CC BY
80
——— ОТРАСЛЕВЫЕ ПРОБЛЕМЫ ОСВОЕНИЯ ЗАСУШЛИВЫХ ЗЕМЕЛЬ ———
УДК 631.422
АККУМУЛЯЦИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ РАЗНОТРАВНОЙ СТЕПНОЙ РАСТИТЕЛЬНОСТЬЮ ПО ДАННЫМ МНОГОЛЕТНЕГО МОНИТОРИНГА1
© 2018 г. Т.М. Минкина*, С.С. Манджиева*, В.А. Чаплыгин*, О.Г. Назаренко**, А.Ю. Максимов***, И.В. Замулина*, М.В. Бурачевская*, С.Н. Сушкова*
*Южный федеральный университет Россия, 344090, г. Ростов-на-Дону, просп. Стачки, д. 194/1. E-mail: [email protected] **Государственный центр агрохимической службы «Ростовский» Россия, 346735, Аксайский район, пос. Рассвет, ул. Институтская, д. 2 ***Ростовский научно-исследовательский онкологический институт Россия, 344037, г. Ростов-на-Дону, 14-я линия, д. 63
Поступила 28.06.2017
Степи Северного Приазовья являются исключительно благоприятным для ведения сельского хозяйства регионом, что выводит проблему выращивания экологически чистой продукции в условиях техногенного загрязнения на первый план. Исследовано воздействие аэротехногенных выбросов на накопление тяжелых металлов (ТМ) в черноземе обыкновенном, лугово-черноземной и аллювиальной почвах и растениях степной зоны: мятлика лугового (Poa pratensis L.) и пырея ползучего (Elytrigia repens (L.) Nevski.) семейства злаковые (Poaceae), тысячелистника благородного (Achillea nobilis L.) и полыни австрийской (Artemisia austriaca Jack.) семейства астровые (Asteraceae) на основе данных 17-летних мониторинговых исследований. Установлена аккумуляция Pb, Zn, Cd, Cu, Mn, Cr и Ni в почвах и растениях под влиянием выбросов ГРЭС. В загрязненных почвах доля непрочно связанных соединений ТМ составляет 28-52% от их валового содержания. На площадках мониторинга с наибольшей техногенной нагрузкой содержание Pb, Cd, Cr и Ni в исследуемых растениях превышает максимально допустимый уровень для кормов. Выявлено, что накопление ТМ в надземной части и корневой системе растений зависит от количества загрязняющих веществ и биологических особенностей видов растений. Виды растений семейства злаковых накапливают в надземной части меньше микроэлементов, чем семейства астровые.
Ключевые слова: микроэлементы, надземная и корневая части растений, почва, загрязнение, накопление, аэрозольные выбросы. DOI: 10.24411/1993-3916-2018-10025
Северное Приазовье представляет собой уникальную территорию, где сохранилась естественная степная растительность. Растительный покров представлен разнотравно-дерновинно-злаковыми и сухими дерновинно-злаковыми растительными сообществами (Блажний и др., 1985; Пашков, Зозулин, 1986). Количество работ, посвященных изучению аккумуляции тяжелых металлов (ТМ) в травянистых растениях, произрастающих в степной зоне на юге России, очень невелико. В тоже время на территории Северного Приазовья расположено большое количество промышленных предприятий энергетической, металлургической и рудодобывающей отраслей, являющихся источниками загрязнения окружающей среды. Одно из таких предприятий - предприятие первого класса опасности ПАО, филиал «ОГК-2» Новочеркасская ГРЭС (НчГРЭС), выбросы которой составляют более 70% от всех выбросов в Ростовской области (Экологический вестник Дона ..., 2017). В выбросах НчГРЭС содержится большое количество таких ТМ, как Pb, Cd, Zn, Cu, Ni, Mn и Cr (Минкина и др., 2013).
Металлы могут накапливаться в растениях после осаждения частиц загрязняющих веществ на поверхности растений путем их поглощения листьями (Xiong et al., 2014). Роль воздушного или
1 Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского научного фонда в рамках научного проекта № 16-14-10217.
почвенного источника в аккумуляции металлов зависит от многих факторов: объема и состава выбросов, присутствия других металлов, свойств почв, длительности загрязнения, специфических особенностей растений, периода вегетации, содержания и состава соединений металлов в почве (Deng et al., 2004; Motuzova et al., 2014). Знание о возможности поглощения и аккумуляции металлов различными видами растений обеспечит понимание их выбора для фитомелиорации.
В стеблях и листьях растений, произрастающих в зонах воздействия промышленности и автотранспорта, концентрируются ТМ (Shahid et al., 2013). Поэтому для мониторинга окружающей среды необходимо уделять большое внимание исследованию микроэлементного состава растений, произрастающих вблизи промышленных предприятий и автомобильных дорог.
Различные виды растений накапливают в своей надземной части и корневой системе неодинаковые количества ТМ в зависимости от уровня техногенной нагрузки и физиологических особенностей культуры (Демидчик и др., 2001; Ahmad et al., 2012; Ильин, Сысо, 2012). Отмечается влияние морфологии растений на аккумуляцию ими металлов: изрезанность листовой пластинки, опушенность, наличие смолистых веществ, воска и т.д.
Ранее уже было показано, что содержание металлов в подземных органах многих видов растений выше, чем в надземных (Кашин, Убугунов, 2012; Минкина и др., 2008; Серегин, Кожевникова, 2008; Shahid et al., 2017).
При равной концентрации ТМ в почве их накопление растениями отличается у разных видов, что обусловлено физиологическими особенностями - метаболическими процессами в тканях и избирательностью поглощения корневыми системами (Минкина и др., 2008; Серегин, Кожевникова, 2008).
Растения способны в течение длительного периода времени аккумулировать до определенного уровня элементы, содержание которых в почве превышает предельно допустимую концентрацию (ПДК). После достижения этого уровня в физиологических процессах растения происходят неблагоприятные изменения. Серьезную угрозу представляет отсутствие каких-либо визуальных признаков интоксикации растений, которые могут отчетливо проявиться только с течением времени. По этой причине многолетние стационарные наблюдения в зоне техногенного воздействия служат ценным источником информации.
Цель работы - на основании данных многолетних мониторинговых наблюдений выявить особенности накопления ТМ двумя видами семейства злаковых (мятлик луговой и пырей ползучий) и двумя видами семейства астровых (тысячелистник благородный и полынь австрийская), широко распространенных в степной зоне на юге России и в районе исследований.
Решались следующие задачи:
1. Установить особенности накопления ТМ в различных типах почв и тестовых видах растений в
зависимости от расположения по отношению к основному объекту-загрязнителю - НчГРЭС.
2. Изучить взаимосвязь между содержанием металлов в почвах и тестовых видах растениях.
3. Провести сравнительный анализ различий в накоплении ТМ надземной частью и корневой системой тестовых растений.
Объекты и методы исследований
На залежных участках на разном расстоянии (от 1 до 20 км) и в направлении от НчГРЭС в 2000 году были заложены мониторинговые площадки (рис. 1). Сельскохозяйственное использование участков залежи было прекращено около 25 лет назад, что привело к восстановлению естественного травяного покрова данной территории. Наибольшее количество площадок мониторинга (№№ 4, 8, 9, 10) расположено по линии преобладающего в розе ветров северо-западного направления от предприятия. На площадках мониторинга ежегодно (с 2000 по 2017 гг.) проводился отбор почвенных образцов с верхнего 20-сантиметрового слоя (ГОСТ 28168-89). Почвы мониторинговых площадок представлены черноземом обыкновенным тяжелосуглинистым (площадки №№ 1, 4, 5, 7, 9, 10, 11), лугово-черноземной легкоглинистой (площадки №№ 3, 6, 8) и аллювиальной почвами поймы р. Тузлов (площадка № 2) и характеризуются свойствами, которые представлены в таблице 1. Образцы растений (надземная часть и корни) отбирались в фазу массового цветения (ГОСТ 2726287), поскольку в этой фазе наблюдается самое высокое поступление элементов в растения (Ильин, Сысо, 2012). Одновременно с отбором растений проводилось их геоботаническое описание. Корни извлекали вместе с монолитом почвы во избежание потери большей части корневой системы. После
отбора растения высушивались до воздушно-сухого состояния, надземная и корневая части отделялись друг от друга и измельчались. Корневая часть перед измельчением предварительно очищалась от частиц почвы.
Рис. 1. Карта-схема расположения площадок мониторинга.
Таблица 1. Физико-химические свойства почв мониторинговых площадок.
Свойства почв Почва и площадки мониторинга (расстояние и направление от ГРЭС)
Чернозем обыкновенный тяжелосуглинистый: 1 (1.0 СВ), 4 (1.6 СЗ), 5 (1.2 СЗЗ), 7 (1.5 С), 9 (15.0 СЗ), 10 (20.0 СЗ), 11 (1.2 Ю) Лугово -черноземная легкоглинистая почва: 3 (2.7 ЮЗ), 6 (2.0 ССЗ), 8 (5.0 СЗ) Аллювиальная почва: 2 (3.0 ЮЗ)
Гумус, % 3.9±0.5 4.6±0.4 2.2±0.2
Физическая глина, % 53.45±5.85 66.15±4.86 6.45±0.55
Ил, % 42.5±3.1 46.6±2.6 1.9±0.4
СаСОз, % 0.8±0.3 0.4±0.2 0.4±0.1
рН 7.6±0.2 7.5±0.2 7.7±0.1
ЕКО, смоль(+)/кг 33.6±4.5 38.0±3.3 16.5±2.5
В качестве объектов исследования были выбраны преобладающие на всех площадках мониторинга и легко визуально отличимые травянистые растения, относящиеся к семейству злаковых (Poaceae): мятлик луговой (Poa pratensis L.) и пырей ползучий (Elytrigia repens (L.) Nevski), - и семейству астровых (Asteraceae): полынь австрийская (Artemisia austriaca Pall. ex. Wild.) и тысячелистник благородный (Achillea nobilis L.). Семейства, представленные тестовыми видами растений, имеют ряд существенных различий в экологии и морфологии. Представители семейства злаковых характеризуются малым числом длинных тонких листовых пластин и сильно разветвленной мочковатой корневой системой, в то время как исследуемые виды семейства астровых - наличием многочисленных и часто широких листьев и стержневой корневой системой. Установлено (Позняк, 2011), что большинство растений семейства астровых (полынь обыкновенная, ромашка пахучая, одуванчик лекарственный) способны к повышенному накоплению ТМ в отличие от семейства злаковых (костер безостый) и характеризуются широкой амплитудой произрастания. В образцах растений и почв определялись Pb, Cd, Zn, Cu, Ni, Mn и Cr, присутствующие в выбросах НчГРЭС
(Экологический Вестник ..., 2017; Минкина и др., 2013). Определение металлов в растениях осуществляли методом сухого озоления (ГОСТ 26657-85) с последующей кислотной экстракцией ТМ из золы 20% HCl и определением на атомно-адсорбционном спектрофотометре (ААС; Методические указания ..., 1992).
Валовое содержание металлов в исследуемых почвах определяли рентген-флюоресцентным методом. Для оценки доступных растениям соединений ТМ в почве рассчитано содержание их непрочно связанных соединений как сумма обменных, комплексных и специфически сорбированных форм металла (Минкина и др., 2016). Ранее (Мо^оуа е! а1., 2014) была установлена тесная корреляция между содержанием непрочно связанных соединений ТМ в почве и их накоплением в зерне и стеблях ячменя и в травяной растительности. Для анализа обменных, комплексных и специфически сорбированных форм использовались 1 н. аммонийно-ацетатный буфер (КН4Ас) рН=4.8, 1% раствор ЭДТА в КН4Ас с рН=4.8 и 1 н. НС1 соответственно. Методы их применения, включая расчетные, подробно изложены в работах Т.М. Минкиной с соавторами (2013, 2016).
Все исследования были выполнены в 3-кратной повторности.
Оценка загрязнения исследуемых растений проводилась путем сравнения концентрации элементов в них с максимально допустимым уровнем (МДУ) содержания металлов в кормах сельскохозяйственных животных (Временные макисмально допустимые уровни ., 1991).
Для оценки «избирательности» накопления ТМ различными видами степных растений в условиях загрязнения были рассчитаны коэффициент накопления (КН) и коэффициент распределения (КР). КН показывает степень «биофильности» элементов, а его изменение - уровень техногенной нагрузки на почву. КН представлен отношением концентрации элемента в сухой массе растения к содержанию его подвижных соединений в почве (Брукс, 1996; Минкина и др., 2008). В качестве подвижных использовали непрочно связанные соединения ТМ в почвах.
Величина КР позволяет оценить способность растения к поглощению и накоплению элементов надземными органами в условиях загрязнения почв и определяется как отношение содержания металла в надземной фитомассе к концентрации его в корнях. Подобный коэффициент использовали в своих работах Д.А. Сабинин (1955), Дж. Фортескью, (1985), Н.А. Черных с соавторами (2001), И.А. Авессаломова (2007). Значения КР для растений одного вида часто сходны, изменение величины свидетельствует о том, что растения испытывает экологический стресс (Черных и др., 2001).
Результаты и обсуждения
Известно (Муратчаева и др., 2015), что воздействие антропогенных факторов приводит к обеднению флористического состава, упрощению структуры, уменьшению видового разнообразия, исчезновению и замещению ценных видов с высокими кормовыми достоинствами на плохо поедаемые рудеральные и сорные виды, снижению продуктивности и устойчивости естественной травяной растительности. Данные наблюдений на мониторинговых площадках показали, что общее проективное покрытие (ОПП) составляет 75-90% вне зависимости от расстояния до предприятия -источника загрязнений. Высота травостоя изменяется от 20 до 70 см, увеличиваясь по мере удаления от источника техногенной нагрузки. Участие видов растений семейства злаковых в травостое составляло от 10 до 35%, видов растений семейства астровые - от 30 до 69%.
Изучение содержания ТМ позволило установить существенные различия в аккумуляции элементов (табл. 2). Для всех видов изученных растений наблюдается увеличение концентрации ТМ по мере приближения к НчГРЭС. На площадках мониторинга, расположенных в пределах 5-километровой зоны вокруг НчГРЭС, установлено самое высокое накопление металлов в надземной и корневой частях рассматриваемых растений. Наибольшая концентрация ТМ в растениях выявлена на площадках №№ 4 и 5.
В пырее ползучем превышение МДУ отмечено по РЬ в 2.9 раз, N1 - в 3.7 раз, Cd - в 3 раза; в полыни по РЬ в 4.2 раза, N1 - в 2.6 раз, Cd - в 3 раза; в тысячелистнике по РЬ в 1.9 раз, N1 - в 2.6 раз, Cd — в 6.3 раз. В надземной части мятлика лугового содержание этих металлов не превышает МДУ.
Металлы по их абсолютному содержанию в надземной части растений располагаются в следующей последовательности (рис. 2):
Сг: полынь > пырей > тысячелистник > мятлик;
РЬ: полынь > пырей > тысячелистник > мятлик;
2п: полынь > тысячелистник > пырей > мятлик;
Мп: полынь > тысячелистник >пырей > мятлик; N1: пырей > тысячелистник > полынь > мятлик; С^ тысячелистник >пырей > полынь > мятлик; Си: тысячелистник > мятлик> полынь > пырей.
У видов из семейства злаковых отмечено более низкое содержание ТМ по сравнению с видами из семейства астровых (рис. 3). Мятлик луговой в надземной части характеризуется самым низким содержанием всех исследуемых металлов за исключением Си.
Таблица 2. Содержание тяжелых металлов в травянистых растениях семейств злаковых (Poaceae) и астровых (Asteraceae) на площадках мониторинга, мг/кг.
а
о
Ч а я л В с«
Я
О §
в
В U
я m
и Г5
и Г
я ж
а мн
Mn Zn Cr Cu Pb
Ni
Cd Mn Zn Cr Cu
Pb
Ni
Cd
Семейство злаковые (Роасеа)
Мятлик луговой (Poa pratensis L.)
Пырей ползучий (Elytrigia repens (L.) Nevski)
1 2
3
4
5
6
7
8
9
10 11
1.0 СВ 3.0 ЮЗ 2.7 ЮЗ 1.6 СЗ 1.2 СЗЗ 2.0 ССЗ 1.5 С 5.0 СЗ 15.0 СЗ 20.0 СЗ 1.2 Ю
НСР 0.95
11/36 3/38 6/16 11/42 9/39 5/14 6/33 5/27 2/20 3/23 8/31 2/6
8/26 3/13 5/14 10/34 8/25 3/16 7/21 5/17 1/11 5/15 7/21 2/5
9/10 4/5 4/5 15/17 14/20
4/7 8/10 3/6 4/6 4/6 7/9 1/2
7/8 1/4 11/12
17/22 17/24
13/14 15/19 6/12 1/3 1/1 6/8 2/2
0.4/5.2 1.6/1.8 0.7/0.7 2.3/6.8 1.5/5.7 1.8/3.5 1.1/4.6 0.7/0.9 0.3/0.4 1.1/1.3 0.7/4.5 0.3/0.4
1.1/2.0 0.7/1.3 0.5/2.1 1.7/2.7 1.9/3.3 0.8/1.2 1.3/1.8 0.4/1.1 0.3/0.9 0.6/1.5 0.9/1.9 0.2/0.1
0.02/0.12 0.06/0.14 0.03/0.05 0.12/0.23 0.09/0.13 0.07/0.09 0.08/0.11 0.02/0.05 0.01/0.01 0.02/0.02 0.04/0.07 0.02/0.02
17/29 3/32 16/38 53/56 42/54 12/22 38/42 5/31 18/35 15/32 4/17 3/4
16/43 6/13 9/27
37/65 53/57
7/32 17/11 7/31 11/22 19/23 11/27 3/3
15/17 3/5 8/9
25/28 21/23
22/25 18/21 2/3 3/5 11/17 6/8 3/2
8.4/12.4 2.0/5.0 3.2/6.6 9.6/11.9 6.2/14.4 3.7/12.4 4.8/5.7 3.9/5.5 2.6/6.3 2.9/3.2 3.8/6.4 1.2/2.2
6.3/5.2 2.3/3.1 3.2/2.1 12.4/15.1 14.6/14 5.8/14.4 2.5/2.7 1.7/0.9 1.8/1.9 8.0/17.8 10.4/12.2 1.1/1.6
4.1/5.1 4.0/5.0 5.1/7.2 8.3/13.9 11.2/16.7 6.1/12.3 1.5/1.9 0.7/1.8 0.6/1.2 1.1/2.2 1.0/1.7 0.9/1.1
0.5/0.32 0.4/0.26 0.4/0.35 0.9/0.67 0.7/0.53 0.8/0.44 0.7/0.62 0.3/0.41 0.2/0.21 0.2/0.32 0.2/0.17 0.1/0.15
Семейство астровые (Asteraceae)
Полынь австрийская (Artemisia austriaca Pall. ex. Wild.)
1 2
3
4
5
6
7
8
9
10 11
1.0 СВ 3.0 ЮЗ 2.7 ЮЗ 1.6 СЗ 1.2 СЗЗ 2.0 ССЗ 1.5 С 5.0 СЗ 15.0 СЗ 20.0 СЗ 1.2 Ю НСР 0.95
18/17 29/14 32/13 68/24 43/29 24/24 40/21 30/20 15/11 23/16 32/18 7/4
27/24 30/20 26/21
51/37 47/35
26/25 28/26 38/18 26/17 15/12 45/23 6/3
19/11 25/25 23/21
47/46 35/32
20/17 23/19 8/7 17/9 14/8 19/16 3/4
8/8 10/9 6/6
16/12 15/10
8/7 9/8 12/7 7/6 8/6 14/12 2/3
18/20 2/3 2/2
21/25 17/21
12/11 10/12 4/4 1/1 2/5 3/4 3/3
2.8/4.0 1.0/3.4 1.5/2.8 6.7/8.5 7.7/7.7 2.3/3.5 4.3/3.4 2.2/3.9 1.7/2.5 0.8/1.8 1.8/2.6 1.3/0.9
0.2/0.2 0.4/0.2 0.3/0.3 0.9/0.5 0.9/0.6 0.6/0.2 0.3/0.2 0.4/0.3 0.2/0.2 0.2/0.1 0.3/0.2 0.1/0.1
Тысячелистник благородный (Achillea nobilis L.)
22/23 24/29 26/27 53/62 41/47 31/44 35/38 25/36 30/33 27/33 36/37 4/3
17/28 19/25 20/36
41/41 40/52
25/30 35/39 30/36 28/29 20/27 24/32 5/4
13/18 4/6 8/20
24/28 11/30
2/7 7/12 3/3 2/2 3/4 6/6 3/2
15/12 7/8 10/11
18/17 25/19
8/8 13/16 6/7 5/7 8/9 17/14 3/4
2.5/1.7 2.9/4.1 2.0/1.3 9.3/5.8 9.7/6.7 3.5/4.0 2.8/3.2 1.3/2.0 1.0/1.1 0.8/1.3 1.1/1.4 0.8/0.7
2.2/1.9 2.4/3.0 3.6/3.8 7.9/11.1 5.7/4.5 3.1/5.2 2.8/3.8 3.5/3.2 1.4/2.7 1.8/1.8 1.5/1.1 0.6/0.4
0.3/0.2 0.3/0.5 0.2/0.2 1.5/1.0 1.9/1.1 0.8/0.4 0.9/0.8 0.8/0.5 0.2/0.2 0.3/0.3 0.2/0.1 0.2/0.2
МДУ для кормовых трав (Временные ..., 1991)
- 50 -
30
0.3
50 -
30
0.3
5
3
5
3
Примечания к таблице 2: числитель - в надземной части, знаменатель - в корневой части, жирным выделены площадки мониторинга, подвергающиеся наибольшему техногенному воздействию; НСР о,95 - наименьшая существенная разность, уровень значимости в 95%.
В условиях максимальной техногенной нагрузки по величинам абсолютного содержания в надземной части растений семейства астровых (табл. 2) металлы распределились так:
• полынь австрийская: Mn > Zn > & > Pb > Си > № > Cd;
• тысячелистник благородный: Мп > Zn > Си > Сг > РЬ > № > Cd.
Содержание в корневой части растений в условиях максимальной техногенной нагрузки отличается от содержания в надземных частях (табл. 2). Для видов из семейства астровых это выражается следующим образом:
• полынь австрийская: Сг > Zn > Мп > РЬ > Си > № > Cd;
• тысячелистник благородный: Мп > Zn > Сг > Си > № > РЬ > Cd. Для растений семейства злаковых:
• мятлик луговой: Си > Сг > Мп > Zn > РЬ > № > Cd;
• пырей ползучий: Мп > Zn > Сг > РЬ > № > Си > Cd.
В корневой части ряд накопления металлов несколько иной:
• мятлик луговой: Мп > Zn > Си > Сг > РЬ > № > Cd;
• пырей ползучий: Zn > Мп > Сг > № > РЬ > Си > Cd.
Таким образом, на основе данных многолетнего мониторинга выявлено, что различные виды травянистых растений, произрастающие в условиях степного климата, аккумулируют в своей надземной части и корневой системе неодинаковые количества ТМ как в зависимости от принадлежности к семейству, так и в рамках одного семейства (рис. 2, 3).
Рис. 2. Содержание тяжелых металлов в надземных органах и корнях растений двух видов семейства злаковых и двух видов семейства астровых, мг/кг (обобщенные результаты по всем исследуемым площадкам).
Виды семейства злаковых характеризуются преимущественным накоплением изучаемых элементов в корневой системе (табл. 2, рис. 3). Величины КР свидетельствуют об избирательности и низкой способности поглощения ТМ их надземной частью в условиях загрязнения (рис. 4). Величина КР мятлика самая низкая среди рассматриваемых растений и не превышает 1.
Для видов растений семейства астровых отмечается преимущественная аккумуляции ТМ в надземной части. Возможно, определенное влияние на особенности распределения металлов в надземной части и корневой системе оказывает морфология растений. Так, представители семейства
астровых отличаются высоким толстым стеблем, большими по сравнению с видами семейства злаковых листьями, располагающимися в несколько ярусов, и стрежневой корневой системой. Большая общая площадь листьев способствует оседанию на них большего количества ТМ, в то время как уходящий вертикально в толщу почвы корень имеет меньшую площадь прикорневой зоны, что снижает поступление загрязняющих веществ из почвы. Поскольку на поступление ТМ в растения влияют биологические факторы, для оценки накопления ТМ разными видами растений необходим комплексный подход с учетом особенностей видов растений.
Рис. 3. Содержание тяжелых металлов в надземных органах и корнях растений семейств злаковых и астровых, мг/кг (обобщенные результаты по всем исследуемым площадкам и по видам растений, принадлежавших одному семейству).
Установлено увеличение общего содержания ТМ в почвах мониторинговых площадок, прилегающих к ГРЭС (табл. 3).
Площадки, находящиеся на расстоянии 5 км от НчГРЭС в северо-западном направлении и близлежащие к ним, имеют превышение общего содержания РЬ в почвах над ПДК. В радиусе до 5 км от НчГРЭС обнаруживается наиболее высокое содержание всех исследуемых ТМ в почвах с максимальным накоплением на площадках мониторинга №№ 5 и 6. В исследовании Г.А. Евдокимовой с соавторами (2014) в сфере воздействия воздушных выбросов комбината «Печенганикель» зона сильного загрязнения находилась в радиусе до 3 км от предприятия.
На наиболее отдаленных от ГРЭС площадках №№ 9 и 10 общее содержание металлов в почвах соответствует фоновому уровню, за исключением РЬ на площадке № 10, содержание которого в почве, как и в растениях, было выше ПДК. Возможно, это связано с ее приближенностью к автомагистрали, из-за использования ранее этилированного бензина.
Накопление ТМ различно в разных типах почв: валовое содержание металлов в лугово-черноземной легкоглинистой почве площадки мониторинга № 3 выше, чем в расположенной в 200 м от нее аллювиальной песчаной почве площадки № 2 (табл. 3). Это объясняется более высоким содержанием гумуса, физической глины, илистых частиц и ЕКО в первой почве (табл. 1).
В отсутствие антропогенной нагрузки непрочно связанные соединения ТМ в почвах составляют
10-20% от валового содержания (табл. 3). С приближением к основному источнику эмиссии -НчГРЭС доля непрочно связанных соединений ТМ заметно возрастает (табл. 3) и составляет 28-52% от общего содержания. Установлена тесная связь между содержанием ТМ в травянистых растениях и содержанием их непрочно связанных соединений в почве: г=0.60-0.93^(1;г>1;05). Наиболее высокие значения г характерны для РЬ, Cd и Сг (рис. 5).
Рис. 4. Коэффициента распределения (КР) тяжелых металлов в растениях семейств злаковые (Poaceae) и астровые (Asteraceae) (обобщенные результаты по всем исследуемым площадкам мониторинга).
Коэффициент накопления (КН), рассчитанный для различных видов растений, позволил оценить интенсивность поступления в них ТМ из почвы. Все исследуемые виды степных растений (кроме мятлика лугового) активно поглощают из почвы и аккумулируют в надземной части Cd и, в наименьшей степени, Мп (рис. 6 а). Значения КН для растений семейства астровые выше, чем для злаковых (рис. 6 б). Величины КН всех исследуемых ТМ на площадках, отдаленных от НчГРЭС, были выше, чем на близлежащих (рис. 7).
Таблица 3. Общее содержание и непрочно связанные соединения тяжелых металлов в почвах площадок мониторинга (0-20 см), мг/кг.
ч № площадки, направление и расстояние от НчГРЭС, км
ч « 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
<и 3.0 2.7 2.0 15.0 20.0
Л 1.0 СВ ЮЗ ЮЗ 1.6 СЗ 1.2 СЗ ССЗ 1.5 С 5.0 СЗ СЗ СЗ 1.2 Ю
Общее содержание
Mn 922±84 616±47 665±59 945±81 895±97 943±106 882±08 814±42 747±122 784±70 772±66
Zn 106±19 81±23 102±22 110±31 141±29 114±21 92±13 121±27 83±18 82±18 127±27
& 129±33 84±26 113±20 136±42 145±38 138±24 132±15 125±19 105±22 106±17 83±12
^ 52±10 44±8 55±15 73±20 64±14 58±13 45±7 61±12 44±6 43±8 39±5
Pb 45 ±12 21±4 31±6 67±14 60±10 60±8 34±6 43±9 27±4 37±7 26±3
№ 60±12 38±7 55±15 66±14 65±17 61±14 57±9 60±11 45±8 45±8 39±6
Cd 0.7±0.11 0.7±0.12 0.5±0.07 1.1±0.03 1.4±0.23 1.1±0.12 0.7±0.11 0.7±0.13 0.3±0.02 0.3 0.02 0.2±0.01
Непрочно связанные соединения
Mn 235±26 163±22 158±18 346±32 380±28 315±50 221±39 169±26 102±20 83±35 163±15
Zn 44±8 33±4 31±4 46±7 63±9 46±5 25±3 43±5 11±1 10±1 14±3
& 26±5 18±4 18±4 44±7 40±9 34±8 30±4 24±4 15±3 16±3 18±5
^ 15±2 12±3 11±2 26±5 23±4 22±5 11±3 21±4 8±1 6±1 12±2
Pb 16±3 5±1 7±2 23±5 26±5 22±4 13±1 12±2 5±1 13±3 7±1
№ 17±4 14±2 13±2 25±6 27±7 22±3 15±3 15±4 5±1 6±1 8±2
Cd 0.26±0.05 0.23±0.04 0.22±0.04 0.57±0.09 0.65±0.12 0.56±0.10 0.32±0.08 0.19±0.05 0.05±0.01 0.06±0.01 0.09±0.02
Выводы
1. Концентрация ТМ в надземной части видов растений семейства злаковых меньше, чем у видов растений семейства астровых. Среди видов растений семейства астровых полынь австрийская накапливает в наибольшем количестве Мп, Сг, РЬ и 2п, тысячелистник благородный - Cd и Си. Растения мятлика лугового из семейства злаковых характеризуются самой низкой степенью накопления металлов среди всех тестовых видов растений.
2. Для всех изученных тестовых видов растений наблюдается увеличение концентрации ТМ по мере приближения к НчГРЭС. Наибольшее содержание ТМ в исследуемых травянистых растениях, превышающее МДУ для кормов по РЬ, N1 и Cd отмечается на площадках, расположенных в северо-западном направлении от источника техногенного загрязнения - НчГРЭС, в пределах 5 км от предприятия. Влияние выбросов НчГРЭС привело не только к накоплению ТМ в растениях, но и к увеличению общего содержания и количества непрочно связанных соединений ТМ в почвах площадок мониторинга. Установлена средняя и тесная связь между содержанием ТМ во всех тестовых видах растений и содержанием их непрочно связанных соединений в почве: г=0.60-0.93.
3. Свойства почв (содержание гумуса, физической глины, ила и ЕКО) оказывают влияние на накопление металлов. В лугово-черноземной легкоглинистой почве валовое содержание ТМ выше, чем на рядом расположенной аллювиальной песчаной почве.
4. Биологические особенности тестовых видов растений оказывают влияние не только на накопление, но и на распределение ТМ в различных частях растений. Большая площадь листовой поверхности определяет преимущественную аккумуляцию ТМ в надземной части видов растений семейства астровых по сравнению с видами семейства злаковых при аэротехногенном загрязнении. Величины коэффициента распределения (КР) среди видов растений семейства злаковых существенно ниже (почти в 3 раза), чем у видов растений семейства астровых.
Рис. 5. Зависимость накопления тяжелых металлов растениями от содержания их непрочно связанных соединений в почве.
Рис. 6. Коэффициент накопления (КН) тяжелых металлов в надземных органах растений (обобщенные результаты по всем исследуемым площадкам): а - двух видов семейства злаковых и двух видов семейства астровых; б - семейств злаковых и астровых (обобщенные результаты по видам, принадлежавшим одному семейству).
5. Наиболее низкой способностью к накоплению ТМ из почвы надземной частью растений (КН) характеризуются представители семейства злаковых по сравнению с растениями семейства астровых. Среди всех исследуемых видов растений мятлик луговой характеризуется наименьшими величинами КН по отношению к Мп, 2п, РЬ, N1 и С^ а пырей ползучий - по отношению Си.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Авессаломова И.А. 2007. Биогеохимия ландшафтов: учебное пособие. М.: Изд-во Московского университета. 162 с.
Блажний Е.С., Гаврилюк Ф.Я., Вальков В.Ф., Редькин Н.Е. 1985. Черноземы Западного Предкавказья // Черноземы СССР (Предкавказье и Кавказ). М.: Агропроиздат. С. 3-50.
Брукс Р.Р. 1996. Биологические методы поисков полезных ископаемых. М.: Недра. 201 с.
Временный максимально-допустимый уровень (МДУ) содержания некоторых химических элементов и госсипола в кормах для сельскохозяйственных животных и кормовых добавках. 1987. М. 5 с.
ГОСТ 26657-85. 1985. Корма, комбикорма, комбикормовое сырье. Методы определения содержания фосфора. М.
ГОСТ 27262-87. 1987. Корма растительного происхождения. Методы отбора проб. М.
ГОСТ 28168-89. 1989. Почвы. Отбор проб. М.
Демидчик В.В., СоколикА.И., Юрин В.М. 2001. Токсичность избытка меди и толерантность к нему растений //
Успехи современной биологии. Т. 121, № 5. С. 511-525.
Евдокимова Г.А., Мозгова Н.П., Корнейкова М.В. 2014. Содержание и токсичность тяжелых металлов в почвах зоны воздействия газовоздушных выбросов комбината «Печенганикель» // Почвоведение. № 5. С. 625-631.
Ильин В.Б., Сысо А.И. 2012. Тяжелые металлы и неметаллы в системе почва-растение. Новосибирск: Изд-во СО РАН. 220 с.
Кашин В.К., Убугунов Л.Л. 2012. Особенности накопления микроэлементов в зерне пшеницы в западном Забайкалье // Агрохимия. № 4. С. 68-76.
Методические указания по определению тяжелых металлов в почвах сельхозугодий и продукции растениеводства. 1992. М.: ЦИНАО. 61 с.
Рис. 7. Коэффициент накопления (КН) тяжелых металлов в различных видах растений семейства злаковых и астровых на площадках мониторинга, расположенных на различном удалении в северозападном направлении от НчГРЭС.
Минкина Т.М., Мотузова Г.В., Манджиева Г.В. 2008. Барьерные функции системы почва-растение // Вестник Московского Университета. Серия «Почвоведение». № 4. С. 10-16.
Минкина Т.М., Мотузова Г.В., Манджиева С.С., Назаренко О.Г., Бурачевская М.В., Антоненко Е.М. 2013. Фракционно-групповой состав Mn, Cr, Ni и Cd в почвах техногенных ландшафтов (по мониторинговым наблюдениям) // Почвоведение. № 4. С. 414-425.
Минкина Т.М., Федоров Ю.А., Невидомская Д.Г., Манджиева С.С., Козлова М.Н. 2016. Особенности содержания и подвижность тяжелых металлов в почвах поймы реки Дон // Аридные экосистемы. Т. 22. № 1 (66). С. 86-98.
Муратчаева П.М-С., Загидова Р.М., Батырмурзаева П.А. 2015. О трансформации луговых фитоценозов под воздействием антропогенных и природных факторов // Аридные экосистемы. Т. 21. № 1 (62). С. 53-59
Пашков Г.Д., Зозулин Г.М. 1986. Растительность // Природные условия и естественные ресурсы. Ростов-на-Дону: Изд-во РГУ. С. 259-285.
Позняк С.С. 2011. Содержание некоторых тяжелых металлов в растительности полевых и луговых агрофитоценозов в условиях техногенного загрязнения почвенного покрова // Вестник Томского государственного университета. № 1 (13). С. 120-136.
Сабинин Д.А. 1955. Физиологические основы питания растений. М.: Изд-во АН СССР. С. 510
Серегин И.В., Кожевникова А.Д. 2008. Роль тканей корня и побега в транспорте и накоплении кадмия, свинца, никеля и стронция // Физиология растений. Т. 55. № 1. С. 3-26.
Фортескью Дж. 1985. Геохимия окружающей среды. М.: Мир. 360 с.
ЧерныхН.А., Милащенко Н.З., Ладонин В.Ф. 2001. Экологическая безопасность и устойчивое развитие. Книга 5. Экотоксикологические аспекты загрязнения почв тяжелыми металлами. Пущино: ОНТИ ПНЦ РАН. 148 с.
Экологический вестник Дона: О состоянии окружающей среды и природных ресурсов Ростовской области в 2016 году. 2017. Ростов-на-Дону: Министерство природных ресурсов и экологии Ростовской области. 369 с.
Ahmad I., Akhtar M. J., Zahir Z. A., Jamil A. 2012. Effect of Cadmium on Seed Germination and Seedling Growth of Four Wheat (Triticum aestivum L.) Cultivars // Pakistan Journal of Botany. Vol. 44. № 5. P. 1569-1574.
Deng H., Ye Z.H., Wong M.H. 2004. Accumulation of Lead, Zinc, Copper and Cadmium by 12 Wetland Plant Species Thriving in Metal-Contaminated Sites in China // Environmental Pollution. 132. P. 29-40.
Motuzova G.V., Minkina T.M., Karpova E.A., Barsova N.U., Mandzhieva S.S. 2014. Soil Contamination with Heavy Metals as a Potential and Real Risk to the Environment // Journal of Geochemical Exploration. Vol. 144. P. 241246.
Shahid M., Dumat C., Khalid S., Schreck E., Xiong T., Niazi N.K. 2017. Foliar Heavy Metal Uptake, Toxicity and Detoxification in Plants: A Comparison of Foliar and Root Metal Uptake // Journal of Hazardous Materials. Vol. 325. P. 36-58.
Shahid M., Xiong T., Castrec-Rouelle M., Leveque T., Dumat C. 2013. Water Extraction Kinetics of Metals, Arsenic and Dissolved Organic Carbon from Industrial Contaminated Poplar Leaves // Journal of Environmental Scencesi. 25. P. 2451-2459.
Xiong T.T., Leveque T., Austruy A., Goix S., Schreck E., Dappe V., Sobanska S., Foucault Y., Dumat C. 2014. Foliar Uptake and Metal(loid) Bioaccessibility in Vegetables Exposed to Particulate Matter // Environmental Geochemistry and Health. 36. P. 897-909.
