CC BY
62
УДК 582: 581.5: 504.3.054 Т.Н. Отнюкова, А.М. Жижаев, Н.П. Кутафьева
ЭЛЕМЕНТНЫЙ СОСТАВ БИОИНДИКАТОРОВ АТМОСФЕРНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ НА ТЕРРИТОРИИ г. КРАСНОЯРСКА
В статье рассматриваются вопросы элементного состава биоиндикаторов атмосферного загрязнения, в которых речь идет о превышении концентраций в результате влияния естественного геохимического фона и атмосферного загрязнения. Использование различных групп биоиндикаторов позволило наиболее полно выявить причины загрязнения территории г. Красноярска.
Ключевые слова: атмосферное загрязнение, геохимический фон, биоиндикаторы, территория, Красноярск.
T.N. Otnyukova, A.M. Zhizhaev, N.P. Kutafeva ELEMENT STRUCTURE OF THE ATMOSPHERIC POLLUTION BIOINDICATORS ON THE KRASNOYARSK CITY TERRITORY
The issues of element structure of the atmospheric pollution bioindicators in which the question is concentration excess as a result of influence of natural geochemical background and atmospheric pollution are considered in the article. Use of various bioindicator groups has allowed to reveal the reasons of Krasnoyarsk city territory pollution most completely.
Key words: atmospheric pollution, geochemical background, bioindicators, territory, Krasnoyarsk.
Введение. Элементный состав растений используется в мониторинге атмосферного загрязнения [1]. Выявлены пределы допустимых концентраций различных загрязняющих веществ, установлены пороговые уровни токсичности многих элементов для растений [1, 2].
Настоящие исследования проведены с целью разработки и апробирования методов диагностики атмосферного загрязнения с использованием биологических индикаторов, а также с целью привлечения внимания к проблеме загрязнения территории г. Красноярска и его окрестностей.
Ежегодные государственные доклады о состоянии и охране окружающей среды Красноярского края представляют результаты мониторинга загрязнения атмосферного воздуха, атмосферных осадков, снежного покрова, поверхностных и подземных вод, влияния экологических факторов среды обитания на здоровье населения [3, 4]. К сожалению, мониторинг биологического воздействия загрязнения воздуха на растения не осуществляется.
Цель исследований. Изучить элементный состав различных групп растений, сравнить уровни накопления элементов, выявить возможность использования биоиндикаторов в оценке загрязнения территорий.
Объекты и методы исследований. Исследования проводились в лесопарковой зоне города Красноярска (Академгородок). Объектом исследований явились различные группы растений: деревья (Abies, Betula, Picea, Pinus), травянистые растения (Polygonatum), мхи (Orthotrichum, Pylaisia), лишайники (Evernia, Flavo-punctelia, Parmelia, Ramalina, Usnea), шляпочные грибы (Armillaria, Boletus, Paxillus), грибы-ксилотрофы (Me-rulius, Piptoporus, Trametes).
Для выявления элементного состава очищенные от посторонних примесей и высушенные образцы измельчались до крупности частиц меньше 1 мм и подвергались автоклавному микроволновому вскрытию с помощью системы MWS-2 (Berghof, Германия). Во фторопластовый автоклав DAP-60K (объем 60 мл) помещалась навеска около 0,2 г образца и 8 мл HNO3 и H2O2 в соотношении 1:1. После чего проба герметизировалась и подвергалась трехступенчатому микроволновому вскрытию при 120—200оС: 1-я ступень - при 120оС 10 мин, 2-я - при 180оС 30 мин, 3-ступень - при 200оС 20 мин.Реагентную перекись водорода использовали в виде 36%-го раствора (ГОСТ 177-88). Азотную кислоту квалификации ХЧ подвергали дополнительной очистке перегонкой при температуре ниже точки кипения на установке DuoPur (Milestone, Италия). После завершения вскрытия и охлаждения в течение 20 мин жидкую пробу переносили в мерную колбу на 25 мл и доводили до метки деионизованной водой (0=18,2 Ом), полученной на установке очистки воды Direct-Q3 (Milipor, Франция). Полученные растворы анализировали на масс-спектрометре с индуктивно связанной плазмой (ИСП-МС) Agilent 7500A (Agilent, Япония) с прекалибровкой по тюновым растворам. Для уменьшения систе-
матической ошибки были заложены холостые опыты без навески твердого материала с добавлением всех реагентов по описанной методике и ИСП-МС анализом. Определение фтора проведено потенциометрическим методом в Институте геохимии им. А.П. Виноградова СО РАН (г. Иркутск).
Результаты исследований и их обсуждение. Выявлены концентрации 74 элементов в растениях, результаты представлены в сравнении с кларками земной коры (табл.). По уровню накопления элементов выделяются три группы биоиндикаторов: 1 - кора деревьев, эпифитные мхи и лишайники; 2 - хвоя деревьев и травянистые растения; 3 - грибы.
В запыленной коре березы, эпифитных мхах и лишайниках высоки концентрации более чем 50 элементов, концентрации элементов выше кларков [5] - в 5-50 раз ^а, А1, Si, Д Fe) и более (табл.). Так как в многолетнюю толстую кору деревьев элементы не могут поступать непосредственно из почвы, то отсюда следует, что их высокое содержание обусловлено исключительно перехватом и осаждением загрязняющих частиц из атмосферного воздуха. Загрязнение атмосферы г. Красноярска очень высоко [3, 4]. Как показывают настоящие результаты (табл.), в пылевых накоплениях коры деревьев обнаружено большое количество редких и редкоземельных элементов ^а, Ge, Y, Zr, Nb, Pd, !п, La, Ce, PH Ш, Sm, Eu, Gd, ТЬ, Dy, Ho, Er, Тт, Yb, Lu, №, Т1, W). Их суммарные концентрации составляют 20,8 мг/кг, что сопоставимо с уровнем накопления в районе исследований тяжелых токсических элементов (23,1 мг/кг) (табл.). Литературные источники по группе редкоземельных элементов для зарубежных территорий многочисленны [2, 6, 7], для территории России единичны [8].
Из тяжелых токсических элементов (Сг, Ав, Мо, Ад, Cd, Sb, Sn, Аи, Нд, РЬ, В^ в запыленной коре и эпифитах в значительном количестве выявлены РЬ>Сг>Ав>Ад^п^Ь>В>Нд >Аи (табл.). Большинство микроэлементов (Ы, Ве, Na, Sc, Д V, Мп, Со, Ni, Си, Zn, I, Св, Ва) преобладают в пыли коры и эпифитах (за исключением В, Se, РЬ, Sr). Макроэлементы (А1, Si, Fe) в максимальных концентрациях обнаружены в пыли, а биогенные макроэлементы (Мд, Р, S, К, Са) в тканях хвои и травянистых растений. Кроме того, в травянистых растениях выявлены высокие концентрации Мо (табл.).
Грибы свидетельствуют о загрязнении почв Cd, а также о поступлении из почвы РЬ и Р1 (табл.), что согласуется с литературными данными, которые показывают, что макромицеты накапливают в большом количестве токсичный Cd [9, 10] и сравнительно безопасный РЬ [11, 12].
Элементный состав (мг/кг) индикаторных групп растений г. Красноярска (Академгородок)
Элемент Кора березы с пылевыми накоплениями (п = 4) е _0 1 = ^ С Э Эпифитные лишайники (п = 11) Хвойные деревья (п = 19) Травянистые растения (п = 11) Шляпочные и трутовые грибы (п = 26) Кларки элементов, мг/кг [5]
1 4 5 6 2 3 7 8
И 1,29±0,476 0,509±0,098 0,372±0,153 0,150±0,024 0,093±0,024 0,052±0,045 0,018
Ве 0,111 ±0,042 0,072±0,012 0,031±0,010 н.о. Следы Следы 0,002
В 3,04± 1,38 5,69±0,973 1,30±0,221 18,1±2,56 12,5±1,47 1,46±0,430 0,009
Р - - - 138(80-196) - 80(74-86) 0,544
N8 120±68,2 22,7±9,02 33,3±11,0 52,2±10,2 37,1±7,83 57,8±20,5 22,7
Мд 946±321 829±251 343±66,0 414±193 1955±172 419±49,1 27,6
АІ 2625±509 765±236 770±214 99,6±47,3 114±30,3 223±137 83
Э1 1842±198 1436±43,9 1367±126 1137±186 294±60,5 293±41,2 272
Р 276±81,6 341±125 798±224 1335±226 1701±168 1499±173 1,12
Э 1186±401 930±73,5 788±114 942±120 1407±123 1814±328 0,34
СІ 1232±998 883±615 595±235 912±136 5401±1163 3239±1062, 0,126
К 983±199 1146±20,9 803±82,8 2605±421 7907±1339 8522±996 18,4
Са 2185±540 2121 ±32,0 2582±583 5099±788 5005±636 179±47,1 46,6
Эс 1,63±0,377 0,914±0,114 0,790±0,133 0,395±0,068 0,078±0,019 0,070±0,013 0,025
Ті 115±58,6 59,2±16,3 61,7±19,8 13,1±1,54 9,43±2,26 7,85±1,24 6,3
V 8,71±3,06 3,84±0,830 2,91±0,994 0,588±0,077 0,327±0,091 0,291±0,060 0,136
Сг 7,92±3,28 2,82±0,645 2,82±0,999 1,74±0,378 0,598±0,152 1,30±0,275 0,122
Мп 75,3±28,1 62,3±10,8 40,0±11,3 24,2±4,12 27,5±3,29 7,41 ±0,739 1,06
Ре 2843±927 1030±2963 1332±348 391±51,2 186±30,0 114±21,0 62
Со 1,77±0,633 1,31 ±0,202 0,685±0,197 0,379±0,193 0,088±0,026 0,270±0,063 0,029
№ 7,10±3,00 3,64±1,20 3,00±0,763 1,48±0,329 0,792±0,135 1,14±0,205 0,099
Окончание табл.
1 2 3 4 5 6 7 8
Си 13,5±2,40 7,15±1,53 5,42±0,817 2,49±0,353 3,16±0,265 10,7±2,01 0,068
Zn 31,4±9,14 36,1±2,44 18,9±229 21,6±4,33 7,88±0,698 24,7±4,76 0,078
Са 5,44±1,73 4,79±0,671 2,24±0,480 4,01±0,709 2,25±0,337 0,247±0,051 0,019
Се 1,79±0,856 0,628±0,155 0,481±0,150 0,092±0,044 0,042±0,003 0,134±0,036 0,0015
Ав 1,56±0,594 0,697±0,257 0,694±0,099 0,212±0,038 0,230±0,098 0,138±0,031 0,0018
Вг 32,6±24,9 16,5±10,8 7,38±2,59 6,17±1,15 9,68±1,97 7,43±0,749 0,0026
Se 1,00±0,934 0,415±0,266 0,787±0,295 2,17±0,428 0,234±0,114 1,24±0,368 0,00005
РЬ 4,02± 1,08 1,57±0,310 7,91±0,331 1,78±0,650 2,18±0,467 27,3±6,24 0,078
Sr 37,5±10,3 33,9±9,23 26,4±3,74 42,2±6,71 62,3±8,49 2,40±0,711 0,384
У 1,27±0,381 0,767±0,222 0,533±0,111 0,086±0,012 0,072±0,020 0,043±0,011 0,031
Zг 1,39±0,385 0,629±0,123 0,559±0,102 0,176±0,022 0,169±0,041 0,115±0,037 0,16
Nb 0,245±,073 0,131 ±0,019 0,095±0,028 0,018±0,003 0,022±0,006 0,014±,003 0,02
Мо 0,254±0,110 0,149±0,048 0,108±0,025 0,117±0,028 0,409±0,048 0,117±0,022 0,0012
Ри н.о. н.о. н.о. н.о. н.о. н.о. 0,0000001
РИ н.о. н.о. н.о. Следы Следы Следы 0,0000001
Pd 0,198±0,086 0,171±0,050 0,115±0,028 0,159±0,029 0,100±0,027 0,093±0,027 0,000015
Ад 0,983±0,016 н.о. 0,043±0,007 0,017±003 0,322±0,111 0, 00008
Cd 0,135±0,031 0,192±0,022 0,097±0,015 н.о. Следы 0,620±0,286 0,00016
1п 0,007±0,003 Следы Следы н.о. н.о. н.о. 0,00024
Sn 0,257±0,058 0,184±0,031 0,122±0,021 0,087±0,007 0,047±0,014 0,222±0,200 0,0021
Sb 0,205±0,084 0,138±0,048 0,131±0,077 0,065±0,009 0,028±0,007 0,009±0,003 0,0002
Те н.о. н.о. н.о. н.о. н.о. н.о. 0,000002
I 1,51±0,325 1,32±0,283 0,920±0,149 0,370±0,051 0,470±0,131 0,127±0,021 0,00046
Св 0,406±0,132 0,137±0,037 0,140±0,044 0,044±0,008 Следы 0,042±0,014 0,0026
Ва 54,8±17,6 55,9±8,09 24,9±5,47 46,6±7,61 32,7±4,81 2,06±0,501 0,39
1_а 2,27±0,694 1,05±0,241 0,883±0,225 0,135±0,017 0,333±0,119 0,940±0,024 0,035
Се 4,25±1,35 1,91 ±0,508 1,61±0,437 0,242±0,035 0,220±0,061 0,167±0,045 0,066
Рг 0,501 ±0,159 0,205±0,053 0,184±0,050 0,019±0,004 0,014±0,006 0,017±0,005 0,0091
Nd 1,76±0,562 0,783±0,188 0,672±0,166 0,072±0,016 0,055±0,023 0,063±0,019 <0,009
Sm 0,278±0,121 0,169±0,061 0,311±0,031 0,022±0,006 0,011 ±0,004 0,012±0,003 <0,009
Еи 0,102±0,033 0,046±0,009 0,039±0,010 0,014±0,002 Следы н.о. 0,0021
Сd 0,356±0,110 0,156±0,040 0,133±0,036 0,016±0,004 Следы Следы <0,009
ТЬ 0,041 ±0,014 0,019±0,003 0,016±0,003 н.о. н.о. н.о. 0,0012
Dy 0,246±0,014 0,112±0,030 0,092±0,023 0,012±0,003 Следы Следы <0,009
Но 0,046±0,014 0,024±0,005 0,018±0,004 Следы н.о. н.о. 0,0014
Ег 0,127±0,039 0,059±0,016 0,049±0,012 Следы Следы Следы <0,009
Тт 0,013±0,004 Следы Следы н.о. н.о. н.о. <0,009
УЬ 0,107±0,031 0,043±0,016 0,046±0,011 н.о. Следы Следы <0,009
1_и 0,013±0,005 Следы Следы н.о. н.о. н.о. <0,009
№ 0,029±0,007 0,014±0,002 0,013±0,003 н.о. Следы н.о. 0,0026
Та н,о, н.о. Следы н.о. н.о. н.о. 0,0017
W 0,272±0,031 0,126±0,067 0,102±0,033 0,039±0,608 0,072±0,016 0,017±0,004 0,0012
Ре н.о. н.о. н.о. н.о. н.о. н.о. 0,0000007
Ов н.о. н.о. н.о. н.о. н.о. н.о. 0,000005
1г н.о. н.о. н.о. н.о. н.о. н.о. 0,000001
И н.о. н.о. н.о. 0,033±0,014 0,041 ±0,011 0,109±0,037 0,00001
Аи 0,058±0,051 0,018±0,005 0,014±0,006 0,018±0,003 0,137±0,049 0,042±0,022 0,00000004
Нд 0,072±0,031 0,043±0,014 0,033±0,011 н.о. 0,013±0,004 0,043±0,030 0,00008
Т1 0,054±0,015 0,027±0,009 0,022±0,005 0,014±0,005 Следы Следы 0,0007
РЬ 12,8±3,04 6,48±2,51 7,03±1,27 1,07±0,166 0,748±0,265 0,363±0,153 0,013
Bi 0,079±0,028 0,046±0,011 0,033±0,007 0,011±0,003 0,037±0,021 0,072±0,070 0,000008
ТИ 0,517±0,173 0,211 ±0,030 0,158±0,047 0,029±0,005 0,025±0,008 0,018±0,007 0,0081
и 0,171±0,058 0,091 ±0,017 0,061±0,014 0,012±0,004 0,017±0,004 Следы 0,0023
Примечание. Условные обозначения: п - количество определений элементного состава; н.о. - показатели ниже предела обнаружения; (-) - нет данных; (*) - для фтора п = 2; жирным шрифтом выделены максимальные концентрации.
Во всех исследованных образцах наземных биоиндикаторов (хвоя и грибы) в очень высоких концентрациях присутствует F.
Заключение. В мониторинге атмосферного загрязнения при интерпретации результатов элементного анализа растений всегда возникает вопрос, является ли превышение концентраций результатом влияния естественного геохимического фона или атмосферного загрязнения. Как правило, исследователи выбирают несколько индикаторных видов (напочвенные мхи и лишайники, хвоя и листья деревьев, травянистые растения и кустарнички) [13]. Преимущество настоящей работы заключается в том, что выбран более широкий спектр индикаторов. Среди них грибы индицируют поступление элементов из почвы (субстрата), в то время как запыленная многолетняя кора деревьев, а также растущие на коре эпифитные мхи и лишайники, свидетельствуют о перехвате и осаждении элементов исключительно из атмосферы. Под влиянием токсических загрязнителей хвоя и листья деревьев, травянистые растения, а также лишайники, морфологически изменяются.
Таким образом, использование различных групп биоиндикаторов позволяет наиболее полно выявить загрязнение территории.
Литература
1. Загрязнение воздуха и жизнь растений / под ред. М. Трешоу. - Л.: Гидрометеоиздат, 1988. - 535 с.
2. Kabata-Pendias A., Pendias H. Trace elements in Soils and plants. - Boca-Raton; London; New-York; Washington: CRC Press, 2001. - 403 p.
3. О состоянии и охране окружающей среды Красноярского края в 2008 г. / под ред. Д.В. Варфоломеева.
- Красноярск, 2009. - 226 с.
4. О состоянии и охране окружающей среды Красноярского края в 2006 г. / под ред. Д.В. Варфоломеева.
- Красноярск, 2007. - 232 с.
5. Гринвуд Н., Эрншо А. Химия элементов: пер. с англ. - М.: БИНОМ, 2008. - 1277 с.
6. Assessment of atmospheric heavy metal deposition of the Tarkwa gold mining area of Ghana using epiphytic lichens / L.K. Boamponsem, J.I. Adam, S.B. Dampare [at el.] // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research (B). - 2010. - Vol. 268. - P. 1492-1501.
7. Chaffee M.A., Berry K.H. Abundance and distribution of selected elements in soils, stream sediments, and selected forage plants from desert tortoise habitats in the Mojave and Colorado deserts, USA // Journal of Arid Environments. - 2006. - Vol. 67. - P. 35-87.
8. Lichen biomonitoring near Karabash smelter town, Ural Mountains, Russia, one of the most polluted areas in the world / O.W. Purvis, P.J. Chimonides, G.C. Jones [at el.] // Proceedings of the Royal Society of London (B). - 2004. - Vol. 271. - P. 221-226.
9. Kalac P. Trace element contents in European species of wild growing edible mushrooms: A review for the period 2000-2009 // Food Chemistry. - 2010. - Vol. 122. - P. 2-15.
10. Kalac P., Svoboda L., Havlichkova B. Content of detrimental metals mercury, cadmium and lead in wild growing edible mushrooms: a review // Energy Education Science and Technology. - 2004. - Vol. 13(1). - P. 31-38.
11. Uptake of elements by fungi in the Forsmark area / K.J. Johanson, I. Nikolova, A.F.S. Taylor [at el.]. - Stockholm: TR-04-06, 2006. - 86 p.
12. Accumulation of potassium, rubidium and caesium 135Cs and 137Cs) in various fractions of soil and fungi in a Swedish forest / M. Vinichuk, A.F.S. Taylor, K. Rosen [at el.] // Science of the Total Environment. - 2010. -Vol. 408. - P. 2543-2548.
13. Element accumulation in boreal bryophytes, lichens and vascular plants exposed to heavy metal and sulphur deposition in Finland / M. Salemaa, J. Derome, H.-S. Helmisaari [at el.] // Science of the Total Environment. -2004. - Vol. 324. - P. 141-160.
