CC BY
87
МЕТОДЫ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ
ЮГ РОССИИ: ЭКОЛОГИЯ, РАЗВИТИЕ Том 14 N 2 2019 it ИССЛЕДОВАНИЙ
SOUTH OF RUSSIA: ECOLOGY, DEVELOPMENT Vol.14 no.2 2019 Ц " METHODS OF ENVIRONMENTAL
STUDIES
МЕТОДЫ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Оригинальная статья / Original article УДК 574.2+504.054
DOI: 10.18470/1992-1098-2019-2-150-163
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЛИШАЙНИКА HYPOGYMNIA PHYSODES В КАЧЕСТВЕ АККУМУЛЯТИВНОГО БИОИНДИКАТОРА ТЕХНОГЕННОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ
Татьяна А. Трифонова*, Андрей С. Салмин
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Москва, Россия, [email protected]
Резюме. Цель. Провести оценку лишайника Hypogymnia physodes (L.) Nyl., как аккумулятивного биоиндикатора загрязнения атмосферного воздуха территории промышленного города. Методы. Методом рентгенфлуоресцентного анализа определены валовые концентрации ряда тяжелых металлов (ТМ): Pb, Cr, Fe, Cu, Co, Ni в талломах эпифитного лишайника H. physodes, в условиях аэрального техногенного загрязнения на территории города Казани. Результаты. На основе полученных данных определено, что содержание свинца в талломах лишайника лежит в пределах 0,02-3,08 мг/кг; хрома 0,68-2,82 мг/кг; железа 6,46-542,99 мг/кг; меди 6,28-21,52 мг/кг; кобальта 0,01-0,32 мг/кг; никеля 0,03-1,48 мг/кг. Заключение. Выявлены различия содержания ТМ в талломах лишайников в районах города с различной экологической обстановкой. На основе элементного состава талломов произведено районирование территории города. Центильный анализ позволил выявить высокие концентрации ТМ в талломах лишайников в дополнение к инструментальным методам. В результате проведенного исследования показаны высокие биомониторинговые качества лишайника H. physodes.
Ключевые слова: лихеноиндикация, лишайники, атмосферное загрязнение, тяжелые металлы, город Казань.
Формат цитирования: Трифонова Т.А., Салмин А.С. Использование лишайника Hypogymnia physodes в качестве аккумулятивного биоиндикатора техногенного загрязнения атмосферы // Юг России: экология, развитие. 2019. Т.14, N2. C.150-163. DOI: 10.18470/19921098-2019-2-150-163
APPLICATION OF THE HYPOGYMNIA PHYSODES LICHEN AS AN ACCUMULATIVE BIOINDICATOR OF ANTHROPOGENIC ATMOSPHERE POLLUTION
Tatiana A. Trifonova*, Andrey S. Salmin
Lomonosov Moscow State University, Moscow, Russia, [email protected]
МЕТОДЫ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ
ЮГ РОССИИ: ЭКОЛОГИЯ, РАЗВИТИЕ Том 14 N 2 2019 it ИССЛЕДОВАНИЙ
SOUTH OF RUSSIA: ECOLOGY, DEVELOPMENT Vol.14 no.2 2019 Ц " METHODS OF ENVIRONMENTAL
STUDIES
Abstract. Aim. This study was aimed at assessing the possibility of using the Hypogymnia phy-sodes (L.) Nyl. lichen as an accumulative bioindicator of atmospheric air pollution in industrial cities. Methods. Under the conditions of aerial anthropogenic pollution in the city of Kazan, bulk concentrations of such heavy metals (HM) as Pb, Cr, Fe, Cu, Co and Ni were determined in the thalli of epiphytic H. physodes lichen using X-ray fluorescence analysis. Results. According to the data obtained, the samples of lichen thalli contained 0.02-3.08, 0.68-2.82, 6.46-542.99, 6,28-21,52, 0.01-0.32 and 0.03-1.48 mg/kg of lead, chromium, iron, copper, cobalt and nickel, respectively. Conclusion. It is established that the city districts characterized by different environmental conditions showed various HM contents in lichen thalli. On the basis of the elemental composition of the thalli, zoning of the city area was carried out. In addition to instrumental methods, a centile analysis revealed high HM concentrations in the lichen thalli. The conducted research has confirmed high biomonitoring characteristics of the H. physodes lichen. Keywords: lichen indication, lichens, atmospheric pollution, heavy metals, Kazan city.
For citation: Trifonova T.A., Salmin A.S. Application of the Hypogymnia physodes lichen as an accumulative bioindicator of anthropogenic atmosphere pollution. South of Russia: ecology, development. 2019, vol. 14, no. 2, pp. 150-163. (In Russian) DOI: 10.18470/1992-1098-2019-2-150-163
ВВЕДЕНИЕ
Отсутствие специализированных органов саморегуляции и водообмена способствует моментальному ответу организма лишайника на внешние раздражители, что, в свою очередь, определило значимую роль лишайников в мониторинговых исследованиях загрязнения атмосферного воздуха [1]. Современная методология лихеноиндикационных исследований развивается по двум направлениям: первое - исследование морфологических изменений в структурных образованиях талломов под влиянием антропогенного загрязнения [2], в том числе, изучение фрактальной размерности, и второе - определение элементного состава тканей лишайников, а именно аккумулятивная биоиндикация загрязнения среды [3-6].
Исследования атмосферного загрязнения с использованием H. physodes проводились многими отечественными и зарубежными учеными [3-5; 7; 8]. Показано, что H. physodes имеет среднюю устойчивость к высокому загрязнению атмосферного воздуха, при этом, накапливая ТМ в талломах в значительных количествах, что обуславливает ее значимость как аккумулятивного биоиндикатора, в сравнении с видами, которые, при тех же уровнях загрязнения, выпадают из сообщества.
Известна способность H. physodes накапливать высокие концентрации металлов [9]. Выявлено, что в городской среде, в сравнении с другими видами эпигейных и эпи-фитных лишайников, в талломах H. physodes концентрация металлов выше. Данная особенность, в условиях крупных промышленных центров, показана для таких металлов как медь, стронций, цинк, кадмий и кобальт [10]. При этом, большинство исследований в области аккумулятивной лихеноиндикации привязаны к районам с высокой антропогенной нагрузкой (промышленные центры, крупные автомагистрали). Исследований, основанных на использовании лишайников в качестве мониторинговых организмов разных функциональных зон мегаполисов, с выделением функциональных зон всей территории города, крайне мало. В крупных городах слежение за качеством воздушной среды осуществляется на стационарных постах, которые, как правило, единичны, что не дает возможности провести подобную оценку. При неравномерном распределении объектов промышленности на городской территории и высокой транспортной нагрузке появляется необходимость в дополнительных мониторинговых исследованиях.
МЕТОДЫ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ
ЮГ РОССИИ: ЭКОЛОГИЯ, РАЗВИТИЕ Том 14 N 2 2019 it ИССЛЕДОВАНИЙ
SOUTH OF RUSSIA: ECOLOGY, DEVELOPMENT Vol.14 no.2 2019 Ц " METHODS OF ENVIRONMENTAL
STUDIES
Использование биоаккумуляционных качеств лишайников, в дополнение к инструментальным методам контроля, позволяет получать актуальные данные по состоянию атмосферного воздуха обширной территории города.
Исходя из вышесказанного цель исследования - оценка лишайника Н. ркуъойеъ, как аккумулятивного биоиндикатора загрязнения атмосферного воздуха всей территории города. Картографическая интерпретация данных, позволит произвести функциональное зонирование территории города; выделить районы с высоким уровнем загрязнения.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Работы выполнены на территории регионального центра Республики Татарстан -города Казани. Административно город Казань разделен на 7 районов: Советский, Приволжский, Вахитовский, Московский, Авиастроительный, Ново-Савиновский и Кировский. Согласно «Ежегодному обзору состояния загрязнения атмосферного воздуха», по результатам проводимых наблюдений ФГБУ «УГМС Республики Татарстан», основными загрязняющими веществами в городе в 2017 году являются органические загрязнители, взвешенные вещества и тяжелые металлы. Мониторинговые исследования загрязнения атмосферного воздуха проводятся на 10 пунктах наблюдения за загрязнением атмосферного воздуха (ПНЗ). Установлено, что уровень атмосферного загрязнения в городе «повышенный».
В качестве биоиндикатора в работе использовался лишайник вида Н. ркуъойеъ (рис. 1), который является типичным представителем семейства РагтеИасеае, и имеет широкое распространение по всей территории России, за исключением, степных и полупустынных регионов. Он относится к эпифитным листоватым лишайникам с гетеромер-ным строением слоевища.
Рис.1. Таллом лишайника H. physodes на ветке форофита Betula Pendula (Roth).
Фото А.С. Салмин Fig.1. H. physodes lichen thallus on a Betula Pendula (Roth) forophyte branch.
Photo by A.S. Salmin
Пробоотбор производился в летний период 2017 года. Для исключения вероятности влияния форофита на физико-химические процессы в организме лишайника, пробоотбор осуществлялся исключительно со стволов Betula pendula (Roth). В целях максимального покрытия территории города, было заложено 127 площадок пробоотбора тал-
МЕТОДЫ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ
ЮГ РОССИИ: ЭКОЛОГИЯ, РАЗВИТИЕ Том 14 N 2 2019 it ИССЛЕДОВАНИЙ
SOUTH OF RUSSIA: ECOLOGY, DEVELOPMENT Vol.14 no.2 2019 Ц " METHODS OF ENVIRONMENTAL
STUDIES
ломов H. physodes. Пробоотбор осуществлялся со всего ствола в промежутке высот от 0,5 до 1,5 м.
Образцы лишайников очищались, высушивались до воздушно-сухого состояния и озолялись. В полученной золе определялось содержание тяжелых металлов - Pb, Cr, Fe, Cu, Co и Ni на волнодисперсионном рентгенофлуоресцентном спектрометре (Спек-троскан-Макс фирмы НПО «Спектрон», Россия). Исследуемые металлы, в соответствии с ГН 2.1.6.3492-17 «Предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе городских и сельских поселений», относятся к разным классам опасности. Данная особенность исследования позволяет оценить способность лишайников аккумулировать металлы различной опасности, с точки зрения санитарно-гигиенических нормативов охраны атмосферного воздуха.
Статистическая обработка производилась с использованием статистического пакета «Statistica 10.0» (StatSoft, USA). По полученным данным методами описательной статистики были рассчитаны статистические параметры распределения: среднее, стандартная ошибка, стандартное отклонение, а также составлены корреляционные матрицы.
В биомониторинговых, почвенных и экологических исследованиях для характеристики выборки используют непараметрический метод - метод центильных шкал [11; 12]. Центильный метод, при отсутствии нормативной базы по содержанию ТМ в талломах эпифитных лишайников, позволяет произвести сравнение всей выборки на основе отклонения относительно «нормы». Данный метод дает возможность охарактеризовать региональные нормы по содержанию загрязнителей в популяции. В качестве «нормы» рассматривается интервал от 25 до 75 центиля, как соответствующий средним значениям концентрации данного элемента в популяции; значения выше 75 центиля оценивались как «высокие концентрации»; значение ниже 25 центиля - «низкие концентрации» ТМ в талломах. Идея центильного метода, заключается в том, что концентрации ТМ, лежащие в интервале от 25 до 75 центиля, не оказывают вредного физиологического воздействия на популяции лишайников. При расчете центилей не учитывались значения ниже области определения прибора.
Картографическая интерпретация полученных данных осуществлялась с использованием программного обеспечение ArgMap 10.5 (Esri, USA). В качестве инструмента нами выбран Spatial Analyst, позволяющий выполнить градировочную заливку изображаемой территории города на основе атрибутивной информации по содержанию ТМ в талломах лишайников. Используя классическую заливку, нами выделены районы с различной степенью загрязнения атмосферы. Пространственный метод определения распространённости загрязнения широко применяется в современных экологических, в первую очередь, мониторинговых исследованиях. Данный метод позволяет выявить и наглядно продемонстрировать районы с высоким и низким содержанием загрязнителей в экосистеме. На таких территориях возможно формирование искусственных биогеохимических провинций.
ПОЛУЧЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
На рисунке 2а представлена схема расположения точек отбора проб лишайников на территории города Казани. Здесь же представлены некоторые инфраструктурные особенности города. В инфраструктурном зонировании города нами выделены промышленные территории; территории многоэтажных и малоэтажных застроек; территории лесопарковых насаждений, зеленые зоны (в том числе особо охраняемые природные территории (ООПТ)); а также водные объекты (рис. 2а).
Источники промышленного загрязнения атмосферного воздуха города Казани были объединены в 6 промышленных кластеров по принципу территориальности (рис. 2б):
I кластер - ОАО «Оргсинтез», ТЭЦ-3;
II кластер - ОАО «Полимерфото»; ОАО «Тасма-Холдинг»; КГНПП им. Ленина; Вертолетный завод (филиал); ОАО «Кожевенное объединение»;
МЕТОДЫ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ
ЮГ РОССИИ: ЭКОЛОГИЯ, РАЗВИТИЕ Том 14 N 2 2019 it ИССЛЕДОВАНИЙ
SOUTH OF RUSSIA: ECOLOGY, DEVELOPMENT Vol.14 no.2 2019 Ц " METHODS OF ENVIRONMENTAL
STUDIES
III кластер - ОАО «КМПО»; ТЭЦ-2; ФГУП «КАПО им. Горбунова»; ООО Завод «Элекон»;
IV кластер - ОАО «Хитон»; НПП «КОМЗ»;
V кластер - ОАО «Казанькомпрессормаш»; ПО «Терминал»; АО «Завод газовой аппаратуры»;
VI кластер - ОАО «Нэфис»; ЗАО «Кварт»; ТЭЦ-1; АО Завод «Вакууммаш»; ГУП «Теплоконтроль» и др.
a
б
Рис.2. Точки пробоотбора и инфраструктурное зонирование города Казани (а), схема расположения основных промышленных кластеров (б) Fig.2. Sampling points and infrastructural zoning of the city of Kazan (a), location map of the main industrial clusters (б)
МЕТОДЫ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ
ЮГ РОССИИ: ЭКОЛОГИЯ, РАЗВИТИЕ Том 14 N 2 2019 it ИССЛЕДОВАНИЙ
SOUTH OF RUSSIA: ECOLOGY, DEVELOPMENT Vol.14 no.2 2019 Ц " METHODS OF ENVIRONMENTAL
STUDIES
Пробы были отобраны во всех административных районах города для определения пространственного распределения атмосферного загрязнения тяжелыми металлами (табл. 1).
На основе полученных данных выявлено, что максимальное среднее значение по содержанию свинца обнаружено в Советском районе (1,27 мг/кг); хрома и меди в Вахи-товском районе (2,08 и 19,43 мг/кг соответственно); кобальта и никеля в Авиастроительном районе (0,15 и 0,55 мг/кг соответственно); кобальта и железа в Кировском районе (0,15 и 313,12 мг/кг соответственно).
Минимальное среднее значение по содержанию хрома и свинца отмечены в Ново-Савиновском районе (в среднем - 1,42 и 0,63 мг/кг соответственно); кобальта, никеля, меди и железа в Приволжском районе (0,09; 0,28; 14,53 и 198,85 мг/кг соответственно).
Максимальное значение по содержанию хрома отмечено в Советском районе (2,82 мг/кг); кобальта и никеля в Авиастроительном районе (0,32 и 1,48 мг/кг соответственно); свинца в Приволжском районе (3,08 мг/кг соответственно); железа в Ново-Савиновском районе (542,90 мг/кг), меди в Московском районе (21,52 мг/кг).
Минимальное значение по содержанию хрома, свинца и железа отмечено в Приволжском районе (0,68; 0,02; 6,26 мг/кг); кобальта в Советском, Приволжском и Ново-Савиновском районах (0,01 мг/кг); меди в Советском районе (6,28 мг/кг); никеля в Московском районе (0,03 мг/кг).
Таблица 1
Содержание тяжелых металлов в талломах лишайника H. physodes в разных районах города Казани
Table 1
Heavy metal concentrations in H. physodeslichen tlialli _in different districts of the Kazan city_
Xcp±s, мг/кг / Xav±s, mg/kg
Район District Хром Chromium Кобальт Cobaltum Медь Cuprum Никель Niccolum Свинец Plumbum Железо Ferrum
Советский (n=11) Sovetsky (n=11) 1,97±0,59 0,11±0,10 17,45±4,33 0,32±0,16 1,27±0,56 213,15±120,07
Приволжский (n=37) Privolzhsky (n=37) 1,44±0,40 0,09±0,08 14,53±3,01 0,28±0,14 1,00±0,72 198,85±104,72
Вахитовский (n=8) Vakhitovsky (n=8) 2,08±0,22 0,10±0,04 19,43±1,90 0,34±0,07 1,18±0,61 232,18±57,52
Московский (n=26) Moskovskiy (n=26) 1,62±0,46 0,12±0,07 15,00±3,63 0,32±0,15 0,98±0,72 242,74±131,14
Ново-Савиновский (n=23) Novo-Savinovsky (n=23) 1,42±0,35 0,11±0,08 14,90±2,27 0,32±0,13 0,63±0,32 229,61±102,14
Авиастроительный (n=15) Aviastroitelny (n=15) 1,99±0,41 0,15±0,06 17,03±2,83 0,55±0,31 0,87±0,49 290,81±116,83
МЕТОДЫ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ
ЮГ РОССИИ: ЭКОЛОГИЯ, РАЗВИТИЕ Том 14 N 2 2019 it ИССЛЕДОВАНИЙ
SOUTH OF RUSSIA: ECOLOGY, DEVELOPMENT Vol.14 no.2 2019 Ц " METHODS OF ENVIRONMENTAL
STUDIES
Кировский (n=7) Kirovsky (n=7) 1,79±0,43 0,15±0,08 15,66±3,06 0,35±0,13 1,19±0,10 313,12±100,42
По всей выборке All samples 1,64±0,49 0,12±0,07 15,61±3,54 0,34±0,19 0,99±0,68 233,91±116,83
Y . -Y лтт * лтах9 мг/кг / Xmrn-Xmax, mg/kg
Район District Хром Chromium Кобальт Cobaltum Медь Cuprum Никель Niccolum Свинец Plumbum Железо Ferrum
Советский (n=11) Sovetsky (n=11) 0,69-2,82 0,01-0,25 6,28-21,06 0,13-0,59 0,39-2,55 11,87-425,98
Приволжский (n=37) Privolzhsky (n=37) 0,68-2,5 0,01-0,27 6,7-21,36 0,04-0,62 0,02-3,08 6,46-497,79
Вахитовский (n=8) Vakhitovsky (n=8) 1,82-2,51 0,03-0,17 15,76-21,5 0,24-0,48 0,72-2,14 149,14-326,32
Московский (n=26) Moskovskiy (n=26) 0,88-2,42 0,03-0,28 8,16-21,52 0,03-0,64 0,07-2,69 10,55-533,88
Ново-Савиновский (n=23) Novo-Savinovsky (n=23) 0,9-2,68 0,01-0,30 8,64-19,12 0,14-0,71 0,07-1,36 33,65-542,99
Авиастроительный (n=15) Aviastroitelny (n=15) 1,35-2,78 0,08-0,32 10,95-21,17 0,2-1,48 0,27-4,83 125,94-484,14
Кировский (n=7) Kirovsky (n=7) 1,16-2,71 0,04-0,29 11,16-20,88 0,18-0,57 1,05-1,29 118,19-447,21
По всей выборке All samples 0,68-2,82 0,01-0,32 6,28-15,76 0,03-0,64 0,02-4,83 6,46-542,99
Непосредственно на территории пяти из шести, ранее выделенных промышленных кластеров, произведен отбор 35 проб лишайника (табл. 2).
Проведя анализ полученных аналитических данных выявлено, что максимальные значения по содержанию кобальта и никеля отмечены в промышленном кластере III; хрома в кластере V; свинца в кластере VI. Максимальные значения по содержанию железа и меди в талломах лишайника не отмечены на территории промышленных предприятий города.
На основе полученных данных также проведен пространственный анализ распределения некоторых металлов в атмосфере на территории города Казани и сделан вывод об их неравномерном распределении (рис. 3). Можно выделить несколько искусственно сформировавшихся биогеохимических ареалов на территории города: это северозападный ареал, расположенный на территориях Московского и Авиастроительного районов (промышленные кластеры I и III), и юго-восточный ареал на территориях, приуроченных к Советскому и Приволжскому району (кластеры V и VI).
МЕТОДЫ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ
ЮГ РОССИИ: ЭКОЛОГИЯ, РАЗВИТИЕ Том 14 N 2 2019 it ИССЛЕДОВАНИЙ
SOUTH OF RUSSIA: ECOLOGY, DEVELOPMENT Vol.14 no.2 2019 Ц " METHODS OF ENVIRONMENTAL
STUDIES
Таблица 2
Содержание тяжелых металлов в талломах лишайника H. physodes на территории промышленных кластеров города Казани
Table 2
Heavy metal concentrations in H. physodes lichen thalli _for industrial clusters of the city of Kazan_
Элемент Element Промышленные кластеры города Казани, Xmax, мг/кг Industrial clusters of the city of Kazan, Xmax, mg/kg
Кластер I (n=6) Cluster I (n=6) Кластер II (n=5) Cluster II (n=5) Кластер III (n=4) Cluster III (n=4) Кластер V (n=4) Cluster V (n=4) Кластер VI (n=15) Cluster VI (n=15)
Хром Chromium 2,35 2,71 2,78 2,82 2,11
Кобальт Cobaltum 0,23 0,17 0,32 0,25 0,17
Медь Сuprum 20,61 20,87 21,16 20,46 18,29
Никель Niccolum 0,45 0,64 1,48 0,60 0,56
Свинец Plumbum 0,73 1,67 0,98 2,56 3,08
Железо Ferrum 484,90 447,41 484,14 425,98 348,96
Содержание хрома в талломах лишайника Н. ркуъойеъ варьировало от 0,68 до 2,82 мг/кг. Среднее значение составляло 1,64±0,4 мг/кг. Максимальное значение отмечено в промышленном кластере V (рис. 3а), территориально расположенном в Советском районе города Казани.
Рис.3. Карты-схемы распределения свинца (а), меди (б) и железа (в) в золе лишайника H. physodes, отобранных в городе Казани, 2017 г. Fig.3. Scheme maps for the distributions of Plumbum (a), Cuprum (б) and Ferrum (в) in H. physodes lichen ash sampled in the city of Kazan, 2017
МЕТОДЫ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ
ЮГ РОССИИ: ЭКОЛОГИЯ, РАЗВИТИЕ Том 14 N 2 2019 it ИССЛЕДОВАНИЙ
SOUTH OF RUSSIA: ECOLOGY, DEVELOPMENT Vol.14 no.2 2019 Ц " METHODS OF ENVIRONMENTAL
STUDIES
По уровню загрязнения атмосферы хромом г. Казань является относительно чистым. Для сравнения, содержание хрома в талломах аналогичного лишайника на территории Тюменской области варьируется от 1,22 до 8,55 мг/кг [13]; вблизи медеплавильного комбината варьирует от 1,0 до 6,9 мг/кг [14].
Содержание кобальта в талломах лишайника лежит в пределах от 0,007 до 0,32 мг/кг. Максимальное значение отмечено в промышленном кластере III. Среднее значение составляло - 0,12 мг/кг.
Полученные данные сопоставимы с данными по содержанию кобальта в талломах аналогичного лишайника на территориях ООПТ города Твери - 0,23 мг/кг [15]. Однако, средние значения содержания кобальта на севере Западной Сибири значительно выше -0,9 мг/кг [13].
Содержание меди в талломах лишайников варьировало от 6,3 до 21,5 мг/кг, при среднем значении - 15,6 мг/кг (рис. 3б). Для сравнения, содержание данного элемента в талломах Н. ркуъойеъ вблизи медеплавильного завода варьировало от 1,5 до 130 мг/кг [14]; содержание меди на территории Самбийского полуострова Калининградской области сопоставимо с настоящими исследованиями и варьировало от 6,69 до 9,94 мг/кг [16]; среднее содержание меди на севере Западной Сибири - 6,0 мг/кг [13].
Содержание никеля в талломах лишайников Н. ркуъойеъ варьировало от 0,032 до 1,48 мг/кг, при среднем значении - 0,34 мг/кг. Полученные данные сопоставимы с данными исследований, проведенных в Европейской части России. Например, на территории Калининградской области содержание никеля варьирует от 0,013 до 2,43 мг/кг [16]; на территориях ООПТ Твери от 1,52 до 2,51 мг/кг [15].
Содержание свинца в талломах лишайника составляло от 0,024 до 3,08 мг/кг. Максимальная концентрация отмечена в промышленном кластере VI. В мониторинговых исследованиях отмечается, что в промышленных районах Калининградской области содержание свинца варьировало от 3,5 до 9,03 мг/кг, что выше данных, полученных в настоящем исследовании [16]. Содержания свинца в промышленном районе Македонии варьируется в широких пределах от 0,61 до 120 мг/кг [14].
Содержание железа в талломах лишайника варьировало достаточно широко: от 6,45 до 542,99 мг/кг. Среднее значение - 233,9 мг/кг (рис.3б). Железа в атмосферном воздухе города Казани меньше, в сравнении с исследованиями, проведенными в промышленных и естественных экосистемах: север Западной Сибири - от 338 до 3400 мг/кг [13]; Калининградская область - от 180 до 1135 мг/кг [16]; медный рудник в Македонии - от 1200 до 3700 мг/кг [14].
Используя центильный метод была определена доля проб лишайников в каждом районе, в которых выявлены высокие концентрации ТМ в талломах (табл. 3).
Метод центильных шкал позволил нам сформировать региональные особенности содержания исследуемых тяжелых металлов в талломах лишайника Н. ркуъойеъ для города Казани. Таким образом, в качестве региональной «нормы» для хрома принимаются значения от 1,27 до 1,92 мг/кг; кобальта от 0,05 до 0,17 мг/кг; меди от 13,46 до 18,45 мг/кг; никеля от 0,22 до 0,44 мг/кг; свинца от 0,41 до 1,23 мг/кг; железа от 149,7 до 309,23 мг/кг.
На основе центильного анализа выявлено, что во всех районах города отмечены высокие концентрации (выше 75 центиля) всех исследуемых тяжелых металлов в золе лишайников Н. рку8ойв8. Низкие концентрации (ниже 25 центиля) не отмечены в трех районах города - в Вахитовском (по содержанию Сг, Си, №, РЬ); Авиастроительном (по содержанию Сг, Со), Кировском (по содержанию РЬ). Согласно центильному методу наиболее чистым является Приволжский район города.
Центильный анализ позволил выявить высокие концентрации ТМ в талломах лишайников в дополнение к описательным методам статистики. Дополнительно выявлены высокие концентрации железа в атмосферном воздухе Кировского района (57,2% отобранных проб).
МЕТОДЫ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ
ЮГ РОССИИ: ЭКОЛОГИЯ, РАЗВИТИЕ Том 14 N 2 2019 ib ИССЛЕДОВАНИЙ
SOUTH OF RUSSIA: ECOLOGY, DEVELOPMENT Vol.14 no.2 2019 Ц " METHODS OF ENVIRONMENTAL
STUDIES
Таблица 3
Центильный анализ содержания тяжелых металлов в золе лишайника H. physodes в разных районах города Казани
Table 3
Centil analysis of the heavy metal concentration in H. physodes lichen ash _in different parts of the city of Kazan__
Тяжелый металл Хром Кобальт Медь Никель Свинец Железо
Heavy metal Chromium Cobaltum ^prum Niccolum Plumbum Ferrum
Значение 75-ого центиля, мг/кг 1,92 0,17 18,45 0,44 1,23 309,23
75th centile value, mg/kg
Район District Процент высоких концентраций тяжелых металлов в районах города Казани (выше 75 центиля) The proportion of high HM concentrations in areas of Kazan (above 75th centile)
Советский / Sovetsky 54,5 33,3 54,5 30 50 27,3
Приволжский / Privolzhsky 21,6 17,4 13,5 17,7 20,8 13,5
Вахитовский / Vakhitovsky 62,5 16,7 62,5 12,5 42,8 12,5
Московский / Moskovskiy 26,9 26,3 23,1 30,4 30 34,6
Ново-Савиновский / 4,3 22,2 4,3 13,7 6,6 13,1
Novo-Savinovsky
Авиастроительный / Aviastroitelny 46,7 33,3 40 66,7 18,1 46,7
Кировский / Kirovsky 14,3 42,9 28,6 28,6 33,3 57,2
Тяжелый металл Хром Кобальт Медь Никель Свинец Железо
Heavy metal Chromium Cobaltum ^prum Niccolum Plumbum Ferrum
Значение 25-ого центиля, мг/кг 1,27 0,05 13,46 0,22 0,41 149,7
25th centile value, mg/kg
Район District Процент высоких концентраций тяжелых металлов в районах города Казани (ниже 25 центиля) The percentage of high HM concentrations in areas of Kazan (under 25th centile)
Советский / Sovetsky 18,2 50 18,2 40 10 27,3
Приволжский / Privolzhsky 35,1 34,8 35,1 35,3 25 35,1
Вахитовский / Vakhitovsky 0 33,3 0 0 0 12,5
Московский / Moskovskiy 30,8 21,1 34,6 26,1 30 26,9
Ново-Савиновский / 34,8 22,2 17,4 27,3 26,7 17,4
Novo-Savinovsky
Авиастроительный / Aviastroitelny 0 0 13,3 6,6 27,3 13,3
Кировский / Kirovsky 14,3 28,6 28,6 14,3 0 14,3
Для определения синергизма между металлами и путями их поступления, нами произведен анализ дендрограмм корреляционных матриц (рис. 4).
Исходя из проведенного анализа дендрограмм корреляционных матриц можно сделать вывод об ассоциации тяжелых металлом и тесной связи друг с другом: №-Ре-Со; Сг-Си.
МЕТОДЫ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ
ЮГ РОССИИ: ЭКОЛОГИЯ, РАЗВИТИЕ Том 14 N 2 2019 it ИССЛЕДОВАНИЙ
SOUTH OF RUSSIA: ECOLOGY, DEVELOPMENT Vol.14 no.2 2019 Ц " METHODS OF ENVIRONMENTAL
STUDIES
20
1в 16
3 « ü
я ^
О |2
а
Б
4 -------
Рй № 1=е Со Си Сг
Рис.4. Дендрограмма корреляционных матриц концентраций тяжелых металлов
в золе лишайника H. physodes Fig.4. Correlation dendrogram for HM concentrations in H. Physodes lichen ash
Следует отметить, что природа возникновения первой группы элементов, по-видимому, связана с деятельностью предприятий теплоэнергетики, преимущественно (ТЭЦ-1,2,3) и металлообрабатывающей промышленностью. Поступление второй группы элементов в атмосферу (Cr-Co), вероятно, связано с деятельностью предприятий химической промышленности и котельных, использующих низкокачественное топливо.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Оценка атмосферного загрязнения воздушной среды с использованием в качестве биоиндикатора лишайника H. physodes показала, что пространственное распределение поллютантов на территории города Казани неравномерно. В промышленных кластерах отмечены максимальные загрязнения по хрому, кобальту, никелю и свинцу.
С использованием центильных шкал предложено определять региональные нормы содержания тяжелых металлов в талломах лишайника H. physodes. Полученные диапазоны содержания тяжелых металлов в талломах лишайников можно использовать в дополнение к инструментальным методам мониторинга качества атмосферного воздуха.
На основе центильного анализа выявлено, что во всех районах города Казани отмечены высокие концентрации (выше 75 центиля) всех исследуемых тяжелых металлов в золе лишайников H. physodes. Наиболее чистым является Приволжский район города -почти треть всех образцом имеет содержание ТМ ниже «нормы», что характеризует территорию, как «чистую» по качеству атмосферного воздуха.
Центильный анализ позволил выявить высокие концентрации ТМ в талломах лишайников в дополнение к инструментальным методам. Так, высокое содержание железа в атмосферном воздухе Кировского района отмечено в 57,2 % отобранных проб.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Бязров Л.Г., Криволуцкий Д.А. Лишайники в экологическом мониторинге. Москва: Научный мир, 2002. 336 с.
2. Малышева Н.В. Лишайники Санкт-Петербурга. СПб: Изд-во Спб. ун-та, 2003. 97 с.
3. Bruteig I.E. The epiphytic lichen Hypogymnia physodes as a biomonitor of atmospheric nitrogen and sulphur deposition in Norway // Environmental monitoring and assessment. 1993. V. 26. Iss. 1. P. 27-47. Doi: 10.1007/BF00555060
МЕТОДЫ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ
ЮГ РОССИИ: ЭКОЛОГИЯ, РАЗВИТИЕ Том 14 N 2 2019 it ИССЛЕДОВАНИЙ
SOUTH OF RUSSIA: ECOLOGY, DEVELOPMENT Vol.14 no.2 2019 Ц " METHODS OF ENVIRONMENTAL
STUDIES
4. Helena P., Franc B., Cvetka R.L. Monitoring of short-term heavy metal deposition by accumulation in epiphytic lichens (Hypogymnia physodes (L.) Nyl.) // Journal of Atmospheric Chemistry. 2004. V. 49. Iss. 1-3. P. 223-230. Doi: 10.1007/s10874-004-1227-6
5. Большунова Т.С., Рихванов Л.П., Барановская Н.В. Элементный состав лишайников как индикатор загрязнения атмосферы // Экология и промышленность России. 2014. N11. С. 26-31.
6. Вершинина С.Э., Вершинин К.Е., Кравченко О.Ю., Чебыкин Е.П., Воднева Е.Н. Элементный состав лишайников p. Cetraria Ach. из различных регионов России // Химия растительного сырья. 2009. N1. C.141-146.
7. Михайлова И.Н., Кшнясев И.А. Содержание тяжелых металлов в талломах лишайника Hypogymnia Physodes: источники гетерогенности // Сибирский экологический журнал. 2012. Т. 19. N 3. С. 423-428.
8. Трифонова Т.А., Дюков В.В. Особенности развития лишайниковых сообществ в условиях городской среды // Проблемы региональной экологии. 2004. N 1. С. 11-20.
9. Михайлова И.Н., Шарунова И.П. Динамика аккумуляции тяжелых металлов в талломах эпифитного лишайника Hypogymnia physodes // Экология. 2008. N 5. С. 366-372.
10. Жидков А.Н. Накопление химических веществ эпифитными и эпигейными лишайниками сосновых насаждений в условиях техногенного загрязнения среды // Вестник Московского государственного университета леса - Лесной вестник. 2008. N 1. C. 151-156.
11. Васильев А.А., Лобанова Е.С. Эколого-геохимическая оценка почвенного покрова г. Перми: тяжелые металлы и мышьяк // Пермский аграрный вестник. 2015. N 1(9). C. 34-49.
12. Ширкин Л.А., Трифонова Т.А., Кошман В.А., Краснощеков А.Н. Оценка техногенной трансформации почвенного покрова с применением анализа магнитной восприимчивости почв // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2012. Т. 14. N 5 (3). C. 865-870.
13. Московченко Д.В., Валеева Э.И. Содержание тяжелых металлов в лишайниках на севере Западной Сибири // Вестник экологии, лесоведения и ландшафтоведения. 2011. N 11. C. 162-172.
14. Balabanova B., Stafilov T., Sajn R., Baeeva K. Characterisation of heavy metals in lichen species Hypogymnia physodes and Evernia prunastri due to biomonitoring of air pollution in the vicinity of copper mine // International Journal of Environmental Research. 2012. V. 6. Iss. 3. P. 779-794. Doi: 10.22059/IJER.2012.549
15. Кутикова А.О., Мейсурова А.Ф. Содержание металлов в лишайниках из особо охраняемых природных территорий города Твери // Вестник Тверского государственного университета. Серия: Химия. 2016. N 1. С. 152-158.
16. Королева Ю.В., Ревунков В.А. Содержание микроэлементов в лишайнике Hypogymnia physodes в лесных массивах Калининградской области // Вестник Балтийского федерального университета им. И. Канта. Серия: Естественные и медицинские науки. 2016. N 1. C. 85-94.
REFERENCES
1. Byazrov L.G., Krivolutskii D.A. Lishainiki v ekologicheskom monitoringe [Lichens in environmental monitoring]. Moscow, Nauchnyi mir Publ., 2002, 336 p. (In Russian)
2. Malysheva N.V. Lishainiki Sankt-Peterburga [Lichens of Saint-Petersburg]. Saint-Petersburg, SPbGU Publ., 2003, 97 p. (In Russian)
МЕТОДЫ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ
ЮГ РОССИИ: ЭКОЛОГИЯ, РАЗВИТИЕ Том 14 N 2 2019 it ИССЛЕДОВАНИЙ
SOUTH OF RUSSIA: ECOLOGY, DEVELOPMENT Vol.14 no.2 2019 Ц " METHODS OF ENVIRONMENTAL
STUDIES
3. Bruteig I.E. The epiphytic lichen Hypogymnia physodes as a biomonitor of atmospheric nitrogen and sulphur deposition in Norway. Environmental monitoring and assessment, 1993, vol. 26, iss. 1, pp. 27-47. DOI: 10.1007/BF00555060
4. Helena P., Franc B., Cvetka R.L. Monitoring of short-term heavy metal deposition by accumulation in epiphytic lichens (Hypogymnia physodes (L.) Nyl.). Journal of Atmospheric Chemistry, 2004, vol. 49, iss. 1-3, pp. 223-230. Doi: 10.1007/s10874-004-1227-6
5. Bolshunova T.S., Rikhvanov L.P., Baranovskaya N.V. Ultimate Composition of Lichens as Indicator of Aerial Contamination. Ekologia i promyshlennost Rossii [Ecology and industry of Russia]. 2014, no. 11, pp. 26-31. (In Russian)
6. Vershinina S.Ed., Vershinin K.E., Kravchenko O.Yu., Chebykin E.P., Vodneva E.N. Element structure of lichens Cetraria Ach. in various regions of Russian Federation. Khimija Rastitel'nogo Syr'ja [Chemistry of plant raw material]. 2009, no. 1, pp. 141-146. (In Russian)
7. Mikhailova I.N., Kshnyasev I.A. Content of heavy metals in thalli of the lichen Hypogymnia physodes: Sources of heterogeneity. Sibirskiy Ekologicheskiy Zhurnal [Contemporary Problems of Ecology]. 2012, vol. 19, no. 3, pp. 423-428. (In Russian)
8. Trifonova T.A., Dyukov V.V. Features of development of lichen communities in the conditions of urban environment. Problemy regional'noi ekologii [Regional Environmental Issues]. 2004, no. 1, pp. 11-20. (In Russian)
9. Mikhailova I.N., Sharunov I.P. Dynamics of heavy metal accumulation in thalli of the epiphytic lichen Hypogymnia physodes. Ekologiya [Russian Journal of Ecology]. 2008, no. 5, pp. 366372. (In Russian)
10. Zhidkov A.N. Accumulation of chemical substances by epiphytic and epigenic lichens of pine plantations in conditions of technogenic pollution. Vestnik Moskovskogo gosudarstven-nogo universiteta lesa - Lesnoi vestnik [Bulletin of Moscow State Forest University - Forestry Bulletin]. 2008, no. 1, pp. 151-156. (In Russian)
11. Vasiliev A.A., Lobanova E.S. Ecologal and geochemical estimation of soil cover in Perm: heavy metals and arsenic. Permskii agrarnyi vestnik [Perm Agrarian Journal]. 2015, no. 1(9), pp. 34-49. (In Russian)
12. Shirkin L.A., Trifonova T.A., Koshman V.A., Krasnoschekov A.N. Estimation of soil techno-genic transformation by analysis of the magnetic susceptibility. Izvestiya Samarskogo nauch-nogo tsentra Rossiiskoi akademii nauk [Izvestia of Samara Scientific Center of the Russian Academy of Sciences]. 2012, vol. 14, no. 5 (3), pp. 865-870. (In Russian)
13. Moskovchenko D.V., Valeeva E.I. Content of heavy metals in lichens of West Siberian North. Vestnik ekologii, lesovedeniya i landshaftovedeniya [Bulletin of ecology, forestry and landscape studies]. 2011, no. 11, pp. 162-172. (In Russian)
14. Balabanova B., Stafilov T., Sajn R., Baèeva K. Characterisation of heavy metals in lichen species Hypogymnia physodes and Evernia prunastri due to biomonitoring of air pollution in the vicinity of copper mine. International Journal of Environmental Research, 2012, vol. 6, iss. 3, pp. 779794. Doi: 10.22059/IJER.2012.549
15. Kutikova A.O., Meysurova A.F. The metal content in lichens from especial protected natural areas of town Tver. Vestnik Tverskogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: Khimiya [Bulletin of the Tver State University. Series: Chemistry]. 2016, no. 1, pp. 152-158. (In Russian)
16. Koroleva Y.V., Revunkov V.A. Microelement content in lichen hypogymnia physodesin the forests of the Kaliningrad region. Vestnik Baltiiskogo federal'nogo universiteta im. I. Kanta. Ser-iya: Estestvennye i meditsinskie nauki [IKBFU's Vestnik. Ser. natural and medical sciences]. 2016, no. 1, pp. 85-94. (In Russian)
МЕТОДЫ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ
ЮГ РОССИИ: ЭКОЛОГИЯ, РАЗВИТИЕ Том 14 N 2 2019 it ИССЛЕДОВАНИЙ
SOUTH OF RUSSIA: ECOLOGY, DEVELOPMENT Vol.14 no.2 2019 Ц " METHODS OF ENVIRONMENTAL
STUDIES
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ Принадлежность к организации Татьяна А. Трифонова*, доктор биологических наук, профессор, кафедра географии почв, факультет Почвоведения, МГУ им. М. В. Ломоносова; Россия, 119991 г. Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 12; e-mail: [email protected]
Андрей С. Салмин, аспирант, кафедра географии почв, факультет Почвоведения, МГУ им М. В. Ломоносова, г. Москва, Россия. ORCID: 0000-0003-2595-5439
Критерии авторства
Татьяна А. Трифонова обеспечила постановку целей и задач проведенного исследования, проанализировала данные, участвовала в написании рукописи, корректировала рукопись до подачи в редакцию. Андрей С. Салмин осуществлял пробоотбор образцов и их дальнейшую пробоподготовку, проводил аналитические измерения, производил картографическую и статистическую интерпретацию полученных данных, участвовал в написании рукописи. Все авторы в равной степени несут ответственность за плагиат или другие неэтические проблемы.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Поступила в редакцию 05.02.2019 Принята в печать 23.03.2019
AUTHOR INFORMATION Affiliations Tatiana A. Trifonova*, Dr. Sci. (Biol.), Prof., Department of Soil Geography, Soil Science Faculty, Lomonosov Moscow State University; 119991 Russia, Moscow, Leninskiye Gory, 1, b. 12; e-mail: [email protected]
Andrey S. Salmin, PhD researcher, Department of Soil Geography, Soil Science Faculty, Lomonosov Moscow State University, Moscow, Russia. ORCID: 0000-00032595-5439
Contribution
Tatiana A. Trifonova formulated the aim and objectives of the study, analysed the data, participated in the preparation of the manuscript and revised the manuscript prior to its submission. Andrey S. Salmin collected samples and conducted their further preparation, carried out analytical measurements, performed cartographic and statistical interpretation of the data and participated in the preparation of the manuscript. Both authors are equally responsible for plagiarism and other ethical issues.
Conflict of interest
The authors declare that there is no conflict of interest.
Received 05.02.2019 Accepted for publication 23.03.2019
