CC BY
112
Б.Х. Шаймарданова, Г.Е. Асылбекова, Н.В. Барановская, А.Б. Бигалиев, Н.П. Корогод
БИОИНДИКАЦИЯ УРБОЭКОСИСТЕМЫ Г. ПАВЛОДАРА ПО СОДЕРЖАНИЮ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В ЗОЛЕ ЛИСТВЫ ТОПОЛЯ ЧЕРНОГО POPULUSNIGRA L.
Установлен высокий уровень накопления химических элементов в золе листьев P.nigra L. и построен геохимический ряд (по Кс):
Cr22 > Sbg,2 > Zng,7 > Na2,5 > Tb2,3 > Lu2,2 > Ybi,9 > Cai;8 > Baij > Coi,5 =Eui,5 > Fei,3 > Sci,2 = Rbi,2 = Sri,i = = Tai,i > Cei,o = Smi,o =
= Thi,o = Hfi,o. Определены как наиболее значимые две микроассоциации: Lu-Ce и Sm-La-Th-Sc на территории г. Павлодара. Ключевые слова: антропогенная трансформация растительности; биогеохимический мониторинг; геохимические спектры.
Павлодарская область является одним из наиболее развитых в экономическом отношении регионов Республики Казахстан, имеющих стратегическое значение для всей страны. Ключевой экологической проблемой Павлодарской области является загрязнение атмосферного воздуха. Пятая часть всех выбросов загрязняющих веществ в атмосферу по Казахстану приходится на Павлодарскую область, экологическая ситуация характеризуется как напряженная [1]. Павлодарская область подвержена высокому техногенному загрязнению, т.к. базовыми отраслями экономики области являются горнодобывающая, нефтеперерабатывающая и химическая промышленность, черная и цветная металлургия, энергетика. На территории области действовал Семипалатинский ядерный полигон (39% его территории находится на землях Майского района Павлодарской области). В области насчитывается значительный парк передвижных источников загрязнения атмосферного воздуха.
В Павлодарской области зарегистрировано 200 крупных предприятий - природопользователей, осуществляющих выбросы в атмосферу из 3 880 источников. По территориальной принадлежности основная масса выбросов принадлежит промышленным предприятиям, расположенным в городах Павлодарской области: Экибастуз (43%), Аксу (30%) и Павлодар (25%), на долю всех остальных районов области приходится лишь 2% выбросов. При этом основная масса промышленных выбросов Павлодарской области поступает от предприятий теплоэнергетики и металлургической промышленности [1].
Общеизвестно, что промышленные предприятия в зависимости от их мощности и характера производства могут влиять на изменение геохимических особенностей территорий как на локальном уровне, так и в региональном, и в глобальном масштабах [2]. Химические элементы распределяются в объектах окружающей среды и включаются в протекание природных глобальных, региональных биогеохимических циклов. Растения, представляющие уровень продуцентов и обладающие избирательностью процессов поглощения, способствуют включению химических элементов в биологический круговорот [3, 4].
Популяции живых организмов, в том числе растительные объекты, отражают распределение химических элементов по трофическим уровням, участвуя в стабилизации среды как в роли своеобразных биогеохимиче-ских барьеров, так и в качестве их накопителей в пищевых цепях. Антропогенная трансформация природной среды, в том числе ее химическое загрязнение, неизбежно ведет к деформации этих обменных процессов, прежде всего, за счет избирательного накопления
химических элементов отдельными компонентами экосистем и изменения их продуктивности [5].
Живые организмы как наиболее динамичная компонента ландшафта всегда реагируют на любое изменение в нем даже при отсутствии видимых нарушений в других составляющих. Поступление высоких концентраций химических веществ в окружающую среду отражается на элементном составе растительности. В настоящее время с развитием высокочувствительных методов определения микроэлементного состава объектов природной среды стало возможным исследовать широкий спектр химических элементов [6].
В настоящей работе представлены данные по накоплению в листве тополя черного химических элементов, в том числе загрязнителей, при фоновых условиях (кларк ноосферы) и при антропогенном воздействии на природную среду в условиях промышленного центра на северо-востоке Казахстана.
Цель работы - оценка эколого-геохимического состояния территории г. Павлодара по данным химического анализа золы листьев тополя черного - Populus nigra L.
Задачи исследования:
1. Установить уровни накопления химических элементов в золе листьев Populus nigra L. на территории г. Павлодара.
2. Выявить ассоциации микроэлементов, характерных для листьев тополя черного на территории г. Павлодара.
Объектами исследования явились листья тополя черного из 55 точек г. Павлодара. Отбор проб листьев Populus nigra L. проводили по стандартной методике [7].
Для количественного анализа на содержание в листьях токсичных, радиоактивных, редкоземельных, благородных и других элементов использовали современный высокочувствительный ядерно-физический метод инструментального нейтронно-активационного анализа (ИНАА) с облучением тепловыми нейтронами на Томском исследовательском реакторе ИРТ-Т НИИЯФ в лаборатории ядерно-геохимических методов исследования кафедры геоэкологии и геохимии Томского политехнического университета. Данный метод ИНАА обладает рядом преимуществ по сравнению с другими, в том числе дает возможность определять в широком диапазоне (от n.1 до n.10-6%) содержание химических элементов. При этом не используется химическая подготовка проб, что исключает погрешности за счет привноса или удаления элементов вместе с реактивами [8].
Накопление и обработку аналитических данных проводили на IBM PC/AT совместимых компьютерах с использованием программ STATISTICA, версия 6.0 и
др. При статистической обработке данных определяли следующие основные параметры: пределы значений, математическое ожидание (среднее значение), медиана, мода, стандарт и вариация. После расчета показателей концентрации выборка представлялась в виде набора относительных характеристик аномальности химических элементов в виде геохимических ассоциативных рядов элементов с показателями накопления (Кс, Кк) в порядке убывания. Такой набор позволил дать качественную и количественную оценку геохимической ассоциации золы листвы Populus nigra L.
Для пространственного анализа полученных данных использовали возможности современных геоинформа-ционных технологий (Arc View, Spatial Analyst, Surfer). Интеграция ГИС с результатами эколого-геохими-
Исходя из представлений о том, что при симметричном (нормальном) распределении показатели среднего значения, моды и медианы примерно равны [9] установлено, что близки к нему распределения следующей выборки элементов: Бс, Ag, Ьа, Бш, Та, 2п, ТЬ, Ей ,и.
Особенностью техногенных ареалов является неоднородность распределения в них химических элементов. Для сравнительного статистического анализа результатов эколого-геохимических исследований методом ИНАА были построены гистограммы по проверке нормального распределения содержания микроэлементов в золе листьев тополя черного на территории г. Павлодара. В качестве критерия соответствия эмпирического распределения нормальному теоретическому используют отношения показателей асимметрии и эксцесса к их стандартным ошибкам [10]. Гистограммы распределения химических элементов в золе листьев показали, что в большинстве случаев наблюдается некоторая асимметрия в левую или
ческого исследования позволила получить серию мо-ноэлементных карт-схем, отражающих распределение концентраций элементов-загрязнителей на территории г. Павлодара.
Нами изучен широкий спектр химических элементов (26 элементов), включая редкие, редкоземельные, радиоактивные и благородные элементы в золе листьев Populus nigra L.
Анализ полученных материалов показывает, что на территории г. Павлодара наблюдается неравномерное распределение практически большей части изученных элементов. О наличии участков с явными аномальными значениями изучаемых элементов свидетельствуют такие показатели, как стандартное отклонение, коэффициент вариации и др. (табл. 1).
в правую сторону. Следует отметить, что аномальные концентрации элементов, выходящих за пределы вариационной кривой нормального распределения, относятся к следующим: №, Сг, Бе, Со, 2п, Вг, КЬ, Ьа, Се, Бш, УЪ, Ьи, ТЬ, и, Щ Аи, Ва, ТЬ, Та.
Построенная дендрограмма (рис. 1) кластерного анализа элементного состава позволяет разбить изученные химические элементы (25) на группы, которые объединяют элементы с наивысшими значениями меры сходства (парных коэффициентов корреляции Пирсона, г).
Геохимические спектры микроэлементов в золе листьев тополя черного образуют значимые ассоциации (рис. 1). Отчетливо выделены несколько групп ассоциаций, среди которых можно выделить элементы, относящиеся к пылеаэрозольным промышленным выбросам, например ТЭЦ (Еи, Бе, УЪ, Ьи, Се, Щ Бш, Ьа, ТЬ, Бс; Бг, Со, Ва, Са) и нефтехимического производства (С8, ЯЪ, Аи, Вг).
Т а б л и ц а 1
Статистические параметры распределения микроэлементов в золе листьев Рориіт пщга Ь. на территории г. Павлодара (55 проб), мг/кг
Элемент Среднее Стандарт. ошибка Стандарт. отклонение Медиана Мода Мин Макс. V, %
Na 3075 482 3574 1500 1200 600 14200 116
Ca 143764 5104 37851 146000 126000 67000 233000 26
Sc 0,93 0,05 0,38 0,9 0,88 0,1 2,2 40
Cr 99,52 8,21 60,86 88,7 58,6 1,4 369,8 61
Fe 3138 194 1441 2800 2600 700 8200 46
Co 9,23 0,54 3,99 9 13,1 2,7 19,3 43
Zn 1145 70 516 1059 1144 420 420 45
Br 5,45 0,59 4,4 4,4 0,8 0,2 23 81
Rb 59 5,4 40,24 52 44 20,7 301 68
Ag 0,51 0,01 0,11 0,5 0,5 0,5 1,3 21
Sb 0,81 0,05 0,39 0,78 0,1 0,1 1,71 48
La 2,24 0,11 0,39 2,1 2,5 0,8 4,7 17
Ce 2,69 0,27 1,97 2,3 1,5 0,4 9,3 73
Sm 0,42 0,02 0,17 0,38 0,33 0,18 1,05 41
Yb 0,20 0,02 0,11 0,16 0,1 0,1 0,52 58
Lu 0,02 0 0,02 0,01 0,01 0,01 0,09 79
Th 0,52 0,03 0,23 0,49 0,45 0,02 1,24 44
U 0,22 0,01 0,09 0,2 0,2 0,2 0,85 43
Hf 0,29 0,02 0,18 0,28 0,28 0,06 1,01 60
Au 0,04 0 0,02 0,039 0,04 0,008 0,117 61
Ba 225 10,21 75,70 221 284 69 470 34
Sr 932 60 445 956 646 6 1971 48
Cs 0,46 0,05 0,34 0,49 0,1 0,1 1,21 73
Tb 0,05 0,01 0,06 0,02 0,02 0,02 0,23 120
Ta 0,05 0 0,02 0,05 0,05 0,05 0,19 36
Eu 0,13 0,01 0,05 0,13 0,16 0,05 0,28 40
Рис. 1. Дендрограмма корреляционной матрицы геохимического спектра микроэлементов в золе листьев Populus nigra L. по методу ИНАА на территории г. Павлодара
Наиболее значимые среди них выделены 2 группы микроассоциаций на территории г. Павлодара: Ьи Се и Бш, Ьа ТЪ, Бс; эти микроэлементы могут поступать в растительность через аэрогенные выбросы зольного происхождения.
Результаты анализа полученных данных позволили построить следующие геохимические ряды показателей: Су, Кс и Кк (табл. 2). В качестве значений кларка использовали показатель для ноосферы [11].
Т а б л и ц а 2
Геохимическая специализация на территории г. Павлодара в золе листьев Populus nigra L.
Показатель Геохимические ряды
Cv Tb > Na > Lu > Ce > Rb > Cr > Hf > Yb > Sb = Sr > Fe > Zn > Th > Co = U > Sm > Sc = Eu > Ba
Кс СГ21.6 > Sbg,2 > Zn6,7 > Na2,5 > Tb2,3 > Lu2,2 > Yb 1,9 > Cai,8 > Bai,7 > Coi,5 = Eui,5> Fei,3>Sci,2 = Rbi,2 > Sri,i = Ui,i = Tai,i > Ce1,0 = Smi,0 = Thi,0 = Hfi,0
Кк Au59 > Zn25 > Sr23 > Ca9,i > Ba6,2 > Sb3,3 > Cr2,0 > Rb0,6 > Co0,4 > Na0,2 = La0,2 > Sc0,i = Fe0,i = Br0,i = U0,i = Hf),i > Ce0,08 >Tb0,07 = Cs0,07 = Th0,07 > Lu0,05 > Ag0,03 = Ta0,03 > Yb0,006
Примечание. Полужирным выделены токсичные элементы.
По коэффициенту вариации (Су) токсичных элементов построен следующий ряд убывания: Cr > Sb = Sr >
> Zn > Co>Ba.
По коэффициенту концентрации (Кс) элементы, относящиеся к трем классам токсичности, располагаются в следующем порядке: Cr2i,6 > Sb8,2 > Z%,7 > Bai,7 > Coi5 >
> Sri,i.
В целом по городу наиболее высокие показатели (выше единицы загрязнения (Кс) имеют следующие токсичные элементы: хром, сурьма, цинк, стронций. Значительно высокие показатели относительно кларка концентрации (Кк) отмечены для золота, цинка, стронция, кальция, бария, сурьмы и хрома. К наиболее специфическим элементам относятся токсичные элементы.
В исследованиях М.С. Панина и Г.С. Ажаева установлен геохимический ряд (Кс) элементов в водной фракции снега из селитебной зоны г. Павлодара: Cr5,6 >
> Zn3i > Sr2,8 > Co25 [i2, i3]. При сопоставлении данных по накоплению токсичных элементов в золе листьев тополя черного на территории города с геохимическим состоянием жидкой фазы снегового покрова наблюдается региональная сходимость в концентрации хрома, цинка, стронция и кобальта.
На основе полученных данных по химическому составу были построены моноэлементные схематические
карты распределения токсичных элементов в золе листьев тополя черного Populus nigra L. на территории г. Павлодара (рис. 2).
Пространственное распределение рассмотренных элементов (Ba, Co, Sr и Sb) на территории г. Павлодара носит неравномерный, очаговый характер. Отчетливые аномалии бария, кобальта, стронция и сурьмы выражены на юго-западе и северо-востоке города. Небольшие очаги распределения хрома и цинка установлены в центральной и юго-западной частях г. Павлодара.
Выраженные аномалии в юго-западной и северовосточной частях города, на наш взгляд, соответствуют направлению розы ветров (западное, юго-западное) и переносу аэрогенных выбросов ферросплавного завода в г. Аксу и пылевых частиц от золоотвалов угольных разрезов г. Экибастуза, а также связаны с трансграничным переносом элементов по долине р. Иртыша (вверх по течению реки расположен Семипалатинский полигон и металлургические предприятия г. Усть-Каменогорска). Эти данные позволяют утверждать, что уровень накопления изученных химических элементов в золе листьев отражает степень техногенного влияния развитого промышленного комплекса г. Павлодара, Павлодарской области и прилегающих территорий Восточно-Казахстанской области.
о »1 и | очо м
+
k ^
r
h J IP §9 *
Х\^ (с Шя It 1
Условны« ОбО>ИО><«МИЯ
+
О яз$ и
д-
1 /Щ-- i # hfiT~ i ■ h --
о -
-X/ - 1 —Г
И Условны« оОо)и«ч«мия Zn U) no ■i no 1400 1400 ««00 i oo jwo an l V 4- же «я юаом»»»
д е
Рис. 2. Схематические карты распределения токсичных элементов (Ва, Co, Sr, Sb, Cr, Zn) в золе листьев Populus nigra L., мг/кг сухой массы. Содержание токсичных элементов: а - бария; б - кобальта; в - стронция; г - сурьмы; д - хрома; е - цинка
По спектру химических элементов могут быть выделены как минимум 2 группы главных источников воздействия:
- предприятия угольной энергетики и металлообрабатывающей промышленности (Сг, 2п, 8Ъ, Со);
- нефтехимическое производство и химическая промышленность (2п, 8Ъ, Со, ЯЪ).
На основании вышеизложенного можно сделать следующие выводы:
1. В г. Павлодаре установлен высокий уровень накопления химических элементов в золе листьев
Populus nigra L. и построен геохимический ряд (по К,): Cr22 > Sb8>2 > Zn^ > Na2>5 > ТЬ2,з > Lu2,2 > Ybi,9 >
> Cai>8 > Bai,7 > C015 = Eui,5 > Fei,3 > Sci,2 = Rbi,2 = Sr^^ = = Ui,i= Tau> Cei,o = Smi,o = Thi,o = Hfio.
2. На всей территории г. Павлодара в большей степени в листьях тополя выражены токсичные элементы Cr > Sb > Zn.
3. Определены как наиболее значимые две микроассоциации: Lu, Ce и Sm, La, Th, Sc на территории г. Павлодара.
ЛИТЕРАТУРА
1. Отчет начальника Павлодарского областного территориального управления охраны окружающей среды В.А. Бедненко. Павлодар, 2007. 6 с.
2. АлексеенкоВ.А. Экологическая геохимия: Учебник. М.: Логос, 2000. 627 с.
3. Виноградов А.П. Основные закономерности в распределении микроэлементов между растениями и средой // Микроэлементы в жизни расте-
ний и животных. М.: Наука, 1985. С. 7-20.
4. Безель В.С. Экологическая токсикология: популяционный и биоценотический аспекты. Екатеринбург: Гощицкий, 2006. 280 с.
5. Безель В.С., Бельский Е.А., Бельская Е.А. и др. Учение В.И. Вернадского о биохимических циклах и роль трофической структуры биоценоза в
их стабилизации в фоновых условиях и при химическом загрязнении среды // Тяжелые металлы, радионуклиды в окружающей среде: Докл. IV Междунар. науч.-практ. конф. Семипалатинск, 2008. Т. 1. С. 5-10.
6. Барановская Н.В. Элементный состав биологических материалов и его использование для выявления антропогенно-измененных территорий
(на примере южной части Томской области): Автореф. дис. ... канд. биол. наук. Томск, 2003. С. 28.
7. УфимцеваМ.Д., Терехова Н.В. Фитоиндикация экологического состояния урбогеосистем Санкт-Петербурга. СПб.: Наука, 2005. 66 с.
8. Рихванов Л.П., Язиков Е.Г., Сухих Ю.И. и др. Эколого-геохимические особенности природных сред Томского района и заболеваемость насе-
ления. Томск: Курсив, 2006. 216 с.
9. Шестаков Ю.Г. Математические методы в геологии: Учеб. пособие. Красноярск: Изд-во Краснояр. ун-та, 1988. 208 с.
10. Михальчук А.А., Язиков Е.Г., Ершов В.В. Статистический анализ эколого-геохимической информации. Томск: ТПУ, 2006. 72 с.
11. Глазовский Н.Ф. Техногенные потоки вещества в биосфере // Добыча полезных ископаемых и геохимия природных экосистем. М.: Наука,
1982. С. 86-95.
12. Панин М.С., Гельдымамедова Э.А., Ажаев Г.С. Эколого-геохимическая характеристика атмосферных осадков г. Павлодара // Доклады II Международной научно-практической конференции «Тяжелые металлы, радионуклиды и элементы-биофилы в окружающей среде». Семипалатинск, 2002. Т. 2. С. 142-154.
13. Ажаев Г.С. Оценка экологического состояния г. Павлодара по данным геохимического изучения жидких и полевых атмосферных выпаде-
ний: Автореф. дис. . канд. геол.-минер. наук. Томск, 2007. 25 с.
Статья представлена научной редакцией «Биология» 1 июня 2010 г.
