CC BY
20
IK
О ^
m О ш
УДК 502+582.475.4
DOI: 10.24412/1816-1863-2020-13056
ОЦЕНКА СОДЕРЖАНИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ПОБЕГАХ СОСНЫ ОБЫКНОВЕННОЙ С ПОРОДНЫХ ОТВАЛОВ УГОЛЬНОГО РАЗРЕЗА «КЕДРОВСКИЙ»
И. Н. Егорова, к.б. н, с.н.с,
Институт экологии человека
Федерального исследовательского центра
угля и углехимии Сибирского отделения
Российской академии наук
(ИЭЧ ФИЦ УУХ СО РАЛ),
nir_kem@mail.ru,
Кемерово, Россия
О. А. Неверова, д.б.н, профессор,
ФГБОУ ВО «Кемеровский
государственный университет» (КемГУ),
neverova@kemsu.ru,
Кемерово, Россия
Т. И. Григорьева, к. с -х. н., доцент,
ФГБОУ ВО «Кузбасский государственный
технический университет
им. Т. Ф. Горбачева» (КузГТУ),
ti.grigoreva.15@mail.ru,
Кемерово, Россия
Проведена сравнительная оценка загрязнения тяжелыми металлами различных частей побегов сосны обыкновенной Pinus sylvestris L., с породного отвала угольного разреза «Кедровский» и сопряженных эмбриоземов. В эмбриоземах с отвалов обнаружено пониженное содержание биологически активных микроэлементов — Cu и Zn — ниже достаточной обеспеченности почв по Н. К. Крупскому — Г. Н. Александровой. Сравнительный анализ содержания тяжелых металлов в эмбриоземах отвала с гигиеническими нормативами не выявил их превышения ПДК (ОДК). Экспериментально установлено, что хвоя, почки и стебли 2—3-годичных побегов Pinus sylvestris L. в большей степени аккумулируют Zn, Mn и Fe. Расчетным методом показано, что наибольшая биологическая подвижность характерна для двух элементов-биофилов — Cu и Zn; коэффициент биологической подвижности (Вх) этих элементов максимален во всех частях побега сосны (хвое, почках и стеблях); наибольшие значения Вх для Cu и Zn выявлены в почках сосны. Оценка полученных данных показала отсутствие превышения ПДК нормируемых тяжелых металлов в сырье Pinus sylvestris L., установленных для лекарственного растительного сырья, что не представляет опасность для здоровья человека по данным экотоксикантам.
A heavy metal pollution comparative assessment was carried out in various parts of the Scots pine (Pinus sylvestris L.) sprouts growing on the Kedrovsky open-pit coal mine and associated embryozems. A low content of biologically active trace elements — Cu and Zn — was found in the dump embryozems. It is below the sufficient soil supply according to N. K. Krupsky — G. N. Alexandrova. The comparison of dump embryozems heavy metals content with hygienic standards did not reveal their excess of MPC (MPC). It was experimentally established that the buds, needles and stems of 2—3-year-old sprouts of Pinus sylvestris L. accumulate Zn, Mn, and Fe to a greater extent. The calculation method showed that the highest biological mobility is characteristic of two biophile elements — Cu and Zn; the biological mobility coefficient (Bx) of these elements is maximum in all parts of the pine sprouts (buds, needles and stems); the highest values of Bx for Cu and Zn were found in pine buds. The data evaluation showed that there is no excess of MPC normed heavy metals in the raw materials of Pinus sylvestris L. (MPC adopted for medicinal raw materials). That means there is no risk to human health according to these ecotoxicants.
Ключевые слова: Pinus sylvestris L., лекарственное растительное сырье, хвоя, почки, стебли, тяжелые металлы, отвалы угольных разрезов.
Keywords: Pinus sylvestris L., medicinal raw materials, buds, needles, stems, heavy metals, open-pit coal mine.
56
Введение
Кузнецкий угольный бассейн считается одним из крупнейших каменноугольных бассейнов мира. В результате угледобычи площадь нарушенных территорий в
Кузбассе растет с каждым годом и в настоящее время составляет более 100 тыс. га.
Формирующиеся в результате открытой добычи угля породные отвалы угольных разрезов характеризуются специфическими экологическими условиями —
изменением рельефа, депрессионных воронок, образованием карьерных выемок, загрязнением окружающей среды пылью, химическими веществами и их соединениями, в частности тяжелыми металлами (ТМ) [1, 2]. Они занимают особое место среди техногенных загрязнителей растений и почвы, за счет широкого распространения и высокой токсичности, так как обладают способностью включаться в биологический круговорот и аккумулироваться в различных органах человека [3].
Для рекультивации нарушенных земель в результате угледобычи в регионе из древесных пород широко применяется сосна обыкновенная (Pinus sylvestris L.), семейства сосновых (Pinaceae). В Кузбассе площадь участков с лесной рекультивацией составляет более 15 тыс. га, и большая часть этой территории занята посадками сосны обыкновенной (11 тыс. га). Прежде всего, это связано с тем, что ее биоэкологические особенности отвечают лесорастительным условиям на породных отвалах, где она создает достаточно продуктивные заросли [4].
Кроме того, Pinus sylvestris L. является не только прекрасной мелиоративной культурой, но и источником лекарственного растительного сырья (ЛРС), такого, как побеги. ЛРС сосны содержит в своем составе эфирное масло, пиницикрин, витамин С, дубильные вещества, токоферол, каротин и т. д. Их употребляют в виде отваров, настоев и настоек, в качестве отхаркивающего, дезинфицирующего и мочегонного средства, а также для ингаляций при заболеваниях верхних дыхательных путей [5].
Учитывая широкое распространение сосны на породных отвалах, использование ее в медицине и активные заготовки сырья населением, актуальными являются исследования по оценке качества, а в частности безопасности ЛРС — почек, хвои, стеблей Pinus sylvestris L., произрастающей на породных отвалах региона. Кроме того, это позволит вернуть данные территории в зону хозяйственной деятельности и расширить ресурсную базу ЛРС для медицинской и фармацевтической промышленности Кузбасса.
Цель настоящей работы состояла в оценке содержания ТМ в различных частях побегов (почки, хвою, стебли) сосны обыкновенной — Pinus sylvestris L., произ-
растающей на породном отвале угольного разреза «Кедровский» и сопряженных эм-бриоземов.
Модели и методы
Исследования проведены на породном отвале «Южный» угольного разреза «Кедровский» общей площадью более 599 га в период 2015—2018 гг. Для данных отвалов свойственен равнинно-наклонный рельеф, а их высота доходит до 58 м. Породы, составляющие отвалы, представлены большей частью песчаниками до 60 %, остальное приходится на алевролиты — 20 %, аргиллиты — 15 %, суглинки и глины — по 5 %. Данные эмбриоземы представлены преимущественно тяжелыми, среднеобеспеченными суглинками: гумус до 3,5 %; рН водной вытяжки — 7,1—7,7; фосфор и азот — 1,7—7,0; обменный калий — 125 мг/кг.
Объектами исследования являлись различные части 2—3-летних побегов сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.): почки, хвоя, стебли и сопряженные эмбриоземы.
Заготовку сырья проводили в весенний период, согласно общепринятым правилам. Сырье разбирали на составные части — почки, хвою, стебли и сушили воздушно-теневым способом. Впоследствии помещали в бумажные пакеты и хранили в хорошо проветриваемом помещении.
Образцы эмбриозема отбирали по общепринятой методике из корнеобитаемо-го слоя (А 0—15 см).
Изучение почвенных и растительных образцов осуществляли по принятым для агрохимслужб методикам. Анализ проводился в аккредитованном испытательном центре агрохимической службы «Кемеровский» [6]. Для определения элементного состава выбрали атомно-абсорбци-онный метод с использованием прибора AAS-30 компании «Karl Ceis Jena». Анализы выполнялись в трехкратной повтор-ности. Обработка данных велась с использованием стандартных статистических методов.
Для оценки доступности химических элементов для растений и степени использования ими подвижных форм (ПФ), содержащихся в почве, был рассчитан коэффициент биологической подвижности (Вх) или аккумулятивный индекс. Данный коэффициент представляет собой отношение концентрации элемента в органах
а> о ф
О
О -1
57
О ^
m О ш
Хвоя
Pb
Cd
Cu
Zn
Mn
Почки
Ni
Co
Fe
Cr
Вх 25
20
15
10
5
0
Вх 30
25 20 15 10 5 0
Вх 20
15
10
5
0
Pb Cd Cu Zn Mn Ni Co Fe Cr Рис. Коэффициент биологической подвижности (Bx) сырья Pinus sylvestris L.
1
Pb
Cd Cu
Zn
Mn Ni
Стебли
Co Fe
Cr
растения (воздушно-сухая масса, мг/кг) к концентрации ПФ соединений элемента в почве (мг/кг) [7].
Результаты и обсуждение
Результаты проведенных исследований представлены в таблице.
Из данных указанных в приведенной таблице, видно, что в образцах, исследуемых эмбриоземов, присутствуют все изучаемые ТМ, как элементы техногенной группы, так и элементы-биогены. Кроме того, было установлено, что для них характерны значительные колебания
58
Таблица
Содержание тяжелых металлов в эмбриоземах и растительном сырье Pinus sylvestris L. с породных отвалов угольного разреза «Кедровский» (средние данные за 2015—2018 гг.)
Содержание элементов, мг/кг
Элементы Эмбриоземы Растительное сырье
ПФ ПДК, ОДК [9] Почки Хвоя Побеги ПДК для ЛРС [3, 11]
Pb Cd Cu Zn Mn Ni Co Fe Cr 1,98-3,27 0,12-0,26 0,16-0,25 1,26-1,78 24,17-94,9 1,83-2,74 0,44-0,66 15,48-57,47 1,32-1,50 6,0 1,0 3,0 23,0 140-500 4,0 5,0 6,0 0,50-1,80 0,04-0,24 2,22-12,10 27,81-56,00 19,50-49,68 0,52-1,69 0,26-1,02 11,91-72,40 0,50-1,08 0,27-0,64 0,072-0,19 3,07-1,52 32,50-37,58 2,21-38,70 0,69-0,73 0,05-0,75 8,83-36,20 0,53-0,62 0,50-0,97 0,03-0,10 2,20-3,40 20,34-40,99 9,60-18,30 0,47-0,82 0,28-0,67 11,01-14,60 0,47-0,60 6,0 1,0
элементного состава (таблица). Максимальные значения приходятся на Mn (24,17— 4,90 мг/кг) и Fe (15,48—57,47 мг/кг), минимальные на Cd (0,12—0,26 мг/кг) и Cu (0,16—0,25 мг/кг). Для таких биологически активных микроэлементов, как медь и цинк, было обнаружено их низкое содержание — ниже достаточной обеспеченности почв по Н. К. Крупскому — Г. Н. Александровой. Кроме того, имеются немаловажные отличия в количественных характеристиках содержания Cu и Zn в различных частях побегов сосны и сопряженных эмбриоземах. При незначительном накоплении ПФ данных элементов в эмбриоземах: Cu — 0,16—0,25 мг/кг, Zn — 1,26—1,78 мг/кг, в сырье сосны (почках, хвое, побегах) накопление данных элементов приоритетно: Cu — 1,52— 12,10 мг/кг, Zn — 20,34— 56,00 мг/кг.
Оценка Вх выявила, что у сосны в изучаемых частях побега он максимален для Cu и Zn. При этом его наибольшие значения обнаружены в почках сосны.
Наименьший показатель Вх получен для пяти элементов: Pb, Cd, Ni, Co и Cr с небольшими вариациями значений (рис. 1). Похожие результаты были получены и для одуванчика лекарственного (Taraxacum officinale Web.) и облепихи крушиновидной (Hippophae rhamnoides L.), произрастающих на данных породных отвалах Кузбасса [7, 8].
В результате на основании полученных данных построены ряды транслокации ТМ в побегах сосны на основании значений Вх:
• почки — Cu > Zn > Fe > Co > Cd >
> Cr > Ni > Pb > Mn;
• хвоя — Zn > Cu > Cd > Fe > Co > Cr >
> Ni > Mn . Pb;
• стебли — Zn > Cu > Fe > Co > Cd >
> Cr » Mn > Ni > Pb. е
— о
Несмотря на особенности поглоще- К
ния ТМ и уровень их транслокации в над- л земные органы растений, гигиеническая г оценка ЛРС сосны обыкновенной (почек, я хвои и стеблей) показала отсутствие превышения содержания Pb и Cd, принятых для лекарственного сырья (таблица) [10]. Исходя из чего можно сделать вывод, что данное ЛРС не представляет опасности для здоровья человека по данным экоток-сикантам.
Заключение
Результатами экспериментальных исследований установлено, что в образцах эмбриоземов породного отвала «Южный» угольного разреза «Кедровский» присутствуют все изучаемые тяжелые металлы (Pb, Cd, Cu, Zn, Mn, Ni, Co, Fe, Cr), как элементы-биогены, так и элементы техногенной группы. Обнаружено низкое содержание таких биологически активных микроэлементов, как медь и цинк. Сопоставление содержания ТМ в эмбриоземах отвала с гигиеническими нормативами не выявило их превышения ПДК (ОДК). Было установлено, что почки, хвоя и стебли 2—3-годичных побегов Pinus sylvestris L. в большей степени аккумулируют Zn, Mn и Fe. Расчетным способом показано, что наибольшая биологическая подвижность характерна для двух элементов-биофилов — Cu и Zn. Гигиеническая оценка сырья сосны (почек, хвои и стеблей) показала отсутствие превышения содержания Pb и Cd для лекарственного растительного сырья, принятого Государственной фармакопеей РФ.
Библиографический список
1. Воронкова А. С. Инженерно-экологическая оценка содержания тяжелых металлов в поверхностном слое вскрышных отвалов угольных разрезов: дис. канд. техн. наук. — Чита, 2008. — 139 с.
2. Федотова А. С. Содержание тяжелых металлов в отвалах, образованных вскрышными породами на угольных разрезах // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2006. — № 1. — С. 201—205.
3. Тутельян В. А., Самылина И. А., Хотимченко С. А., Гравель И. В., Булаев В. М. Оценка безопасности лекарственного растительного сырья в БАДах и фитопрепаратах // Фармация. — 2009. — № 1. — С. 3—5.
4. Уфимцев В. И., Манаков Ю. А. Условия произрастания сосны обыкновенной на эмбриоземах // Вестник Алтайского государственного аграрного университета. — 2011. — № 3 (77). — С. 64—67.
5. Лекарственные растения, сырье и препараты: учеб. пособие / Под ред. С. Е. Дмитрука. — Томск, 2004. — Ч. 1. — 320 с. — Ч. 2. — 148 с.
6. Методические указания по определению тяжелых металлов в почвах сельскохозяйственных угодий и продукции растениеводства. — М.: ЦИНАО, 1989. — 62 с.
59
7. Egorova I. N., Neverova O. A. Heavy Metal Concentration in the Herbal Medicinal Products of Hip-pophae Rhamnoides L. Which Grows on Refuse Dumps of the Kuznetsk Coal Basin Surface Mines // t World Applied Sciences Journal 27 (Education, Law, Economics, Language and Communication). —
^ 2013. — P. 497—500.
^ 8. Neverova O. A., Egorova I. N. Assessment of Heavy Metal Pollution of Medicinal Plants Taraxacum Of-
15 ficinale Web. Growing in the Kuznetsk Basin Areas Affected by Coal Production // World Applied Sci-
^ ences Journal. — 2013. — 23 (5). — P. 650—655.
9. ГН 2.1.7.2041—06. Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в почве: Гигиенические нормативы. — М.: Федеральный центр гигиены и эпидемиологии Роспотребнадзо-ра, 2006.
10. ОФС.1.5.3.009.15. Определение содержания тяжелых металлов и мышьяка в лекарственном растительном сырье и лекарственных растительных препаратах. Государственная фармакопея Российской Федерации XIV изд. — 2018. — Т. 2.
HEAVY METALS CONTENT ASSESSMENT IN THE SCOTS PINE SPROUTS GROWING ON THE "KEDROVSKY" OPEN-PIT COAL MINE
I. N. Egorova, PhD (Biology), Senior researcher; The Federal Research Center of Coal and Coal Chemistry of SB RAS (Institute of Human Ecology of the SB RAS), Kemerovo, Russia O. A.Neverova, Ph. D. (Biology), Dr. Habil., Professor, Kemerovo State University (KemSU), Kemerovo, Russia
T. I. Grigorieva, PhD (Agricultural Sciences), Associate Professor, T. F. Gorbachev Kuzbass State Technical University (KuzSTU), Kemerovo, Russia
References
1. Voronkova A. S. Inzhenerno-ehkologicheskaya ocenka soderzhaniya tyazhelykh metallov v poverkhnostnom sloe vskryshnykh otvalov ugol'nykh razrezov: dis. kand. tekhn. sc. [PhD thesis]. — Chita, 2008. — 139 p. [in Russian].
2. Fedotova A. S. Soderzhanie tyazhelykh metallov v otvalakh, obrazovannykh vskryshnymi porodami na ugol'nykh razrezakh [Mountain information and analytical bulletin]. — 2006. — No 1. — P. 201—205 [in Russian].
3. Tutel'yan V. A., Samylina I. A., Khotimchenko S. A., Gravel' I. V., Bulaev V. M. Ocenka bezopasnosti lekarstvennogo rastitel'nogo syr'ya v BADakh i fitopreparatakh [Pharmacy]. — 2009. — No 1. — P. 3—5 [in Russian].
4. Ufimtsev V. I., Manakov Yu. A. Usloviya proizrastaniya sosny obyknovennoy na embriozemakh [Bulletin of Altai State Agrarian University]. — 2011. — № 3 (77). — P. 64—67 [in Russian].
5. Lekarstvennye rasteniya, syr'e i preparaty. Uchebnoe posobie pod red. S. E. Dmitruka. — Tomsk, 2004. — Part 1. — 320 p., Part 2. — 148 p. [in Russian].
6. Metodicheskie ukazaniya po opredeleniyu tyazhelykh metallov v pochvakh sel'skokhozyajstvennykh ugodij i produkcii rastenievodstva. — Moscow: CINAO, 1989. 62 p. [in Russian].
7. Egorova I. N., Neverova O. A. Heavy Metal Concentration in the Herbal Medicinal Products of Hippophae Rhamnoides L. Which Grows on Refuse Dumps of the Kuznetsk Coal Basin Surface Mines. [World Applied Sciences Journal 27 (Education, Law, Economics, Language and Communication)]. — 2013. — P. 497—500 [in English].
8. Neverova O. A., Egorova I. N. Assessment of Heavy Metal Pollution of Medicinal Plants Taraxacum Officinale Web. Growing in the Kuznetsk Basin Areas Affected by Coal Production [World Applied Sciences Journal 23 (5)]. — 2013. — P. 650—655 [in English].
9. GN 2.1.7.2041—06 Predel'no dopustimye koncentracii (PDK) khimicheskikh veshchestv v pochve: Gigien-icheskie normativy. — Moscow: Federal'nyy tsentr gigiyeny i epidemiologii Rospotrebnadzora, 2006 [in Russian].
10. 0FS.1.5.3.009.15. Opredelenie soderzhaniya tyazhelykh metallov i mysh'yaka v lekarstvennom rastitel'nom syr'e i lekarstvennykh rastitel'nykhpreparatakh. [State Pharmacopoeia of the Russian Federation]. — XIV izd. — 2018. — Vol. 2 [in Russian].
60
