CC BY
63
УДК 582.4/9:553.3/4(470.57)
Диярова Э.Р., Гиниятуллин Р.Х., Кулагин А.А.
Институт биологии, Уфимский научный центр РАН, г Уфа
СОДЕРЖАНИЕ МЕТАЛЛОВ В ДРЕВЕСНЫХ РАСТЕНИЯХ, ПРОИЗРАСТАЮЩИХ НА ОТВАЛАХ УЧАЛИНСКОГО ГОРНООБОГАТИТЕЛЬНОГО КОМБИНАТА РЕСПУБЛИКИ БАШКОРТОСТАН
В работе представлены результаты по аккумуляции металлов листьями (хвоей) березы повислой (Betula pendula Roth), осины (Populus tremula L.) и сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) в условиях отвалов горнорудной промышленности. Показана высокая поглотительная способность и средоочищающая роль древесных растений.
Ключевые слова: УГОК - Учалинский горно-обогатительный комбинат.
Добыча полезных ископаемых открытым способом является наиболее эффективной, однако способствует возникновению отвалов, хвостов обогащения, карьеров и т.д. [15].
Биологическая рекультивация отвалов представляет долговременный и сложный процесс, как с технической, так и с экономической стороны. Это связано с разработкой карьеров, высокой токсичностью вскрышных и вмещающих пород и извлекаемых руд [10]. Известно, что отвалы являются центром повышенного содержания химических элементов и растения, осваивающие данные техногенные местообитания посредством самозарастания, подвергаются интоксикации [4]. Оптимизация окружающей среды и оздоровление промышленно развитых районов могут быть решены методом лесной рекультивации. Древесные растения - естественный универсальный фильтр, способный в комплексе с техническими средствами предохранять окружающую среду от загрязнения [6, 14].
Целью настоящей работы является количественное определение содержания тяжелых металлов в листьях древесных растений, растущих на отвалах медно-колчеданной промышленности. Исследования проводились на отвалах Учалинского горно-обогатительного комбината (УГОК).
В физико-географическом отношении район исследования согласно агропочвенному районированию относится к Зауральской лесостепи. Территория района входит в климатическую область Западно-Сибирской низменности - континентальную западносибирскую лесную и относится к агроклиматической зоне умеренно хо-лодно-полузасушливого климата [14].
В качестве пионеров зарастания нарушенных земель и разнообразных техногенных субстратов из древесных выступают береза повис-
лая (Betula pendula Roth), осина (Populus tremula L.) и сосна обыкновенная (Pinus sylvestris L.).
Использование в насаждениях быстрорастущих и устойчивых древесных растений обеспечивает значительное улучшение состояния окружающей среды [12, 5].
Отбор образцов листьев древесных пород и их подготовка к элементному анализу осуществлялись по общепринятым методикам. Содержание элементов (K, Ca, Cu, Mn, Pb, Fe, Ti, Sr) в листьях древесных растений определялось методом рентгено-флуоресцентного анализа на установке WRA-2 (Германия).
Формирование растительных сообществ на отвалах идет медленными темпами, что определяется неблагоприятными абиотическими факторами, в том числе и содержанием в субстрате аномально повышенных количеств тяжелых металлов, таких как Cu, Mn, Pb, Fe, Ti, Sr, которые из-за кислой реакции среды находятся в подвижной форме [3].
Отвалы Учалинского карьера медно-колчеданных руд достигают высоты 30 м, местами сохранились выступы ярусов ранней отсыпки. Платообразная вершина отвалов имеет несколько уступов с разницей высот до 10 м, среди которых встречаются замкнутые поверхности, лежащие ниже обрамляющих их платообразных вершин. На отвале целесообразно отличать: 1) платообразные вершины; 2) платообразные депрессивные поверхности; 3) теневые склоны; 4) склоны инсолируемые. Отвал сложен скальными плохо выветривающимися породами различного химического состава (флюориты, кварциты, порфириты, пири-ты и др.). Почвогрунты на них не имеют морфологической выраженности генетических горизонтов и характеризуются малым содержанием гумуса [1].
Калий является одним из самых необходимых для растений микроэлементов. в Он способствует усвоению углекислоты из воздуха, принимает участие в синтезе, накоплении и передвижении (транспорте) углеводов из листьев к корням [2]. В условиях отвала содержание данного микроэлемента (мг/кг) в листьях (хвое) древесных растений возрастает в ряду: сосна < береза < осина. Высокое содержание К в ассимиляционном аппарате древесных объясняется тем, что, во-первых, элемент играет непосредственную роль в функционировании устьиц, во-вторых, отмечается высокая степень обеспеченности отвалов подвижными формами К [8]. В условиях Учалинского отвала содержание данного элемента в листьях (хвое) осины составляет 14 600 мг/кг, березы - 10 000 мг/кг, а сосны - 8600 мг/кг. Содержание К в листьях осины в 1,6 раза больше, чем сосны (табл.1).
Сходная картина наблюдается и в накоплении Са. Среднее содержание Са в листьях осины составляет 17 700 мг/кг. Кальций относится к макроэлементам и активирует ряд ферментов, способствует физиологическому уравновешиванию ионного состава среды. Он участвует в процессах почвообразования, улучшает структуру почвы, влияет на реакцию среды, подвижность других биологически необходимых зольных веществ для растений. Данный элемент уменьшает вредное действие на растения Ре, А1 и Мп путем перевода их в неусвояемые формы [2]. В породах отвалов Са присутствует в виде известняков и мрамора, и, видимо, поэтому содержание его в деревьях высокое.
По данным И.Н. Павлова (1999), при аккумуляции в растениях калий и кальций выступают антагонистами: с увеличением количества Са снижается содержание К [9]. При произрастании на отвалах эта закономерность четко проявляется у осины и несколько слабее у березы.
Марганец в древесных растениях накапливается по-разному. Наиболее интенсивно его накапливают береза и осина, и менее интенсивно сосна. Нормальным содержанием Мп для трав считается 100,0 мг/кг или в интервале от
20.0 до 300,0 мг/кг сухого вещества. Предельно допустимая концентрация для трав не установлена. Критической считается концентрация
300.0 мг/кг, фитотоксичной - более 500,0 мг/кг
Таблица 1. Среднее содержание элементов (мг/кг) листьях древесных растений в условиях отвалов УГОК
[7]. Полученные средние значения Мп по отдельным породам превышают норму.
В растениях с отвалов содержание Ре в 22,5 раза больше, чем содержание Мп. Наибольшая концентрация Ре отмечена у осины и наименьшая у березы.
Медь относится к числу важнейших микроэлементов. Нормальным содержанием элемента для трав считают интервал концентраций от 5,0 до 30,0 мг/кг. Критической считается концентрация, равная 150,0 мг/кг [11]. Медь, которая для растений является существенно важным элементом, в высоких концентрациях может оказывать токсическое действие, которое вдвое выше, чем у 7п. Полученные данные показывают, что содержание Си в листьях древесных растений меньше нормы.
Исследования показали, что максимальное содержание К, Са, Ре, Бг характерно для листьев осины. Хвоя сосны наименее аккумулирует Са, Мп, Бг.
Накопление рассмотренных элементов в листьях древесных культур может зависеть и от видовых особенностей растений [8]. Например, содержание Бг в листьях осины выше в 3 раза, чем в листьях березы, и в 6 раз - в хвое сосны. Стронций по характеру накопления близок к Са. Они могут конкурировать между собой, но стронций обычно не может заменить кальций в его биохимических функциях. Бг относительно легко поглощается растениями, но его доступность может быть снижена внесением в почву Са, М§, К и Ка. Токсичный уровень содержания Бг для растений составляет 30 мг/кг золы. Избыток данного элемента в растениях приводит к нарушению формирования опорных тканей и изменению репродуктивных органов [2].
Концентрация Т в листьях (хвое) древесных растений на отвале невелика и значительно ниже, чем других элементов. Содержание металла в листьях древесных (мг/кг) уменьшается в ряду: осина (1,8) > сосна (1,6) > береза (1,5).
Образцы К Са Си Mn Pb Fe Л Sr
Рори1ш ^ети1а 14600 17700 2,37 290 10 640 1,8 200
ВвШ1а pendula 10000 15600 3,2 520 7 510 1,5 65
Ртш sylvestris 8600 4700 3,36 200 10 518 1,6 30
Согласно Г.И. Махониной (1987), предельно допустимая концентрация для РЬ в растениях составляет 10 мг/кг сухой массы [8], следовательно, в условиях отвалов УГОК древесные растения содержат данный элемент в количестве, не токсичном для самих растений. Известно, что РЬ при низких концентрациях действует стимулирующе на рост растений. Описаны эффекты торможения метаболизма растений, возникающие из-за низких уровней содержания элемента [3].
Выводы
1. При осуществлении рекультивации отвалов следует ориентироваться на насаждения осины и березы, как наилучшие накопители Ті, Мп, Бг - 1,8:1,5; 290:520; 200:65 соответственно.
2. Осина ограничивает распространение таких тяжелых металлов, как Ре, РЬ, береза - Мп.
3. Благодаря высокой поглотительной способности, быстрой скорости роста осина и береза рекомендуются при создании санитарно-защитных зон техногенных ландшафтов.
Список использованной литературы:
1. Баталов А.А., Мартьянов Н.А., Кулагин А.Ю., Горюхин О.Б. Лесовосстановление на промышленных отвалах Предуралья и Южного Урала /БНЦ Уро АН СССР. Уфа, 1989. 140 с.
2. Власюк Л.А., Шкварук И.М., Сапатый С.Е., Шамотиенко Т.Д. Химические элементы и аминокислоты в жизни растений, животных и человека. Киев: Наукова думка, 1974. 218 с.
3. Кабата-Пендиас А., Пендиас Х. Микроэлементы в почвах и растениях. - М.: Мир, 1989. - 439 с.
4. Ковальский В.В. Геохимическая экология. М.: Наука, 1974. 298 с.
5. Коршиков И.И., Котов В.С., Михеенко И.П., Игнатенко А.А., Чернышова Л.В. Взаимодействие растений с техногенно загрязненной средой. Стойкость. Фитоиндикация. Оптимизация. Киев: Наукова думка, 1995. 192 с.
6. Кулагин Ю.З. Индустриальная дендроэкология и прогнозирование. М.: Наука, 1985. 117 с.
7. Матвеев Н.М., Павловский В.А., Прохорова Н.В. Экологические основы аккумуляции тяжелых металлов сельскохозяйственными растениями в лесостепном и степном Поволжье. Самара: Самар. ун-т, 1997. 100 с.
8. Махонина Г.И. Химический состав растений на промышленных отвалах Урала. Свердловск: Изд-во Урал. ун-та, 1987. 176 с.
9. Павлов И.И. Изучение сорбции фтора в листьях древесных растений // Химия растительного сырья. 1999. № 2. С. 3743.
10. Пасынкова М.В. Использование древесных видов при биологической рекультивации отвалов медной промышленности // Растения и промышленная среда. 1992. С. 120-128.
11. Прохорова Н.В., Матвеев Н.М., Павловский В.А. Аккумуляция тяжелых металлов дикорастущими и культурными растениями в лесостепном и степном Поволжье. Самара: Самар. ун-т, 1998. 97 с.
12. Сергейчик С.А. Древесные растения и оптимизация промышленной среды. Минск: Наука и техника, 1984. 168 с.
13. Тайчинов С.Н., Бульчук П.Я. Природное и агропочвенное районирование Башкирской АССР. - Ульяновск, 1975. - 159 с.
14. Тарабрин В.П Водный режим и устойчивость древесных растений к промышленным загрязнителям // Газоустойчи-вость растений. Новосибирск: Наука. 1980. С.18-29.
15. Терехова Э.Б. Характеристика вскрышных пород Аятского бокситового месторождения по их пригодности для биологической рекультивации // Почвообразование в антропогенных условиях. 1981. С. 71-90.
