CC BY
11
УДК 581:502 DOI: 10.24412/1816-1863-2024-1-12-16
g НАКОПЛЕНИЕ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ХВОЕ
* THUJA OCCIDENTALIS L., ПРОИЗРАСТАЮЩЕЙ В РАЗНЫХ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ЗОНАХ Г. ЙОШКАР-ОЛЫ
Е. А. Старикова, старший преподаватель, ФГБОУ ВО «Марийский государственный университет», [email protected], г. Йошкар-Ола, Россия, О. Л. Воскресенская, д-р биол. наук, профессор, ФГБОУ ВО «Марийский государственный университет», [email protected], г. Йошкар-Ола, Россия
В статье представлены результаты исследования накопления тяжелых металлов в хвое туи западной (Thuja occidentalis L.), произрастающей на территории г. Йошкар-Олы (Республика Марий Эл). Исследования проводились в следующих функциональных зонах г. Йошкар-Олы, отличающихся уровнем антропогенной нагрузки: рекреационная, селитебная, промышленная. В ходе исследования определили, что наибольшее содержание Pb, Cd, Cu, Fe и Sr было в почве промышленной зоны г. Йошкар-Олы, почва рекреационной зоны характеризовалась наименьшим содержанием изученных тяжелых м еталлов (ТМ). По м ере увеличения антропогенной нагрузки также увеличивалось содержание ТМ в хвое растений Т. оссidentalis. Установлено, что содержание тяжелых металлов в хвое туи западной убывают в следующей последовательности: Fe < Sr < Pb < Cu < Cd. Коэффициент биологического поглощения (КПБ) в зависимости от тяжелых металлов изменялся от 0,31 до 17,53. КБП изученных тяжелых металлов был меньше 1, кроме стронция. Биогеохимическая активность туи западной была минимальной в промышленной зоне (8,45), а максимальной в рекреационной зоне (19,68).
The article presents the results of a study of the accumulation of heavy metals in the fir-needles of the Thuja occidentalis L., growing on the territory of Yoshkar-Ola (Republic of Mari El). The research was carried out in the following functional areas of Yoshkar-Ola, which differ on the level of anthropogenic load: recreational, residential, industrial. During the study, it was found that the highest content of Pb, Cd, Cu, Fe and Sr was in the soils of the industrial area of Yoshkar-Ola, the soils of the recreational area was characterized by the lowest content of the studied heavy metals (HM). As the anthropogenic load increased, the content of HM in needles of T. occidentalis plants also increased. It was found that the content of heavy metals in the needles of the T. occidentalis decreases in the following sequence: Fe < Sr < Pb < Cu < Cd. The coefficient of biological absorption, depending on heavy metals, varied from 0,31 to 17,53. Biological absorption coefficient of the studied heavy metals were less than 1, except strontium. The biogeochemical activity of the T. occidentalis was minimal in the industrial area (8,45), and maximum in the recreational area (19,68).
Ключевые слова: тяжелые металлы, туя западная, хвоя, коэффициент биологического поглощения, биогеохимическая активность, урбоэкосистема.
Keywords: heavy metals, Thuja occidentalis L., needles, biological absorption coefficient, biogeochemical activity, urban ecosystem.
12
Введение
Одной из наиболее часто обсуждаемых проблем городской среды является повышение содержания соединений тяжелых металлов в различных средах, в том числе и в атмосферном воздухе, которые поступают как от стационарных, так и от передвижных источников [1—6].
В последние годы уделяется большое внимание в мониторинге уровня тяжелых металлов с использованием деревьев в качестве биоиндикаторов, которые аккумулируют различные загрязняющие вещества как из почвенной, так и из воздушной среды [2, 7].
Хвойные виды растений также являются эффективными биоаккумуляторами тяжелых металлов, так как хвоя подвергается многолетнему техногенному загрязнению. В последнее время в озеленении урбосре-ды все чаще стали высаживать интродуци-рованные виды хвойных растений. Одним из таких видов, широко используемых в озеленении городов, является туя западная. Туя западная (Пща оссidentalis Ь.) — североамериканский вид хвойных растений из семейства Cupressaceae. Этот вид засухоустойчив, теневынослив, газоустойчив, декоративен круглый год, хорошо переносит пересадку и стрижку, рекомендо-
ван как для одиночных, так и групповых посадках [8—11]. Широкое распространение в последнее время получили пирамидальные, округлые, конические декоративные формы Т. occidentalis [10].
Туя западная на территории г. Йошкар-Олы произрастает в парках, бульварах, скверах, садах, в аллейных посадках улиц, дворовых территориях, «живые изгороди» из туи западной встречаются в озеленении санитарно-защитных зон промпредприятий.
Цель данной работы — определить содержание тяжелых металлов (свинец, кадмий, медь, железо, стронций) в хвое растений T. occidentalis в зависимости от экологических условий их произрастания.
Материалы и методы
Образцы хвои второго года жизни были собраны с десяти средневозрастных генеративных растений T. occidentalis, произрастающих в функциональных зонах г. Йошкар-Олы, отличающихся по антропогенному воздействию: рекреационная зона — Центральный парк культуры и отдыха им. 30-летия ВЛКСМ, селитебная зона — бульвар Чавайна, промышленная зона — улица Строителей. Образцы почвы с глубины 0—20 см отбирали согласно ГОСТ 17.4.3.01—83 [12]. Растительные и почвенные образцы сушили в сушильном шкафу д о воздушно-сухого состояния, далее сухие образцы материала озоляли в муфельной печи при температуре 450 °С. Анализ валового содержания свинца, кадмия, меди, железа и стронция в почве и растительном материале проводили атом-но-абсорбционным методом с помощью спектрометра AAnalyst-400 (PerkinElmer, США). Для выявления особенностей биогенной миграции металлов в системе « почва — растение» на основе полученных ранее результатах о химическом составе почв [6] нами вычислены следующие коэффициенты: коэффициент биологического поглощения ( КБП) [13, 14] и биогеохимическую активность вида (БХА) [14]. Обработку данных проводили с помощью программ Microsoft Excel и Statistica 10.0.
Результаты и их обсуждение
Основными загрязняющими веществами, выбрасываемыми стационарными
80 70 60 50
!40 30
20
10
0
ИЗ Рекреационная зона H Селитебная зона ЁЗ Промышленная зона
nraBI
РЪ
Cd
Си
Fe
Sr
Рис. 1. Содержание тяжелых металлов в хвое T. occidentalis
источниками г. Йошкар-Олы, являются оксид углерода, диоксид серы, оксиды азота, взвешенные вещества (пыль). Около 70 % содержания аэрополлютантов приходится на передвижные источники загрязнения [15].
Тяжелые металлы аккумулируются в поверхностном слое почвы (до 20 см) в виде оксидов, солей органических и неорганических кислот [16].
Почва в рекреационной зоне имела нейтральную реакцию (рН = 7,02) Почвы селитебной и промышленной зон характеризовались слабощелочной реакцией — 7,28 и 7,61 соответственно.
Проведенные ранее нами исследования содержания тяжелых металлов (РЬ, Сё, Си) в почве г. Йошкар-Олы [6] не выявили превышений гигиенических нормативов по концентрации валовых форм ТМ, кроме кадмия (1,11 ОДК) в промышленной зоне.
В почвах исследуемых зон содержание ТМ было в пределах: РЬ (5,9—20,1 мг/кг), Сё (0,3—1,1 мг/кг), Си (5,6—10,7 мг/кг), Бе (24 570—27 304 мг/кг), Бг (0,4— 1,4 мг/кг). Наибольшее содержание исследуемых ТМ было в почве промышленной зоны г. Йошкар-Олы. Содержание свинца в почве данной зоне было выше по сравнению с рекреационной зоной на 29,4 %, кадмия — на 32,4 %, меди — на 52,6 %, железа — 8,7 %, стронция — на 66,2 %.
Также ТМ накапливаются в различных органах растений. Актуальным является изучение их аккумуляции в растительных организмах. На рисунке 1 приведены результаты исследований по содержанию тяжелых металлов в хвое Т. осаёвМаШ.
Согласно рисунку 1, содержание свинца в хвое Т. осаёеМаШ изменялось от 5,32 до 6,15 мг/кг. Исследования показали, что
О»
О
О -1 S
13
Таблица
х Коэффициент биологического поглощения (КБП) и биогеохимическая активность
о Т. оеайепШк, произрастающего на территории г. Йошкар-Олы
Функциональная зона КБП БХА
Pb Cd Fe Sr
Рекреационная 0,84 0,69 0,62 0,0010 17,53 19,68
Селитебная 0,76 0,67 0,54 0,0010 9,20 11,17
Промышленная 0,31 0,33 0,54 0,0024 7,27 8,45
14
в хвое растении, произрастающих в рекреационной зоне, содержание РЬ было минимальном (5,32 мг/кг). В хвое растений, произрастающих в промышленной зоне, количество свинца увеличилось в 1,2 раза.
В хвое T. occidentalis, произрастающих в рекреационной и селитебной зонах, было обнаружено наименьшее содержание кадмия (0,25 и 0,27 мг/кг) (рис. 1). С увеличением антропогенной нагрузки было характерно увеличение аккумулирующей способности хвои туи западной, произрастающих в промышленной зоне. В хвое растений, произрастающих в этой зоне, содержание кадмия было выше в 1,4 раза по сравнению с другими исследуемыми зонами.
Минимальное накопление меди (3,51 мг/кг) было характерно для растений Т. occidentalis, произрастающих в рекреационной зоне (рис. 1). Содержание Си в хвое исследуемого вида, произрастающего в селитебной и промышленной зонах, было в 1,2 раза и 1,6 раза больше.
Так, наименьшие значения содержания стронция были характерны для хвои T. occidentalis рекреационной зоны (8,59 мг/кг), в промышленной зоне на 18,6 % было больше.
Проведенные исследования показали (рис. 1), что содержание железа в хвое растений Т. occidentalis на территории г. Йошкар-Олы варьировало от 25,30 до 66,30 мг/кг. Аккумуляция Бе в хвое растений, произрастающих в промышленной зоне, было в 2,5 раза больше, чем у растений в рекреационной и селитебной зонах (р = 10-6).
В ходе корреляционного анализа обнаружена положительная корреляция (г = 0,45, р < 0,05) между содержанием кадмия в почве и хвое растений Т. оса-dentalis, произрастающих в селитебной зоне.
Таким образом, суммарное содержание исследуемых ТМ в хвое туи западной, произрастающих в рекреационной зоне, составило 42,97 мг/кг, в селитебной зоне — 47,05 мг/кг, в промышленной зоне — 89,14 мг/кг. По накоплению тяжелых металлов в хвое Т. occidentalis элементы расположились в следующем ряду: Бе > Бг > > РЬ > Си > Сё. Хвоя растений Т. осЫ-dentalis, произрастающих в промышленной зоне, характеризовалась наибольшей аккумулирующей способностью свинца, кадмия, меди, железа и стронция.
Коэффициент биологического поглощения был рассчитан для оценки интенсивности поглощения тяжелых металлов. В таблице приведены значения рассчитанных коэффициентов биологического поглощения РЬ, Сё, Си, Бе и Бг.
Коэффициент биологического поглощения свинца в хвое туи западной изменялся от 0,31 до 0,84 (табл.). Наибольшие значения КБП свинца отмечались у растений рекреационной зоны. У растений, произрастающих в промышленной зоне, рассчитываемый коэффициент был ниже в 2,5 раза. Коэффициент биологического поглощения Сё варьировал от 0,33 до 0,69, КБП меди — от 0,54 до 0,62. Бе поглощалось Т. occidentalis в меньшей степени по сравнению с другими ТМ. Наибольшие значения КБП железа были у растений промышленной зоны (0,0024) (табл.). Коэффициент биологического поглощения Бг изменялся от 7,27 (промышленная зона) до 17,53 (рекреационная зона). По поглощению ТМ в хвое Т. occidentalis элементы располагаются в следующий убывающий ряд: Бг > Сё > РЬ > Си > Бе.
Биогеохимическая активность туи западной, которая характеризует общую интенсивность участия Т. occidentalis в биологическом круговороте изучаемых соединений, изменялась от 8,45 до 19,68 (табл.).
Заключение
Таким образом, в ходе исследования выяснили, что содержание изученных тяжелых металлов (Pb, Cd, Cu, Fe, Sr) как в почве, так и хвое растений T. occidentalis, было м аксимальным в промышленной зоне г. Йошкар-Олы. Содержание ТМ в хвое растений T. occidentalis в функциональных зонах г. Йошкар-Олы отличалось и зависело от места произрастания. Для растений, произрастающих в промышленной зоне, было характерно увеличение акку-
мулирующей способности свинца, кадмия, меди, железа и стронция почти в два раза, по сравнению с растениями рекреационной и селитебной зон.
В результате расчетов выяснили, что значения коэффициентов биологического поглощения РЬ, Сё, Си, Бе были меньше 1,0, что указывает о низкой интенсивности их поглощения, кроме Бг. Наибольшие значения биогеохимической активности туи западной были у растений рекреационной зоны.
О»
О
О -1 S
Библиографический список
1. Зайцев В. Ф., Галямова Г. К. Содержание и особенности распределения тяжелых металлов (Cu, Zn, Cd, Pb) в системе «почва — хвоя и листья древесных пород» на различных участках г. Усть-Каменогорска // Юг России: экология, развитие. — 2012. — № 4. — С. 66—71.
2. Miri M., Ehrampoush M. H., Reza Ghaffari H., Aval H. E., Rezai M., et al. Atmospheric Heavy Metals Biomonitoring Using a Local Pinus eldarica Tree // Health Scope. — 2017. — 6 (1): e39241. — P. 1—9.
3. Alaqouri H. A. A., Ozer Genc C., Aricak B., Kuzmina N., Menshikov S., Cetin M. The possibility of using scots pine (Pinus sylvestris L.) needles as biomonitor in the determination of heavy metal accumulation // Applied ecology and environmental research international scientific journal. — 2020. — 18 (2). — P. 3713—3727.
4. Hlail S. H. Accumulation of Heavy Metals in Trees Grown in Urban Gardens of Nassiryah City, Iraq // Systematic Reviews in Pharmacy. — 2020. — Vol. 11 (10). — P. 1215—1218.
5. Титов А. Ф., Казнина Н. М., Таланова В. В. Тяжелые металлы и растения. — Петрозаводск: Карельский научный центр РАН, 2014. — 194 с.
6. Старикова Е. А., Воскресенская О. Л., Алябышева Е. А. Аккумуляция тяжелых металлов в почве и надземных вегетативных органах Juniperus sabina L. в условиях г. Йошкар-Олы // Вестник Оренбургского педагогического университета. Электронный научный журнал. — 2023. — № 2 (46). — С. 129—139. — URL: http://vestospu.ru/archive/2023/articles/9_46_2023.pdf, дата д оступа 12.12.2023.
7. Сидоркина З. И., Макаревич Р. А. Оценка состояния и возможностей восстановления аборигенных видов хвойных в городском ландшафте г. Владивостока // Псковскийрегионологический журнал. — 2015. — № 23. — С. 51—58.
8. Воскресенская О. Л., Сарбаева Е. В. Эколого-физиологические адаптации туи западной (Thuja occidentalis L.) в городских условиях. — Йошкар-Ола, 2006. — 130 с.
9. Хвойные породы в озеленении Центральной России / Под общ. ред. профессора М. П. Черны-шова. — М.: Колос, 2007. — 328 с.
10. Демиденко Г. А., Турыгина О. В., Худенко М. А. Произрастание туи западной (Thuja occidentalis) в разных категориях озеленения Красноярска // Вестник Бурятской государственной сельскохозяйственной академии имени В. Р. Филиппова. — 2022. — № 3 (68). — С. 83—90.
11. Платонова Е. А., Антипина Г. С., Никитченко Д. Э. Семенная продуктивность культиваров туи западной (ТЪц/а оссidentalis L.) в условиях Южной Карелии // Hortus Botanicus. — 2022. — Т. 17. — С. 154—172. — URL: http://hb.karelia.ru/journal/atricle.php?id=8225, дата доступа 14.01.2024.
12. ГОСТ 17.4.3.01—83. Охрана природы. Почвы. Общие требования к отбору проб. — М.: Стандарт-информ, 2008. — 3 c.
13. Авдощенко В. Г., Климова А. В. Содержание тяжелых металлов в растениях города Петропавлов-ска-Камчатского (Камчатский край) в 2017—2018 гг. // Вестник Камчатского государственного технического университета. — 2020. — № 54. — С. 48—64.
14. Пугаев С. В., Лукаткин А. С. Накопление тяжелых металлов в почве и листовом аппарате растений дендрария Ботанического сада Мордовского государственного университета им. Н. П. Огарева // Агрохимия. — 2015. — № 5. — С. 74—82.
15. Доклад об экологический ситуации в Республике Марий Эл за 2022 год. — Ижевск: ООО «Принт», 2023. — 188 с.
16. Гиниятуллин Р. Х., Кулагин А. А., Зайцев Г. А., Бактыбаева З. Б. Санитарно-защитные насаждения лиственницы Сукачева (Larix sukaczewii dyl.) в условиях загрязнения Стерлитамакского промышленного центра: состояние и особенности накопления тяжелых металлов // Гигиена и санитария. — 2018. — 97 (9). — С. 819—824.
15
IK
ACCUMULATION OF HEAVY METALS IN THE NEEDLES OF THUJA OCCIDENTALS L. GROWING IN DIFFERENT FUNCTIONAL AREAS OF YOSHKAR-OLA
o (D
E. A. Starikova, senior lecturer, Mari State University, [email protected], Yoshkar-Ola, Russia,
O. L. Voskresenskaya, Dr. Habil. (Biology), professor, Mari State University, [email protected], Yoshkar-Ola, Russia
16
References
1. Zajcev V. F., Galyamova G. K. Soderzhanie i osobennosti raspredeleniya tyazhelyh metallov (Su, Zn, Cd, Pb) v sisteme "pochva — hvoya i listya drevesnyh porod" na razlichnyh uchastkah g. Ust-Kamenogorska [Content and distribution features of heavy metals (Cu, Zn, Cd, Pb) in the system "soil — needles and leaves of wood species" at different areas of Ust-Kamenogorsk]. Yug Rossii: ekologiya, razvitie. 2012. No. 4. Р. 66—71 [in Russian].
2. Miri M., Ehrampoush M. H., Reza Ghaffari H., Aval H. E., Rezai M., et al. Atmospheric Heavy Metals Biomonitoring Using a Local Pinus eldarica Tree. Health Scope. 2017. 6 (1): e39241. P. 1—9.
3. Alaqouri H. A. A., Ozer Genc C., Aricak B., Kuzmina N., Menshikov S., Cetin M. The possibility of using scots pine (Pinus sylvestris L.) needles as biomonitor in the determination of heavy metal accumulation. Applied ecology and environmental research international scientific journal. 2020. 18 (2). P. 3713—3727.
4. Hlail S. H. Accumulation of Heavy Metals in Trees Grown in Urban Gardens of Nassiryah City, Iraq. Systematic Reviews in Pharmacy. 2020. Vol 11 (10). P. 1215—1218.
5. Titov A. F., Kaznina N. M., Talanova V. V. Tyazhelye metally i rasteniya [Heavy metals and plants]. Petrozavodsk: Karelskij nauchnyj centr RAN. 2014. 194 p. [in Russian].
6. Starikova E. A., Voskresenskaya O. L., Alyabysheva E. A. Akkumulyaciya tyazhelyh metallov v pochve i nadzemnyh vegetativnyh organah Juniperus sabina L. v usloviyah g. Joshkar-Oly [Accumulation of heavy metals in the soil and aboveground vegetative organs of Juniperus sabina L. in the conditions of Yoshkar-Ola] Vestnik Orenburgskogo pedagogicheskogo universiteta. Elektronnyj nauchnyj zhurnal. 2023. No. 2 (46). P. 129—139. URL: http://vestospu.ru/archive/2023/articles/9_46_2023.pdf, access date 12.12.2023 [in Russian].
7. Sidorkina Z. I., Makarevich R. A. Ocenka sostoyaniya i vozmozhnostej vosstanovleniya aborigennyh vidov hvojnyh v gorodskom landshafte g. Vladivostoka [Assessment of a state and opportunities of restoration of native types coniferous in a city landscape of Vladivostok] Pskovskij regionologicheskij zhurnal. 2015. No. 23. P. 51—58 [in Russian].
8. Voskresenskaya O. L., Sarbaeva E. V. Ekologo-fiziologicheskie adaptacii tui zapadnoj (Thuja occidentalis L.) v gorodskih usloviyah [Ecological and physiological adaptations of the western thuja (Thuja occidentalis L.) in urban conditions] Joshkar-Ola, 2006. 130 p. [in Russian].
9. Hvojnye porody v ozelenenii Centralnoj Rossii [Conifers in landscaping in Central Russia] Pod obshej redakciej professora M. P. Chernyshova. M.: Kolos, 2007. 328 p. [in Russian].
10. Demidenko G. A., Turygina O. V., Hudenko M. A. Proizrastanie tui zapadnoj (Thuja occidentalis) v raznyh kategoriyah ozeleneniya Krasnoyarska [Growth of western thuja (Thuja occidentalis) within different categories of landscaping in Krasnoyarsk] Vestnik Buryatskoj gosudarstvennoj selskohozyajstvennoj akademii imeni V. R. Filippova. 2022. No. 3 (68). P. 83—90 [in Russian].
11. Platonova E. A., Antipina G. S., Nikitchenko D. E. Semennaya produktivnost kultivarov tui zapadnoj (Thuja ossidentalis L.) v usloviyah yuzhnoj Karelii [Seed productivity of northern white cedar (Thuja occidentalis L.) cultivars in South Karelia] Hortus Botanicus. 2022. T. 17. P. 154—172. URL: http://hb.kare-lia.ru/journal/atricle.php?id=8225, access date 14.01.2024 [in Russian].
12. GOST 17.4.3.01—83. Ohrana prirody. Pochvy. Obshie trebovaniya k otboru prob [GOST 17.4.3.01—83. Protection of Nature. Soils. General requirements for sampling] M.: Standartinform, 2008. 3 p. [in Russian].
13. Avdoshenko V. G., Klimova A. V. Soderzhanie tyazhelyh metallov v rasteniyah goroda Petropavlovska-Kamchatskogo (Kamchatskij kraj) v 2017—2018 gg. [Contents of heavy metals in the plants of Petropav-lovsk-Kamchatsky (Kamchatka territory) in 2017—2018] Vestnik Kamchatskogo gosudarstvennogo teh-nicheskogo universiteta. 2020. No. 54. P. 48—64 [in Russian].
14. Pugaev S. V., Lukatkin A. S. Nakoplenie tyazhelyh metallov v pochve i listovom apparate rastenij den-drariya Botanicheskogo sada Mordovskogo gosudarstvennogo universiteta im. N. P. Ogareva [The accumulation of heavy metals in soil and leaf apparatus of plants of the arboretum Botanical garden of the N. P. Ogarev Mordovian State University] Agrohimiya. 2015. No. 5. P. 74—82 [in Russian].
15. Doklad ob ekologicheskij situacii v Respublike Marij El za 2022 god [Report on the environmental situation in the Republic of Mari El for 2022] Izhevsk: OOO "Print", 2023. 188 p. [in Russian].
16. Giniyatullin R. H., Kulagin A. A., Zajcev G. A., Baktybaeva Z. B. Sanitarno-zashitnye nasazhdeniya list-vennicy Sukachyova (Larixsukaczewii dyl.) v usloviyah zagryazneniya Sterlitamakskogopromyshlennogo centra: sostoyanie i osobennosti nakopleniya tyazhyolyh metallov [Sanitary and protective Larix sukaczewii dyl. stand in the pollution conditions of the Sterlitamak industrial center: status and peculiarities of accumulation of heavy metal]. Gigiena i sanitariya. 2018. No. 97 (9). — P. 819—824 [in Russian].
