CC BY
13УДК 50.504.03 (504.064.2.001.18) DOI: 10.24412/cl-36359-2021-183-189
НАКОПЛЕНИЯ ПОЛЛЮТАНТОВ СЕГЕТАЛЬНОЙ ФЛОРЫ ЦЕНТРАЛЬНОГО ОРЕНБУРЖЬЯ
ACCUMULATION OF POLUTANTS OF THE SEGETAL FLORA OF CENTRAL ORENBURG
Т.Н. Васильева, Л.В. Галактионова, С.В. Лебедев T.N. Vasilyeva, L.V. Galaktionova, S.V. Lebedev
ФНЦ биологических систем и агротехнологий Российской академии наук, Оренбург, Россия FRC of Biological Systems and Agrotechnologies of the Russian Academy of Sciences, Orenburg,
Russia
E-mail: vtn1972@mail.ru
Аннотация. С развитием промышленности загрязнение почвы тяжелыми металлами становится серьезной экологической проблемой. В настоящее время актуальным является выявление растений-гипераккумуляторов тяжелых металлов среди представителей сегетальной растительности Оренбуржья. Исследовали надземные органы представителей травяной флоры и почвы на наличие тяжелых металлов атомно-абсорбционным методом. Полученные данные обработаны методами математической статистики.
Ключевые слова: корреляционная связь, тяжелые металлы.
Abstract. With the development of industry, soil pollution by heavy metals is becoming a serious environmental problem. At present, it is important to identify plants-hyperaccumulators of heavy metals among representatives of the segetal vegetation of the Orenburg region. The above-ground organs of representatives of the herbal flora and soil were examined for the presence of heavy metals by the atomic absorption method. The data obtained were processed by methods of mathematical statistics.
Keywords: correlation, heavy metals.
Введение. Хозяйственная деятельность человечества оказывает негативное воздействие на окружающую среду, стимулировала развитие ремедиационных технологий [1-5]. Повышенное внимание уделяется вопросам охраны окружающей среды и защиты биологического разнообразия в Оренбургской области, так как в регионе имеется крупная многоотраслевая промышленность и топливно-энергетический комплекс. Автотранспортный комплекс в Оренбургской области - неотъемлемая часть производственной и социальной инфраструктуры. Активное функционирование этих секторов экономики привело к ухудшению экологической ситуации в регионе, в основном из-за выброса поллютантов в окружающую среду [7]. Эта проблема остается актуальной для нарушенных экосистем (агрофитоценозов). С 90 -х годов в промышленно развитых странах используют новые технологии фитоэкстракции-использование растений, для удаления неорганических загрязняющих веществ, и металлов, из зараженной почвы. [1, 3, 6-7]. Наиболее перспективным методом очистки почв от поллютантов является фиторемедиация [1-6]. Методической проблемой развития ремедиационных технологий является подбор растений - гипераккумуляторов тяжелых металлов [6]. Поэтому целью исследования является подбор растений - ремедиаторов из числа представителей флоры пашен и неудобий.
Материалы и методы. Проанализировали результаты полевых исследований почв 4 исследуемых участков, расположенных на территории с. Нежинка и п. Учхоз Оренбургского района Оренбургской области. По ландшафтному расположению участки являются эллювиальным с небольшим уклоном 1-2°. Почвы района исследования - черноземы южные карбонатные характеризуются непромывным режимом. Отбор почвенных и растительных проб производили по общепринятыми методам исследования. Образцы почв и растений исследовали атомно-абсорбционным спектрофотометром «КВАНТ 2» и «FormulaFM-400» для определения концентрации тяжелых металлов.
Результаты и обсуждения. В результате анализа почв и травянистых растений выявлена неравномерность накопления изучаемых полютантов на реперных участках. Для этого проанализировали взаимосвязь между содержанием тяжелых металлов в подвижных формах почв и накоплением этих металлов в растениях с помощью коэффициента корреляции Пирсона, в связи с чем провели анализ специфических особенностей накопления тяжелых металлов растениями и выявили виды наиболее подверженные аккумуляции. По мнению специалистов в области фиторемедиации, проведение такого анализа - необходимый этап в развитии технологий фиторемедиации, адаптированных к конкретному региону.
Регрессионные модели взаимосвязи между содержанием тяжелых металлов в почвах и растениях позволили установить восприимчивость растений к депонированию поллютантов (таблица 1).
Таблица 1.
Коэффициенты корреляции тяжелых металлов в почвах и надземных частях растений по _исследуемым участкам_
Элемент ПДК Поверхностный слой почв
М±т с 1г2 2г2 3г2 4г2
Cd 0,390 0,18±0,44 0,07 0,90** 0,95** -0,03* 0,66**
Со 5,000 0,35±0,17 0,34 0,45* 0,79** -0,79* 0,91**
Сг 6,000 1±0,31 0,61 -0,1** -0,31* 0,59** -0,82**
Си 3,00 2,79±0,99 1,04 0,43* 0,69** 0,26** 0,39*
Мп 140,0 120,79±2,02 4,05 0,98** 0,47** 0,4** -0,21*
М 4,00 1,66±0,27 0,54 0,95** -0,31** 0,59** -0,68**
РЬ 6,00 7,86±1,52 3,04 0,45* 0,76** -0,79* 0,96**
2п 23,0 24,45±2,14 4,28 -0,7* 0,96** -0,93* 0,79**
Обозначения: М - среднее арифметическое; ±т - ошибка среднего арифметического; с -стандартное отклонение; Я - коэффициент корреляции, * - Р<0,01; ** - Р<0,05; коэффициент 1, 2, 3, 4 -номер исследуемого участка.
Содержание тяжелых металлов в образцах почв и растений, отобранных на исследуемых территориях, характеризовались значительным разнообразием и отсутствием четкой динамики. Повышенное содержание РЬ в почвах относительно ПДК отмечали на реперном участке № 1, содержание данного параметра было повышено в 2,16 раза, на участке № 3 - в 1,11 раз. Концентрации 2п в почвах района исследования относительно ПДК были увеличены, так на реперном участке № 1 содержание данного параметра было повышено в 2,2 раза. Сравнительный анализ тяжелых металлов в почвенных образцах относительно ПДК реперных участков показал точечные загрязнение поллютантами поверхностных слоев почв, и в большей степени данное загрязнение имело техногенный характер.
Оценка коэффициента корреляции между концентрациями металлов в почве и растениях указывает ряд общих последовательностей (таблица 1).
Положительные достоверные корреляционные связи между уровнями накопления меди в почве и надземных частях растений отмечены на всех исследуемых участках. Достоверные корреляционные связи между уровнями накопления кадмия, кобальта, свинца в почве и вегетативных частях растений были на всех реперных участков, кроме участка № 3. На всех исследуемых участках были отмечены положительные корреляционные связи марганца в почве и надземных частях растений, кроме участка № 4. На всех реперных участках были отмечены отрицательные корреляционные связи хрома. Соответствующие коэффициенты линейной регрессии, рассчитанные методом наименьших квадратов, указывают на среднее увеличение содержания того или иного металла в растениях (в мг/кг) при увеличении его концентрации в почве на 1 мг/кг.
Сравнение коэффициентов регрессии с ПДК тяжелых металлов позволило оценить способность растений к биоадсорбции. Эффективность биадсобции самых распространенных и токсичных элементов, как свинец и кадмий (таблица 1). Так коэффициент регрессии для кадмия на исследуемых участках № 1, 2, 4 указывает на высокую эффективность утилизации из поверхностных слоев почв, например на участке №1 г2=0,9, на участке № 2 г2=0,95, на участке
№4 г2=0,66, что составляет от 60-95% от ПДК кадмия в почвах. В отношении свинца коэффициент регрессии на этих же участках № 1, 2, 4 имеет высокую эффективность адсорбции из поверхностных слоев почв, так на участке № 1 г2=0,45, на участке № 2 г2=0,76, на участке № 4 г2=0,96. В целом для поверхностных слоев почвы по реперным участкам показаны более высокие показатели статистической связи, что связано с непромывным водным режимом и аккумуляцией поллютантов в верхнем корнеобитаемом слое почв.
Анализ концентраций поллютантов в наземных частях растений на участках исследования не выявил каких-либо превышений относительно ПДК. Эффективность утилизации элементов мы определяли, анализируя только видовую принадлежность растений к гипераккумуляции, без привязки к участку исследования. Анализ коэффициентов коррелляции тяжелых металлов по видам растений вне зависимости от участка показал нам следующее (таблица 2).
Таблица 2.
Коэффициент корреляции между содержанием подвижной формы элемента в почве и в ___ надземных органах растений____
Элемент Achilleamillefolium Arctiumlappa Artemisiaabsinthium Chelidoniummajus Artemisiavulgaris Cichoriumintybus Taraxacumofficinale Plantagomedia Elytrigiarepens Polygonumaviculare
Cd 0,95* 0,61** 0,65* -0,81** 0,56** -0,18* 0,02** 0,23** -0,55** 0,61**
Co -0,95 0,56** -0,42 -0,99* 0,08 0,41** 0,01** 0,37** 0,24* -0,37**
Cr -0,64 -0,76 0,027 -0,08 0,26** 0,48** -0,68** 0,16* 0,66** 0,23**
Cu -0,26 0,15** 0,09 -0,94* 0,023 -0,56* 0,08 0,35** -0,11** 0,33**
Mn 0,89* 0,22** 0,07 0,43** 0,041 -0,47* -0,81** -0,001 0,004 0,16**
Ni -0,99 0,08 0,32** -0,99* 0,46** 0,9* 0,97* 0,83** 0,12* 0,2**
Pb 0,47** -0,04 0,56** -0,14** 0,64** 0,99* -0,35** -0,17* 0,72** -0,13**
Zn 0,1** 0,16** 0,32** 0,99* 0,45** 1* 0,75** -0,18* -0,26** -0,18**
Обозначения: * - P<0,01; ** - P<0,05.
Один из самых токсичных и распространенных элементов Cd лучше всего накапливает Achillea millefolium (r2=0,95 при P<0,01), Artemisia absinthium (r2=0,65 при P<0,05), Arctium lappa (r2=0,61 при P<0,05), Polygonum aviculare (r2=0, 61 приР<0,05) из подвижных форм почв.
Другой ядовитый и токсичный поллютант - Pb не плохо накапливается Cichorium intybus (r2=0,99 при P<0,01), Plantago media (r2=0,72 при P<0,05), Artemisia vulgaris (r2=0,64 при P<0,01) из почв.
Жизненно необходимый элемент для растений Zn более всего ингибируется тканями таких растений Cichorium intybus (r2=1 при P<0,01), Chelidonium majusl (r2=0,99 при P<0,01), Тaraxacum officinale (r2=0,75 при P<0,05).
Ряд других элементов, участвуют почти во всех жизненно важных процессах растительных клеток: такие как Ni депонируется тканями растений Тaraxacum officinale (r2=0,97 при P<0,01), Cichorium intybus (r2=0,9 при P<0,01), Plantago media (r2=0,83 при P<0,01). В энергетическом обмене, первичном и вторичном метаболизме, гормональной регуляции, передаче сигнала участвует микроэлемент Cr [8], ремедиатором этого параметра является Elytrigia repens (r2=0,66 при P<0,05), ремедиатором Mn является Achillea millefolium (r2=0,89 при P<0,01).
Накоплением токсичного Cd в почве и растениях показаны для растений (в порядке убывания): Achillea millefolium, Artemisia absinthium, Arctium lappa, Polygonum aviculare из подвижных форм почв.
Аккумуляция Pb отмечены следующими видами: Cichorium intybus, Plantago media, Artemisia vulgaris из почв.
Таким образом, вне зависимости от причин загрязнения почв тяжелыми металлами накопление их в почве всегда приводит к увеличению концентрации ионов металлов в
растениях. Степень накопления тяжелых металлов в растениях зависит от физиологических процессов и возрастного состояния растений [8].
Заключение. Оценка взаимосвязи между концентрациями элементами в почве и вегетативной части растений выявила достоверную положительную корреляцию между этими параметрами. Сравнение исследуемых растений без учета таксономической принадлежности позволило сделать общий вывод. Достоверные корреляционные связи между уровнями накопления элементов в почве и надземных частях растений отмечены на всех исследуемых участках. Соотношение коэффициентов регрессии с ПДК металлов позволило оценить усредненную эффективность биоадсорбции поллютантов. В целом для поверхностных слоев почвы по реперным участкам показаны более высокие показатели статистической связи, что связано с непромывным водным режимом и аккумуляцией поллютантов в верхнем корнеобитаемом слое почв.
Анализ концентраций поллютантов в наземных частях растений на участках исследования не выявил каких-либо превышений относительно ПДК.
Накоплением токсичного Cd в почве и растениях показаны для растений (в порядке убывания): Achillea millefolium, Artemisia absinthium, Arctium lappa, Polygonum aviculare из подвижных форм почв.
Аккумуляция Pb отмечены следующими видами: Cichorium intybus Plantago media, Artemisia vulgaris из почв.
Изучение явления фиторемедиации необходимо для исследования ингибирующего действия тяжелых металлов их токсичности, концентрации в окружающей среде и продолжительности воздействия на растения [8].
Исследования проведены в соответствии с государственным проектом: 0761-20190003 НИР ФНЦ биологических систем и агротехнологий РАН.
Список литературы
1. Antoniadisa Vasileios, Evangelia E. Goliaa, Yu-Ting Liub,c, Shan-Li Wangd, Sabry M. Shaheene,f, Jörg Rinklebee. Soil and maize contamination by trace elements and associated health risk assessment in the industrial area of Volos // Greece Environment International. 2019. № 124. P. 79-88.
2. Gerard E., Echevarria G., Sterckeman T, and Morel J.L. Cadmium availability to three plant species varying in cadmium accumulation pattern // J. Environ. Qual. 2000. № 29. P. 1117-1123.
3. Lingli LU, Shengke TIAN, Xiao-e YANG, Hong-yun PENG, Ting-qiang LI Improved cadmium uptake and accumulation in the hyperaccumulator Sedum alfredii: the impact of citric acid and tartaric acid // Journal of Zhejiang University-SCIENCE B (Biomedicine & Biotechnology). 2013. № 14 (2). P. 106-114.
4. Pooja M., Jyotsna K. Role of Phytoremediation in Reducing Cadmium Toxicity in Soil and Water // Journal of Toxicology. 2018. P. 1-16. https://doi.org/10.1155/2018/4864365
5. Shumake Ketia L, Begonia Gregorio Heavy Metal Uptake, Translocation, and Bioaccumulation Studies of Triticum aestivum Cultivated in Contaminated Dredged Materials // Int. J. Environ. Res. Public Health. 2005. № 2(2). P. 293-298.
6. Shifaw E. Metals Pollution in China in Agricultural and Urban Soils// Journal of Health & Pollution. 2018. Vol. 8. No. 18. P. 1-14.
7. Vasilyeva T.N., Galaktionova L.V. and Lebedev S.V. Assessment of remediation potential of flora of the Southern Urals //Published under licence by IOP Publishing Ltd IOP Conf. Ser.: IOP Conference Series: Earth and Environmental Science Earth Environ. 2019. Volume 341 Sci. 341 012037.
8. Титов А.Ф., Казнина Н.М., Таланова В.В. Тяжелые металлы и растения. Петрозаводск: Карельский научный центр РАН, 2014. 194 с.
