CC BY
1
Научная статья
УДК 630*581.573.4+581.192
DOI: 10.37482/0536-1036-2024-5-76-90
Концентрация химических элементов в хвое Larix gmelinii и листьях Betula pendula
В.П. Макаров*, канд. биол. наук, ст. науч. сотр.; ResearcherID: AAZ-3029-2020, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-8882-9339
Ю.В. Зима, канд. геогр. наук, науч. сотр.; ResearcherID: AAC-1385-2022, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-0689-0855
Институт природных ресурсов, экологии и криологии СО РАН, ул. Недорезова, д. 16а, г. Чита, Россия, 672014; [email protected]®, [email protected]
Поступила в редакцию 18.01.23 / Одобрена после рецензирования 04.05.23 /Принята к печати 06.05.23
Аннотация. В Забайкальском крае предприятия горнодобывающей промышленности существенно загрязняют окружающую среду химическими элементами. В этих условиях большое значение имеет мониторинг состояния окружающей среды, в т. ч. с помощью растений-индикаторов. Из числа древесных растений наиболее распространены в крае лиственница Гмелина (Larix gmelinii (Rupr.) Kuzen.) и береза повислая (Betulapendula Roth.). На примере Быстринского Cu-Au-Fe скарново-порфирового месторождения исследована концентрация 46 химических элементов в хвое лиственницы Гмелина и листьях березы повислой, а также содержание этих элементов в почве. Цель исследования - выявить видовые различия растений в накоплении элементов и перспективу использования растений как индикаторов загрязнения окружающей среды. Научные работы проведены на 11 пробных площадях в природных растительных сообществах вблизи объектов предприятия в августе 2022 г. Образцы почвы и растений отбирали в одно время, на одних и тех же участках. Химический анализ образцов проведен с использованием «Методики выполнения измерений содержания металлов в твердых объектах методом спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой» (ПНД Ф 16.1:2.3:3.11-98). Установлены различия концентрации элементов в растениях по отношению к кларку наземных растений. Статистически значимо большая по сравнению с хвоей лиственницы концентрация K, Ca, P, Mg, Fe, Ba, Zn, Na, Rb, Ni, Co, Ga, Sn, Y, Zr, Cd и Nb обнаружена в листьях березы, и, напротив, большая, чем в листьях березы, концентрация Sc, W и Hg - в хвое лиственницы. Установлены достоверные различия растений по коэффициенту биологического поглощения Se, P, Sn, Ca, Mn, Sr, Cd, Mg, K, W, Ni, Zn, Sc, Rb, Na и Nb. Знания об особенностях накопления химических элементов в органах растений могут быть использованы для биомониторинга загрязнения окружающей среды и, возможно, для фиторемедиации загрязненных грунтов.
Ключевые слова: месторождение металлов, Larix gmelinii, Betula pendula, химические элементы, загрязнение окружающей среды, загрязнение химическими элементами, мониторинг загрязнения, Забайкальский край
Благодарности: Химический анализ образцов растений и почвы выполнен в лаборатории физико-химических исследований Института тектоники и геофизики им. Ю.А. Косыгина (г. Хабаровск). Аналитики: мл. науч. сотр. В.О. Крутикова, ст. инж. А.Ю. Петрова.
© Макаров В.П.. Зима Ю.В.. 2024
Статья опубликована в открытом доступе и распространяется на условиях лицензии СС В¥ 4.0
Для цитирования: Макаров В.П., Зима Ю.В. Концентрация химических элементов в хвое Larix gmelinii и листьях Betula pendula // Изв. вузов. Лесн. журн. 2024. № 5. С. 76-90. https://doi.org/10.37482/0536-1036-2024-5-76-90
Original article
Concentration of Chemical Elements in Larix gmelinii Needles and Betula pendula Leaves
Vladimir P. Makarov*, Candidate of Biology, Senior Research Scientist; ResearcherlD: AAZ-3029-2020, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-8882-9339 Yurij V. Zima, Candidate of Geography, Research Scientist; ResearcherlD: AAC-1385-2022, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-0689-0855
Institute of Natural Resources, Ecology and Cryology of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, ul. Nedorezova, 16a, Chita, 672014, Russian Federation; [email protected]*, [email protected]
Received on January 18, 2023 /Approved after reviewing on May 4, 2023 /Accepted on May 6, 2023
Abstract. In the Trans-Baikal Territory, mining enterprises significantly pollute the environment with chemical elements. In these conditions, monitoring the state of the environment, including with the help of indicator plants, is of great importance. Among the woody plants, Gmelin larch (Larix gmelinii (Rupr.) Kuzen.) and silver birch (Betula pendula Roth.) are the most common in the region. Using the example of the Bystrinskoe Cu-Au-Fe skarn-porphyry deposit, the concentration of 46 chemical elements in the needles of Gmelin larch and the leaves of silver birch, as well as the content of these elements in the soil, has been studied. The aim of the study is to identify plant species differences in the accumulation of elements and the prospect for using plants as indicators of environmental pollution. Scientific work has been carried out on 11 sample plots in natural plant communities near the enterprise's facilities in August 2022. Soil and plant samples have been collected at the same time, at the same sites. The chemical analysis of the samples has been carried out using the "Methodology for measuring the metal content in solid objects by inductively coupled spectrometry" (FER 16.1:2.3:3.11-98). Differences in the concentration of elements in plants in relation to the clarke of terrestrial plants have been established. A statictically significant higher concentration of K, Ca, P, Mg, Fe, Ba, Zn, Na, Rb, Ni, Co, Ga, Sn, Y, Zr, Cd and Nb has been found in birch leaves compared to larch needles, and, conversely, a higher concentration of Sc, W and Hg - in larch needles than in birch leaves. Significant differences between plants have been established in the biological absorption coefficient of Se, P, Sn, Ca, Mn, Sr, Cd, Mg, K, W, Ni, Zn, Sc, Rb, Na and Nb. Knowledge about the peculiarities of accumulation of chemical elements in plant organs can be used for biomonitoring environmental pollution and, possibly, for phytoremediation of contaminated soils.
Keywords: metal deposit, Larix gmelinii, Betula pendula, chemical elements, environment pollution, chemical pollution, pollution monitoring, the Trans-Baikal Territory Acknowledgements: Chemical analysis of plant and soil samples was performed in the laboratory of physical and chemical research of the Institue of Tectonics and Geophysics named after Yu.A. Kosygin (Khabarovsk). The analysts: junior research scientist V Krutikova, senior engineer A. Petrova.
This is an open access article distributed under the CC BY 4.0 license
For citation: Makarov V.P., Zima Yu.V. Concentration of Chemical Elements in Larixgmelinii Needles and Betulapendula Leaves. Lesnoy Zhurnal = Russian Forestry Journal, 2024, no. 5, pp. 76-90. (In Russ.). https://doi.org/10.37482/0536-1036-2024-5-76-90
Введение
В Забайкальском крае основными предприятиями, загрязняющими окружающую среду, являются горнодобывающие. В России существуют нормативные документы, определяющие предельно допустимые уровни содержания ряда химических элементов в почве и растениях, продуктах питания человека и животных, лекарственном сырье (ГОСТ 17.4.4.02-2017, 21; 0ФС.1.5.3.0009.15), некоторых химических элементов в кормах для сельскохозяйственных животных (временный максимально-допустимый уровень). В этих условиях важен комплексный подход к контролю состояния окружающей среды, в т. ч. и с помощью растений. Известно, что они способны концентрировать в различных органах химические элементы в зависимости от условий окружающей среды и собственных биологических особенностей.
Наибольшие площади земель лесного фонда из числа древесных растений в крае занимают лиственница Гмелина и береза повислая - соответственно 63,3 и 20,4 % (Министерство природных ресурсов Забайкальского края. Государственный лесной реестр). Растения являются пионерными при зарастании нарушенных в результате добычи полезных ископаемых земель и поэтому могут стать удобными объектами для контроля загрязнения воздуха, почвы и растений в районе промышленных объектов.
Есть множество примеров использования лиственницы и березы для биомониторинга окружающей среды. В Польше в качестве биоиндикатора загрязнения воздуха Co, Cu, Ni и Pb коксовой промышленностью предлагается применять лиственницу европейскую (Larix decidua Mill.) [23]. В Германии хорошими фитоиндикаторами при мониторинге сильно загрязненных территорий наряду с другими растениями признаны береза повислая и лиственница европейская. Береза повислая являлась лучшим биоаккумулятором Cd [22]. В Китае, в провинции Ляонин, в районе добычи полезных ископаемых Хунтоу-шань на хвостохранилище в хвое лиственницы ольгинской (Larix olgensis Henry) наблюдалось более высокое содержание Cu, Hg, Mo, Pb и Zn, чем в фоновой зоне [24]. Исследования, проведенные в зоне воздействия Джидинского вольфрамо-молибденового горно-обогатительного комбината в г. Закаменске (Республика Бурятия, Россия), показали повышенное накопление в хвое и коре лиственницы сибирской (Larix sibirica Ledeb.), а также в листьях и коре березы повислой W, Mo, V, Pb, Bi, Cd и Co. Наблюдалась тесная корреляция между концентрациями в почвах и растениях для элементов с сильным и умеренным биологическим захватом [18]. На урбанизированной территории (г. Иркутск, Россия) было изучено содержание Pb, Cd, Cu, Zn в горизонтах почвенного профиля и листьях (хвое) лиственницы сибирской и березы повислой. Показано, что концентрация элементов в листьях (хвое) тесно связана с их содержанием в почвенных горизонтах [20]. Научные изыскания на бывшем утилизированном угольном месторождении, разработка которого велась открытым способом, в Вартеге Хиллс (Южный Уэльс, Великобритания) показали постоянное накопление в
листьях березы повислой Cd и 2п, в то время как в хвое молодой лиственницы европейской отмечались высокие концентрации Мп и РЬ. Исследования фито-ремедиационного потенциала лиственницы европейской и березы повислой на концентрацию металлов в почве выявили, что уровни металлов значительно снизились даже на недавно засеянных испытательных площадках. На участках 4-летней давности наблюдалось снижение концентрации Мп на 14-18 % и концентраций Cd и 2п примерно на 8 %. Береза повислая и лиственница европейская обычно используются в мелиорации земель Великобритании для извлечения 2п, Cd, Мп, РЬ и Си из отходов рудников [16]. В условиях Стерлита-макского промышленного центра (Республика Башкортостан, Россия) изучены особенности накопления и распределения Cd и № в надземных и подземных органах лиственницы Сукачева (Ьапх sukaczewii Dyl.). Выявлено, что повышение концентрации металлов в почве приводит к увеличению их содержания в хвое, ветвях и корневой системе деревьев. № и Cd в основном аккумулируются поглощающими корнями. В надземной части концентрация металлов в ветвях выше, чем в хвое [4]. В Чешской Республике кольца деревьев лиственницы европейской предлагается использовать как инструмент надежного геохимического архива локальных и региональных изменений атмосферной ртути [21]. Определено содержание Cd, РЬ, Си, №, Мп, 2п и Fe в листьях березы повислой (Нижняя Силезия, Польша), которые особенно подвержены промышленному загрязнению. Обнаруженные значительные положительные корреляции между содержанием Си и РЬ в листьях березы и уровнями этих элементов в соответствующих почвах указывают на ее потенциал для использования в биомониторинге загрязнения окружающей среды Си и РЬ [19]. Для Забайкальского края есть несколько примеров применения в этих целях лиственницы Гмелина и березы повислой [5-7, 13].
Быстринский горно-обогатительный комбинат (ГОК) - сравнительно молодое предприятие, запуск производства которого проведен в 2017 г. Специфические природные климатические и геохимические условия района размещения предприятия, а также технологии обогащения полезных ископаемых обусловливают особенности элементного состава произрастающих здесь растений. Ранее элементный состав древесных растений в районе предприятия не исследовался.
Цель данной работы - дать сравнительную оценку концентраций химических элементов в хвое лиственницы Гмелина и листьях березы повислой в районе Быстринского ГОКа, а также определить возможность использования растений для контроля загрязнения окружающей среды.
Объекты и методы исследования
Исследование проведено на территории Быстринского ГОКа. Это крупное Си-Аи^е скарново-порфировое месторождение. Оно находится на территории Газимуро-Заводского района Забайкальского края, в 25 км к северо-западу от районного центра, пос. Газимурский Завод (51,482° с. ш. 118,538° в. д.). Минеральный состав руд разнообразный - более 90 гипогенных минералов. Наиболее широко распространен магнетит, а среди сульфидов - пирит, халькопирит, пир-
ротин. В меньших количествах, но постоянно встречаются арсенопирит, Со-№-Р арсениды и сульфоарсениды, галенит, сфалерит, валлериит, блеклые руды. Особое место, хотя и без образования крупных скоплений, занимают Mo-W и редкоземельная минерализация [10]. Наиболее широко развита Мо-минерализация скарнового типа, в которой содержание Мо может достигать высоких значений. Молибденовая минерализация в скарнах характеризуется изменчивыми, но, как правило, высокими концентрациями Fe, Си, Со, S, As [11].
На территории месторождения были выделены горные дерновые лесные, дерновые лесные насыщенные, темно-серые лесные, лугово-черноземные, луговые, лугово-болотные типы почв. Среднее содержание гумуса находилось в пределах 4,2-15,3 %, рН - 5,9-6,9, среднее содержание фосфора - 1,914,0 мг/100 г, калия - 11,0-29,0 мг/100 г. По механическому составу все типы почв тяжелосуглинистые. Для почв характерно увеличенное относительно кларка содержание Sc. В горных дерновых лесных почвах наблюдалось повышенное количество Си, Сг, W, As. В темно-серых лесных почвах зафиксировано небольшое превышение Си (и во всех пробах высокая доля As). Основными тяжелыми металлами, выявленными в концентрациях больше нормы, являлись Си, Сг, As, W. В подвижных формах тяжелые металлы не имели значений выше допустимых [12].
В августе 2022 г. с 4 пробных площадей (ПП 2, 6, 10, 11) было взято по одной пробе почвы путем смешивания 5 точечных проб почвы методом конверта в слое 20 см. Пробы упаковывались в полиэтиленовые пакеты. Масса проб, условия их транспортировки и хранения соответствовали нормативным документам (ГОСТ 17.4.3.01-2017, ГОСТ 17.4.4.02-2017, ПНД Ф 12.1:2:2.2:2.3: 3.2-03).
Одновременно с почвой на высоте около 2 м в кроне 5-6 деревьев было отобрано 9 объединенных образцов хвои лиственницы (ПП 1-7, 9, 10) и 10 объединенных образцов листьев березы (ПП 1-7, 9-11).
Пробные площади располагались в природных сообществах, преимущественно в лиственнично-березовых лесах, а также прирусловых древесно-ку-старниковых сообществах и на пойменном лугу. Абсолютная высота ПП была в пределах 752-925 м над ур. м. Возраст лиственницы составлял около 60-70 лет, березы - 10-30 лет. Сомкнутость крон в большинстве насаждений - около 70 %, на ПП 2 произрастали отдельно стоящие деревья, на ПП 6 сомкнутость крон равнялась около 20 %. ПП находились в радиусе 7-8 км от карьеров и обогатительной фабрики предприятия (см. рисунок).
При пробоподготовке для определения концентраций микроэлементов в пробах за основу была взята методика выполнения измерений содержания металлов в твердых объектах методом спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (ПНД Ф 16.1:2.3:3.11-98). В качестве стандартных образцов для проверки и калибровки прибора применялись ДВА, ДВБ (Дальний восток, Россия), ВНУО-1, STM-1 (США), JG-1a, JR-1 (Япония) и др. Учитывая, что наиболее корректной оценкой предела обнаружения в аналитических методах является экспериментальное нахождение такого значения [15], данные по Se, Sb, РЬ, Ве приведены ниже порога в соответствии с методикой ПНД Ф 16.1:2.3:3.11-98.
Расположение пробных площадей The location of sample plots
Статистическая обработка полученных данных проведена с помощью программы Microsoft Excel 2010, определены средние арифметические значения с ошибкой (M ±m), среднеквадратичное отклонение (CV), минимальное и максимальное значения (Min-max).
Результаты исследования и их обсуждение
Среднее валовое содержание химических элементов в почве (I II I 2, 6, 10, 11) представлено в табл.1.
Таблица 1
Валовое содержание химических элементов в почве, мг/кг The gross content of chemical elements in the soil, mg/kg
Элемент M ±m ср Отношение к кларку земной коры, % Min-max CV, %
Fe 31615±370 68 30346-32389 3
K 14618±302 58 13479-15293 5
Na 8108±1751 32 2841-12662 48
Mg 6767±1131 36 4730-11140 37
Ca 4460±208 15 3742-5008 10
Ti 2310±165 51 1928-2883 16
Mn 1146±258 115 568-2036 50
P 840±183 90 541-1562 49
Ba 532±55 82 363-644 23
Sr 134,4±10,4 40 100-160 17
Окончание табл. 1
Элемент M ±т Отношение к кларку Min-max СУ %
Ф земной коры, %
ЯЪ 91,4±7,9 61 66,0-108,0 19
Сг 78,7±29,5 95 44,7-196,0 84
V 72,3±2,8 80 63,8-80,9 9
Zn 69,2±2,2 83 65,1-75,4 7
Се 59,3±6,1 85 47,6-80,7 23
Zr 52,4±5,0 31 38,9-69,2 21
Li 39,2±4,7 123 28,3-50,6 27
№ 31,4±6,7 54 17,0-56,5 48
La 28,8±2,7 99 24,2-39,3 21
Си 22,7±1,6 48 18,3-28,3 16
As 21,5±3,3 1267 13,8-31,3 35
РЪ 20,4±1,4 127 17,4-25,6 16
В 18,1±4,1 151 12,6-34,3 51
ва 15,9±0,2 84 15,4-16,6 3
Y 13,9±2,4 48 8,7-22,9 38
Со 11,4±1,0 63 9,0-14,4 19
ТИ 9,9±0,4 76 9,0-11,3 9
8с 9,4±0,3 94 8,6-10,4 8
Cs 8,3±0,5 225 6,8-9,5 13
№Ъ 7,1±0,6 35 5,8-9,3 19
Рг 6,9±0,8 77 5,6-9,9 26
8Ъ 2,6±0,6 513 1,2-4,4 53
W 2,4±0,6 181 1,3-4,8 59
и 2,1±0,3 85 1,6-3,3 32
Ве 1,7±0,05 45 1,6-1,8 6
ве 1,4±0,1 97 1,2-1,5 9
Mo 1,2±0,2 111 0,8-1,8 36
8п 1,2±0,1 49 1,0-1,6 19
Та 0,7±0,1 28 0,6-0,9 21
Т1 0,6±0,05 57 0,5-0,7 19
Ag 0,30±0,04 420 0,17-0,43 33
Hg 0,1±0,02 133 0,05-0,20 51
Са 0,08±0,01 65 0,04-0,13 40
В1 0,02±0,02 187 0,001-0,080 210
8е 0,001±0 2 0,001-0,001 0
Те 0,001±0 100 0,001-0,001 0
Относительно кларка земной коры [2] среднее валовое содержание химических элементов в почве находилось в такой последовательности: As > Sb > Ag >
> Cs > Bi > W > В > ^ > РЬ > Li > Мп > Мо > Те = Кларк > La > Ge > Сг > Sc > >Р > Се > и > Ga > 2п > Ва > V > Рг > ТИ > Fe > Cd > Со > Rb > К > Т1 > № > Т >
> Sn > Си > Y > Ве > Sг > Mg > №Ь > №а > 2г > Та > Са > Se.
Средняя концентрация химических элементов в хвое лиственницы: K >
> Ca > P > Mg > Mn> Fe > Ba > Sr > B > Zn > Cu > Na > Ti > Rb > Cr > As > Ni >
> Pb > V > Mo > Ce > W > Co > Sc > Li > La > Cs > Ga > Se > Sn > Y > Zr > Sb > Th >
> Cd > Pr > Hg > Bi > U > Be > Ag > Ge > Ta > Tl > Nb > Te; в листьях березы:
> K > Ca > Mg > P > Mn > Fe > Zn > Ba > Sr > Na > B > Cu > Ti > Rb > Ni > Cr > As >
> Co > Mo > V > Ce > Pb > Cd > Li > W > Zr > La > Sn > Ga > Y > Cs > Sb > Se > >Th > Pr > U > Be > Hg > Ge > Nb > Sc > Ta > Ag > Bi > Te > Tl.
Средняя концентрация в листьях березы повислой K, Ca, P, Mg, Fe, Ba, Zn, Na, Rb, Ni, Co, Ga, Sn, Y, Zr, Cd и Nb была статистически достоверно выше, чем в хвое лиственницы Гмелина. В хвое лиственницы средняя концентрация Sc, Hg и Tl достоверно выше, чем в листьях березы (табл. 2). Между концентрациями других исследованных элементов в листьях и хвое растений статистически достоверных различий не обнаружено.
Таблица 2
Концентрации химических элементов в хвое лиственницы Гмелина и листьях березы повислой, мг/кг The concentrations of chemical elements in Gmelin larch needles and silver birch leaves, mg/kg
Элемент Лиственница Гмелина Береза повислая
M ±m ч> Отношение ккларку наземных растений, % Min-max CV, % M ±m ср Отношение ккларку наземных растений, % Min-max CV, %
Ag 0,004±0,001 67 0,001-0,010 99 0,002±0,001 33 0,001-0,010 125
As 0,74±0,26 370 0,05-2,02 107 0,42±0,21 210 0-2,21 159
B 19,5±2,6 39 9,8-34,1 39 21,0±1,2 42 15,5-26,7 18
Ba** 67±11 479 23-117 49 101±16 721 15-161 51
Be 0,006±0,001 6 0,002-0,010 57 0,010±0,003 10 0,001-0,030 77
Bi 0,013±0,012 22 0,001-0,110 277 0,001±0 2 0,001-0,001 0
Ca** 1952±133 11 1446-2463 20 4636±378 26 2767-7078 26
Cd** 0,021±0,003 4 0,010-0,040 44 0,141±0,031 24 0,020-0,280 70
Ce 0,17±0,07 84 0,001-0,640 123 0,22±0,07 110 0,04-0,66 99
Co** 0,160±0,052 32 0,04-0,53 98 0,32±0,08 64 0,10-0,75 76
Cr 0,81±0,23 352 0,26-2,27 84 1,10±0,27 478 0,26-2,62 76
Cs 0,041±0,014 205 0,003-0,110 99 0,039±0,014 195 0,004-0,150 114
Cu 6,2±1,8 44 2,2-18,3 87 6,3±1,2 45 2,8-13,6 61
Fe** 135±49 96 22-462 109 325±87 232 50-830 85
Ga ** 0,04±0,01 667 0,01-0,12 88 0,07±0,02 1167 0,02-0,16 67
Ge 0,003±0,001 - 0,002-0,010 81 0,005±0,001 - 0,002-0,010 69
Hg* 0,016±0,004 107 0,001-0,040 71 0,008±0,002 53 0,001-0,020 90
K** 3788±162 27 2936-4501 13 6274±483 45 4638-9445 24
La 0,10±0,04 118 0,01-0,35 112 0,12±0,03 141 0,03-0,33 91
Li 0,107±0,048 107 0,001-0,440 135 0,14±0,05 140 0,02-0,40 106
Mg** 1255±56 39 978-1454 13 3770±164 118 3024-4676 14
Окончание табл. 2
Лиственница Гмелина Береза повислая
Отноше- Отноше-
Элемент М ±т ср ние ккларку наземных растений, % Мт-тах СУ % М ±т ср ние ккларку наземных растений, % Мт-тах СУ %
Мп 583±158 93 16-1553 81 662±171 105 74-1725 81
Мо 0,20±0,08 22 0,02-0,69 120 0,303±0,097 34 0,060-0,900 101
№а** 3,13±2,24 0 0,00120,500 215 41,6±12,1 3 0,001130,100 92
№Ь** 0,0013±0,0003 65 0,001-0,004 75 0,005±0,003 250 0,001-0,020 163
0,717±0,179 24 0,001-1,690 75 2,2±0,4 73 0,4-4,4 55
Р** 1644±186 71 847-2559 34 2356±239 102 1277-4133 32
РЬ 0,50±0,20 19 0,09-2,02 123 0,22±0,08 8 0,001-0,690 109
Рг 0,019±0,007 - 0,001-0,070 112 0,022±0,007 - 0,003-0,070 101
ЯЬ ** 1,5±0,2 8 0,5-2,7 51 3,9±0,6 20 1,9-6,9 47
8Ь 0,034±0,011 57 0,004-0,090 99 0,033±0,010 55 0,010-0,110 95
8е* 0,11±0,01 13750 0,05-0,17 38 0,005±0,003 625 0,001-0,030 194
8е 0,04±0,01 20 0,01-0,09 71 0,030±0,004 15 0,001-0,050 49
8п** 0,04±0,01 13 0,01-0,13 100 0,107±0,014 36 0,050-0,210 42
8г 45±5 173 29-77 35 56,7±5,4 218 33,7-86,1 30
Та 0,002±0,001 - 0,001-0,010 150 0,003±0,001 - 0,001-0,010 136
Те 0,001±0 - 0,001-0,001 0 0,001±0 - 0,001-0,001 0
Th 0,029±0,012 - 0,003-0,110 129 0,026±0,012 - 0,001-0,120 143
ТС 2,813±1,782 281 0,00116,100 190 5,3±1,8 530 0,00114,900 106
Т1* 0,0016±0,0003 - 0,001-0,003 57 0,001±0 - 0,001-0,003 53
и 0,011±0,005 289 0,001-0,050 143 0,014±0,004 368 0,002-0,040 101
V 0,22±0,08 14 0,04-0,81 115 0,27±0,08 17 0,07-0,69 89
W 0,165±0,088 236 0,001-0,800 161 0,13±0,07 186 0,001-0,540 163
Y 0,04±0,02 - 0,01-0,16 109 0,059±0,016 - 0,020-0,170 88
2п** 11,2±1,0 11 6,3-15,2 28 131±12 131 76-193 29
2г** 0,039±0,019 6 0,001-0,170 148 0,129±0,043 20 0,001-0,440 105
*Концентрация элемента статистически достоверно выше в хвое лиственницы Гмелина.
** Концентрация элемента статистически достоверно выше в листьях березы повислой.
По отношению к кларку наземных растений [3] концентрация химических элементов в хвое лиственницы Гмелина располагалась в следующем порядке: Sc > Ga > Ва > As > Сг > и > Т > W > Cs > Sr > La > Li > Кларк > Fe > Мп >
> Се > Р > Ag > N > Sb > Си > В > Mg > Со > К > № > Bi > Мо > Se > РЬ >
> V > Sn > Са > 2п > Rb > Ве > 2г > Cd > №а. Для листьев березы повислой последовательность элементов относительно кларка была такой: Ga > Ва > Sc >
> Т > Сг > и > №Ь > Fe > Sг > As > Cs > W > La > Li > 2п > Mg > Се > Мп > Р >
> Кларк > № > Со > Sb > ^ > Си > К > В > Sn > Мо > Ag > Са > Cd > Rb > 2г >
> V > Se > Ве > РЬ > №а > Bi.
Коэффициенты биологического поглощения элементов растениями свидетельствовали о статистически достоверно более высоком их накоплении в листьях березы, в порядке убывания - Se, P, Zn, Ca, Cd, Mg, Mn, Ni, Sn, Rb, Na, Nb. Лиственница отличалась от березы статистически достоверно большим коэффициентом поглощения Sc, Hg и W - соответственно в 35; 3,4 и 1,6 раза (табл. 3).
Таблица 3
Коэффициенты биологического поглощения элементов хвои лиственницы Гмелина и листьев березы повислой The biological absorption coefficients of the elements of Gmelin larch needles
and silver birch leaves
Элемент Лиственница Гмелина Береза повислая
Ag 0,02±0,01 0,006±0,002
As 0,04±0,04 0,02±0,02
B 1,2±0,1 1,4±0,2
Ba 0,17±0,02 0,26±0,03
Be 0,004±0,002 0,009±0,005
Bi 0,67±0,33 0,67±0,33
Ca* 0,48±0,08 1,3±0,2
Cd* 0,25±0,02 1,3±0,2
Ce 0,004±0,003 0,004±0,002
Co 0,02±0,01 0,03±0,01
Cr 0,02±0,01 0,03±0,02
Cs 0,006±0,005 0,005±0,003
Cu 0,37±0,23 0,30±0,12
Fe 0,006±0,004 0,01±0,01
Ga 0,003±0,002 0,005±0,002
Ge 0,004±0,002 0,004±0,002
Hg** 0,27±0,08 0,08±0,06
K 0,230±0,005 0,56±0,05
La 0,005±0,004 0,005±0,003
Li 0,006±0,005 0,006±0,004
Mg* 0,23±0,02 0,69±0,05
Mn* 0,34±0,06 0,50±0,12
Mo 0,19±0,14 0,15±0,07
Na* 0,0001±0,0001 0,006±0,002
Nb* 0,0002±0,0001 0,001±0,001
Ni* 0,03±0,02 0,10±0,04
p* 2,0±0,5 3,6±0,6
Pb 0,04±0,03 0,02±0
Pr 0,004±0,003 0,003±0,002
Rb* 0,012±0,004 0,04±0,01
Sb 0,03±0,02 0,02±0,01
Sc** 0,014±0,002 0,0004±0,0003
Окончание табл. 3
Элемент Лиственница Гмелина Береза повислая
Se* 16,7±6,7 33,3±6,7
Sn* 0,015±0,003 0,06±0,01
Sr 0,33±0,06 0,49±0,05
Ta 0,001±0 0,0010±0,0001
Te 1,00±0 1,0±0
Th 0,004±0,004 0,003±0,002
Ti 0,002±0,002 0,002±0,001
Tl 0,003±0,001 0,0020±0,0002
U 0,010±0,009 0,007±0,005
V 0,005±0,003 0,005±0,003
W** 0,13±0,12 0,08±0,07
Y 0,005±0,004 0,005±0,003
Zn* 0,17±0,02 1,6±0,4
Zr 0,001±0,001 0,002±0,001
*Коэффициент биологического поглощения статистически больше в листьях березы повислой. ** Коэффициент биологического поглощения статистически больше в хвое лиственницы Гмелина.
Относительно высокая концентрация Sc в хвое лиственницы может позволить использовать вид как индикатор содержания этого элемента в горных породах и загрязнения окружающей среды. Известно, что содержание Sc в почве определяется главным образом материнской породой. Его наименьшие концентрации установлены в песчаных и легких органических почвах, в то время как для почв, развитых на гранитах и вулканических породах, получены более высокие значения [9]. Концентрация Sc в растениях зависит от степени загрязнения окружающей среды. Так, вблизи Иркутского алюминиевого завода в хвое лиственницы сибирской отмечалось увеличение концентрации Sc в 2,45,3 раза по сравнению с фоновыми значениями [1]. В промышленной зоне ОАО «Нафтан» (Республика Беларусь) обнаружено накопление Sc в хвое туи западной (Thuja occidentals L.) в размере 10-20 мг/кг, при содержании в почве менее 10 мг/кг. Отмечалось, что туя западная может выступать индикатором ряда исследуемых металлов и других элементов, т. к. способна аккумулировать их в хвое [8]. В то же время более высокое содержание Sc по сравнению с другими растениями фиксировали в некоторых грибах (базидиомицеты) и мохообразных [17]. Исследование накопления микро- и макроэлементов во мхах, лишайниках, хвое кедра и лиственницы в Западно-Сибирской Арктике (Ямало-Ненецкий автономный округ) показало, что концентрация Sc в изучаемых объектах ступенчато увеличивается в следующем порядке: хвоя кедра, хвоя лиственницы, лишайники и мхи. Установлено, что количество элемента в биологических объектах обусловлено фоном твердых атмосферных осадков. По поверхности исследуемой территории (с центром в пределах г. Новый Уренгой) наблюдалось радиально-симметричное распределение содержания элементов в биологических объектах. Наиболее ярко это проявлялось для хвои лиственницы и кедра. Исследование элементного состава растений в районе Томторско-го месторождения ниобий-редкоземельных руд в Якутии показало, что в хвое лиственниц преобладают P и Mn, в меньшем количестве - B и Zn. Для коры
лиственницы характерно преобладание Мп и 2п. По отношению к хвое в коре лиственницы незначительно выше содержание Си, Т^ Ag, РЬ, Li и Sc. Концентрация скандия в коре лиственницы была равной концентрации в лишайниках [14].
Коэффициенты поглощения других исследованных элементов в растениях статистически достоверно не отличались. В группу биологического накопления лиственницы входили Se, Р и В, а березы - Se, Р, В, Са, Cd и 2п. По степени интенсивности накопления выделялся Se, особенно у березы.
Согласно ГОСТ 17.4.4.02-2017, ряд химических элементов отнесен к опасным для здоровья человека и животных: Л8, Cd, И§, Se, РЬ, 2п (1-й класс); В, Со, №, Мо, Си, Sb, Сг (2-й класс); Ва, V, Мп, Sr (3-й класс).
На части 1111 концентрация Л8 в образцах лиственницы и березы превышала в 1,5-4,4 раза установленные предельно допустимые уровни для лекарственного сырья (ОФС.1.5.3.0009.15).
В хвое лиственницы на отдельных 1111 концентрация Бе и Сг была больше в 2,5-4,6 и 1,5-2,3 раза соответственно, чем максимально допустимый уровень для корма животных; в листьях березы - в 1,5-5,2 и 2,0-8,3 раза соответственно.
Лиственница и береза отличались по уровню накопления элементов в хвое и листьях на ПП, находящихся вблизи производственных объектов. Сравнение количества элементов с максимальной концентрацией по ПП показало, что наибольшее количество таких элементов в хвое лиственницы было на ПП 10 (26 элементов), а в листьях березы - на ПП 4 (27 элементов). В то же время на других площадях количество элементов с максимальной концентрацией было не более 7. Это свидетельствует о возможном максимальном количестве химических элементов на этих площадях, а также о том, что растения реагируют, но по-разному, на содержание химических элементов в окружающей среде. Следует отметить, что ПП 4 находится вблизи и восточнее карьера предприятия и в пойме реки, а ПП 10 - вблизи и западнее хвостохранилища.
Для хвои лиственницы обнаружены достоверные корреляционные связи содержания ряда элементов 1-го класса опасности на 1%-м уровне значимости с уровнями других исследованных элементов. С концентрацией в хвое лиственницы мышьяка корреляционно положительно связаны концентрации Сг, Cs, Мо, Sb, Sr и ТЪ (г = 0,81-0,95), ртути - Li, Б, Се, Сг и Ge (г = 0,80-0,85), цинка -Ва (г = 0,82). Отрицательные связи установлены между концентрациями Л8 и Р (г = -0,84), а также между концентрациями 2п и В (г = -0,83).
В листьях березы концентрация As достоверно положительно связана с концентрацией значительно большего числа элементов: Л§, Се, Сг, Cs, Си, Бе, Ьа, Ы, Рг, Sb, Sc, Sr, ТЪ, Т1, и, V, ' Y и 2г
(г = 0,76-0,97). Концентрация Н в листьях березы также корреляционно достоверно положительно связана с концентрацией большего количества элементов: Ве, Се, Сг, Cs, Си, Fe, Ga, Ge, La, Li, Рг, Sb, Sc, ТЪ, ТС, и, V, W и Y (г = 0,72-0,90). Концентрация Cd в листьях положительно связана с концентрацией Мп (г = 0,93) и отрицательно - с концентрацией Rb (г = -0,73).
Заключение
Исследование концентрации химических элементов в хвое лиственницы Гмелина и листьях березы повислой показало значительные различия в накоплении ряда элементов представителями этих видов. Концентрация большин-
ства изученных элементов была больше в листьях березы, и только Sc, W и Hg в большей мере накапливались в хвое лиственницы, особенно Sc.
Отличались у растений также коэффициенты биологического поглощения. В группу биологического накопления лиственницы входили Se, P и B, а березы - Se, P, B, Ca, Cd и Zn. При этом коэффициенты накопления в листьях березы Zn, Cd, Se, P, B были больше, чем в хвое лиственницы в 9,4; 5,2; 2,0; 1,8 и 1,2 раза соответственно. Коэффициенты биологического поглощения Sc, Hg и W в хвое лиственницы были больше, чем в листьях березы, в 35; 3,4 и 1,6 раза соответственно.
Концентрации As, Cr и Fe превышали в ряде мест произрастания растений пределы, установленные для лекарственного сырья и грубых кормов для животных.
Корреляционный анализ выявил, что среди элементов 1-го класса опасности As и Hg характеризовались максимальным числом связей с другими элементами, причем большее число таких связей было обнаружено для листьев березы.
Различия в концентрации и накоплении химических элементов для лиственницы Гмелина и березы повислой связаны с их биологическими особенностями и могут быть использованы для мониторинга загрязнения окружающей среды, а также, возможно, для фиторемедиации загрязненных грунтов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ / REFERENCES
1. Афанасьева Л.В., Калугина О.В., Оскорбина М.В., Харпухаева Т.М. Особенности элементного состава и пигментного комплекса хвои лиственницы сибирской при воздействии выбросов Иркутского алюминиевого завода // Сиб. лесн. журн. 2022. № 1. С. 20-32.
Afanas'eva L.V., Kalugina O.V., Oskorbina M.V., Kharpukhaeva T.M. Features of Elemental Composition and Pigment Complex of Siberian Larch Needles under Impact of Irkutsk Aluminum Smelter Emissions. Sibirskij lesnoj zhurnal = Siberian Journal of Forest Science, 2022, no. 1, pp. 20-32. (In Russ.). https://doi.org/10.15372/SJFS20220102
2. Виноградов А.П. Средние содержания химических элементов в главных типах изверженных горных пород земной коры // Геохимия. 1962. № 7. С. 555-571.
Vinogradov A.P. Average Contents of Chemical Elements in the Main Types of Igneous Rocks of the Earth's Crust. Geokhimiya, 1962, no. 7, pp. 555-571. (In Russ.).
3. Войткевич Г.В., Кокин А.В., Мирошников А.Е., Прохоров В.Г. Справочник по геохимии. М.: Недра, 1990. 480 с.
Vojtkevich G.V., Kokin A.V., Miroshnikov A.E., Prokhorov V.G. Handbook of Geochemistry. Moscow, Nedra Publ., 1990. 480 p. (In Russ.).
4. Гиниятуллин Р.Х., Бактыбаева З.Б. Особенности накопления Cd и Ni лиственницей Сукачева (Larix sukaczewii Dyl.) в условиях техногенеза // Вестн. Томск. гос. унта. Биология. 2020. № 51. С. 141-161.
Giniyatullin R.Kh., Baktybaeva Z.B. Features of Cd and Ni Accumulation by Larix sukaczewii Dyl. under Technogenesis. Vestnik Tomskogo gosudarstvennogo universiteta. Bi-ologiya = Tomsk State University Journal of Biology, 2020, no. 51, pp. 141-161. (In Russ.). https://doi.Org/10.17223/19988591/51/8
5. Замана Л.В., Лесников Ю.В. Фтор в соке березы как индикатор флюоритового оруденения // Докл. АН СССР. 1989. Т. 306, № 3. С. 700-703.
Zamana L.V., Lesnikov Yu.V Fluorine in Birch Sap as an Indicator of Fluorite Mineralization. DokladyAkademii naukSSSR, 1989, vol. 306, no. 3, pp. 700-703. (In Russ.).
6. Звягинцев В.В., Звягинцева О.Ю. Влияние выбросов автотранспорта на защитные леса в условиях Восточного Забайкалья // Междунар. науч.-исслед. журн. 2016. № 5(47), ч. 5. С. 69-72.
Zvyagintsev W, Zvyaginceva O.Yu. Effect of Emission Vehicles for Protective Forests in the Eastern Transbaikalia. Mezhdunarodnyj nauchno-issledovatel 'skij zhurnal=International Research Journal, 2016, no. 5(47), pp. 69-72. (In Russ.). https://doi.org/10.18454/IRJ.2016.47.165
7. Звягинцева О.Ю. Оценка качества атмосферного воздуха по величине флуктуирующей асимметрии березы повислой (на примере урбанизированных и ООПТ Восточного Забайкалья) // Вестн. КрасГАУ 2012. № 7(70). С. 78-82.
Zvyagintseva O.Yu. Atmospheric Air Quality Estimation on the Betula Pendula Roth Fluctuating Asymmetry Size (on the Example of the Urbanized and Spin Areas in Eastern Transbaikalia). Vestnik KrasGAU = The Bulletin of KrasGAU, 2012, no. 7, pp. 78-82. (In Russ.).
8. Иванова А.В. Аккумуляция химических элементов хвоей Thuja occidentals L. в урбоэкосистеме // Весн. Вщебск. дзяржаун. ун-та. 2010. № 6(60). С. 48-52.
Ivanova A.V. Accumulation of Chemical Elements by Needles Thuja occidentalis L. in the Urban Area. Vestnik Vitebskogo gosudarstvennogo universiteta = Bulletin of the Vitebsk State University, 2010, no. 6(60), pp. 48-52. (In Russ.).
9. Кабата-Пендиас А., Пендиас Х. Микроэлементы в почвах и растениях. М.: Мир, 1989. 439 с.
Kabata-Pendias A., Pendias Kh. Microelements in Soils and Plants. Moscow, Mir Publ., 1989. 439 p. (In Russ.).
10. Коваленкер В.А., Абрамов С.С., Киселева Г.Д., Крылова Т.Л., Языкова Ю.И., Бортников Н.С. Крупное Быстринское Cu-Au-Fe-месторождение (Восточное Забайкалье) - первый в России пример ассоциированной с адакитами скарново-порфировой рудообразующей системы // Докл. АН. 2016. Т. 468, № 5. С. 547-552.
Kovalenker V.A., Abramov S.S., Kiseleva G.D., Krylova T.L., Yazykova Yu.I., Bort-nikov N.S. The Large Bystrinskoe Cu-Au-Fe Deposit (Eastern Trans-Baikal Region): Russia's First Example of a Skarn-Porphyry Ore-Forming System Related to Adakite. Doklady Akademii Nauk = Doklady Earth Sciences, 2016, vol. 468, pp. 566-570. (In Russ.). https://doi.org/10.1134/S1028334X1606012X
11. Коваленкер В.А., Трубкин Н.В., Абрамова В.Д., Плотинская О.Ю., Киселева Г.Д., Борисовский С.Е., Языкова Ю.И. Типоморфные характеристики молибденита Быстрин-ского Cu-Au-скарново-порфирового месторождения (Восточное Забайкалье, Россия) // Геология руд. месторождений. 2018. Т. 60, № 1. С. 68-90.
Kovalenker V.A., Trubkin N.V, Abramova VD., Plotinskaya O.Yu., Kiseleva G.D., Borisovskii S.E., Yazykova Yu.I. Typomorphic Characteristics of Molybdenite from the Bystrinsky Cu-Au Porphyry-Skarn Deposit, Eastern Transbaikal Region, Russia. Geologiya rudnykh mestorozhdenij = Geology of Ore Deposits, 2018, vol. 60, pp. 62-81. (In Russ.). https://doi.org/10.1134/S107570151801004X
12. Котович А.А., Гуман О.М., Макаров А.Б., Антонова И.А. Эколого-геохимиче-ская оценка почв на территории проектируемого Быстринского ГОКа // Изв. Урал. гос. горн. ун-та. 2013. № 2(30). С. 21-25.
Kotovich A.A., Guman O.M., Makarov A.B., Antonova I.A. Ecological and Geoche-mical Assessment of Soils on the Territory of the Projected Bystrinsky Mining and Processing Plant. Izvestiya Ural 'skogo gosudarstvennogo gornogo universiteta = News of the Ural State Mining University, 2013, no. 2(30), pp. 21-25. (In Russ.).
13. Макаров В.П., Борзенко С.В., ПомазковаН.В., Желибо Т.В. Особенности накопления химических элементов в хвое лиственницы Гмелина, произрастающей в районе Удоканского месторождения меди // Химия растит. сырья. 2021. № 2. С. 191-200.
Makarov V.P., Borzenko S.V., Pomazkova N.V., Zhelibo T.V Features of the Content of Chemical Elements in the Coniferous Larch Gmelina in the Area of the Udokan Copper Deposit. Khimija Rastitel'nogo Syr'ja, 2021, no. 2, pp. 191-200. (In Russ.). https://doi.org/10.14258/jcprm.2021028832
14. Толстов А.В., Гунин А.П. Комплексная оценка Томторского месторождения // Вестн. ВГУ Сер.: Геология. 2001. Вып. 11. С. 144-160.
Tolstov A.V, Gunin A.P. Comprehensive Assessment of the Tomtorskoye Deposit. Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: Geologija = Proceedings of the Voronezh State University. Series: Geology, 2001, iss. 11, pp. 144-160. (In Russ.).
15. Экспериандова Л.П., Беликов К.Н., Химченко С.В., Бланк Т.А. Еще раз о пределах обнаружения и определения // Журн. аналит. химии. 2010. Т. 65, № 3. С. 229-234.
Eksperiandova L.P., Belikov K.N., Khimchenko S.V., Blank T.A. Once Again about Determination and Detection Limits. Zhurnal analiticheskoj khimii = Journal of Analytical Chemistry, 2010, vol. 65, pp. 223-228. (In Russ.). https://doi.org/10.1134/S1061934810030020
16. Desai M.A. Phytoremediation: a Tool for Restoring Land Degraded Due to Opencast Coal Mining: PhD. Oxford Brookes University, 2013. 319 p.
17. Hu Z., Richter H., Sparovek G., Schnug E. Physiological and Biochemical Effects of Rare Earth Elements on Plants and Their Agricultural Significance: a Review. Journal of Plant Nutrition, 2004, no. 27, iss. 1, pp. 183-220. https://doi.org/10.1081/PLN-120027555
18. Kasimov N.S., Kosheleva N.E., Timofeev I.V. Ecological and Geochemical Assessment of Woody Vegetation in Tungsten-Molybdenum Mining Area (Buryat Republic, Russia). IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 2016. vol. 41, art. no. 012026. https://doi.org/10.1088/1755-1315/41/1/012026
19. Klink A., Letachowicz B., Krawczyk J., Wisocka M. The Content of Heavy Metals in Soil and Silver Birch Leaves (Betula pendula Roth.) from Wabrzych and Gogow. Polish Journal of Environmental Studies, 2006, vol. 15, no. 2a, pp. 347-350.
20. Mikhailova Т.А., Shergina O.V., Kalugina O.V. Accumulation and Migration of Elements-Pollutants in "Soil-Plant" System within Urban Territory. Natural Science, 2013, vol. 5, no. 6, pp. 705-709. https://doi.org/10.4236/ns.2013.56087
21. Navratil T., Novakova T., Shanley J.B., Rohovec J., Matouskova S., Vankova M., Norton S.A. Larch Tree Rings as a Tool for Reconstructing 20th Century Central European Atmospheric Mercury Trends. Environmental Science & Technology, 2018, no. 52(19), pp. 11060-11068. https://doi.org/10.1021/acs.est.8b02117
22. Piotrowska K., Panek E. Testing of Selected Phytoindicators for the Environmental Assessment of Areas under Various Levels of Pollution. Geomatics and Environmental Engineering, 2012, vol. 6, no. 4, pp. 73-81. http://dx.doi.org/10.7494/geom.2012.6.4.73
23. Samecka-Cymerman A., Kolon K., Kempers A.J. A Preliminary Investigation in Using Pohlia Nutans and Larix Decidua as Biomonitors of Air Pollution by the Coke Industry in Walbrzych (SW Poland). Polish Journal of Environmental Studies, 2008, vol. 17, iss. 1, pp. 121-128.
24. Vosel Y., Belyanin D., Melgunov M., Vosel S., Mezina K., Kropacheva M., Shcher-bov B. Accumulation of Natural Radionuclides (7Be, 210Pb) and Micro-Elements in Mosses, Lichens and Cedar and Larch Needles in the Arctic Western Siberia. Environmental Science and Pollution Research, 2021, vol. 28, pp. 2880-2892. https://doi.org/10.1007/s11356-020-10615-4
Конфликт интересов: Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов Conflict of interest: The authors declare that there is no conflict of interest
Вклад авторов: Все авторы в равной доле участвовали в написании статьи Authors' Contribution: All authors contributed equally to the writing of the article
