Листья древесных и кустарниковых растений как биоиндикаторы состояния окружающей среды городов Восточного, Северного и Центрального Казахстана

Есенжолова, Ажар Жумановна

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Листья древесных и кустарниковых растений как биоиндикаторы состояния окружающей среды городов Восточного, Северного и Центрального Казахстана
ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Листья древесных и кустарниковых растений как биоиндикаторы состояния окружающей среды городов Восточного, Северного и Центрального Казахстана"

005537590

На правах рукописи

ЕСЕНЖОЛОВА АЖАР ЖУМАНОВНА

ЛИСТЬЯ ДРЕВЕСНЫХ И КУСТАРНИКОВЫХ РАСТЕНИЙ КАК БИОИНДИКАТОРЫ СОСТОЯНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ГОРОДОВ ВОСТОЧНОГО, СЕВЕРНОГО И ЦЕНТРАЛЬНОГО КАЗАХСТАНА

03.02.08 - Экология

7 НОЯ 2013

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Новосибирск - 2013

005537590

Работа выполнена в Республиканском государственном предприятии на праве хозяйственного ведения «Государственный университет имени Шакарима города Семей», Республика Казахстан

Научный руководитель - Панин Михаил Семенович

доктор биологических наук, профессор

Официальные оппоненты: Барановская Наталья Владимировна,

доктор биологических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет», профессор кафедры геоэкологии и геохимии

Чемерис Марина Сергеевна,

доктор биологических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Новосибирский государственный аграрный университет», профессор кафедры химии

Ведущая организация - ФГБУН «Институт водных и экологических

проблем» СО РАН

Защита состоится «¿£_» ноября 2013 г. в #часов на заседании диссертационного совета Д220.048.03, созданного на базе ФГБОУ ВПО «Новосибирский государственный аграрный университет» (630039, г. Новосибирск, ул. Добролюбова, 160).

Телефон/факс: (383) 264-29-34, e-mail: norge@ngs.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Новосибирский государственный аграрный университет и на сайте www.nsau.edu.ru

Автореферат разослан « Х£ » октября 2013 г. Ученый секретарь ,

диссертационного совета Маренков В.Г

Введение

Актуальность темы. Высокий уровень техногенной нагрузки в современных городах предполагает разработку и внедрение объективных методов контроля загрязнения для оценки текущего состояния и тенденций развития экологической ситуации в будущем. Одним из таких методов получения объективной информации о загрязнении городской среды может быть биоиндикация, а конкретно -фитоиндикация.

Несмотря на значительный прогресс развития инструментальных методов определения загрязняющих веществ в абиотических компонентах окружающей среды (атмосферный воздух, вода, снег, почва), реакция растительного организма позволяет оценить антропогенное воздействие на среду обитания в показателях, имеющих биологический смысл, которые зачастую можно перенести и на человека (Барановская, 2011; Ковалевский, 1969).

Среди широкого спектра природных компонентов городской среды необходимо уделить внимание листьям древесных и кустарниковых насаждений. С их помощью можно различать степень загрязнения воздуха, почв, выделять источники загрязнения, определять зоны их действия, идентифицировать загрязняющие ингредиенты. «Листовой анализ» является одним из информативных показателей состояния окружающей среды городов (Горелова, 2010; Илькун, 1978; Кулагин, 1985; Михайлова и др., 2006; Неверова, 2005; Уфимцева, Терехина, 2005; European Network for the Assessment of Air Quality..., 2004; Vollenweider, Gunthardt-Goerg, 2005; 2006).

Тяжелые металлы (TM) являются одними из наиболее опасных и актуальных загрязнителей городской среды. Исследователями указывается тот факт, что листья растений занимают одно из ведущих позиций в поглощении выбросов промышленности и автотранспорта, а также способны адекватно отражать загрязнение среды ТМ, по сравнению с другими частями растений — древесиной, ветками и др. (Гиниятуллин, 1995; Кулагин, Шагиева, 2005; Парибок, 1989; Петрунина, Ермаков, 2006; 2012).

Несмотря на достаточное число работ по содержанию ТМ в растениях и в почвах исследованного региона (Асылбекова, 2010; Аталикова, 2009; Галямова, 2013; Дузбаева, 2010; Панин, 1999; 2003; Рихванов и др., 2012; Шаймарданова, 2011; и др.), недостаточно изучались особенности аккумуляции ТМ спектром видов древесных и кустарниковых растений в условиях специализированного загрязнения городской среды.

Целью настоящей работы является оценка степени загрязнения окружающей среды городов Восточного, Северного и Центрального Казахстана ТМ методом фитоиндикации с использованием листьев древесных и кустарниковых растений.

В соответствии с целью были поставлены следующие задачи: 1. Оценить степень загрязнения техногенных почв городов Восточного, Северного и Центрального Казахстана по уровню содержания ТМ и токсических элементов и определить подвижность приоритетных токсикантов (формы соединений ТМ).

2. Изучить элементный состав листьев древесных и кустарниковых растений городов Восточного, Северного и Центрального Казахстана.

3. Исследовать особенности накопления ТМ листьями древесных и кустарниковых растений в различных урбогеосистемах в зависимости от таксономической принадлежности растений, уровня техногенной нагрузки и промышленной специализации города.

4. Выявить виды древесных и кустарниковых растений, листья которых можно использовать как биоиндикаторы состояния урбоэкосистем Казахстана.

Научная новизна работы. Новизна исследования заключается в подходе к изучению биоиндикационного потенциала листьев древесной и кустарниковой растительности по отношению к ТМ и токсичным элементам - анализировали широкий спектр видов растений в условиях урбоэкосистем с различным градиентом антропогенной нагрузки и отличающихся специализацией металлотоксикантов. Получены оригинальные данные о накоплении химических элементов листьями растений и в почвенном покрове городов. Изучены зависимости содержания в листьях растений приоритетных загрязнителей городской среды от различных факторов - промышленной специализации, функциональной зональности и таксономической принадлежности. Оценена информативность биологического ответа листьев древесных и кустарниковых растений посредством изучения элементного состава и расчета интегральных показателей для объективного отражения биогеохимического профиля урбоэкосистем и промышленных объектов.

Теоретическая и практическая значимость работы. Изучение аккумуляции ТМ и токсичных элементов листьями древесных и кустарниковых пород в условиях техногенной нагрузки промышленных городов является вкладом в развитие общей теории устойчивости растений к неблагоприятным факторам окружающей среды. Выявлены виды-концентраторы по отношению к основным загрязнителям природной среды городов Восточного, Северного и Центрального Казахстана. Установлена биогеохимическая специализация изученных городов в отношении приоритетных ТМ для почвенного покрова и листьев растений.

Результаты работы используются в учебном процессе Государственного университета имени Шакарима города Семей, а также переданы в региональные департаменты по охране окружающей среды. Данные могут быть использованы природоохранными органами для оценки качества городской среды и принятия мер по ее улучшению.

Защищаемые положения:

1. Валовое содержание химических элементов и их подвижных форм в почвах исследованных городов объективно отражают интенсивность загрязнения городской среды и ее функциональную зональность.

2. Использование листьев древесных и кустарниковых растений является информативным способом оценки состояния окружающей среды изученных городов. При этом применимо использование как прямых показателей (аккумуляция ТМ), так и интегральных биогеохимических коэффициентов.

3. Биогеохимический профиль абиотического (почва) и биотического (листья растений) компонентов городской среды объективно отражает градиент

техногенной нагрузки и степень влияния промышленных объектов на урбоэкосистему в целом.

Апробация работы. Основные положения диссертации были представлены на 14-17 Международных Пущинских школах-конференциях молодых ученых «Биология - наука XXI века» (Пущино, 2010-2013), IV и V Международных конференциях студентов и молодых ученых «Мир науки» (Алматы, 2010-2011), VII Международной научной конференции студентов, магистрантов и молодых ученых «Ломоносов 2011» (Астана, 2011), III чтениях памяти профессора O.A. Зауралова (Саранск, 2011), X Международной научно-практической конференции «Химия и жизнь» (Новосибирск, 2011), III (8-й) Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (Прокопьевск, 2011), VII Международной научно-практической конференции «Тяжелые металлы и радионуклиды в окружающей среде» (Семей, 2012).

Публикации результатов исследования. По теме диссертации опубликовано 24 работы, в том числе 4 статьи в научных журналах, включенных в «Перечень ...» ВАК РФ.

Личный вклад. Автором с учетом рекомендаций руководителя самостоятельно сформулированы цель и задачи исследований, выбраны и уточнены методологические подходы к их решению. Личный вклад состоит в теоретическом и экспериментальном решении поставленных задач, анализе и обобщении полученных результатов.

Благодарности. Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю, доктору биологических наук, профессору Михаилу Семеновичу Панину за оказанную помощь и всемерную поддержку и доброжелательность. Автор благодарит заместителя генерального директора по радиоэкологии Национального ядерного центра PK (г. Курчатов) С.Н. Лукашенко за возможность использования приборного оснащения организации для выполнения элементного анализа. За выполнение части аналитических работ автор благодарит Андросову Н.В., сотрудника аналитического центра Института геологии и минералогии им. B.C. Соболева СО РАН (г. Новосибирск). Автор признательна A.C. Торопову за участие в экспедиционных работах, помощь в подготовке проб к анализу и обсуждению разных аспектов исследования, соавторам научных работ Г.М. Есильканову, Д.С. Жилкишиновой за плодотворное сотрудничество; а также родным и близким, создавшим благоприятную атмосферу для научного творчества.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 170 страницах, содержит 51 таблицу, 27 рисунков. Состоит из введения, четырех глав основной части, выводов, научно-практических рекомендаций и списка использованных источников (184 наименования).

Основное содержание работы

Во введении обосновывается актуальность исследования, поставлены цели и задачи, раскрыта научная новизна и практическая значимость работы.

В главе 1 представлен обзор литературных данных, посвященный основным аспектам биоиндикации. Рассмотрен вопрос использования растений в качестве биоиндикаторов на различных уровнях: от клеточного до растительных сообществ. Обобщены сведения об основных путях поступления и накопления ТМ древесными

и кустарниковыми растениями в условиях техногенного загрязнения окружающей среды городов.

В главе 2 приведены данные по природно-климатическим условиям и уровню техногенной нагрузки в исследованных городах. Указаны основные источники загрязнения окружающей среды, рассчитан коэффициент эмиссионной нагрузки.

В главе 3 описаны объекты и методы исследования. Дана краткая эколого-биологическая характеристика исследуемых видов растений. Объектами исследования послужили листья широко распространенных древесных и кустарниковых растений - 17 видов, относящихся к 7 семействам. Из них 14 видов древесной и 3 вида - кустарниковой растительности (табл.1).

Таблица 1. Исследованные древесные и кустарниковые породы растений в городах

Семейство Вид Семей Усть-Каменогорск Павлодар Астана Караганда Темиртау

Кленовые Лсегасеае Клен ясенелистный - Acer negundo L. + + + + + +

Ивовые БаПсасеае Тополь черный - Populus nigra L. + + + + + +

Тополь белый - Populus alba L. + + + - + +

Тополь дрожащий (осина) - Populus trémula L. + + + + + +

Тополь пирамидальный - Populus pyramidalis Rozier. + - + + - -

Ива белая - Salix alba L. + + + + - +

Березовые Веш1асеае Береза повислая - Betuta pendula Roth. + + + + + +

Вязовые Штасеае Вяз малый - Ulmus minor L. + + + + + -

Вяз шершавый - Ulmus glabra L. + + + - - -

Вяз гладкий - Ulmus laevis Pall. + + + + + -

Розоцветные Лшосеае Яблоня лесная - Malus sihestris Mill. + + + - + +

Шиповник собачий - Rosa canina L. + + + + + +

Рябина обыкновенная - Sorbus aucuparia L. + + + - - -

Боярышник обыкновенный - Crataegus oxyacantha L. - + - - + +

Маслинные 0!еасеае Сирень обыкновенная - Syringa vulgaris L. + + + + + +

Ясень обыкновенный - Fraximis excelsior L. - + - - + +

Лоховые Е1аеа%пасеае Лох серебристый - Eleagnus argentea Pursch. + + + + - +

Примечание: прочерк отсутствие данных

В соответствии с природно-климатическим и экономико-географическим районированием Республики Казахстан, к городам Восточного Казахстана относятся Семей и Усть-Каменогорск, Северного Казахстана - Павлодар и Астана, Центрального Казахстана - Караганда и Темиртау.

Методы исследования. Учитывая способность листьев к накоплению металлов адекватно уровню загрязнения, были заложены пробные площадки в городах с различной функциональной зональностью и антропогенной нагрузкой: рекреационная (скверы, парки), селитебная (жилые дворы), транспортная (вдоль

дорог) и промышленная зоны (непосредственно вблизи заводов). В каждом городе было заложено по 13-15 пробных площадок. При отборе, транспортировке, хранении и подготовке растительных и почвенных образцов для элементного анализа были использованы стандартные методики (Методические рекомендации..., 1981).

Отбор проб листьев проводился методом средней пробы в нижней части кроны с внешней ее стороны по окружности (1,5-2,0 м от поверхности грунта для деревьев, 0,5-1,5 м - для кустарников). Отбор образцов проводили в конце основного периода вегетации (август-сентябрь). Листья отбирались с одновозрастных деревьев (30-50 лет) с ветвей 1-2 года жизни и взяты для анализа без черешков. Пробы промывались трижды проточной и дважды -дистиллированной водой и доводились до воздушно-сухого состояния. Для определения растений использовали работы Байтенова (Флора Казахстана, 1999), Богданова (Определитель древесных..., 1974). Латинские названия растений даны по Черепанову (Сосудистые растения, ... 1995).

Параллельно осуществлялся отбор почвы (слой 0-20 см) на каждой пробной площадке путем составления смешанной пробы из 6-8 индивидуально взятых проб (под каждым деревом, радиально). Для определения валового содержания ТМ пробы подвергались полному разложению смесью концентрированных минеральных кислот. Помимо валового содержания поллютантов были исследованы подвижные формы ТМ в почве: кислоторастворимая (экстрагент 1 н. НС1), ионнообменная (ацетатно-аммонийный буфер CH3COONH4, рН=4,8) и водорастворимая (НгО).

В качестве фоновых участков выбраны территории, значительно удаленные от городов (50-80 км) и не подвергающиеся воздействию аэропромвыбросов, расположенные в противоположной стороне от розы ветров.

Для определения содержания химических элементов в листьях и почве использовали комплекс методов: атомно-абсорбционным методом с пламенной и электротермической атомизацией на приборе SOLAAR серии Мб, атомно-эмиссионным методом с индуктивно-связанной плазмой на приборе iCap-6300, масс-спектрометрией с индуктивно-связанной плазмой на приборе Elan 9000, а также фотоколориметрическим дитизоновым методом Ринькиса (1987; 1989) на спектрофотометре СФ-2000. Аналитические работы проводились в Государственном университете имени Шакарима города Семей, Институте радиационной безопасности и экологии НЯЦ РК (Казахстан, г. Курчатов) и аналитическом центре Института геологии и минералогии им. B.C. Соболева СО РАН (Россия, г. Новосибирск). Все аналитические исследования проведены в аттестованных и аккредитованных лабораториях с использованием стандартных образцов сравнения.

Была изучена зольность листьев растений как важный показатель, отражающий биоиндикационный потенциал и генетическую предрасположенность к аккумуляции зольных элементов. Зольность определяли по общепринятой методике (Практикум по агрохимии, 1987).

Весь экспериментальный материал был обработан статистическими методами, описанными в руководствах Плохинского (1970), Язикова и Шатилова (2000) с использованием программы Microsoft® Excel.

Для оценки аккумулирующей способности растений использовали коэффициент биологического поглощения (КБП) - отношение концентрации металла в золе листьев к его содержанию в почве, индекс аккумуляции (1а), коэффициент накопления (Кн), коэффициент аккумуляции (Ка) - отношения концентрации металла в сухой массе листьев к его содержанию в почве, в подвижных формах почвы и фоновому содержанию соответственно.

Для оценки степени загрязнения почвенного покрова использовались такие показатели как коэффициент концентрации (Кс) и кларк концентрации (Кк) -отношения содержания металла в почве к его фоновому значению и кларку элемента в почве соответственно; суммарный уровень загрязнения (Zc) - сумма превышений коэффициентов концентраций химических элементов над единичным (фоновым) уровнем.

В главе 4 в семи подглавах представлены результаты исследования почвенного покрова и листьев древесных и кустарниковых растений изученных городов по содержанию ТМ и токсичных элементов. Показана индикаторная роль элементного состава листьев растений в урбоэкосистемах с различным уровнем техногенной нагрузки. Рекомендованы виды-биоиндикаторы по отношению к ТМ. Определена биогеохимическая специализация изученных городов, связанная с деятельностью промышленных предприятий разного профиля.

В заключении подведены итоги исследования, сформулированы основные выводы, даны практические рекомендации.

Основные защищаемые положения и их обоснование

Первое защищаемое положение: Валовое содержание химических элементов и их подвижных форм в почвах исследованных городов объективно отражают интенсивность загрязнения городской среды и ее функциональную зональность.

Любое исследование экотоксилогической ситуации начинается с определения содержания химических веществ в почвах, так как почва - депонирующий компонент природной среды. Почвы исследованных городов представлены следующими типами: в городе Семей - светло и темно-каштановые средне- и легкосуглинистые; Усть-Каменогорске - черноземы обыкновенные суглинистые и солонцеватые; Астане - темно-каштановые солонцеватые со степными солонцами; Павлодаре - каштановые легкосуглинистые и супесчаные; в Караганде и Темиртау - каштановые почвы солонцеватые, иногда со степными солонцами.

Содержание изученных элементов в почвах городов выше их фоновых значений, от 1,3-5,4 (в среднем - 2,4), в г. Усть-Каменогорск - 1,7-15,2 (5,2) раза (рис.1).

Величина индекса суммарного загрязнения (Zc) почв ТМ и токсичными элементами гг. Семей, Астана и Караганда (18), Павлодар (23) и Темиртау (25) соответствует среднему (умеренно опасному) уровню загрязнения почв (Zc =16-32), г. Усть-Каменогорск (57) — высокому (опасному) уровню (Zc =32-64).

Расчет кларка концентрации (Кк), коэффициента концентрации (Кс) показал, что приоритетными поллютантами в почвах для всех изученных городов

свинец, поэтому их поведение в почве было изучено более детально. Кроме этих элементов, высокие показатели Кс наблюдались у бария, стронция, хрома, для Павлодара, никеля, молибдена, ванадия, лития и урана - для Темиртау и Усть-Каменогорска.

• Семей нш-Усть-Каменогорск -*-Павлодар

Астана -ж-Караганда Темиртау

1л V Сг № Со Си г п Бг Мо Сд Ва РЬ и

Рис. 1. Коэффициент концентрации (Кс) ТМ и токсичных элементов в почвах изученных городов Казахстана

Во всех городах среднее содержание приоритетных загрязнителей - ТМ в почве превышает фоновые значения, а также ПДК, утвержденные в Казахстане (Совместный приказ..., 2004) и кларки элементов в почве (Виноградов, 1957). Превышение по ПДК (кларку) по городам для цинка составило в среднем 3 (2,3) раза, меди - 1,2 (1,6), кадмия-2,8 (3,2), свинца - 1,3 (4,5) раза.

Концентрации металлов выше их фонового содержания для цинка 3,2 раза, меди - 3,0, кадмия - 2,8, свинца — 3,5 раза, для почв Усть-Каменогорска превышение по цинку и свинцу составляет 15 раз, меди и кадмию — около 7 раз. Таким образом, в г. Усть-Каменогорск сформировалась устойчивая геохимическая аномалия, природа которой обусловлена скоплением предприятий цветной металлургии.

Помимо оценки загрязнения почв по валовому содержанию ТМ, необходимо уделять внимание их подвижным формам, так как они формируют резерв питания растений и могут легко вымываться в грунтовые, а затем и поверхностные воды, определяя уровень их загрязнения (Ильин, Сысо, 2001; Ладонин, 2000).

По среднему содержанию и доли от валового, исследуемые формы соединений ТМ в почвах образуют убывающий ряд: кислоторастворимая > обменная > водорастворимая.

Такое распределение характерно для приоритетных металлов в почвах всех изученных городов. При этом, цинк и кадмий являются более подвижными элементами, чем свинец и медь. Содержание доступных для растений форм соединений ТМ в почвах города значительно превышает фоновый уровень. Доля ТМ от валовых запасов в фоновых почвах составляет 0,76-19,4%, а в городских почвах-6,1-38,9%.

Биогеохимический профиль почв отражает специфику разнопрофильных производств городов, их неодинаковую техногенную нагрузку, степень очистки выбросов и т.д. Наибольшая концентрация ТМ характерна для почв городов

промышленной и транспортной зоны, а наименьшая - для селитебной зоны. В среднем, различие между этими зонами составляет 2-3 раза, однако в г. Усть-Каменогорск - 16 раз.

Второе защищаемое положение: Использование листьев древесных и кустарниковых растений является информативным способом оценки состояния окружающей среды изученных городов. При этом применимо использование как прямых показателей (аккумуляция ТМ), так и интегральных биогеохимических коэффициентов.

В исследуемых древесных и кустарниковых растениях, произрастающих в крупных городах Казахстана, наблюдается превышение среднего содержания элементов в листьях над их фоновыми показателями. В среднем превышение составляет 2-3 раза, отдельно для г. Усть-Каменогорск - 6-7 раз (рис.2). Специфику загрязнения окружающей среды городов отражает накопление листьями свинца и кадмия (для всех городов), лития, урана и никеля - для г. Усть-Каменогорск, хрома и меди - для г. Павлодар, меди и никеля — для г. Темиртау.

—♦—Семей

-•-Усть-Каменогорск

Павлодар -«-Астана -Ж-Караганда -♦-Темиртау

и V Сг № Со Си гп Бг Мо са Ва РЬ и

Рис. 2. Коэффициент аккумуляции (Ка) ТМ и токсичных элементов листьями древесных и кустарниковых растений изученных городов Казахстана

Суммарное загрязнение элементами-поллютантами листьев древесных и кустарниковых растений в городах Казахстана соответствует высокому уровню загрязнения, в городах Астана, Караганда, Темиртау, Семей, Павлодар этот показатель варьирует от 32 до 36, а в г. Усть-Каменогорск он составляет 86.

Наиболее подробно изучались, также как и для почвы, приоритетные токсиканты — цинк, медь, кадмий и свинец.

Содержание данных ТМ в растительных образцах варьировало в широких пределах, что объясняется влиянием физико-химических свойств элементов, их физиологической ролью в метаболических процессах, биологическими особенностями растений и особенно уровнем техногенной нагрузки (табл. 2).

Так как перечень элементов, для которых разработаны ПДК в растениях, крайне мал, а для древесной и кустарниковой растительности они и вовсе отсутствуют, данные сравнивались с фоновым содержанием и с кларком.

Для кадмия и цинка выявлено заметное превышение над кларком растительности во всех городах в 10 и 1,5 раза соответсвенно. В Усть-

Каменогорске данный кларк превышен в 54 и 4 раза соответсвенно.

Таблица 2. Содержания ТМ (мг/кг сухой массы) в листьях древесных и кустарниковых растений городов Восточного, Северного и Центрального Казахстана__

Город п Хп Си са РЬ Зольность, %

Семей 148 35.9±2.3 7,5-160,8 (11,7) 4.5±0,27 0,69-19,6 (0,91) 0.22±0.02 0,01-1,9 (0,04) 0.52±0.04 0,07-2,6 (0,08) 9.6±0,20 5,0-17,0 (7,4)

Усть-Каменогорск 158 120.9±12,4 9,4-923,6 (17,1) 10,1±0,89 0,8-65,1 (1,6) 1.9±0,27 0,11-21,0 (0,17) 15,0±1,3 0,36-90,1 (0,66) 9,9±0,21 5,6-16,5 (8,0)

Павлодар 147 31,0±1,8 4.1±0,18 0,13±0,01 1,6±0,11 8,9±0,19

6,2-127,2 (9,1) 0,65-9,5 (0,75) 0,01-0,66 (0,03) 0,20-7,3 (0,21) 5,0-14,3 (6,6)

Астана 123 56.7±3.2 5,7-147,7 (13,1) 4.4±0,24 0,56-13,1 (1,1) 0,34±0,02 0,04-1,3 (0,05) 1,1 ±0,07 0,09-5,5 (0,13) 10,4±0,22 5,9-14,3 (7,9)

Караганда 131 44.9±3,0 7,1-141,6 (12,2) 3.9±0.19 0,50-10,5 (0,78) 0.12±0.008 0,01-0,50 (0,03) 1.1±0.10 0,10-6,3 (0,16) 10.5±0.17 6,3-14,7 (7,6)

Темиртау 116 45,2±3,1 9,2-190,6 (12,2) 4,6±0,27 0,70-21,8 (0,78) 0.11 ±0,007 0,01-0,40 (0,03) 0.98±0,08 0,07-4,4 (0,16) 9,5±0,16 6,0-12,4 (7,6)

Кларк в раст. суши (Добровольский , 1983) - 30,0 8,0 0,035 1,25 -

Концентрация ТМ в зрелых тканях листьев нормальное токсическое (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989) - 27-150 100-400 5-30 20-100 0.05-0,2 5-30 5-10 30-300 -

Примечание: п -число проб, в числителе - среднее арифметическое и его ошибка, в знаменателе -пределы колебаний, в скобках - фон.

Среднее содержание ТМ в листьях растений было выше фоновых концентраций во всех городах, для цинка - от 3,4 до 7,1 раз, меди - 4,0-6,3, кадмия -3,6-11,2, свинца-6,1-22,7 раз.

Согласно градации Кабата-Пендиас, Пендиас (1989), среднее содержание ТМ в листьях находится в достаточной или нормальной концентрации. Исключение составляет уровень содержания цинка для г. Усть-Каменогорск, он находится в избыточной (токсической) концентрации.

Также установлено, что в условиях техногенного воздействия межвидовая изменчивость содержания ТМ в листьях растений в городских условиях в сравнении с фоновыми была в несколько раз выше. Так, например, межвидовое различие в концентрации цинка и кадмия в листьях различных видов на фоновом участке соответственно составляет 4,9 и 12,0 раза, а в городских условиях эта разница равна 21,4 и 190,0 раза соответственно. Таким образом, в условиях

техногенного воздействия способность некоторых видов к аккумуляции указанных металлов значительно повышается.

Также изучали зависимость накопления ТМ от функциональной зоны города (рис. 3). Различие между зонами для всех городов, кроме Усть-Каменогорска составляет для цинка 2,9 раза (5,6 - для Усть-Каменогорска), меди - 3,2 (5,4), кадмия - 4,4 (10,5), свинца - 4,4 (11,1). Максимальная разница между зонами отмечена для г. Усть-Каменогорск, минимальная - для г. Павлодар.

Семей Усть-Каменогорск

Павлодар

айр"І]е?

Караганда

56,7

5,7

_ ______1Д

,4 (■» (Ш*-7 . .. Я а» 0,08^

□ селитебная □рекреационная □ транспортная ■ промышленная Рис. 3. Содержание ТМ (мг/кг сухой массы) и уровень зольности (%) в листьях древесных и кустарниковых растений в зависимости от токсической зоны города

Выявленные закономерности объясняются тем, что промышленная зона представляет собой центр скопления предприятий различной специализации, где сырье и процесс производства, как правило, являются причиной загрязнения окружающей среды ТМ. В тоже время с каждым годом в городах увеличивается количество автомобилей, и транспортную зону можно считать как наиболее загрязненную. В жилой зоне, как правило, наименьшее загрязнение среды, так как жилые постройки представляют барьер на пути распространения транспортного загрязнения, а растительность гуще, чем на других площадках. В рекреационной

зоне выявленные повышенные концентрации металлов связаны с близостью крупных автомагистралей.

Максимальной аккумулирующей способностью в исследованных городах Казахстана по отношению к цинку обладают Betulapendula Roth., Acer negundo L. и листья деревьев рода Populus; меди - Acer negundo L., Eleagnus argentea Pursch., Syringa vulgaris L, Ulmus minor L. и Populus nigra L., кадмию - листья деревьев семейства Salicaceae, свинцу Betida pendula Roth., Syringa vulgaris L., Acer negundo L., Eleagnus argentea Pursch. Также у данных растений отмечается значительная вариабельность в накоплении ТМ, высокое отношение максимального содержания над минимальным и превышение над фоном. Этот факт необходимо учитывать при подборе видов-индикаторов.

В задачи исследования входило изучение такого важного экологического показателя как зольность. Зольность растений позволяет получить представление о степени загрязнения атмосферного воздуха, характеризуя газопоглотительную способность растений (Уфимцева, Терехина, 2005). По величине зольности древесных и кустарниковых растений были выделены значительные различия по видам. Так, максимальная зольность характерна для листьев Populus nigra L. (12,5 %, в среднем по городам), Acer negundo L. (12,2 %) и Ulmus minor L. (11,4 %), это говорит об их высокой газопоглотительной способности по сравнению с другими видами, а минимальная - для Betula pendida Roth. (6,5 %) и Eleagnus argentea Pursch. (6,7 %).

Были рассчитаны корреляционные зависимости между содержанием ТМ в листьях древесных и кустарниковых растений от их зольности и от концентрации ТМ в почве (валовое содержание).

Чаще всего проявляется средняя прямая корреляционная зависимость (г = 0,30,7). Высокие коэффициенты корреляции говорят о достоверном влиянии почвенного загрязнения ТМ на содержание их в листьях растений, слабые же связи указывают на то, что поступление и перераспределение ТМ в листьях может определяться не только поступлением из почвы, но и из атмосферы, а также зависеть от аккумулятивной стратегии каждого вида растений, типа посадки древесных растений, рельефа местности, климатических условий и других факторов. Все это требует детальных и более глубоких исследований. Таким образом, химический состав листьев растений зависит от состава почв, на которых они произрастают, но не повторяет его, так как растения избирательно поглощают необходимые им элементы в соответствии с физиологическими и биохимическими потребностями (Битюцкий, 2011; Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989).

Для интерпретации полученных данных рассчитывали коэффициент биологического поглощения (КБП). По градации Перельмана, Касимова (2000), в листьях древесных и кустарниковых растений цинк, медь и кадмий относились к элементам сильного накопления (КБП=1-10), однако для Betula pendula Roth, цинк являлся элементом энергичного накопления (КБП=10-100). Свинец для всех видов был элементом слабого накопления и среднего захвата (КБП=0,1-1). Эта закономерность нарушается в Усть-Каменогорске с аномально высоким содержанием токсичных элементов в почве, где для большинства видов древесных и кустарниковых растений изученные ТМ были элементами слабого накопления и

среднего захвата, только цинк для Betula pendula Roth., Salix alba L., Populus nigra L. и Crataegus oxyacantha L., а также кадмий для Populus nigra L. — элементами сильного накопления. В исследованиях Неверовой (2004) установлено, что такой показатель как КБП является неинформативным в контроле загрязнения почв в урбанизированной среде, так как при высоком уровне техногенной нагрузки почв наблюдается подавление биологического поглощения растениями для широкого спектра химических элементов.

По значению индекса аккумуляции 1а цинк и медь для листьев древесных и кустарниковых растений в большинстве случаев являлись элементами средней аккумуляции (1а=0,1-1), а свинец и кадмий - элементами слабой аккумуляции (1а=0,01-0,1). Кадмий в гг. Павлодар и Семей являлся элементом средней аккумуляции.

Количественным показателем перехода химических элементов из почвы в растение является коэффициент накопления. (К„) близок к КБП, но поглощение является физиологическим процессом, а накопление есть результат, как поглощения, так и внутреннего перераспределения химических элементов. Если Кн меньше 1, то превалирует загрязнение растений из почвы, если больше 1, то кроме поступления в растительную продукцию металлов из почвы, имеет место загрязнение из атмосферы (Глазовский, 1987; Дьяконов и др., 1996). Можно предположить, что накопление свинца в листьях древесных и кустарниковых растениях городов Казахстана происходит в основном из почвы, а накопление цинка, кадмия и меди в листьях, наряду с поступлением из почвы, происходит и в результате атмосферного загрязнения. Также установлено, что К„ повышается от кислоторастворимой формы к водорастворимой.

Проведенные исследования позволяют сделать вывод об индикационной значимости листьев древесных и кустарниковых растений при изучении загрязнения городской среды, так как содержание ТМ и зольность листьев возрастает прямо пропорционально той техногенной нагрузке, которой они подвергаются, в связи с этим возникает возможность использования их в качестве фитофильтров городской среды.

Исходя из полученных данных, в табл. 3 представлены виды древесных и кустарниковых растений, листья которых можно использовать для диагностики загрязнения городской среды приоритетными ТМ.

Таблица 3. Рекомендуемые растения-биоиндикаторы состояния окружающей среды исследованных городов по отношению к ТМ __

Zn Си Cd Pb

Populus nigra L.

Acer negundo L. Acer negundo L. Деревья семейства Salicaceae Acer negundo L.

Betula pendula Roth. Syringa vulgaris L Betula pendula Roth. Betula pendula Roth.

Деревья семейства Ulmaceae Syringa vulgaris L

Полученные результаты согласуются с многочисленными литературными данными, в которых показано, что данные виды растений обладают наибольшей аккумулирующей способностью к ТМ и применимы к биоиндикации (Асылбекова, 2010; Гиниятуллин, 1995, Горелова, 2010; Новикова, 2005; Шагиева, 2002).

Третье защищаемое положение: Биогеохимический профиль абиотического (почва) и биотического (листья растений) компонентов городской среды объективно отражает градиент техногенной нагрузки и степень влияния промышленных объектов на урбоэкосистему в целом.

Каждый город имеет свою специализацию, складывающуюся из природных особенностей (рельеф, материнские породы, климатические условия и т.п.) и влияния промышленных объектов. Исследованные города отличаются между собой по площади, населению, количеству выбросов, размерам автомобильного парка и др. Исходя из всего изученного материала, нами предложена биогеохимическая специализация городов Восточного, Северного и Центрального Казахстана и отдельных промышленных объектов (табл.4).

Таблица 4. Биогеохимическая специализация городов Восточного, Северного и Центрального Казахстана ____

Город Промышленная специализация Формула по Кс (для почвы) Формула по Кк (для почвы) Формула по Ка (для листьев) Формула по I, (для листьев)

Семей энергетика, строительных материалов /п4 0Мо3 0С11,0Со3 о Ва„Сг2.3Си2,2РЬ2,о РЬ4,^з,0гпз,оСи2,о РЬ6^5,5и5,о Си5,оСг4,(^14,о Sr0,6Mo0,4U0r3Zn0.3 Ni„¿Cd0í

ТОО «Цементный завод Семей» са11(,1гпи.0сг6,0 Со4,1РЬ4,оСи4,о Cd,8l0Pb8, Сиз^Мо1,0 Cd47PbззCu21Zn14 N¡13^,, Ni2.2 Sr^iCoo.íBaoj РЬо,з Li0J

Усть-Каменогорск цветная металлургия, энергетика РЬкДп^.оСщ.о Сб70изд CdП9PbюZn2sCu16 РЬ^и^Оп Cd,,Zn7Cu6 Sri,9Uo,7MOo,4 Ba0,2Ni02

ТОО «Казцинк» гп„РЬ75Сс)з2Си3о Cd58oPb,4oZnl54 Сим Pblз6Cd12з гп54№46 Си41Со2, и13 Sr2,8Nii,4Coo,5 Uo.4Moo.2Cr0.2

Павлодар нефтеперерабаты вающая, энергетика Сиз,(,Ваз.0Сс]з,оРЬз,0 СГЗ,О7П2.4 РЬз^Саз.оСи^л^ Pb8.0Cr5.5CU5.5Cd.,,, КЦ^п3.4Ваз.2 CouSr0,8Zno,4Nio,4 ВЗозМОодСГо.2

АО «Алюминий Казахстан» Си5,о№5,оВа410гпзз Cd3.11 Cdз,oCu2.6Pb2,oZn2,o РЬз5гп14Си,з Co^gSr^eNiuPb^o Cro,7Znn_6

Темиртау черная металлургия, химическая №5,ои41зСг4,оМоз,5 2пз.4РЬз,№,0Си2,5 рЬз,^з10гп21о Мо,,,и1>5Сии РЬ6,1Си6,(^14,404Л У4,огп4^4,оВаз.5 Sr^NiojiZnoíCooj B3o,2CUO,2Moq,2

АО «Арселор Ыитта7 Темирта\'» гпвдРЬ^М.^.о рь5^,,гпзДСи и рь28Си28Ы1,7гп16 СУмЭгуСо^ SryNiyCuuCou lÁaJ Znoi4Pb0,4

Астана энергетика, автотранспорт РЬ4,0Сиз,2гпз^з,0 Ва^Сг,, Pb4)2Cd2 8Zn2I7Cu2,o рь8^6,8гп4,з Ва4.2Си40 Sr0,8Zn0.7Ni0,7Mo0,4 Coo,4Cdo зВэ0 2

Караганда энергетика, автотранспорт 2п5.оРЬз,4Уз,оСгз,0 Си23Ва22Со2., 2п5,0РЬ,,еУ,„Сг1,4 РЬ6,9Си5,оВа4^С<14,о гя^иЗЛиЗЛ Sr0.,Zn0.6Co„, Ba0,2Mo0 2N¡o,2

Видно, что происходит перераспределение химических элементов в составе почв и листьев растений (относительно фона и кларка) с преимущественным накоплением специфического для каждого типа производства спектра элементов.

Отмечено, специализация городов и промышленных предприятий, установленная на основе коэффициентов Кс, Кк и Ка схожа, для 1а она заметно отличается. Если в первом случае объективность отображения техногенного поступления металлов в окружающую среду городов очевидна и коррелирует с данными по составу аэропромвыбросов, то в случае 1а происходит отражение избирательного накопления физиологически значимых элементов и их аналогов, которое усиливается с уровнем техногенной нагрузки и положительно коррелирует с величиной зольности.

Накопление ТМ листьями растений в г. Усть-Каменогорск по сравнению с другими городами выше в десятки раз. Уровень загрязнения городской среды ТМ здесь намного выше, чем в других городах Казахстана, в городе размещено более 400 промышленных объектов, в том числе крупнейшие заводы цветной металлургии. Так по данным Панина (2010), в год с пылевыми выбросами свинцово-цинкового комбината в атмосферу г. Усть-Каменогорск поступает до 31,4 т. химических элементов, среди них цинка - 12,6, меди — 3,3, кадмия — 10,2, свинца - 4,4 т., город представляет собой техногенную геохимическую и биогеохимическую субпровинцию (Панин, 1999; 2000). Сложная экологическая обстановка здесь связана с неблагоприятными метеоусловиями для рассеивания загрязняющих веществ, обусловленными котловинным расположением и высокой частотой штилей. В последние годы ситуация усугубляется воздействием приземных выбросов от автотранспорта при наступлении сезонных (август, сентябрь) условий для фотохимического смога. Выраженность биогеохимического профиля г. Усть-Каменогорск также усиливается повышенным природным фоном.

Еще одним важным источником загрязнения городской среды являются выбросы автотранспорта, определяющие до половины поступления поллютантов. В Астане максимальный по Республике Казахстан показатель количества автомобилей на 1000 жителей - больше 300. Также огромное воздействие на окружающую среду оказывают ТЭЦ Астаны. Географическое же расположение города создает равновероятные условия для рассеивания примесей и для их накопления (Ежегодные статистические сборники..., 2008-2011).

Высокая концентрация ТМ в листьях древесных и кустарниковых растений, произрастающих в г. Семей, связана с автотранспортом, работой городских ТЭЦ и действием предприятий строительной промышленности, использующих минерально-сырьевые добавки: пиритные огарки и нефелиновый шлам, содержащие ТМ. По данным Панина, Есенжоловой (2010), с пылевыми выбросами завода ТОО «Цементный завод Семей» в атмосферу поступает цинка - 2,4, меди -3,3, кадмия - 0,04, свинца - 0,11 т/год. Те же причины характерны и для Караганды, где ситуация усугубляется работой предприятий угледобывающей промышленности, машиностроения и металлообработки.

Установлено, что для Темиртау и Павлодара - городов с самым высоким количеством атмосферных выбросов и наибольшим коэффициентом эмиссионной нагрузки (1,7 и 0,5 соответственно), листья растений аккумулировали меньше ТМ по сравнению с другими городами. Для г. Павлодар это объясняется низким природным фоном и эффективной работой газоочистных сооружений. В г. Темиртау такой диссонанс объясняется преобладанием труднодоступных форм металлов в атмосферных выбросах, что не способствует формированию адекватной по контрастности и мощности выбросов техногенных аномалии (Аталикова, 2009; Шаймарданова, Бигалиев, 2006). Причинами экологического неблагополучия во всех изученных городах являются нарушение градостроительных нормативов, многоэтажные застройки, не способствующие хорошему проветриванию, сокращение площадей зеленых насаждений и большое количество автотранспорта.

Выводы

1. Загрязнение почв крупных городов Восточного, Северного и Центрального Казахстана носит сложный полиметалльный характер и распределяется мозаично, образуя очаги в производственных зонах. Наиболее типичными загрязнителями почв изученных городов являлись свинец, кадмий, барий, цинк, хром, медь и молибден, которые относятся к 1 и 2 классам опасности. Валовое содержание ТМ превышает ПДК, утвержденные в Казахстане, кларки элементов в почве и фоновые значения в десятки раз. В среднем по городам превышение концентраций ТМ над их фоновым содержанием составило 3,2 раза для цинка, 3,0 - меди, 2,8 - кадмия, 3,5 - свинца, для почв Усть-Каменогорска превышение по цинку и свинцу составляет 15 раз, меди и кадмию — около 7 раз. По доле от валового содержания формы соединений ТМ образуют убывающий ряд: кислоторастворимая > обменная > водорастворимая. Наиболее подвижными металлами являются цинк и кадмий.

2. Элементный состав листьев древесных и кустарниковых растений изученных городов Казахстана определяется как разнообразными природно-климатическими и ландшафтно-геохимическими условиями, так и факторами техногенеза. Отмечается тенденция к концентрированию в листьях растений относительно кларка растительности суши и фоновых значений таких элементов, как цинк, свинец, кадмий, медь, хром, барий и уран. Превышение над фоном в листьях растений в городах Восточного, Северного и Центрального Казахстана для цинка составило от 3,4 до 7,1 раз, меди - 4,0-6,3, кадмия - 3,6-11,2, свинца - 6,122,7 раз.

3. Растения, произрастающие в промышленной и транспортной зонах иследованных городов, накапливают больше ТМ, чем в селитебной и рекреационной зонах, что коррелирует и с уровнем почвенного загрязнения и с показателем зольности. Выявлена видовая специфичность в способности аккумуляции ТМ листьями древесных и кустарниковых растений. Максимальной аккумулирующей способностью в городах Казахстана по отношению к цинку и свинцу обладают листья Betula pendula Roth., Acer negundo L., Syringa vulgaris L. и листья деревьев рода Populus; меди - Acer negundo L., Eleagnus argentea Pursch. и Ulmus minor L.; кадмию - листья древесных растений семейства Salicaceae. На основе значительной аккумуляции ТМ листьями данных древесных и кустарниковых растений, а также интегральных показателей (КБП, Кн, 1а, Ка). и зольности, их можно рекомендовать как биоиндикаторы состояния городской среды, так как накопление металлов в листьях адекватно той техногенной нагрузке, которой они подвергаются.

4. В городах, подверженных влиянию факторов техногенного воздействия различного типа, происходит аккумуляция химических элементов с преимущественным накоплением специфического для каждого типа производств спектра элементов. Биогеохимическими индикаторами техногенного влияния предприятий цветной металлургии являются концентрирование в листьях и почве цинка, свинца, меди и кадмия; строительной промышленности - цинка, свинца, никеля и стронция; черной металлургии - никеля, свинца и меди, для городов с сильно развитой автотранспортной сетью - свинца, цинка, бария и кадмия.

Научно-практические рекомендации

Древесные и кустарниковые растения, произрастающие в зоне воздействия крупных промышленных предприятий (цветная и черная металлургия, строительная промышленность), являются эффективными средствами снижения загрязнения окружающей среды ТМ. При озеленении промышленных центров, создании санитарно-защитных зон следует ориентироваться на тополевые и березовые насаждения. Их также можно рассматривать как существенное звено в защите городской среды от ТМ. Данные виды являются чувствительными биоиндикаторами по отношению к ТМ.

В условиях загрязнения окружающей среды промышленными предприятиями листья Populus nigra L. следует рассматривать как один из важнейших фитофильтров по отношению к кадмию, цинку и меди, Betula pendula Roth. - как компонент поглощения цинка и свинца, Acer negundo L. - по отношению к меди.

Список опубликованных работ по теме диссертации

1. Есенжолова А.Ж. Содержание цинка в листьях ясеня обыкновенного (Fraxinus excelsior L.) города Усть-Каменогорск / А.Ж. Есенжолова // Материалы 14 Международной Пущинской школы-конференции молодых ученых «Биология - наука XXI века». - Пущино, 2010 - С. 30-31.

2. Есенжолова А.Ж. Содержание меди в листьях древесных растений города Усть-Каменогорска / А.Ж. Есенжолова // IV Международный конгресс студентов и молодых учёных «Мир науки». - Алматы, 2010. - С. 101-102.

3. Есенжолова А.Ж. Цинк и медь в листьях древесных и кустарниковых растений города Караганды / А.Ж. Есенжолова // Материалы 15 Международной Пущинской школы-конференции молодых ученых «Биология - наука XXI века». Пущино, -2011. — С. 241.

4. Есильканов Г.М. Биоиндикационная оценка состояния окружающей среды города Семей на основе анализа листьев Betula pendula Roth. / Г.М. Есильканов, А.Ж. Есенжолова, A.C. Торопов // Материалы 15 Международной Пущинской школы-конференции молодых ученых «Биология - наука XXI века». - Пущино, 2011. - С. 239-240.

5. Есенжолова А.Ж. Видовая специфика аккумуляции тяжелых металлов листьями древесных растений рода Populus города Павлодар / А.Ж. Есенжолова // Материалы 15 Международной Пущинской школы-конференции молодых ученых «Биология - наука XXI века». Пущино, - 2011. - С. 238-239.

6. Есенжолова А.Ж. Оценка влияния техногенеза на степень накопления тяжелых металлов листьями Acer negundo L. городов Казахстана / А.Ж. Есенжолова // Тезисы V Международного конгресса студентов и молодых учёных «Мир науки». - Алматы, 2011. - С. 89-90.

7. Есенжолова А.Ж. Аккумуляция свинца листьями древесных и кустарниковых растений города Павлодар / А.Ж. Есенжолова // Тезисы V Международного конгресса студентов и молодых учёных «Мир науки». - Алматы: Казахский Национальный университет имени Аль-Фараби. - 2011. - С. 91.

8. Есенжолова А.Ж. Листья древесных и кустарниковых растений как биоиндикаторы загрязнения города Темиртау свинцом и цинком/ А.Ж. Есенжолова // Материалы VII Международной конференции молодых ученных «Наука и образование -2011». - Астана, 2011. -С. 208-210.

9. Панин М.С. Использование комплексной биоиндикационной оценки атмосферного загрязнения города Семей / М.С. Панин, А.Ж.Есенжолова, Г.М. Есильканов, A.C. Торопов // Третьи чтения памяти профессора O.A. Зауралова: Материалы научной конференции. - Саранск, 2011.-С. 71-74.

10. Есенжолова А.Ж. Листья Syringa vulgaris L. как биоиндикаторы загрязнения атмосферы города Семей тяжелыми металлами / А.Ж. Есенжолова // Материалы X международной научно-практической студенческой конференции «Химия и жизнь». Новосибирск, 2011. - С. 200-203.

11. Есенжолова А.Ж. Изучение зольности листьев древесных и кустарниковых растений городов Казахстана для биоиндикационных целей / А.Ж. Есенжолова // VII Международная научная конференция студентов, магистрантов и молодых ученых «Ломоносов - 2011». - Астана, 2011.-С.219-220.

12. Есенжолова А.Ж. Листья Ulmus minor Mill, как биоиндикаторы загрязнения атмосферы города Семей тяжелыми металлами / А.Ж. Есенжолова // VII Международная научная конференция студентов, магистрантов и молодых ученых «Ломоносов - 2011». - Астана, 2011. -С.221.

13. Есенжолова А.Ж. Содержание цинка в листьях древесных и кустарниковых растений города Семей / А.Ж. Есенжолова // Тезисы VII ежегодной научно-методической конференции преподавателей Семипалатинского государственного педагогического института. - Семей, 2011. -С. 252.

14. Есенжолова А.Ж. Биоиндикация загрязнения атмосферы города Усть-Каменогорск листьями Populus nigra L. (аспект - тяжелые металлы) / А.Ж. Есенжолова // III Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых. Прокопьевск, 2011. - С. 46-48.

15. Панин М.С. Листья древесных растений как биоиндикаторы загрязнения атмосферы города Семей / М.С. Панин, А.Ж. Есенжолова // Экологические системы и приборы. - 2011. - № 10.-С. 43-47.

16. Есенжолова А.Ж. Аккумуляция свинца листьями Populus nigra L. в городах Центрального и Восточного Казахстана / А.Ж. Есенжолова // V Международная научная конференция молодых ученых «Инновационное развитие и востребованность науки в современном Казахстане». Алматы. - 2011. - С. 181-183.

17. Есенжолова А.Ж. Аккумуляция тяжелых металлов листьями древесных и кустарниковых растений в зоне действия металлургического комплекса / А.Ж. Есенжолова, A.C. Торопов // Материалы 16 Международной Пущинской школы-конференции молодых ученых «Биология -наука XXI века». Пущино, 2012. - С. 387-388.

18. Панин М.С. Микроэлементный состав листьев Betula pendula Roth, произрастающих в горнодобывающих и урбопромышленных ландшафтов Восточного Казахстана / М.С. Панин, Д.С. Жилкишинова, А.Ж. Есенжолова // Экология урбанизированных территорий. - 2012. - № 3. - С. 75-80.

19. Есенжолова А.Ж. Биоиндикационный потенциал листьев древесных и кустарниковых растений города Темиртау / А.Ж. Есенжолова, М.С. Панин // Вестник Томского государственного университета. Биология. -2012. - № 3 (19). - С. 160-168.

20. Есенжолова А.Ж. Биоиндикационный отклик листьев древесных и кустарниковых растений произрастающих в зоне действия цементного завода (аспект тяжелые металлы) / А.Ж. Есенжолова, М.С. Панин // Вестник Семипалатинского государственного университета им. Шакарима. - 2012. - № 3 (59). - С. 89-92.

21. Есенжолова А.Ж. Применение фитоиндикации «листовой анализ» в оценке загрязнения городской среды тяжелыми металлами / А.Ж. Есенжолова, М.С. Панин // Проблемы биогеохимии и геохимической экологии. - 2012. - № 3(20) - С.3-12.

22. Есенжолова А.Ж. Элементный состав листьев древесных растений, подвергающихся воздействию техногенных эмиссий крупных промышленных центров. / А.Ж. Есенжолова, М.С. Панин // VII Международная научно-практическая конференция «Тяжелые металлы и радионуклиды в окружающей среде». Семей, 2012. С. 78-86.

23. Есенжолова А.Ж. Элементный химический состав почвы и листьев древесных и кустарниковых растений города Усть-Каменогорск. / А.Ж. Есенжолова, A.C. Торопов // Материалы 17 Международной Пущинской школы-конференции молодых ученых «Биология -наука XXI века». Пущино, 2013. - С. 143-144.

24. Есенжолова А.Ж. Биоиндикационная способность листьев древесных и кустарниковых насаждений для оценки загрязнения среды тяжелыми металлами в зоне действия металлургического комплекса / А.Ж. Есенжолова, М.С. Панин // Экология и промышленность России. - 2013. - № 7. - С. 49-53.

Подписано в печать 30.09. 2013 г. Формат 60x84/16. Объем 1,0 печ. л. Тираж 100 экз.

Отпечатано: Филиал Институт радиационной

безопасности и экологии НЯЦ РК 071100, г. Курчатов, ул. Красноармейская, 2

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Есенжолова, Ажар Жумановна, Семей

Государственный университет имени Шакарима города Семей

На правах рукописи

04201452707

ЕСЕНЖОЛОВА АЖАР ЖУМАНОВНА

03.02.08 - Экология

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель: доктор биологических наук, профессор Панин М.С.

Семей-2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ........................................................................... 5

ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ АСПЕКТЫ БИОИНДИКАЦИИ УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЙ (обзор литературы)

1.1. Краткие сведения о роли фитоиндикации в оценке загрязнения урбанизированной среды.................................................... 11

1.2. Индикаторная роль древесных и кустарниковых растений на техногенное воздействие в урбанизированной среде.................. 16

1.3. Особенности поступления и накопления тяжелых металлов древесными и кустарниковыми растениями как биоиндикационный показатель загрязнения городской среды..................................................................................................... 22

ГЛАВА 2. ПРИРОДНО-КЛИМАТИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ И УРОВЕНЬ ТЕХНОГЕННОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ ГОРОДОВ ВОСТОЧНОГО, СЕВЕРНОГО И ЦЕНТРАЛЬНОГО КАЗАХСТАНА

2.1. Краткая характеристика городов Восточного Казахстана

(г. Семей и г. Усть-Каменогорск)......................................... 32

2.2. Краткая характеристика городов Северного Казахстана

(г. Павлодар и г. Астана)................................................... 37

2.3. Краткая характеристика городов Центрального Казахстана

(г. Караганда и г. Темиртау)................................................. 42

ГЛАВА 3. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

3.1. Объекты исследований......................................................... 46

3.2. Методика исследований........................................................ 51

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ БИОИНДИКАЦИОННОГО ПОТЕНЦИАЛА ЛИСТЬЕВ ДРЕВЕСНЫХ И КУСТАРНИКОВЫХ РАСТЕНИЙ ГОРОДОВ ВОСТОЧНОГО, СЕВЕРНОГО И

ЦЕНТРАЛЬНОГО КАЗАХСТАНА (результаты исследований) 4.1. Биоиндикация загрязнения окружающей среды городов Восточного Казахстана по аккумуляции тяжелых металлов листьями древесных и кустарниковых растений

4.1.1. Биоиндикация загрязнения окружающей среды города Семей по аккумуляции тяжелых металлов листьями древесных и кустарниковых

растений.................................................................................. 55

4.1.2. Биоиндикация загрязнения окружающей среды города Усть-Каменогорск по аккумуляции тяжелых металлов листьями древесных и кустарниковых растений............................................................ 73

4.2. Биоиндикация загрязнения окружающей среды городов Северного Казахстана по аккумуляции тяжелых металлов листьями древесных и кустарниковых растений

4.2.1. Биоиндикация загрязнения окружающей среды города Павлодар по аккумуляции тяжелых металлов листьями древесных и

кустарниковых растений................................................................ 89

4.2.2. Биоиндикация загрязнения окружающей среды города Астана по аккумуляции тяжелых металлов листьями древесных и кустарниковых растений.................................................................................. 102

4.3. Биоиндикация загрязнения окружающей среды городов Центрального Казахстана по аккумуляции тяжелых металлов листьями древесных и кустарниковых растений

4.3.1. Биоиндикация загрязнения окружающей среды города Караганда по аккумуляции тяжелых металлов листьями древесных и

кустарниковых растений.............................................................. 114

4.3.2. Биоиндикация загрязнения окружающей среды города Темиртау по аккумуляции тяжелых металлов листьями древесных и кустарниковых растений............................................................. 126

4.4. Элементный состав листьев древесных и кустарниковых растений, подвергающихся воздействию техногенных эмиссий крупных

промышленных 138

центров.....................................................................................

ЗАКЛЮЧЕНИЕ......................................................................................................................................................145

ВЫВОДЫ................................................................................................................................................................146

НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ............................................................148

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ..............................149

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ........................................................................................................................150

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы

Высокий уровень техногенной нагрузки в современных городах предполагает разработку и внедрение объективных методов контроля загрязнения для оценки текущего состояния и тенденций развития экологической ситуации в будущем. Одним из таких методов получения объективной информации о загрязнении среды города, может быть биоиндикация, а конкретно -фитоиндикация.

Несмотря на значительный прогресс развития инструментальных методов определения загрязняющих веществ в абиотических компонентах окружающей среды (атмосферный воздух, вода, снег, почва), реакция растительного организма позволяет оценить антропогенное воздействие на среду обитания в показателях, имеющих биологический смысл, а зачастую и таких, которые можно перенести и на человека[ 13,70].

Среди широкого спектра природных компонентов городской среды необходимо уделить большое внимание листьям древесных и кустарниковых насаждений. С их помощью можно различать степень загрязнения воздуха, почв, выделять источники загрязнения, определять зоны их действия, идентифицировать загрязняющие ингредиенты. Многие исследования показали, что листья среди органов растений занимают одно из ведущих позиций в поглощении поллютантов, поступающих с промышленными выбросами и автотранспортом [38, 64, 96, 97, 145, 150, 176, 183], которые являются основными поставщиками поллютантов в окружающую среду. Химический состав листьев, так называемый «листовой анализ», является одним из информативных показателей состояния окружающей среды городов [38, 96, 97, 177, 182]. Реакция

растений в условиях техногенеза во многом определяется характером техногенного загрязнения, т.е. интенсивностью, периодичностью и химическим составом поллютантов [1, 18, 76, 77, 116, 145]. В связи с этим возникает необходимость изучения особенностей адаптивного потенциала древесных растений в условиях того или иного типа техногенного загрязнения среды, при выявлении видов растений - биоиндикаторов.

Тяжелые металлы (ТМ) являются одними из наиболее опасных и актуальных для изучения загрязнителей природной среды городов [5, 15, 39, 106].

Исследователями указывается тот факт, что листья занимают одно из ведущих позиций в поглощении выбросов промышленности и автотранспорта, а также способны адекватно отражать загрязнение среды ТМ, по сравнению с другими частями растений - древесиной, ветками и др.[35, 77, 112,116,184].

Несмотря на достаточное число работ по содержанию ТМ в растениях и в почвах исследованного региона.[9, 10, 105, 108, 152, 161]., недостаточно изучались особенности аккумуляции ТМ спектром видов древесных и кустарниковых растений в условиях специализированного загрязнения городской среды.

Наряду с изучением древесной и кустарниковой растительности требует внимания изучение и почвенного покрова. Почва в городских условиях - мощный своеобразный фильтр, поглощающий и до некоторой степени обезвреживающий токсичные выбросы[29, 57, 61, 63].

В соответствии с целью были поставлены следующие задачи: 1. Оценить степень загрязнения техногенных почв городов Восточного, Северного и Центрального Казахстана по уровню содержания ТМ.и токсических элементов и определить подвижность приоритетных токсикантов (формы соединений ТМ).

Теоретическая и практическая значимость работы. Зная степень устойчивости разных видов дендрофлоры к антропогенному воздействию, можно квалифицированно осуществлять отбор древесно-кустарниковых пород -«природных фитофильтров» для восстановления деградированных парков, скверов и создания новых лесопосадок и защитных зон вокруг промышленных предприятий с целью улучшения их экологической безопасности обстановки и оздоровления окружающей среды. Изучение аккумуляционного потенциала

листьев древесных и кустарниковых пород в условиях техногенной нагрузки промышленных городов является вкладом в развитие общей теории устойчивости растений к неблагоприятным факторам окружающей среды. Установлены виды-концентраторы по отношению к приоритетным загрязнителям природной среды городов Восточного, Северного и Центрального Казахстана.

Данные могут быть использованы природоохранными органами для оценки качества городской среды и принятия мер по ее улучшению. Результаты работы используются в учебном процессе Государственного университета имени Шакарима города Семей на факультете естественных наук, а также переданы в региональные департаменты по охране окружающей среды.

Положения, выносимые на защиту

3. Биогеохимический профиль абиотического (почва) и биотического (листья растений) компонентов городской среды объективно отражает градиент техногенной нагрузки и степень влияния промышленных объектов на урбоэкосистему в целом.

«Химия и жизнь» (Новосибирск, 2011), III (8-й) Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (Прокопьевск, 2011), VII Международной научно-практической конференции «Тяжелые металлы и радионуклиды в окружающей среде» (Семей, 2012).

Публикации результатов исследования. По теме диссертации опубликовано 24 работы, в том числе 4 статьи в научных журналах из «Перечня ...»ВАК РФ

Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю, доктору биологических наук, профессору Михаилу Семеновичу Панину за оказанную помощь и всемерную поддержку и доброжелательность. Автор благодарит заместителя генерального директора по радиоэкологии Национального ядерного центра PK (г. Курчатов) С.Н. Лукашенко за возможность использования приборного оснащения организации для выполнения элементного анализа. За выполнение части аналитических работ автор благодарит Андросову Н.В., сотрудника аналитического центра Института геологии и минералогии им. B.C. Соболева СО РАН (Новосибирск). Автор признательна Торопову A.C. за участие в экспедиционных работах, помощь в подготовке проб к анализу и обсуждению разных аспектов исследования, соавторам научных работ Есильканову Г.М, Жилкишиновой Д.С. за плодотворное сотрудничество; а также родным и близким, создавшим благоприятную атмосферу для научного творчества.

Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 170 страницах, содержит 51 таблицу, 27 рисунков. Состоит из введения, четырех глав основной части, выводов, научно-практических рекомендаций и списка использованных

источников (184 наименования).

ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ АСПЕКТЫ БИОИНДИКАЦИИ УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЙ (обзор литературы)

1.1. Краткие сведения о роли фитоиндикацин в оценке загрязнения

урбанизированной среды

Биоиндикация - обнаружение и определение биологически значимых антропогенных нагрузок на основе реакции на них живых организмов и их сообществ непосредственно в среде обитания [74].

Основной задачей биоиндикации является разработка методов и критериев, которые могли бы адекватно отражать уровень антропогенных воздействий с учетом комплексного характера загрязнения и диагностировать ранние нарушения в наиболее чувствительных компонентах биотических сообществ [18, 19, 148].

Растительность является одним из важнейших компонентов биогеоценоза, поскольку обеспечивает жизнедеятельность других компонентов. Изменения растительности под действием различных факторов внешней среды влияют на состояние биогеоценоза в целом и, как следствие, могут использоваться в качестве диагностических признаков. Фитоиндикация как одно из направлений биоиндикации сформировалась еще в XIX в. в связи с необходимостью решения практических задач для определения геохимических аномалий, глубины залегания грунтовых вод, засоления и многого другого [96, 97, 116].

Выполняя санитарно-гигиенические, архитектурные, хозяйственно-

экономические и другие функции, зеленые насаждения испытывают огромную

нагрузку [40, 64, 86]. Они гораздо сильнее реагируют на те концентрации вредных веществ, которые у людей и животных не оставляют видимых явлений

отравлений. Среди широкого спектра природных компонентов городской среды большое внимание уделяется древесным и кустарниковым насаждениям. С их помощью можно различать уровень загрязнения воздуха, почв, выделять источники загрязнения, определять зоны их действия, идентифицировать загрязняющие ингредиенты. Таким образом, они выполняют индикаторную функцию [1, 76, 80, 82, 145].

Фитоиндикация может осуществляться по ответной реакции растений у видов, наиболее чувствительных к отдельным ингредиентам, или по накоплению вредных веществ в теле растений. Поэтому среди растений выделяют 1) биоиндикаторы с высокой чувствительностью к поллютантам и 2) биоиндикаторы-накопители.

В связи с особенностями метаболизма (наличие высоко- чувствительного фотосинтетического аппарата, который поглощает токсические вещества из окружающей среды) растения больше используются для диагностики загрязнения атмосферного воздуха, однако их также можно использовать для диагностики загрязнения почв. Для диагностики уровней суммарного загрязнения воздуха лучше использовать первую группу биоиндикаторов, так как изменения и нарушения у них непосредственно отражают степень загрязнения воздуха. Биоиндикаторы-накопители можно использовать для диагностики загрязнения воздуха конкретным поллютантом. В этом случае необходимо дополнительно экспериментально определить, при каких уровнях накопления поллютантов в организмах находятся допустимые уровни загрязнения воздуха [97].

Классификацию принципов и уровней фитоиндикации качества окружающей среды можно построить с учетом уровней организации живой материи:

1) молекулярный,

2) субклеточный и клеточный,'

3) органный и организменный,

4) популяционн

Информация о работе

Есенжолова, Ажар Жумановна
кандидата биологических наук
Семей, 2013
ВАК 03.02.08

Диссертация

Листья древесных и кустарниковых растений как биоиндикаторы состояния окружающей среды городов Восточного, Северного и Центрального Казахстана - тема диссертации по биологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы