции в Среднем Поволжье. Химия растительного сырья, 2002, №4, С. 43-47.
14. Неспецифическая устойчивость растений к стрессовым факторам и ее регуляция Шакирова Ф.М. Издательство: Гилем Год: 2001 С.160
15. Медведев С.С. Физиология растений. Издательство Санкт-Петербургского университета 2004 С. 336
16. Ветчинникова Л.В., Т.Ю. Кузнецова, А.Ф. Титов, Особенности накопления тяжелых металлов в листья древесных растений на урбанизированных территориях в условиях севера. Труды Карельского научного центра РАН, №3. 2013. С.68-73.
