CC BY
10
УДК 574.4; 631.45; 632.8
А. П. Колбас1, Н. Ю. Колбас2, М. А. Пастухова3, М. М. Дашкевич4, С. В. Горелова5
1 Кандидат биологических наук, доцент, начальник Центра экологии
УО «Брестский государственный университет им. А. С. Пушкина», ведущий научный сотрудник ГНУ «Полесский аграрно-экологический институт Национальной академии наук Беларуси»,
г. Брест, Республика Беларусь 2 Кандидат биологических наук, доцент, заведующий кафедрой химии УО «Брестский
государственный университет им. А. С. Пушкина», г. Брест, Республика Беларусь
3 Кандидат сельскохозяйственных наук, заведующий отраслевой лабораторией качества кормов ГНУ «Полесский аграрно-экологический институт Национальной академии наук Беларуси»,
г. Брест, Республика Беларусь
4 Научный сотрудник лаборатории биохимии ГНУ «Полесский аграрно-экологический институт
Национальной академии наук Беларуси», г. Брест, Республика Беларусь
5 Кандидат биологических наук, доцент ФГБОУВО «Тульский государственный университет»,
г. Тула, Россия
ОЦЕНКА ПОЛИЭЛЕМЕНТНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ НЕКОТОРЫХ ТЕРРИТОРИЙ И СУБСТРАТОВ В БРЕСТСКОМ РЕГИОНЕ
В работе приводятся современные данные о территориях с экологическими рисками по загрязнению тяжелыми металлами в Бресте и регионе. Выделены 4 типа территорий, требующих экологического восстановления. Произведен подбор потенциальных участков для фиторемедиации. Исследовано 17 территорий и 2 техногенных субстрата. Создано web-приложение с целью обработки и визуализации результатов. Отобраны почвенные образцы, получены лизиметрические вытяжки, осуществлена их оценка физико-химическими методами и методами биотестирования. Определены приоритетные элементы-загрязнители. Разработана технология биотестирования, составлены шкалы фитотоксичности почв для последующего применения фиторемедиационных мероприятий.
Ключевые слова: биотест, Брестский регион, микроэлементный состав почв, почвенный раствор, тяжелые металлы, фиторемедиация, фитотоксичность.
Введение
Увеличение промышленной, сельскохозяйственной и городской активности приводит к аккумуляции металлов и металлоидов в избыточных количествах в окружающей среде, что способствует сильному диффузному загрязнению почвы, воды и атмосферы. Многие тяжелые металлы (ТМ), представленные в антропогенных выбросах, могут длительно сохраняться и накапливаться в окружающей среде [1]. Загрязнение ТМ может ослаблять некоторые функции почвы, влиять на состав ее поверхностного слоя и грунтовых вод, проникать через растения в пищевые цепи и представлять опасность как для здоровья человека, так и состояния экосистем в целом [2].
В общем составе загрязнений почвы металлы и металлоиды составляют более 37 % [3]. Причем в большинстве случаев это полиэлементное загрязнение, представляющее смеси веществ, содержащих такие элементы, как Cd, Cr, Cu, Hg, Pb, Zn, Sb, As, Co, Ni. Это значительно усложняет применение традиционных инженерных подходов для ремедиации почв.
Основываясь на результатах предыдущих исследований, нами предложен план управления в виде полного цикла фиторемедиации участков, загрязненных ТМ, с использованием фитоэкстракции и фитостабилизации совместно с получением растительной биомассы, который включает следующие этапы: (1) оценка первоначального уровня загрязнения и экологических рисков физико-химическими и биоиндикационными методами; (2) выбор растений, регуляторов роста, почвенных добавок, улучшающих агрономические технологии; (3) реализация выбранной ремедиационной стратегии в полевых условиях на пробных площадках (пилот); (4) валоризация полученной биомассы и применение успешных стратегий в широких масштабах [4].
© Колбас А. П., Колбас Н. Ю., Пастухова М. А., Дашкевич М. М., Горелова С. В., 2021
На первом этапе эффективно использование метода «Биотест» с анализом образцов почв и субстратов, отобранных in situ в полевых условиях и помещенных в лабораторные условия, а также полученных лизиметрических вытяжек. Этот метод дает возможность напрямую тестировать почвы и экстракты с загрязненных территорий, а также подбирать эффективные методы фитоменеджмента по улучшению связывания поллютантов (например, фитостабилизация, фитоэкстракция и др.).
Цель: оценить экологические риски полиэлементного загрязнения почв антропогенно нарушенных территорий в Бресте и регионе физико-химическими методами, а также методами биотестирования.
Методы и методология исследования
Подбор участков
При подборе потенциальных участков мы руководствовались следующими критериями: (1) уровень загрязнения ТМ, равномерность его распределения и экологические риски; (2) доступ к коммуникациям; (3) возможность закладки экспериментальных полей на длительный срок. Анализ доступной информации и предварительные исследования показали, что для реализации стратегий фиторемедиаций в Брестском регионе перспективны для апробирования технологий фиторемедиации почв с полиэлементным загрязнением следующие территории (таблица 1): ПП - территории промышленных предприятий; ПД - территории полигонов депонирования остатков фильтрации сточных вод; ПР - территории рекультивированного городского полигона твердых бытовых отходов; ПУ - приусадебные участки в черте города Бреста; ПТ - придорожные территории, прилегающие к крупным железнодорожным и автомобильным магистралям; ОП - опытные поля учебных и научных учреждений (для проведения длительных фундаментальных и прикладных исследований).
Таблица 1. - Экспериментальные участки и субстраты
Место Субстрат Код Координаты
1. Бывший полигон отходов промышленных предприятий (опытный участок), пос. Зеленый бор, Ивацевичский район Почва ПП-1 52.66232925.252190
2. Лесные насаждения в ареале действия полигона отходов промпредприятий, пос. Зеленый бор, Ивацевичский район Почва ПП-2 52.66238125.250999
3. Бывший полигон отходов промышленных предприятий (опытный участок), пос. Зеленый бор, Ивацевичский район Зола свинцовая ПП-3 52.66226025.252141
4. Территория, прилегающая к ООО «Белинвестторг-сплав», г. Белоозерск Почва ПП-4 52.44875625.201001
5. Территория, прилегающая к ООО «Белинвестторг-сплав», г. Белоозерск Почва ПП-5 52.44857025.200639
6. ООО «Белинвестторг-сплав», г. Белоозерск Зола свинцовая ПП-6 52.44830825.201819
7. Полигон депонирования остатков фильтрации сточных вод, рекультивированный (блок 1), г. Брест Твердые остатки фильтрации ПД-1 52.04892723.676401
8. Полигон депонирования остатков фильтрации сточных вод, рекультивированный (блок 2), г. Брест Твердые остатки фильтрации ПД-2 52.04853423.677697
9. Городской полигон ТКО, рекультивированный (блок 1), г. Брест Почвогрунт ПР-1 52.03376223.704014
10. Городской полигон ТКО, рекультивированный (блок 2), г. Брест Почвогрунт ПР-2 52.03253523.705021
11. Придорожная территория (Западный обход у ООО «Автономия»), г. Брест Почва ПТ-1 52.10524023.664001
12. Придорожная территория (внутри кольцевой «Западный обход»), г. Брест Почва ПТ-2 52.10475723.665569
13. Придорожная территория (у ж/д переезда «Западный обход»), г. Брест Почва ПТ-3 52.104584, 23.664520
14. Приусадебный участок (ул. Суворова), г. Брест Почва ПУ-1 52.06807223.744002
15. Приусадебный участок (невозделываемый), (ул. Базанова, 1), г. Брест Почва ПУ-2 52.10360823.684953
16. Приусадебный участок (возделываемый), (ул. Базанова, 1), г. Брест Почва ПУ-3 52.103522, 23.684954
17. Приусадебный участок, контрольный (ул. Летная), г. Брест Почва ПУ-4 52.10520123.663326
18. Опытное поле ГУО «Брестский областной центр туризма и краеведения детей и молодежи», г. Брест Почва ОП-1 52.10438923.708860
19. Опытное поле УО БрГУ им. А. С. Пушкина, г. Брест Почва ОП-2 52.10924723.711627
Таким образом, было отобрано 17 потенциальных участков, а также 2 техногенных субстрата (зола свинцовая), способствующих полиэлементному загрязнению почв. Для создания баз данных и web-приложения с целью визуализации результатов исследований использовали инфраструктуру облачной платформы картографирования ArcGISOnline, что дает доступ к уже развернутому и готовому к использованию частному защищенному экземпляру ГИС-инфраструктуры в облаке (для лицензионных аккаунтов).
Картографические web-приложения для отображения потенциальных экспериментальных участков создавались с помощью шаблона «StoryMapTour».
Данный шаблон используется для создания карты с последовательным повествованием на основе местоположений и может сопровождаться изображениями, видео и текстовой информацией. Каждая точка приложения имеет геолокацию. Все объекты в приложении сгруппированы по признаку происхождения загрязнений почвы с использованием четырех стандартных цветов маркеров [5], рабочее поле приложения представлено на рисунке 1.
Рисунок 1. - Расположение экспериментальных участков и формирование сети отбора почв и субстратов (web-приложение регионального уровня)
Важнейшей особенностью используемого приложения является возможность дополнения новыми данными и последующим созданием базы данных, отражающей как загрязнения территорий и экологические риски, связанные с этим, так и динамику содержания контаминантов при реализации ремедиационных мероприятий.
Пробоотбор и анализ почв
Руководствуясь разработанными подходами, на всех участках были отобраны почвы или техногенные субстраты. Учитывая, что большинство техногенных выбросов накапливается на поверхности почвенного покрова [6], образцы отбирали из пахотного слоя (почвы агроценозов) или горизонта А1 до глубины 20 см в пяти местах (методом конверта) и составляли смешанный образец. Пробы почв анализировали на валовое содержание ТМ методом атомно-абсорбционной спектрометрии на приборе SOLAAR MkII M6 DoubleBeam AAS.
Для более полной и точной картины загрязнения урбанизированных территорий эколого-геохимическую оценку следует проводить не только по санитарно-гигиеническим нормативам, но и с учетом региональных и субрегиональных особенностей. Объективная оценка уровня загрязнения почвы проводилась с расчетом коэффициента концентрации Кс и суммарного показателя загрязнения Zc [6].
При расчетах коэффициента концентрации, представляющего собой отношение содержания элемента в исследуемом образце к его фоновому содержанию, использовали следующие значения концентрации приоритетных ТМ в почвах юго-запада Беларуси (субрегиональный фон
в мг/кг): Pb - 5,39; Cd - 0,09; Cu - 1,29; Zn - 7,43; Mn - 109,6; Ni - 0,66; Со - 0,45; Cr - 1,85 [7]. Рассчитываемый нами суммарный индекс загрязнения учитывал содержание Zn, Cd, Cu, Ni, Pb, Mn. Значение Zc от 1 до 5 соответствует низкой степени загрязнения, Zc от 5,1 до 20 - средней, Zc от 20,1 до 50 - высокой, Zc более 50 - очень высокой [8].
Отбор и анализ почвенных растворов
Из почв и исследуемых субстратов были получены растворы. Для этого образцы (0,5 кг воздушно-сухой) были помещены в пластиковые горшки (0,6 л) (в трех повторностях), поливались дистиллированной водой для поддержания влажности на уровне 70 % полевой влагоемкости (10 % воздушно-сухой массы почвы). Приспособление по отбору почвенного раствора Rhizon MOM (Eijkelkamp, Нидерланды) было помещено в каждый горшок под углом 45°. Почвенные растворы (30 мл) были отобраны трижды с интервалом в одну неделю и хранились до анализа при температуре 4 °С [9]. Кислотность почвенных растворов была измерена с помощью рН-метра (Hanna instruments, pH 210), также было определено содержание элементов Zn, Cd, Cu, Ni, Pb, Mn, Fe методом атомно-абсорбционной спектрометрии на приборе SOLAAR MkII M6 DoubleBeam AAS. Вытяжка из золы свинцовой (субстрат III1-6) в результате хранения (при 4 °С) изменила свою окраску, что, вероятно, связано с окислением содержащихся в ней химических соединений. Повторные определения физико-химических показателей вытяжек образца ПП-6 были проведены через 4 и 6 недель хранения. Кислотность субстратных растворов определяли с помощью рН-метра СТ-6021 А («Kedida», КНР).
Определение токсичности почв и почвенных растворов методами биотестирования
Важнейшим критерием для определения экологических рисков загрязненных субстратов является возможность функционирования в них живых систем. Для биотестирования были выбраны почвы и почвенные растворы с большинства стационаров, исключение составили: городской полигон ТКО; рекультивированный (ПР-1 и ПР-2), вследствие высокой вариабельности загрязнений по типу и по пространственному распределению, а также опытные поля учебных заведений (ОП-1 и 2). В качестве контроля выступала почва приусадебного участка (ПУ-4), удаленного от оживленных магистралей.
Основные критерии при подборе тест-объектов - апробирование в биотестировании в предыдущих работах, использование в фиторемедиации либо сельском хозяйстве. В качестве тест-объектов первоначально использовали клевер луговой (Trifolium pretense L.), позже опыты были повторены с подсолнечником однолетним (НеНап^ш' аппиш L.) и фестулолиумом (Festulolium).
Первоначально была выявлена высокая экотоксичность вытяжек из золы свинцовой (ПП-3 и ПП-6), в которых погибли семена всех растений-кандидатов. Для проведения основного эксперимента по фитотестированию субстратных вытяжек (ПП-2, ПП-4, ПП-5, ПД-2, ПТ-1-ПТ-3, ПУ-1-ПУ-3), контроль - ПП-4.
В соответствии с ГОСТом [10] определяли энергию прорастания и лабораторную всхожесть. Показатель силы роста (в %) рассчитывали как среднее арифметическое количество сильных проростков по трем повторностям [11].
Все статистические обработки были произведены с использованием программы R версия 2.13.1. Анализ главных компонентов (PCA) был выполнен как для параметров почвы, так и растений. Значения были предварительно обработаны. Значения p не превышали 0,05.
Результаты исследования и их обсуждение
Физико-химические параметры почв и субстратов
Содержание ТМ в почвах и субстратах
Анализ валового содержания ТМ в субстратах относительно ПДК показал, что максимальные превышения характерны по большинству анализируемых ТМ для золы свинцовой (более 1000 ПДК по Pb и Cd) и твердых остатков фильтрации с полей депонирования (более 100 ПДК по меди и цинку), что позволяет отнести их к весьма опасным субстратам. В почвах превышения ПДК выявлены на промышленных территориях (ПП-1: Pb-7,55; Cd-2,98 ПДК; ПП-3: Pb-15,8; Cd-2,1; Ni-2,1 ПДК), некоторых приусадебных участках (ПУ-1: Zn-6,6; ПУ-2: Zn-3,4; Pb-1,7) и придорожных территориях (ПТ-3: Zn-3,3).
Анализ коэффициента концентрации (Кс) по отдельным элементам показал значительное превышение фоновых значений у большинства ТМ на предварительно отобранных участках, что подтверждает полиэлементный характер их загрязнения (рисунки 2, 3). В целом для всех промышленных участков характерно значительное превышение по большинству анализируемых ТМ (преобладают Pb, Ni, Cu, исключение Mn), а в городской черте характерна тенденция к накоплению Zn,
Си, Pb (рисунок 2), отмеченная ранее [10]. Причем в токсичных техногенных субстратах различного происхождения выявлена специализация по ТМ в порядке убывания Кс для золы свинцовой (РЬ > Cd > Си), а для остатков фильтрации сточных вод (Си > № > 2п) (рисунок 3). Также на городских стационарах было отмечено, что содержание марганца зачастую ниже фона.
200 180 160 140 120 100 80 60 40 20
В Ми □ № аги н Си аса ■ РЬ
ЕЕсссссссоо
0
Рисунок 2. - Коэффициент концентрации (Кс) по отдельным элементам в почвах на экспериментальных территориях
20000 18000 16000 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0
^Ми
■ ги □ Си
нса
■ РЬ
ПП-3
ПП-6
ПД-1
ПД-2
Рисунок 3. - Коэффициент концентрации (Кс) по отдельным элементам в техногенных субстратах
Анализ суммарного индекса загрязнения (гс) показал, что пробные площадки можно группировать по уровню загрязнения, что важно для планирования последующих фиторемедиационных мероприятий. Так, к территориям с очень высокой степенью загрязнения относятся полигоны с твердыми остатками фильтрации ПД-1 и ПД-2 (гс = 1321). Данный участок по степени опасности загрязнения почв комплексом металлов по показателю 2с относится к чрезвычайно опасным. К территориям с высокой степенью загрязнения можно отнести участки 1111-3 и 1111-4 (37 и 23 соответственно), к территориям со средней степенью загрязнения относится большинство участков, ранжированных в зависимости от
ПП-1 (19,2) > ПУ-1 (16,1) > ПУ-2 (15) > ПТ-3 (9,9) > ОП-2 (6,2) > ОП-1 (5,8).
К участкам с низкой степенью загрязнения, которые можно использовать в качестве условно чистого контроля, относятся территории 1111-2 (Zc = 1,8) (лесные насаждения), ПТ-1 (Zc = 2,61) (придорожные зеленые насаждения), ПУ-4 (Zc = 1,64) (приусадебный участок вне зоны действия транспортных эмиссий).
Почвогрунты, отобранные на полигоне ТКО (ПР-1 и ПР-2), отличаются низким содержанием ТМ (2с < 5), вследствие значительной мощности (80-100 см) рекультивационного песчаного слоя, а также высокой пространственной пестроты распределения из-за повторного несанкционированного внесения твердых отходов. Ввиду невозможности применения фиторемедиационных мероприятий на данной территории они были исключены из дальнейших исследований.
Таким образом, исследованные субстраты, задействованные в фиторемедиационных исследованиях, характеризуются не только разным происхождением контаминантов, но и различным уровнем их содержания. Отобранные почвы были подвергнуты более детальному физико-химическому и биоиндикационному анализу.
Фитотоксичность почв и почвенных экстрактов обусловлена целым рядом факторов, важнейшим показателем является биодоступность токсиканта. Для металлов этот параметр обусловлен рядом факторов: наличие растворимых фракций, количество ионных и связанных форм, наличие органического вещества, рН и т. д. Общее (валовое) содержание ТМ в почве, которое часто используется для оценки эффективности фиторемедиационных мероприятий, не показывает биодоступные фракции (фракция металлов в почве, которая может быть поглощена растением), а также уровень токсичности металла для почвенной биоты. Анализ содержания растворенных форм в экстрактах показал, что значения варьируют в пределах 0,001-8,2 % от валового содержания (таблица 2). По проценту перехода в растворимые фракции ТМ можно ранжировать в следующем порядке: Си > № > Zn > Cd > Mn > Pb.
Таблица 2. - Доля растворенных форм ТМ в вытяжках от валового содержания в субстратах (в %)
Код экспериментального участка РЬ еа Си Та N1 Мп рН
ПП-1 0,033 0,505 0,916 0,215 0,472 6,1
ПП-2 0,245 2,154 0,880 0,938 0,427 4,4
ПП-3 0,001 0,986 0,009 1,419 3,408 0,557 6,6
ПП-4 * * 0,130 0,830 0,077 0,033 7,6
ПП-5 * * 0,050 0,212 0,057 0,014 7,7
ПП-6 0,046 1,740 8,203 0,012 0,146 0,003 11,6
ПД-1 * * 0,004 0,049 0,505 0,144 7,4
ПД-2 * * 0,018 0,031 0,126 0,053 3,3
ПТ-1 * * 0,300 0,277 0,609 0,029 7,0
ПТ-2 0,367 * 0,500 1,311 0,477 0,129 7,8
ПТ-3 * * 0,128 0,036 0,447 0,037 7,0
ПУ-1 * * 0,263 0,061 0,392 0,039 7,1
ПУ-2 * * 0,061 0,036 0,224 0,001 7,4
ПУ-3 * * 0,426 0,087 0,556 0,007 7,3
ПУ-4 * * 0,413 0,923 7,1
ОП-1 0,269 * 0,297 0,241 0,436 0,053 6,6
ОП-2 * * 0,255 0,156 0,048 7,5
Максимальные значения процента перехода в растворимые фракции Zn, № и Мп характерны для золы свинцовой ПП-3, Cd и Си - для золы свинцовой ПП-6. Причем для меди показатели в этом субстрате в несколько раз превышают максимальные референсные значения (1-3 %) [12]. Это может обуславливать ее ведущую роль в формировании общей токсичности данного раствора. Максимальный переход в почвенный раствор свинца зафиксирован для урбаноземов с придорожных территорий ПТ-2. Довольно высокими показателями по большинству металлов характеризуются почвы с промышленных территорий ПП-1 и ПП-2. Кислотность растворов
Значение рН почвенных растворов варьировало от 2,4 до 11,6 (таблица 2).
Анализ показал, что нейтральными (рН = 7,0 ± 0,1) являются контрольный (ПУ-4) и 3 почвенных образца (ПТ-1, ПТ-3, ПУ-1), близкими к нейтральными (рН от 6,1 до 6,8 и от 7,2 до 7,8) - большинство образцов (ПП-1, ПП-3, ПП-4, ПП-5, ПД-1, ПТ-2, ПУ-2, ПУ-3, ОП-1 и ЛП-2), кислыми (рН = 2,4 - 4,4) - 2 образца (1111-2 и ПД-2), щелочным (рН = 11,6) - ПП-6. Кислые почвы в силу повышенной подвижности большинства ТМ требуют мер по снижению кислотности при закладке экспериментальных полей. При хранении экстракта золы свинцовой (ПП-6) наблюдалось снижение рН до 11,2 после 4 недель. Зола свинцовая с полигона хранения показала близкий к нейтральному рН (6,6).
Биотестирование
Энергия прорастания семян клевера на почвенных и субстратных вытяжках варьировала от 15,6 до 78,2 %, в контроле составила 51,1 %. В порядке снижения энергии прорастания (в %) семян клевера изученные вытяжки можно расположить следующим образом: ПП-4 (78,2) > ПТ-1 (70,9) > ПУ-1 (68,2) > ПП-5 (67,5) > ПД-2 (64,7) ~ ПТ-2 (64,0) > ПП-2 (51,7) > контроль (51,1%) >ПУ-3 (41,3) > ПТ-3 (31,3) > ПУ-2 (25,7). Таким образом, в 6 вытяжках энергия прорастания семян клевера была выше, чем в контроле, в одном - совпадала и в 3 - была ниже (в среднем в 1,6 раза).
Лабораторная всхожесть семян клевера была высокая [10] и варьировала от 69,2 до 83,9 % на почвенных и субстратных вытяжках и в контроле составила 77,8 %. В порядке уменьшения лабораторной всхожести (в %) семян клевера изученные вытяжки можно расположить следующим образом: ПТ-1 (83,9) > ПП-4 (81,8) > ПТ-2 (80,9) ~ ПП-5 (80,4) ~ ПД-2 (79,8) > ПУ-2 (77,9) ~ контроль (77,8 %) ~ ПП-2 (76,3) > ПУ-1 (73,3) ~ ПУ-3 (73,2) > ПТ-3 (69,3). Таким образом, в пяти вытяжках лабораторная всхожесть семян клевера была выше, чем в контроле (дистиллированная вода), в одном - совпадала и в пяти - была незначительно ниже. Более высокая всхожесть в некоторых вытяжках с повышенным валовым содержанием ТМ объясняется, во-первых, небольшим содержанием в вытяжках растворимых форм по сравнению с валовыми, а также биостимуляторным действием эссенциальных элементов.
Сила роста клевера варьировала от 41,5 до 3,3 % и у растений в большинстве вытяжек была ниже по сравнению с контролем.
Групповая структура проросших семян представлена на рисунке 4А. Процент слабо проросших семян варьирует от 23,7 до 50,7 и в контроле составляет 28,3 %. Больше всего ненормально проросших семян было в вытяжке ПТ-3 (32,3 %), меньше всего - в контроле (7,7 %) и в вытяжках ПП-4 и ПУ-1 (около 3 %).
Рисунок 4. - Ростовые параметры клевера лугового в биотесте: (А) групповая структура проросших семян; (Б) групповая структура сильных проростков; (В) длина надземных и подземных частей
Для более детального анализа влияния химического состава вытяжек на силу роста семян клевера сильные проростки делили на 3 группы согласно критериям [11] (рисунок 4 Б). Группа проростков с баллом 5 имеет длину зародышевого корешка 26 мм и более, а проростка - не менее 30 мм; группа с балом 4 характеризуется длиной корешка от 20 до 25 мм, проростка - от 20 до 29 мм; группа с балом 3 - соответственно 15-19 мм и 10-19 мм. Полученные результаты представлены на рисунке 4 В. В структуре сильных проростков больше всего группы с баллом 3, проростки с баллом 5 встречаются только при выращивании в вытяжках ПП-2, ПД-2 (6%), ПТ-1, ПТ-2, ПУ-1 и ПУ-2 и отсутствуют в контроле.
Доля непроросших семян в вытяжках варьировала от 15,7 до 30,7 %, в контроле - 20,7 %. В структуре непроросших семян больше всего было твердых (от 7,3 до 20,7 %). Набухшие и непроросшие семена составляли от 6,0 до 19,7 %, меньше всего было загнивших семян (0,7-1,3 %, выявлены только в контроле и 2 вытяжках: ПД-2 и ПТ-3).
График анализа основных компонентов (РСА) для параметров почв и растений описывает более 55 % общего варьирования (ось № 1 - 30,32 %, ось № 2 - 25,03 %) и показывает некоторые группы параметров (рисунок 5).
11 - флуоресценция субстратных растворов при длине волны 368 нм, 12 - флуоресценция при 488 нм;
К - параметры клевера, f - фестулолиума, s - подсолнечника; коды параметров растений: 1 - энергия прорастания; 2 - лабораторная всхожесть; 3 - сильные проростки; 4 - слабые проростки; 5 - ненормально проросшие семена; 6 - набухшие семена; 7 - загнившие семена; 8 - твердые семена; 9 - проростки с баллом 3; 10 - проростки с баллом 4; 11 - проростки с баллом 5; 12 - длина корня, 13 - длина стебля
Рисунок 5. - Анализ главных компонентов (РСА) почвенных и биометрических показателей растений на субстратах различных стационаров: рр - субстраты техногенно модифицированные промышленные, рd - субстраты полигонов депонирования остатков фильтрации сточных вод, р1 - почвы придорожных территорий, ри - почвы приусадебных участков (таблица 1)
В первой группе, которая является наиболее крупной, большинство параметров детерминировано субстратом III1-3 (зола свинцовая). Отмечается высокая связь Zc (суммарное содержание ТМ) с содержанием марганца, свинца в почве и цинка, никеля в почвенном растворе. Из параметров растений в прямой зависимости находятся количество загнивших семян фестулолиума, ненормально проросшие семена фестулолиума и слабые проростки подсолнечника. Также хорошо коррелируют с общим содержанием ТМ показатели флуоресценции почвенных растворов при длинах волн 368 и 488 нм, а также содержание никеля в растворе.
Вторая группа показателей обусловлена шестью участками, большинство из которых относятся к приусадебным (ПП-1-ПП-4), а также ПТ-3 и ПП-1. Наиболее достоверные почвенные показатели для группы - это рН, а из биоиндикационных показателей - ненормально проросшие и твердые семена фестулолиума, загнившие семена подсолнечника и ненормально проросшие семена клевера.
Третья группа с низким уровнем загрязнения и низкой достоверностью обусловлена промышленными субстратами (ПП-2, ПП-4, ПП-5) и почвами придорожных территорий (ПТ-1, ПТ-2). Из биоиндикационных признаков выявлены слабые проявления статистической достоверности данных для сильных проростков подсолнечника, лабораторной всхожести клевера и проростков клевера с баллом 3. Данная группа показателей находится в обратно пропорциональной зависимости к первой группе.
Четвертая группа показателей также довольно обширная и обусловлена загрязнением территорий полигонов депонирования ПД-1 и ПД-2. Отмечено влияние меди, цинка и никеля. Из биоиндикационных параметров к данной группе относятся большинство показателей клевера (энергия прорастания, проростки с баллом 3, длина стебля, проростки с баллами 4 и 5, сильные проростки и длина корня) и фестулолиума (энергия прорастания, лабораторная всхожесть, сильные проростки, проростки с баллами 5, длина корня, длина стебля). Отмечена отрицательная связь между рН вытяжек и содержанием в почвах и субстратах цинка, меди, никеля, что было отмечено ранее [13].
Таким образом, выявлены связи между физико-химическими параметрами почв и биометрическими параметрами тест-растений.
Заключение
Анализ данных показал, что участки химического загрязнения почв ТМ в г. Бресте и регионе, на которых возможно применение фиторемедиационных технологий, можно объединить в 4 группы: (1) территории промышленных предприятий, в эмиссиях которых присутствуют ТМ; (2) территории полигонов депонирования остатков фильтрации сточных вод; (3) приусадебные участки в черте города Бреста; (4) придорожные территории, прилегающие к крупным железнодорожным и автомобильным магистралям.
Оценка коэффициента концентрации (Кс) по отдельным элементам показала значительное превышение фоновых значений для большинства ТМ на предварительно отобранных участках, что подтверждает полиэлементный характер их загрязнения. В целом, для всех промышленных участков характерно значительное превышение по большинству анализируемых ТМ (преобладают Pb, Ni, Cu), а в городской черте характерна тенденция к накоплению Zn, Cu, Pb. Отмечается высокое варьирование содержания в вытяжках растворимых форм ТМ (до 8,2 % от валового), а также рН (2,411,6), что значительно влияет на подвижность и биодоступность элементов.
Индикативными тест-объектами для субстратов с полиэлементным загрязнением разного уровня являются клевер, фестулолиум и подсолнечник. Повышенное содержание ТМ в субстратах увеличивает количество загнивших и ненормально проросших семян и значительно уменьшает ростовые параметры растений.
В ходе проведения исследования разработана технология биотестирования, которая включает получение загрязненных субстратов и вытяжек, подбор тест-объектов, выбор индикаторных параметров растений.
СПИСОК ОСНОВНЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Assessing heavy metal sources in agricultural soils of an European Mediterranean area by multivariate analysis / C. Mico [et al.]. - Chemosphere 65, 2006. - Р. 863-872.
2. Зинина, О. Т. Влияние некоторых тяжелых металлов и микроэлементов на биохимические процессы в организме человека / О. Т. Зинина // Избранные вопросы судебно-медицинской экспертизы. - Хабаровск, 2001. - № 4. - С. 99-105.
3. Baize, D. Teneurs totales en éléments traces dans les sols agricoles de Seine-et-Marne / D. Baize, H. Paquereau // Étude et Gestion des Sols. - 1997. - Vol. 4. Is. 2. - Р. 77-94.
4. Mench, M. Successes and limitations of phytotechnologies at field scale: outcomes, assessment and outlook from COST Action 859 / M. Mench // Journal of Soils and Sediments 10, 2010. -Р. 1039-1070.
5. Токарчук, С. М. WEB-картографирование ботанических коллекций Брестского государственного университета имени А. С. Пушкина для целей экологического образования и воспитания / С. М. Токарчук, А. П. Колбас, О. В. Токарчук // Псковский регионологический журнал. Псковский государственный университет. - 2018. - № 1 (33). - С. 100-116.
6. Сает, Ю. Е. Геохимия окружающей среды / Ю. Е. Сает, Б. А. Ревич, Е. П. Янин. - М. : Недра, 1990. - 335 с.
7. Геохимическая оценка загрязнения тяжелыми металлами почв и огородных культур в урболандшафтах г. Бреста и разработка рекомендаций по снижению соответствующих рисков : отчёт о НИР (заключ.) / Полесский аграрно-экологический институт НАН Беларуси ; рук. Н. В. Михальчук. - Брест, 2019. - 123 c. - № ГР 20180040.
8. Охрана окружающей среды и природопользование. Земли. Правила и порядок определения загрязнения земель (включая почвы) химическими веществами : ТКП 17.03-02-2013. -Введ. 29.11.2013. - [Электронный ресурс]. - Минск : Министерство природных ресурсов и охраны окружающей среды Республики Беларусь, 2013. - Режим доступа: http://ecoinv.by/images/pdf/tkp_fond/izm/__1_17.03-02_%D0%9E%D0%A0.pdf. - Дата доступа: 10.08.2021.
9. Copper phytoextraction in tandem with oilseed production using commercial cultivars and mutant lines of sunflower / А. Kolbas [et al.] // Intern. J. Phytoremediation. - 2011. - Vol. 13, Suppl. 1. -Р. 55-76.
10. Семена сельскохозяйственных культур. Методы определения всхожести. Межгосударственный стандарт: ГОСТ 12038-84. - Введ. 19.12.194. - [Электронный ресурс]. - М. : Стандартинформ, 2011. - 32 с. - Режим доступа: https://docs.cntd.ru/document/1200023365. - Дата доступа: 10.08.2021.
11. Методика определения силы роста семян кормовых культур [Электронный ресурс] / В. И. Карпин [и др.]. - М. : Изд-во РГАУ - МСХА. - 2012. - 16 с. - Режим доступа: www.vniikormov.ru/pdf/metodika-opredeleniia-sily-rosta-semian-kormovykh-kultur.pdf. - Дата доступа: 10.08.2021.
12. Field sampling of soil pore water to evaluate trace element mobility and associated environmental risk / E. Moreno-Jimenez [et al.] // Environmental Pollution. - 2011. - Vol. - 159. -Р. 3078-3085.
13. Phenotypic seedling responses of a metal-tolerant mutant line of sunflower growing on a Cu-contaminated soil series: potential uses for biomonitoring of Cu exposure and phytoremediation / A. Kolbas [et al.] // Plant and Soil. - 2014. - Voi. - 376. - Р. 377-397.
Работа выполнена в рамках проекта БРФФИ-БРЕСТ Х19Б-003 «Фиторемедиация почв в условиях полиэлементного загрязнения территории тяжелыми металлами» № 20200202, авторы выражают благодарность С. М. Токарчук за помощь в составлении web-приложения.
Поступила в редакцию 29.09.2021
E-mail: kolbas77@mail.ru; n.kolbas@gmail.com; pastukhova.marina@inbox.ru; dashkevich.m.m@gmail.com; salix35@gmail. com
A. P. Kolbas, N. Y. Kolbas, M. A. Pastukhova, M. M. Dahkevich, S. V. Gorelova
ASSESSMENT OF POLYELEMENT CONTAMINATION OF SOME TERRITORIES AND SUBSTRATES IN BREST REGION
The paper provides actual data on territories with environmental risks of trace element contamination in Brest region. 4 types of territories have been identified that require the ecological restaration. A selection of potential sites for phytoremediation was made. 17 territories and 2 technogenic substrates were investigated. A web application has been created to process and visualize the results. The selection of soil simples and substrates was carried out, lysimetric extracts were obtained, and their assessment was carried out by physicochemical and biotesting methods. Priority pollutant elements have been identified. A biotesting technique has been developed, scales of soil phytotoxicity have been compiled for the subsequent application of phytoremediation technologies.
Keywords: biotest, Brest region, microelement soil composition, soil solution, trace elements, phytoremediation, phytotoxicity.
