CC BY
7УДК (504.5:669.018.674):631.41(571.66-25)"2020"
Н.А. Ильюшенко1, Л.А. Позолотина1, 2, В.Г. Авдощенко1, А.В. Климова1
1 Камчатский государственный технический университет, Петропавловск-Камчатский, 683003;
2 Институт вулканологии и сейсмологии ДВО РАН, Петропавловск-Камчатский, 683006 e-mail: annaklimovae@mail.ru
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В НЕКОТОРЫХ КОМПОНЕНТАХ ЛАНДШАФТА ПРИБРЕЖНЫХ ТЕРРИТОРИЙ АВАЧИНСКОЙ ГУБЫ В 2020 ГОДУ
Приведены данные по содержании тяжелых металлов Zn, Cu, Pb, Cd в почвах, высших растениях и бурых водорослях в природных и урбанизированных ландшафтах прибрежных территорий Авачинской губы. Комплексные исследования, соответственно, выполнены в районах, прилегающих к озерам Банному и Култучному, в июле 2020 г. В целом установлено, что во всех исследованных компонентах ландшафта оз. Култучного суммарное содержание тяжелых металлов выше, чем в природном ландшафте оз. Банного. Также здесь выявлено превышение геохимического фона некоторых металлов для почв и травянистого растения Calamagrostis canadensis, в измененных ландшафтах оз. Култучного, что обусловлено, главным образом, высокой антропогенной нагрузкой на ландшафт. Полученные сведения об особенности распределения тяжелых металлов в компонентах исследованных природно-территориальных комплексов позволили выделить для них ряд убывания суммарного содержания элементов: древесные растения > почвы > > травянистые растения > бурые водоросли.
Ключевые слова: цинк, медь, свинец, кадмий, почвы, высшие растения, бурые водоросли, прибрежные природно-территориальные комплексы, г. Петропавловск-Камчатский.
N.A. Ilyushenko1, L.A. Pozolotina1, 2, V.G. Avdoshchenko1, A.V. Klimova1
1 Kamchatka State Technical University,
Petropavlovsk-Kamchatskу, 683003;
2 Institute of Volcanology and Seismology FEB RAS,
Petropavlovsk-Kamchatsky, 683006; e-mail: annaklimovae@mail.ru
DISTRIBUTION OF HEAVY METALS IN SOME COMPONENTS OF THE COASTAL LANDSCAPE OF AVACHA BAY IN 2020
Data on the concentration of heavy metals Zn, Cu, Pb, Cd in soils, higher plants and brown algae in natural and urbanized landscapes of Avacha Bay are presented. Respectively, comprehensive studies were carried out in the coastal areas adjacent to Bannoe and Kultuchnoe lakes in July 2020. In general, it was found that in all components of the landscape of Kultuchnoe lake, the total content of heavy metals is higher than in the natural landscape of Bannoe lake. An excess of the geochemical background of some metals for soils and the herbaceous plant Calamagrostis canadensis was also revealed here. This is mainly due to the anthropogenic impact on the landscape of Kultuchnoe lake. The features of the distribution of heavy metals in the components of the studied natural-territorial complexes form the following series of decreasing total content of elements: tree species > soils > > herbaceous species > brown algae.
Key words: zinc, copper, lead, cadmium, soils, higher plants, brown algae, coastal natural-territorial complexes, Petropavlovsk-Kamchatsky.
Авачинская губа располагается у юго-восточного побережья полуострова Камчатка. Среди других бухт Авачинского залива она выделяется достаточно большими размерами (ее длина составляет 24 км), имеет своеобразную округлую форму с узким выходом в океан и изрезанный рельеф берегов, а средняя глубина составляет 18 м. Исключительные природные характеристики
бухты сделали ее водным объектом с давней историей хозяйственного освоения. К сожалению, антропогенное давление второй половины XX в. по настоящее время приблизили ее состояние к экологически критическому [1, 2]. Основными причинами загрязнения вод бухты являются функционирование предприятий судоремонтной, рыбообрабатывающей промышленности, объектов военно-промышленного комплекса, рыбопромысловых и транспортных судов, а также бытовые стоки г. Петропавловска-Камчатского и г. Вилючинска, сельскохозяйственные и канализационные стоки, сбрасываемые в реку Авача, вдоль берегов которой расположен г. Елизово, и в реку Паратунка, испытывающую хозяйственное влияние поселков Термального, Паратунка и Николаевка [2, 3]. Дополнительно уровень загрязнения бухты усиливает терригенный сток с прибрежных ландшафтов, большая часть которых включена в активное антропогенное использование. Все вышеперечисленное приводит к снижению качества морской воды Авачинской губы, имеющей статус рыбохозяйственного водоема.
Среди загрязняющих Авачинскую бухту веществ особое место занимают тяжелые металлы (ТМ). Оказывая высокое токсическое и кумулятивное действие на биотические компоненты ландшафта, включая прибрежные экотоны, в конечном счете увеличение содержания ТМ напрямую приводит к снижению качества среды обитания человека [4]. Наиболее репрезентативными компонентами ландшафта при исследовании накопления, миграции и влияния ТМ на различные среды являются почва и биота, обладающие наибольшими депонирующими свойствами. Следует отметить, что в последние десятилетия активно проводятся исследования по определению содержания ТМ в различных компонентах естественных и антропогенных ландшафтов Юго-Восточной Камчатки: почвах [5, 6], высших растениях [7, 8] и гидробионтах [9, 10].
Для ландшафтов прибрежных территорий Авачинской бухты необходимо учитывать их вулканическое происхождение. Региональной особенностью Юго-Восточной Камчатки в целом являются наличие узкоспецифичных почвенных зон с повышенным естественным фоном некоторых элементов, в том числе ТМ [5]. Это приводит к проявлению сложных по составу миграционных биогеохимических и гидрогеохимических процессов, изучение которых возможно только при комплексном подходе. В этой связи целью настоящего исследования являлась оценка содержания металлов Zn, Cu, Pb, Cd в почвах, высших растениях и бурых водорослях как наиболее репрезентативных компонентах ландшафтов прибрежных территорий Авачинской губы.
Отбор проб для исследования проводили в двух различных по уровню антропогенного воздействия ландшафтах - у озер Култучного и Банного. Оба района обладают сопоставимыми физико-географическими характеристиками и непосредственно граничат с прибрежной зоной Авачин-ской губы (рис. 1). Первый район, оз. Култучное, расположен в историческом центре города Петропавловска-Камчатского и в силу своего расположения характеризуется наличием ключевых объектов транспортной инфраструктуры, селитебной и промышленной застройкой (рис. 1, а).
Второй район, оз. Банное, не представляет собой хозяйственной ценности и в настоящее время не испытывает активной антропогенной нагрузки (рис. 1, в). В зависимости от фациальной дифференциации ландшафта и особенностей расположения были выделены следующие части ландшафта для отбора проб (рис. 1, б и г): № 1 и № 5 - трансэлювиальная фация, № 2, № 3 и № 7 - суперак-вальная фация, № 6 - трансаккумулятивная фация и № 4 и № 8 - прибрежная фация.
В каждом районе на прилегающей к озеру территории отбирали образцы почв и пробы высших растений (Artemisia vulgaris var. kamtschatica, Calamagrostis canadensis, Betula ermanii, Salix udensis); в литоральной зоне - пробы бурых водорослей Alaria esculenta, Fucus distichus и Hedophyllum bongardianum. Сбор всех материалов для исследования проводили в июле 2020 г. в период активной вегетации растений и водорослей.
Содержание металлов (Zn, Cu, Pb, Cd) в образцах определяли с помощью атомноэмиссионного спектрометра с микроволновой плазмой AES-MP 4200 (Agilent Technologies, США). Подготовку к микроэлементному анализу предварительно высушенных до постоянной массы проб проводили методом мокрого озоления, используя систему кислотного разложения проб Ethos UP (Milestone, Италия). Для контроля точности определений использовали стандартные образцы с аттестованным значением содержания металлов (ЛБ-1 и ЭК-1, «ИГХ СО РАН»). Вычисление концентраций элементов и пересчет на его абсолютное содержание в образцах осуществляли в программе MP Expert (Agilent Technologies, США). Все значения приведены в миллиграммах на один килограмм сухой массы образца.
б 0 0.5 1.0 1.5 км г 0 0.5 1.0 1.5 2.0 км
Рис. 1. Карта-схема районов исследования у восточного побережья Авачинской губы (Юго-Восточная Камчатка): а - урбанизированный ландшафт озера Култучного, б - профиль высот в точках отбора проб № 1-4; в - природный ландшафт озера Банного, г - профиль высот в точках отбора проб № 5-8
В целом суммарное валовое содержание Zn, Cu, Pb, Cd во всех проанализированных компонентах ландшафта оз. Култучного было выше, чем в аналогичных компонентах ландшафта
оз. Банного (рис. 2). Подобное фактическое распределение металлов в городской среде отражает исключительно преобладание здесь антропогенных источников поступления загрязнителей. Так, в почвах города суммарное содержание ТМ превышало их содержание в неизмененных почвах в 1,9 раза и более. Основной вклад в загрязнение урбанизированных почв вносили Zn и Pb. Следует отметить, что содержание Zn в почвах исследованного урбанизированного ландшафта варьировало в пределах 81,7-157,2 мг/кг, Pb - 19,1-27,6 мг/кг, в то время как в природном ландшафте максимальное содержание Zn достигало 60,6 мг/кг, Pb - 9,5 мг/кг (рис. 2, см. таблица). При этом превышение установленного для Юго-Восточной Камчатки геохимического фона металлов в почвах [5] выявлено только в черте г. Петропавловска-Камчатского в точках № 1 и № 3.
В высших растениях суммарное содержание ТМ в природном ландшафте оз. Банного сопоставимо с выявленными фоновыми значениями для аналогичных видов [7, 8]. Однако для корректной сравнительной оценки накопления ТМ в растительном покрове исследованных ландшафтов следует учитывать, что видами-индикаторами металлического загрязнения для Юго-Восточной Камчатки считаются A. vulgaris и S. udensis [8]. Для первого из указанных видов превышение суммарного содержания ТМ в урбанизированном ландшафте, по сравнению с природным районом, составило 2,1-2,6 раза, для второго - в 3,1-5,5 раза.
Что касается накопления ТМ бурыми водорослями, то их отличительной особенностью является превалирование содержания Pb и Cd в образцах, собранных с прибрежной фации оз. Банного по сравнению с таковыми из урбанизированного ландшафта оз. Култучного (см. табл.). Так, аккумулирующая способность проанализированных видов в точке № 4 в отношении этих металлов не превышала 1 мг/кг, в то время как в природном ландшафте, в точке № 8, максимальное накопление Pb и Cd в макрофитах оценено в 2,8 и 1,6 мг/кг. Однако суммарное содержание ТМ во всех видах водорослей городской среды превышает таковое в удаленном от непосредственного антропогенного воздействия районе более чем в два раза (рис. 2). Вероятно, такое распределение металлов в ламинариевых и фукусовых водорослях в целом связано с преобладанием поступления загрязнителей из морской экосистемы над терригенным стоком. Подобные наблюдения для бурых водорослей Авачинской губы были отмечены нами ранее [9]. В донных отложениях и грунтах загрязняющие вещества могут быть депонированы в значительных количествах, их постепенное высвобождение и вовлечение в биогеохимические миграции приводит к перераспределению загрязнителей среди гидробионтов.
В биотических компонентах (растения и водоросли) исследованных районов основной вклад в суммарное содержание и, следовательно, в загрязнение ландшафта оз. Култучного вносил Zn. Исключение составила супераквальная фация ландшафта оз. Банного, здесь суммарное содержание ТМ в высших растениях было сопоставимо с урбанизированным ландшафтом. Вероятно, это связано с предыдущим этапам развития ландшафта, когда в приустьевой зоне меньше ста лет назад появились строение и инфраструктура небольшого поселка Большая Океанская, который прекратил свою деятельность в начале 90-х гг. Разрушенная инфраструктура поселка до сих пор может оказывать негативное воздействие на территорию.
Урбанизированный ландшафт оз. Култучного
Природный ландшафт оз. Банного
Рис. 2. Суммарное содержание тяжелых металлов в почвах, высших растениях и водорослях исследуемых ландшафтов прибрежных территорий Авачинской губы
Анализ распределения ТМ в компонентах исследованных ландшафтов Авачинской губы в независимости от степени антропогенного воздействия позволяет выделить следующий генеральный ряд убывания суммарного содержания элементов: представители древесного яруса > > почвы > представители травянистого яруса > бурые водоросли (рис. 2, таблица). Следует отметить, что подобная закономерность обусловлена не только сменой видов фаций и сопутствующих изменений абиотических условий функционирования, но и в следствие особенностей накопления Zn, Cu, Pb, Cd биотой, связанными с видоспецифичными физиологическими потребностями организмов. В целом для растительности г. Петропавловска-Камчатского характерной чертой является более высокая аккумулирующая способность древесных растений по отношению к ТМ, чем таковая у травянистых видов [8].
Особенности распределения тяжелых металлов в компонентах исследуемых ландшафтов прибрежных территорий Авачинской губы
Ряд уменьшения суммарного Компонент Компонент
Район исследования содержания ТМ в компонентах содержанием Pb, мг/кг содержанием Cd, мг/кг
ландшафта
1 Урбанизированный ландшафт озера Култучного Трансэлювиальная фация Salix > Почва > Betula > > Artemisia > Calamagrostis Почва (20,5) Salix (0,2)
2 Супераквальная фация Salix > Betula > Artemisia > > Почва > Calamagrostis Почва (27,6) Salix (0,8)
3 Супераквальная фация Betula > Почва > Salix > > Artemisia > Calamagrostis Почва (19,1) Salix (1,1)
4 Прибрежная фация Alaria > Fucus > Hedophyllum Fucus (1,0) Fucus (1,0)
5 Природный ландшафт озера Банного Трансэлювиальная фация Salix > Betula > Почва > > Artemisia > Calamagrostis Почва (3,7) Почва (0,8)
6 Трансаккумулятивная фация Betula > Почва > Artemisia > > Salix > Calamagrostis Почва (4,0) Почва (0,6)
7 Супераквальная фация Betula > Salix > Почва > > Artemisia > Calamagrostis Почва (9,5) Почва (0,5)
8 Прибрежная фация Alaria > Fucus > Hedophyllum Hedophyllum (28) Alaria (1,6)
Следует отметить, что тренд к увеличению накопления металлов Zn, Cu, Pb, Cd от трансэлювиальных фаций к супераквальным и прибрежным фациям выявлен как в пределах естественного ландшафта оз. Банного (точки № 5-№ 8), так и в пределах урбанизированного ландшафта
оз. Култучного (точки № 1 - № 4). Это объяснятся гипсометрическими причинами: миграция ТМ с верхних частей рельефа в нижние приводит к увеличению их концентрации в понижениях местности. Рассматриваемые виды фаций в исследуемых ландшафтах отличаются друг от друга расположением, условиями рельефа, водным режимом и питанием, микроклиматическими различиями и уровнем залегания грунтовых вод. Данные характеристики во многом влияют на миграцию Zn, Cu, Pb, Cd, на появление геохимических барьеров и степень их аккумуляции.
Дальнейшие исследования распределения ТМ в ландшафтах Юго-Восточной Камчатки с разным уровнем антропогенного воздействия является весьма перспективным направлениям. Поскольку, во-первых, полученные данные позволят оценить вклад наземных экосистем с региональными геохимическими аномалиями в поступление ТМ в прибрежные районы. Во-вторых, более надежно выделять природные и антропогенные источники поступления ТМ в урбанизированные ландшафты Камчатки.
Литература
1. Клочкова Н.Г., Березовская В.А. Макрофитобентос Авачинской губы и его антропогенная деструкция. - Владивосток: Дальнаука, 2001. - 205 с.
2. Качество морских вод по гидрохимическим показателям. Ежегодник 2021. - М.: Наука, 2022. - 230 с.
3. Доклад о состоянии окружающей среды в Камчатском крае в 2021 г. - Петропавловск-Камчатский: Министерство природных ресурсов и экологии Камчатского края, 2022. - 405 с.
4. Sharma V., Singh P. Heavy metals pollution and it's effects on environment and human health // International Journal of Recent Scientific Research. - 2015. -Vol. 6, Issue 12. - P. 7752-7755.
5. Литвиненко Ю.С., Захарихина Л.В. Районирование и геохимическая характеристика вулканических почв Камчатки // Геохимия. - 2009. - № 5. - С. 490-503.
6. Авдощенко В.Г., Климова А.В. Оценка загрязнения почв города Петропавловска-Камчатского, Камчатский край // Вестник КамчатГТУ. - 2022. - № 61. - С. 65-81.
7. Захарихина Л.В., Литвиненко Ю.С. Вулканизм и геохимия почвенно-растительного покрова Камчатки. Элементный состав растительности вулканических экосистем // Вулканология и сейсмология. - 2019. - № 4. - С. 40-51.
8. Авдощенко В.Г., Климова А.В. Оценка загрязнения растительного покрова города Петро-павловска-Камчатского (Камчатский край) тяжелыми металлами в 2017-2020 гг. // Вестник КамчатГТУ. - 2021.- № 55. - С. 89-100.
9. Позолотина Л.А., Климова А.В. Оценка уровня металлического загрязнения Авачинской губы в 2021 г. по индексу металлического загрязнения (MPI) // Водные биологические ресурсы России: состояние, мониторинг, управление: Материалы II Всерос. науч. конф., посвящ. 90-летию Камчатского филиала Всероссийского научно-исследовательского института рыбного хозяйства и океанографии. - Петропавловск-Камчатский: КамчатНИРО, 2022. - С. 142-146.
10. Рудев П.В., Позолотина Л.А., Климова А.В. Сезонная динамика накопления тяжелых металлов у Mytilus trossulus из бухты Петропавловская (Авачинский залив) // Актуальные проблемы освоения биологических ресурсов Мирового океана: Материалы VII Междунар. науч.-техн. конф. - Владивосток: Дальрыбвтуз, 2022. - С. 197-202.
