CC BY
8УДК 504.05: 581.55, 631.416
НАКОПЛЕНИЕ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ПОЧВЕННО-РАСТИТЕЛЬНОМ ПОКРОВЕ УРБОЭКОСИСТЕМ ОРЕНБУРГСКОЙ ОБЛАСТИ
Терехова Надежда Алексеевна, студент, направление подготовки 06.03.02 Почвоведение, Оренбургский государственный университет, Оренбург e-mail: [email protected]
Орлова Наталья Георгиевна, студент, направление подготовки 06.03.02 Почвоведение, Оренбургский государственный университет, Оренбург e-mail: [email protected]
Научный руководитель: Галактионова Людмила Вячеславовна, кандидат биологических наук, доцент, доцент кафедры биологии и почвоведения, Оренбургский государственный университет, Оренбург e-mail: [email protected]
Аннотация. Представлены результаты исследования накопления металлов в кустарниковых и древесных растениях, произрастающих на территориях г. Бузулука и г. Оренбурга. Целью данной работы является проведение сравнительного анализа аккумуляции меди, цинка и свинца почвами и представителями культурной флоры городов Оренбургской области. Определение концентрации тяжелых металлов (ТМ) оценивалось с использованием метода сравнения результатов исследования с предельно допустимыми концентрациями (ПДК). Полученные результаты позволяют выделить Rosa majalis как растение, максимально аккумулирующее Cu, Zn и Pb. Результаты показали, что древесные и кустарниковые формы растений аккумулируют тяжелые металлы, выступая депонирующей системой. Содержание ТМ в почвенном покрове показало, что содержание цинка и свинца в почвах г. Бузулука выше, чем на территории г. Оренбурга.
Ключевые слова: тяжелые металлы, почвенный покров, биоаккумуляция, растительность, промышленность, токсичность почв, экология, окружающая среда.
Для цитирования: Терехова Н. А., Орлова Н. Г. Накопление тяжелых металлов в почвенно-раститель-ном покрове урбоэкосистем Оренбургской области // Шаг в науку. - 2021. - № 1. - С. 21-25.
ACCUMULATION OF HEAVY METALS IN THE SOIL-VEGETATION COVER OF THE URBAN
ECOSYSTEMS OF THE ORENBURG REGION
Terekhova Nadezhda Alekseevna, student, training program 03.06.02 Soil Science, Orenburg State University, Orenburg
e-mail: [email protected]
Orlova Natalia Georgievna, student, training program 03.06.02 Soil Science, Orenburg State University, Orenburg e-mail: [email protected]
Research advisor: Galaktionova Lyudmila Vyacheslavovna, PhD in Biology, Associate Professor, Department of Biology and Soil Science, Orenburg State University, Orenburg e-mail: [email protected]
Abstract. The results of the study of the accumulation of metals in shrubbery and woody plants growing in the territories of Buzuluk and Orenburg are presented. The aim of this work is to conduct a comparative analysis of the accumulation of copper, zinc and lead by soils and representatives of the cultural flora of the cities of the Orenburg region. The determination of the concentration of heavy metals (HM) was evaluated using the method of comparing the results of the study with the maximum permissible concentrations (maximum limit concentration). The results obtained make it possible to isolate Rosa majalis, as the plant maximally accumulates Cu, Zn, and Pb. The results showed that woody and shrubby plants accumulate heavy metals, acting as a depositing system. The content of HM in the soil cover showed that the content of zinc and lead in the soils of Buzuluk is higher than in the territory of Orenburg.
Key words: heavy metals, soil cover, bioaccumulation, vegetation, industry, soil toxicity, ecology, environment. Cite as: Terekhova, N. A., Orlova, N. G. (2021) [Accumulation of heavy metals in the soil-vegetation cover of the urban ecosystems of the Orenburg region]. Shag v nauku [Step into science]. Vol. 1, рр. 21-25.
Главной особенностью стран с высокой долей городского населения является растущая урбанизация территории. Глобальная промышленная революция привела к повсеместному распространению загрязняющих веществ в биосфере. Влияние на здоровье человека от попадания в организм токсичных поллю-тантов через продукты питания, напитки или воздух может иметь долгосрочное действие. Нарастающее воздействие техногенного фактора на природную среду достигло критического уровня, при котором наблюдаются коренные изменения в генетических свойствах почв и почвенно-биотическом комплексе.
В результате активной индустриализации общества и урбанизации территорий начинается техногенное перемещение большого количества поллютантов, большая доля которых при попадании в окружающую среду представляет собой значительную угрозу теплокровным организмам. Тяжелые металлы занимают особое место загрязнителей различной природы в связи с их способностью образовывать соединения с минеральными и органическими компонентами. Это отражается на общем уровне токсичности почвенного покрова, однако, помимо этого, активизируется экологическая функция почвы: образование барьера на пути поллютантов в растения и грунтовые воды [1].
Одной из актуальных экологических проблем современности является загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами. Опасность таких примесей заключается в том, что они обладают способностью к биоаккумуляции, то есть накоплению в тканях живых организмов, а при чрезмерной концентрации проявляют свои токсические свойства.
Главное отличие металлов от органических загрязнений заключается в том, что они лишь перераспределяются по профилю и не подвергаются разложению. Это явление напрямую зависит от приуроченности тяжелых металлов к различным фракциям органоминеральных частиц, поскольку физическое движение этих частиц приводит к переносу и перераспределению в ландшафте.
Твердая фаза почвы содержит наибольшее количество тяжелых металлов, а наименьшее количество сосредоточено в более доступной для растений водорастворимой (подвижной) фракции. Присутствующие в почвенно-поглощающем комплексе обменные формы поллютантов обусловливают физико-химический тип обмена.
Подвижная форма элементов оказывает непосредственное влияние на корневые системы растений.
В верхнем гумусово-аккумулятивном горизонте почв тяжелого гранулометрического состава депонируются ртуть, свинец и кадмий.
Вынос за пределы корнеобитаемого слоя и миграция по профилю в условиях непромывного водного режима сводится к минимуму. В связи с этим на территориях, прилегающих к крупным промыш-
ленным предприятиям, происходит гипераккумуляция тяжелых металлов в верхнем слое (до нескольких десятков тысяч мг/кг почвы) [2, 3, 4].
Поступление в почвенный покров металлов в концентрациях, которые значительно превышают кларковые значения, угнетает рост и развитие растений и почвенных животных [5, 6].
Накопление тяжелых металлов в толще почвенного слоя снижает качество получаемой сельскохозяйственной продукции.
Качественно-количественные показатели органического вещества определяют способность почвы образовывать органоминеральные комплексы и удерживать тяжелые металлы в связанной форме.
Растения в процессе жизнедеятельности, поглощая почвенный раствор, захватывают и частицы металлов, растворенных в нем. Данная особенность растительного организма позволяет охарактеризовать его как высокочувствительный к загрязнениям биологический объект.
В связи с тем, что флора обладает высокой отзывчивостью к изменению окружающей среды в ходе техногенным преобразований, зачастую растения используются в качестве объектов-индикаторов состояния биосферы с точки зрения загрязнения ее тяжелыми металлами.
В процессе жизнедеятельности растения взаимодействуют лишь с доступными формами ТМ, содержание которых, в свою очередь, тесно связано с количеством органического вещества и буферно-стью почв [9]. Однако способность почв связывать и инактивировать металлы имеет свои пределы. Когда они уже не справляются с поступающим потоком загрязнителей, важное значение приобретает наличие у самих растений физиолого-биохимических механизмов, препятствующих их поступлению [11, 14].
В ходе приспособленческих адаптаций растения приобрели ряд механизмов устойчивости к избытку ТМ в почве. Одни виды способны предотвращать попадание металла в вегетативные органы путем активации барьерных функций, другие наоборот активно аккумулируют поллютанты.
Корневая система растений является основным поглотителем тяжелых металлов из почвы, надземные вегетативные органы в меньшей мере способны поглощать поллютанты. Скорость поглощения растениями загрязняющих веществ определяется различными физико-химическими свойствами почвы, к числу которых относятся реакция почвенного раствора, состав преобладающих ионов в почвенно-поглощающем комплексе, а также качество и количество органического вещества почвы [7, 8, 12].
Передвижение ряда тяжёлых металлов в растительном организме ограничивается существованием барьерных механизмов и способностью растений избирательно аккумулировать тяжёлые металлы на клеточном, тканевом уровнях и уровне
органов. Растения, в силу многих физиологических особенностей, поглощают тяжёлые металлы и накапливают их в больших количествах. В этой связи проблема избирательного накопления тяжёлых металлов в отдельных органах и тканях растения становится определяющей.
Тяжелые металлы, в концентрациях превышающие предельно-допустимые, ингибируют фотосинтез, нарушая ультраструктуру хлоропластов, тормозя синтез фотосинтетических ферментов и снижая количество хлорофилла, пластохинона и кароти-ноидов, вызывают дефицит углекислого газа из-за закрывания устьиц.
Целью наших исследований было проведение сравнительного анализа аккумуляции тяжелых металлов (Cu, Zn, Pb) почвами и представителями кустарниковой и древесной флоры городов Оренбургской области.
Объектами исследования выступили почвенный покров и представители культурной флоры городов Оренбурга и Бузулука. Почвенный покров был представлен степными карбонатными черноземами, а растительный покров -Sorbus aucuparia L., Rosa majalis H. и Malus cerasifera L.
В городе Бузулук были определены базовые
участки наблюдения, приуроченные к участку улиц Серго и 13 Линия по направлению с запада на восток. В городе Оренбург в качестве объекта исследования был выбран почвенный покров и произрастающие на нем растения Дзержинского административного района. Отбор и подготовка почвенных образцов производилась согласно стандартным методикам в соответствии с ГОСТ 17.4.3.01-83.
Отбор проб листьев, стеблей и зрелых плодов производился в конце вегетационного периода -максимального уровня накопления тяжелых металлов биомассой растений [10]. Определение концентрации тяжелых металлов в почвах и растениях проводили на атомно-абсорбционном спектрофотометре «Спектр» СП-115 для РЬ - в соответствии с РД 52.18.289-9011, Си - ГОСТ 50683-942, 2п -ГОСТ 50 6 86-943. Согласно СанПиН 2.3.2.1078 - 01 ПДК для овощей, ягод и фруктов свежих и свежемороженых составляет Си = 5,0 мг/кг, 2п = 10 мг/кг; Cd = 0,03 мг/кг; РЬ = 0,4 мг/кг [13].
Характер загрязнения почв ТМ на исследуемых участках оценивался путем сравнения результатов исследования с предельно допустимыми концентрациями (ПДК) (Рисунок 1).
Рисунок 1. Содержание тяжелых металлов в почве
При исследовании почвенного покрова было установлено, что в городах превышения ПДК по содержанию подвижной формы свинца не обнаруже-
но. Концентрация подвижной формы цинка в г. Бу-зулуке и г. Оренбурге составляет 1,2ПДК и 1,1 ПДК соответственно (ПДК = 23,0 мг/кг). Превышение
1 РД 52.18.289-90. Методика выполнения измерений массовой доли подвижных форм металлов (меди, свинца, цинка, никеля, кадмия, кобальта, хрома, марганца) в пробах почвы атомно-абсорбционным анализом.
2 ГОСТ Р 50683-94. Почвы. Определение подвижных соединений меди и кобальта по методу Крупского и Александровой в модификации ЦИНАО.
3 ГОСТ Р 50683-94. Почвы. Определение подвижных соединений цинка по методу Крупского и Александровой в модификации ЦИНАО.
ПДК по содержанию меди обнаружено в почвенном покрове города Оренбурга (6,2 мг/кг).
Зеленые насаждения в пределах урбоэкосистем постоянно испытывают на себе сильный пресс, который проявляется в воздействии на организм растения естественных и антропогенных факторов (неблагоприятных почвенно-климатических условий, загрязнения, переуплотнения почв и др.).
Произрастая в условиях интенсивного атмосферного загрязнения, листья особенно древесных форм растений аккумулируют не только продукты минерального питания растений, но и поглощенные из почвы поллютанты. На поверхности листьев, ветвей и стволов растений происходит осаждение пыли, содержащей тяжелые металлы.
Согласно полученным данным (рисунок 2), повышенное содержание меди в растительном покрове было обнаружено лишь на территории г. Оренбурга в Rosa majalis (10,2 мг/кг), что составляет около 2ПДК.
Наибольшие концентрации цинка были обна-
ружены на территории г. Бузулука, где все объекты исследования накапливали элемент в количестве превышающем ПДК в 1,5-2 раза. Надземные органы Rosa majalis, произрастающей в г. Оренбург, содержит в тканях цинк в концентрациях, составивших более 2 ПДК.
На участках исследования во всех растениях наблюдается накопление свинца, превышающее ПДК в несколько раз. Результаты исследований показали, что наибольшая его концентрация наблюдается в Rosa majalis (2,1 мг/кг) и Sorbus aucuparia (2,14 мг/кг).
Корреляционный анализ данных позволяет выявить связь между содержанием металлов в почве и их концентрацией в Rosa majalis на всех участках исследования (r = 1,0, при р < 0,05).
Содержание меди в тест-объекте Malus cerasifera, произрастающего на территории города Бузулук, также имеет прямую зависимость от содержания поллютанта в почвенном покрове.
Рисунок 2. Содержание тяжелых металлов в растительном покрове участков исследования
Все исследуемые объекты (Rosa majalis, Sorbus aucuparia, Malus cerasifera) на всех участках исследования имеют положительную корреляцию с содержанием цинка (r = 0,89, при р < 0,05).
Результаты анализа растительных образцов на содержание тяжелых металлов позволяют выделить Rosa majalis как растение, максимально аккумулирующее тяжелые металлы.
Проведенные исследования показали, что раз-
личные формы высших растений накапливают тяжелые металлы, являясь своеобразным фильтром, который нивелирует токсическое действие различных загрязнителей.
Таким образом, изучение содержания ТМ в почвенном покрове показало, что содержание цинка и свинца в почвах г. Бузулука выше, чем на территории г. Оренбурга. Однако концентрации Си выше в почвах областного центра.
Литература
1. Новиков С. Г. Экологическая оценка загрязнения тяжелыми металлами почв урбанизированных территорий по категориям землепользования (на примере г. Петрозаводска): автореф. дис. ... канд. биол. наук. - Петрозаводск, 2014. - 24 с.
2. Ильин В. Б. Тяжелые металлы в системе почва-растение: монография / В. Б. Ильин. - Новосибирск: Наука, 1991. - 150 с.
3. Кабата-Пендиас А., Пендиас Х. Микроэлементы в почвах и растениях - М.: Мир, 1989. - 439 с.
4. Кузнецова Т. Ю. Сравнительная оценка накопления тяжелых металлов листьями древесных растений в городских условиях: автореф. дис. ... канд. биол. наук. - Петрозаводск, 2009. - 122-123 с.
5. Алексеев Ю. В. Тяжелые металлы в почвах и растениях. / Ю. В. Алексеев - Л.: Агропромиздат: Ленингр. отд-ние, 1987. - 142 с.
6. Гармаш Г. А. Накопление тяжелых металлов в почвах и растениях вокруг металлургических предприятий: автореф. дис. ... канд. биол. наук. - Новосибирск, 1985. - 16 с.
7. Перельман А. И. Геохимия ландшафта / А. И. Перельман - М.: Высшая школа, 1989. - 528 с.
8. Сает Ю. Е. Геохимия окружающей среды / Ю. Е. Сает, Б. А. Ревич, Е. П. Янин [и др.] - М.: Недра, 1990. - 335 с.
9. Большаков В. А. Загрязнение почв и растительности тяжелыми металлами / В. А. Большаков, Н. Я. Гальпер, Г. А. Клименко [и др.] - М.: Гидрометеоиздат, 1978. - 49 с.
10. Галактионова Л. В. Биодиагностика почв парковой зоны г. Оренбурга / Л. В. Галактионова, А. В. Васильченко, А. В. Суздалева // Вестник ОГУ - 2015. - № 6 (181). - С. 112-122.
11. Шеметилло Е. Ю. Биоиндикация как метод определения степени загрязнения окружающей среды / А. В. Гвоздева, Л. Н. Сунцова, Е. М. Иншаков // Экологическое образование и природопользование в инновационном развитии региона: межрегиональная научно-практическая конференция (23 апреля 2013 г.): сборник статей школьников, студентов, аспирантов и молодых ученых.- Красноярск: СибГТУ 2013. -Т. 1. - С. 195-197.
12. Русанов А. М. Представители семейства Rosaceae Juss в озеленении города Бузулука: биологические особенности и экология / А. М. Русанов, Е. З. Савин, М. А. Щебланова // Вестник ОГУ - 2016. - № 12 (200). - С. 75-80.
13. Степанова М. А. Тяжелые металлы в почвах и растениях улиц г. Бузулука (на примере рябины обыкновенной) // Вестник ОГУ - 2011. - № 12 (131). - С. 250-252.
14. Степанова М. А. Аккумуляция тяжелых металлов яблоней дикой (Malus sylvestris) в условиях г. Бузулука // Вестник ОГУ. - 2013. - № 11 (159). - С. 250-252.
Статья поступила в редакцию: 30.04.2020; принята в печать: 19.01.2021.
Авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи.
