Научная статья на тему 'Особенности накопления тяжёлых металлов в изучаемых растительных сообществах и их воздействие на окружающую среду'

Особенности накопления тяжёлых металлов в изучаемых растительных сообществах и их воздействие на окружающую среду Текст научной статьи по специальности «Экологические биотехнологии»

CC BY
797
174
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ТЯЖЁЛЫЕ МЕТАЛЛЫ / РАСТИТЕЛЬНЫЕ СООБЩЕСТВА / ТОКСИЧНОСТЬ / АНТРОПОГЕННОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ / ТЕХНОГЕННОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ / HEAVY METALS / PLANT ASSOCIATIONS / TOXICITY / ANTHROPOGENIC POLLUTION / TECHNOGENIC EXPOSURE

Аннотация научной статьи по экологическим биотехнологиям, автор научной работы — Чикенева Ирина Валерьевна

Поступление тяжёлых металлов в окружающую среду может быть естественным (природным) и техногенным. Наиболее мощные потоки металлов возникают вокруг предприятий чёрной и особенно цветной металлургии. При длительном их поступлении вокруг таких предприятий образуются зоны с высоким уровнем содержания тяжёлых металлов в почве и скудной растительностью.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по экологическим биотехнологиям , автор научной работы — Чикенева Ирина Валерьевна

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

PECULIARITIES OF HEAVY METALS ACCUMULATION IN PLANT ASSOCIATIONS AND THEIR IMPACT ON THE ENVIRONMENT

It is pointed out that heavy metals can get into the environment in a natural or technogenic way. The heaviest metal flows are being observed in the vicinity of enterprises of iron and steel industry and non-ferrous metal manufacture in particular. In cases of long-lasting metal flows the zones with high levels of heavy metals content in soil and poor vegetation are being formed near such enterprises.

Текст научной работы на тему «Особенности накопления тяжёлых металлов в изучаемых растительных сообществах и их воздействие на окружающую среду»

Особенности накопления тяжёлых металлов в изучаемых растительных сообществах и их воздействие на окружающую среду

И.В. Чикенева, к.б.н., Оренбургский ГПУ

Группа тяжёлых металлов (ТМ) объединяет свыше 40 химических элементов с атомной массой более 50 а.е.м. К наиболее токсичным химическим элементам относят бериллий, кобальт, никель, медь, цинк, олово, теллур, рубидий, серебро, кадмий, золото, ртуть, свинец, сурьму, висмут, платину. Для живых организмов важны и необходимы все химические элементы, поэтому правильнее будет рассматривать не токсичность, а токсичную концентрацию элемента [1—3].

Значительное развитие промышленности привело к тому, что содержание тяжёлых металлов в почвах постоянно повышается. На способность металлов мигрировать в почве и переходить в растения большое влияние оказывает увлажнённость, температура, освещение, кислотно-щелочная реакция среды [1, 4]. Так, Ю.М. Алексеев предлагает следующий убывающий ряд фитотоксичности: №<Си<Со<Мп<7п. [1]. Очень фитотоксичными элементами считаются те, которые оказывают вредное воздействие на тест-организмы при концентрациях в растворе до 1 мг/л. К таким элементам относятся ионы серебра, бериллия, ртути, олова, кобальта, никеля, свинца. Умеренно токсичными принято считать элементы, которые оказывают ингибирующее действие при концентрациях от 1 до 100 мг/л. Эта группа включает в

себя ионы мышьяка, селена, алюминия, кадмия, хрома, железа, марганца, цинка и др. Токсичность металла в чистом виде меньше, чем в сочетании с другими металлами. Также был описан антагонистический характер взаимоотношений отдельных химических элементов. Г.М. Илькун указывает, что существует обратная линейная связь между содержанием никеля и кальция, никеля и марганца и положительная — между никелем и кобальтом, кобальтом и марганцем [5]. Наряду с корневым поглощением у растений присутствует и внекорневое. Корни являются мощным биологическим барьером для токсических веществ, однако в условиях аэрогенного загрязнения среды тяжёлыми металлами разница в их накоплении в корнях и надземной части меньше, чем в экспериментах, когда ими загрязняется только почва [3].

ТМ отличаются от других металлов высоким содержанием в промышленных отходах и высокой токсичностью, своей долговечностью и практической невыводимостью из системы: почва — растения — животные — человек [2]. Источники и пути техногенного рассеивания тяжёлых металлов разнообразны. Наиболее значительными являются выбросы в атмосферу при высокотемпературных технологических процессах (металлургическое производство, сжигание мазута, масел, каменного угля и т.д.). Известно, что интенсивность вовлечения в био-

геохимический круговорот соединений ТМ из техногенных источников примерно в 100 раз выше, чем из природных.

Эти металлы относятся к категории неспецифических загрязняющих веществ, так как присутствуют практически во всех почвах в том или ином количестве. Большая часть их относится к микроэлементам, содержание их в почве находится в пределах микроконцентраций, измеряемых в миллиграммах на килограмм почвы. Как недостаток, так и избыток микроэлементов в почвах приводит к различным отклонениям в развитии растений. Таким образом, загрязнение среды может действовать в двух направлениях: с одной стороны, устранять ограничения в доступности для растений необходимых металлов, с другой — повышать поступление металлов до их токсических уровней [1, 4, 6].

Наиболее мощные потоки металлов возникают вокруг предприятий чёрной и особенно цветной металлургии. При длительном поступлении из стационарных источников их содержание в почвах сопоставимо с количеством в естественных геохимических аномалиях или даже превосходит его. Вокруг крупных предприятий образуются зоны с высоким уровнем содержания тяжёлых металлов в почве и скудной растительностью [1, 4, 7].

Основное количество поллютантов от предприятий чёрной и цветной металлургии поступает в почву в виде техногенной пыли. Поступление тяжёлых металлов из атмосферы на растительный и почвенный покровы осуществляется в виде сухих и влажных выпадений (осадков в виде дождя и снега, туманов и росы) [3].

Попадающие на поверхность почвы или растений соединения металлов поглощаются и частично перерабатываются в процессе естественного круговорота веществ. Некоторые металлы обладают большей подвижностью и быстро выносятся из почвы в ходе вертикальной и горизонтальной миграции, другие, менее подвижные, способны к длительной миграции в окружающей среде.

Разумеется, различные металлы имеют неодинаковые пределы обнаружения в почве. Известно, что содержание металлов зависит также от типа самой почвы. Миграция большинства элементов происходит тем интенсивнее, чем ниже содержание в ней гумуса и чем легче гранулометрический состав.

Продолжительность пребывания загрязняющих веществ в почвах гораздо больше, чем в других частях биосферы, и, по мнению А. Кабата-Пендиас и Х. Пендиас, практически вечно. При этом первый период полуудаления ТМ значителен и сильно варьирует: для цинка — от 70 до 510 лет, для кадмия — от 13 до 1100 лет, для меди — от 310 до 1500 лет и для свинца — от 740 до 5900 лет [6].

Химический состав растений зависит от состава сред, на которых произрастают растения, но не повторяет его, так как растения избирательно поглощают необходимые им элементы в соответствии с физиологическими и биохимическими потребностями [4].

Влияние избытка тяжёлых металлов на растения может быть как прямым, так и косвенным. Прямое влияние связано с непосредственным накоплением металлов растениями, косвенное — с негативным воздействием тяжёлых металлов на состав и свойства почвы и на её плодородие [5].

Изучение реакции растений на загрязнение среды тяжёлыми металлами является одной из задач биологического мониторинга окружающей среды. Специфические характеристики обмена у различных видов растений обусловливают их избирательную способность к накоплению одного или нескольких элементов [5].

Материалы и методы. Изучение степного комплекса в районе Орско-Новотроицкого промузла проводили в каждый вегетационный период (май — сентябрь) 2006—2007 гг. За время исследований на 4 стационарных участках было заложено 120 учётных площадок и 4 почвенных профиля. Для определения количественного содержания тяжёлых металлов было отобрано 252 образца (132 надземных и 120 подземных).

Участок № 1. N 51°13.803' E 058°24.803', высота 273 м, направление В 182 км. Располагается в 3 км на запад от Новотроицкого комбината (ОХМК), в 70 м севернее дороги Орск — Ново-троицк. Почва: чернозём южный маломощный глубокосолончаковый (гипсовый) на охристых глинах древней коры выветривания. Растительное сообщество — залесскоковыльно-полынково-типчаковое (Festuca valesiaca-Artemisia austriaca-Stipa zalesskii).

Участок № 2. N 51°13.512' E 058°22.983', высота 210 м, направление В 181 км. В 0,5 км на запад от Новотроицкого комбината ОХМК. Почва: чернозём южный карбонатный маломощный на жёлто-охристой коре выветривания. Растительное сообщество — залесскоковыльное (Stipa zalesskii).

Участок № 3. N 51°14.916' E 058°33.066', высота 204 м, направление В 191 км. В 0,5 км восточнее ЮУНК г. Орска. Почва: чернозём южный карбонатный малогумусный маломощный тяжёлосуглинистый. Растительное сообщество — молочайно-пырейно-житняковое (Agropyron pectinatum-Elytrigia repens — Euphorbia virgata).

Участок № 4. N 51°21.561' E 058°06.506', высота 345 м, направление В 158 км. В 30 км западнее г. Орска. Контрольный участок. Почва: чернозём южный маломощный тяжёлосуглинистый. Растительное сообщество-грудницево-залесскоковыльное (Stipa zalesskii-Galatella villosa).

На протяжении вегетативного периода с мая по сентябрь закладывались площадки (50 х 50 см), где травостой срезали на уровне почвы. Ветошь выбирали из укосных образцов при их разборе. Подстилку собирали с площадок после снятия надземной массы. Разделённые таким образом образцы высушивали до воздушно-сухого состояния. Запас корней учитывали методом монолитов. На площадке, с которой убрана надземная часть растительного сообщества, вынимали почвенный монолит размером 50 х50 см на глубину распространения корней (примерно 50 см). Отобранную почву укладывали в плотные мешки и этикировали. В лаборатории крупные корни выбирали вручную, остальные промывали водой на сите. Подземные органы делили на мёртвые и живые. Корни помещали в цилиндр, наполненный водой, где живые корни оседали на дно, а мёртвые всплывали. Корни, выбранные таким методом, извлекали из цилиндра и сушили до воздушно-сухого состояния. Сбор образцов проводили в трёхкратной повторности [4].

Были приняты следующие обозначения: G — зелёная надземная масса, L — подстилка, D — ветошь, R — живые корни, V — мёртвые корни, «av» указывает среднее значение за определённый период, «max» определяет максимальное значение соответствующего запаса за период, М — минерализация надземного органического вещества, W — его минерализация в подземной сфере. Единица измерения запасов и приростов — ц/га [3].

С целью установления промышленного воздействия на растительный покров отбирали пробы надземных и подземных органов растений для биогеохимических анализов. Подготовка проб растительных образцов проводилась в соответствии с требованиями к отбору проб при общих и локальных загрязнениях [8]. В полученных вытяжках определяли содержание тяжёлых металлов (Zn, Cu, Pb, Cd, Co, Mn, Ni) на атомно-адсорбционном спектрофотометре

типа С-115 ТМ в ФГУ ГЦАС «Оренбургский». Полученные данные пересчитывали кг/га.

Результаты исследования. По динамике содержания ТМ в растительных сообществах нами выявлена приоритетность их накопления в исследованных сообществах, блоках [8].

Залесскоковыльно-полынково-типчаковое сообщество. В среднем (табл. 1) за весь период исследования в данном сообществе в наибольшей степени накапливается Мп и N1, причём N1 занимает лидирующее положение в блоке G, а в 2007 г. и в блоке L. Соответственно в остальных блоках наиболее активно накапливается Мп. Менее активно аккумулируется Сё и Со.

Залесскоковыльное сообщество. В среднем за период исследования можно сказать, что в 2006 г. Мп в наибольшей степени накапливается в блоках G и L. В блоке D на первое место выходит 7п, оставляя за собой Мп и N1 в порядке снижения. В 2007 г. в надземной сфере растительных сообществ лидирует Мп, в подземной — №. В ветоши на первом месте — /п. Менее активно аккумулируется Сё, Со, РЬ (табл. 2).

Молочайно-пырейно-житняковое сообщество. В наибольшей степени за период исследования во всех блоках молочайно-пырейно-житнякового сообщества накапливается № (табл. 3). Далее в порядке снижения следует Мп и в двух случаях Со, причём № занимает лидирующее положение в блоке G, а в 2007 г. и в блоке L. Менее активно аккумулируется Сё и РЬ.

Высокое содержание № относительно других ТМ в основных блоках исследуемых сообществ связано с особенностями промышленной деятельности ЮУНК, где основным видом выпускаемой предприятием продукции является никель гранулированный.

Грудницево-залесскоковыльное сообщество. В наибольшей степени в 2006 г. в блоках G, R, и V накапливается Мп, далее в порядке снижения идут 7п и N1 (табл. 4). В блоке D на первое место выходит N1, оставляя за собой Мп в порядке

1. Приоритетность содержания ТМ с мая по сентябрь в залесскоковыльно-полынково-типчаковом сообществе (среднее)

2QQ6 г. 2QQ7 г.

G Ni > Mn > Zn > Cu > Pb > Co > Cd G Ni > Mn > Zn > Cu > Co > Pb > Cd

D Mn > Ni > Cu > Zn > Pb > Cd > Co D Mn > Zn > Pb > Ni > Cu > Co > Cd

L Mn > Ni > Zn > Pb > Cu > Co > Cd L Ni > Mn > Zn > Pb > Cu > Co > Cd

R Mn > Ni > Zn > Cu > Co > Pb > Cd R Mn > Zn > Ni > Cu > Pb > Co > Cd

V Mn > Zn > Ni > Cu > Pb > Co > Cd V Mn > Zn > Ni > Cu > Pb > Co > Cd

2. Приоритетность содержания ТМ с мая по сентябрь в залесскоковыльном

сообществе (среднее)

2QQ6 г. 2QQ7 г.

G Mn > Zn > Ni > Pb > Cu > Cd > Co G Mn > Zn > Ni > Pb > Cu > Co > Cd

D Zn > Mn > Ni > Cu > Pb > Co > Cd D Mn > Zn > Ni > Pb > Cu > Co > Cd

L Mn > Ni > Zn > Pb > Cu > Co > Cd L Mn > Zn > Pb > Ni > Cu > Co > Cd

R Ni > Mn > Cu > Zn > Co > Pb > Cd R Ni > Mn > Zn > Cu > Co > Pb > Cd

V Ni > Mn > Zn > Cu > Pb > Co > Cd V Ni > Mn > Co > Cu > Zn > Pb > Cd

3. Приоритетность содержания ТМ с мая по сентябрь в молочайно-пырейно-житняковом сообществе (среднее)

2QQ6 г. 2QQ7 г.

G Ni > Mn > Cu > Zn > Co > Pb > Cd G Ni > Mn > Cu > Zn > Co > Pb > Cd

D Ni > Mn > Zn > Cu > Pb > Co > Cd D Ni > Mn > Zn > Cu > Pb > Co > Cd

L Ni > Mn > Zn > Cu > Co > Pb > Cd L Ni > Co > Cu > Mn > Zn > Pb > Cd

R Ni > Mn > Cu > Zn > Co > Pb > Cd R Ni > Mn > Cu > Co > Zn > Pb > Cd

V Ni > Cu > Mn > Co > Zn > Pb > Cd V Ni > Co > Mn > Cu > Zn > Pb > Cd

4. Приоритетность содержания ТМ с мая по сентябрь в грудницево-залесскоковыльном сообществе (среднее)

2QQ6 г. 2QQ7 г.

G Mn > Zn > Cu > Ni > Pb > Co=Cd G Ni > Mn > Zn > Cu > Co > Pb > Cd

D Ni > Mn > Zn > Cu > Co > Pb > Cd D Mn > Zn > Ni > Pb > Cu > Co > Cd

L Cu > Zn > Mn > Ni > Pb > Co > Cd L Mn > Ni > Zn > Cu > Co > Pb > Cd

R Mn > Ni > Zn > Cu > Pb > Co > Cd R Mn > Zn > Ni > Cu > Pb > Co > Cd

V Mn > Zn > Ni > Cu > Pb > Co > Cd V Mn > Zn > Ni > Cu > Co > Pb > Cd

снижения. В блоке L наиболее активно аккумулируется Си. В 2007 г. в фитомассе лидирует N1, в остальных блоках — Мп, на второе место выходит 2п. Менее активно накапливается Сё, Со, РЬ.

Нами выявлена следующая тенденция: в залесскоковыльно-полынково-типчаковом и молочайно-пырейно-житняковом сообществах концентрация /п, N1, РЬ, Мп увеличивается в одинаковых пропорциях (в 6 раз). Такая же зависимость отмечена между залесскоко-выльным и грудницево-залесскоковыльным сообществами (в 1,5 раза). Это связано с тем, что залесскоковыльно-полынково-типчаковое и молочайно-пырейно-житняковое сообщества находятся примерно на одинаковом удалении от источника загрязнения, где и оседает большее количество ТМ. Залесскоковыльное сообщество, находящееся в непосредственной близости к ОХМК, возможно, располагается на таком удалении, где осаждение ТМ невелико. Напротив, грудницево-залесскоковыльное сообщество развивается на достаточном удалении от влияния промпредприятий (в 30 км), находясь в наименьшей досягаемости выбросов. Другой причиной такой зависимости может быть видовой состав

сообществ. Так, в фитоценозах, где доминантом является Stipa zalesskii, содержание тяжёлых металлов в общесуммарном зачёте невысокое в отличие от других исследуемых растительных сообществ [8].

В зависимости от особенностей динамики ТМ в природе, а также структуры, строения и расположения растительных сообществ, аккумуляция металлов блоками исследуемых фитоценозов проходит с различной активностью.

Литература

1. Алексеев Ю.М. Тяжёлые металлы в почвах и растениях. Л.: Агропромиздат, 1987. 142 с.

2. Добровольский В.В. Тяжёлые металлы: загрязнение окружающей среды и глобальная геохимия // Тяжёлые металлы в окружающей среде. М.: МГУ, 1980. С. 3-11.

3. Ильин В.Б. Тяжёлые металлы в системе почва — растение. Новосибирск: Наука, 1991. С. 148.

4. Кин Н.О. Современное состояние растительного покрова в зоне влияния газоперерабатывающих предприятий Западного Казахстана: дисс. ... канд. биол. наук. Оренбург, 2000. 241 с.

5. Илькун Г.М. Загрязнители атмосферы и растения. Киев: Наукова думка, 1978. 110 с.

6. Кабата-Пендиас А., Пендиас X. Микроэлементы в почвах и растениях. М.: Мир, 1989. 439 с.

7. Donaubauer E. Was ist Saurer Ragen, Wodurch sterben die Walder // Gemeinwirtschaft. 1983. Bd. 2. S. 33—37.

8. Чикенева И.В. Эколого-биогеохимическая оценка растительного покрова зоны влияния Орско-Новотроицкого промышленного узла: дисс. ... канд. биол. наук. Оренбург, 2009. 174 с.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.