Накопление и распределение тяжелых металлов в травянистой растительности техногенных ландшафтов Нижнего Дона

Чаплыгин, Виктор Анатольевич

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Накопление и распределение тяжелых металлов в травянистой растительности техногенных ландшафтов Нижнего Дона
ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Накопление и распределение тяжелых металлов в травянистой растительности техногенных ландшафтов Нижнего Дона"

На правах рукописи

Чаплыгин Виктор Анатольевич

НАКОПЛЕНИЕ И РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ТРАВЯНИСТОЙ РАСТИТЕЛЬНОСТИ ТЕХНОГЕННЫХ ЛАНДШАФТОВ НИЖНЕГО ДОНА

03.02.08 - экология (биологические науки)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

1 2 ФЕВ 2015

005558960

Ростов-на-Дону - 2015

005558960

Работа выполнена на кафедре почвоведения и оценки земельных ресурсов Южного федерального университета

Научный руководитель: доктор биологических наук, профессор

Минкина Татьяна Михайловна

Официальные оппоненты: Агафонов Сергей Васильевич,

доктор сельскохозяйственных наук, профессор, Донской государственный аграрный университет, заведующий кафедрой агрохимии и садоводства Жаркова Мария Геннадиевна,

кандидат биологических наук, Донской государственный технический университет, старший преподаватель кафедры безопасности жизнедеятельности и инженерной экологии

Ведущая организация: Московский государственный университет имени

М.В. Ломоносова

Защита диссертации состоится 20 марта 2015 г. в 15:00 на заседании диссертационного совета Д 212.208.32 по биологическим наукам на базе Южного федерального университета (344090, г. Ростов-на-Дону, просп. Стачки 194/1, ауд. 402), e-mail: denisova777@inbox.ru).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте Южного федерального университета (344006, г. Ростов-на-Дону, ул. Зорге, 21ж). Автореферат разослан « » февраля 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор биологических наук

Денисова Татьяна Викторовна

Общая характеристика работы

Актуальность исследований. Территория Нижнего Дона заслуживает особого внимания, поскольку регион является одновременно крупнейшим производителем сельскохозяйственной продукции и крупным промышленным центром. Такое тесное соседство сельского хозяйства и промышленности ведет к ряду экологических проблем, одной из которых является загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами (ТМ). ТМ являются одной из наиболее опасных категорий загрязняющих веществ. Попадая в растения из почвы и воздуха, они способны аккумулироваться в растительных тканях в большом количестве и по трофической цепочке переходить в организм животных, а затем и человека. Предприятия энергетической отрасли, как и предприятия металлургической и рудодобывающей отраслейпромышленности являются источниками загрязнения окружающей среды ТМ. Так, 1% всех выбросов пошпотантов в атмосферный воздух в РФ приходится на филиал ОАО «ОПС-2» «Новочеркасская» ГРЭС (НчГРЭС), в Ростовской области - свыше 50%, на Новочеркасск - приходится порядка 99%. Негативные последствия выбросов предприятия, ведущие к накоплению металлов в растениях, могут отчетливо проявиться во времени. В связи с этим важны результаты многолетних стационарных наблюдений за состоянием растений.

Важным вопросом является изучение особенностей поступления ТМ в растения и устойчивости растений к загрязнению ТМ. Под устойчивостью растений к загрязнению ТМ понимается способность растений препятствовать аккумуляции металлов в надземной части и генеративных органах (Чаплыгин и др., 2013). Аккумуляция металлов в растениях зависитот физиологических особенностейсамого растения и содержанияполлютантов в почвах. Для оценки миграционной способности ТМ требуются экспериментальные данные об их количественных взаимоотношениях в системе почва-растение. Эти данные будут способствовать научно-обоснованному решению вопроса о выборе культур дляфиторемедиации загрязненных почв, особенно высокоплодородных, к которым в первую очередь относятся черноземы. В этой связи ведется поиск растений-аккумуляторов, толерантных к высокому содержанию ТМ в надземной части (т.е. не испытывающими видимого отрицательного воздействия ТМ на рост и развитие растений).

Цель работы -изучение накопления и распределенияРЬ, С(1, Тп, Си, №, Мп и Сгв наиболее распространенных видах дикорастущих травянистых растений зоны влияния НчГРЭС.

В задачи исследования входило:

1. Установить воздействие НчГРЭС на накоплениеТМ в системе «почва-растение» по данным многолетних мониторинговых наблюдений.

2. Определить влияние техногенного загрязнения на видовой состав дикорастущих травянистых растений Нижнего Дона и различия в накоплении ТМ исследуемыми видами растений.

3. Выявить наиболее устойчивые к загрязнению ТМ виды дикорастущих травянистых растений, и виды, аккумулирующие ТМ в надземной части растений.

Научная новизна. Впервые выявлены виды дикорастущих травянистых растений Северного Приазовья, устойчивые к избыточному накоплению Pb, Cd, Zn, Cu, Ni, Mn, Cr и виды, аккумулирующие TM в надземной части. Изучена динамика изменения содержания поллютантов в почвах и растениях зоны влияния НчГРЭС за период с 2000 по 2012 гг. Установлены источники и пути поступления ТМ в растения изучаемой территории. Отмечены изменения в видовом составе дикорастущих травянистых растений Нижнего Дона по данным многолетних мониторинговых наблюдений. Определены закономерности накопления и распределения различных химических элементов между надземной и корневой частью дикорастущих трав в зависимости от вида растения и степени техногенной нагрузки на территорию, подвижности металлов в почвах и свойств почв.

Практическая значимость. Расширены представления об устойчивости растений к накоплению ТМ. Предложено проводить оценку устойчивости видов растений к техногенному загрязнению ТМ по совокупности значений коэффициента накопления (КН) и величин элементостатического барьера поступления поллютантов на границе корневая система-надземная часть растения. Показана взаимосвязь между особенностями накопления и распределения ТМ в растениях и их содержанием в почве. Теоретические положения и методические подходы, предложенные в работе, могут быть широко внедрены в практику почвенно-экологического мониторинга, оценки состояния ТМ в почвах и растениях, а также служить основой для прогнозирования и регулирования качества почв и выращенной на ней сельскохозяйственной продукции. Выявленные закономерности транслокации ТМ в растения могут быть применены для нормирования содержания металлов в почвах, при разработке методов фиторемедиации загрязненных почв.

Результаты работы используются в учебном процессе на кафедре почвоведения и оценки земельных ресурсов Южного федерального университета по курсам «Химическое загрязнение почв», «Экологические функции почв», «Экология».

Защищаемые положения

1. Накопление Pb, Cd, Zn, Cu, Ni, Mn, Cr дикорастущей травянистой растительностью Нижнего Дона при аэротехногенном загрязнении от НчГРЭС зависит от количества и свойств поступивших металлов, от видовой принадлежности растений и от свойств почв.

2. Самый высокий коэффициент накопления в дикорастущих видах травянистых растений техногенных ландшафтов Нижнего Донахарактерен для Cd, наименьший - для Мп, что связано соответственно с высокой и низкой подвижностью данных элементов в почве. Многолетнее воздействие выбросов НчГРЭС приводит к аккумуляции ТМ в дикорастущих травянистых растениях, не оказывая существенного влияния на их видовой состав.

3. Наиболее устойчивым к загрязнению ТМ в условиях техногенного загрязнения является пырей ползучий (Elytrigia repens (L.) Nevski.). Растениями-аккумуляторами, толерантными к высокому содержанию ТМ в надземной части, являются полынь австрийская (Artemisia austriaca Pall. ex. Wild), пижма обыкновенная (Tanacetum vulgare

L.) и амброзия полыннолистная {Ambrosia artemisiifolia L.).

Апробация работы. Результаты исследований, представленные в диссертационной работе, доложены и обсуждены на Международной школе-семинаре молодых исследователей «Биогеохимия химических элементов и соединений в природных средах» (Тюмень, 2014 г.);втором Международном молодежном симпозиуме «Физика бессвинцовыхпьезоактивных и родственных материалов» (Туапсе, 2013, 2014rr.);IV Международной научной конференции «Современные проблемы загрязнения почв», посвященной 150-летию В.И. Вернадского (Москва, МГУ, 2013 г.); Международной научной конференции «Современное состояние чернозёмов» (Ростов-на-Дону, ЮФУ, 2013 г.); Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» (Москва, МГУ, 2012, 2013 гг.); V Международной конференции по новым технологиям и приложениям современных физико-химических методов для изучения окружающей среды, включая секции молодых ученых НОЦ России (Азов, сентябрь 2011г); научной студенческой конференции в рамках «Недели науки» в Южном федеральном университете (г. Ростов-на-Дону, 2010, 2011, 2012).

Личный вклад автора. Мониторинговые, модельные лабораторные и аналитические исследования с 2008 по 2012 гг. проведены лично автором, при его участии или под его руководством. Данные исследования являлись продолжением работ, выполняемых с 2000 г. под руководством проф. Т.М. Минкиной и проф. О.Г. Назаренко.

Конкурсная поддержка работы. Работа поддержана грантами Министерства образования и науки № 5.885.2014/К, Грант Президента РФ № МК-6448.2014.4, РФФИ № 14-05-00586 А., ведущими научными школами НШ-5548.2014.5, НШ-2449.2014.4.

Публикации. По материалам исследований опубликовано 38 работ. Из них 25 статей, 3 из которых опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК, 1 статья в журнале перечня Web of Science и 4 статьи в журнале перечня Scopus, 12 тезисов. Общий объем работ составляет 2,22 п.л. Доля участия автора в публикациях составляет 40,4 %.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав (в том числе обзора литературы), выводов, списка сокращений, списка литературы, изложена на 192 страницах машинописного текста. Содержит 22 таблицы, 13 рисунков и 22 приложения. Список литературы включает 303 наименования, в том числе 72 иностранных источника.

Благодарности. Автор выражает свою глубокую признательность и искреннюю благодарность научному руководителю, профессору кафедры почвоведения и оценки земельных ресурсов ЮФУ, д.б.н. профессору Татьяне Михайловне Минкиной за совместную работу, ценные консультации, неоценимую помощь и всестороннее внимание, а также старшему научному сотруднику Академии биологии и биотехнологии ЮФУ, к.б.н. Сагларе Сергеевне Манджиевой за ценные советы по оптимизации работы и колоссальную помощь в исследованиях.

Автор искренне благодарен за постоянное внимание к работе, совместное сотрудничество и ценные консультации д.б.н., профессору, директору ФГУ ГЦАС

«Ростовский» О.Г. Назаренко; д.б.н., профессору кафедры химии почв МГУ Г.В. Мотузовой.

Автор выражает признательность и благодарность заведующему д.б.н., профессору B.C. Крыщенко и всем сотрудникам кафедры почвоведения и оценки земельных ресурсов ЮФУ за постоянное внимание к работе и помощь в проведении исследований, а также сотрудникам ФГУ ГЦАС «Ростовский» за помощь в проведении исследований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ГЛАВА 1. ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ В РАСТЕНИЯ: ФИЗИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ, ПУТИ ПОСТУПЛЕНИЯ, МЕХАНИЗМЫ УСТОЙЧИВОСТИ

Обсуждается физиологическая роль ТМ в растениях, пути поступления и механизмы устойчивости растений к загрязнению металлами. Дано определение понятия об устойчивости растений к техногенному загрязнению и принципы оценки степени техногенной нагрузки на территорию.

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

В качестве объектов исследования были использованы почвы (залежь) и растения территории, прилегающей к НчГРЭС (табл. 1). Мониторинговые площадки были заложены в 2000 году на разном расстоянии (от 1 до 20 км) от НчГРЭС и приурочены к точкам отбора проб воздуха, производимого в рамках проекта по организации и обустройству санитарно-защитной зоны северного промышленного узла г. Новочеркасска, а также с учетом различных направлений распространения выбросов (площадки № 1,2, 3, 5, 6, 7, 11,12) (рис. 1). В соответствии с розой ветров по линии «генерального направления» отбирались образцы почв и растений мониторинговых площадок № 4, № 8, № 9, № 10 и близлежащей к данному направлению площадки № 5. Исследовались почвы прилегающей к НчГРЭС территории, представленные черноземом обыкновенным, лугово-черноземной и аллювиально-луговой почвами поймы р. Тузлов (табл.1). Растительный покров данной территории является переходным от типчаково-разнотравно-ковыльных степей к типчаково-ковыльно-злаковым (Блажний и др., 1985; Пашков, Зозулин, 1986). Основная часть растительности мониторинговых площадок представлена семействами Астровые (Asteraceae) и Мятликовые (Роасеае): амброзия полыннолистная (Ambrosia artemisiifolia L.), полынь австрийская (Artemisia austriaca Pall. ex. Wild.), тысячелистник благородный (.Achillea nobilis L.), цикорий обыкновенный (Cichorium intybus Z.), пижма обыкновенная (Tanacetum vulgare L.), пырей ползучий (Elytrigia repens (L.) Nevski.). Отбор образцов растений проводился ежегодно в течение 13 лет во второй декаде июня в период массового цветения. Одновременно с растениями отбирались и почвенные образцы.

Таблица 1

Физико-химические свойства почв территорий, прилегающих к ГРЭС, слой 0-20 см (среднее за 2000-2012гг.) (совместно с С.С.

Манджиевой)

Номе Р площ адки Почва Физ. глина, % Ил, % Гумус рн СаСОз мг/ЮОг Р205, мг/ЮОг К20, мг/ЮОг Сумма обменных катионов, моль (+)/100 г ЕКО ЮОг

1 Чернозем обыкновенный карбонатный среднемощный малогумусный тяжелосуглинистый на лессовидных суглинках 52,3 56,6 4,3 7,6 0,5 2,7 3,7 41 32 35

2 Аллювиально-луговая карбонатная слабогумусированная песчаная на аллювиальных отложениях 5,9 20,3 2,9 7,6 0,4 2,5 1,7 21 11 12

3 Лугово-чсрноземная пойменная малогумусная легкоглинистая на аллювиальных отложениях 63,4 58,0 4,6 7,4 0,2 2,2 4,1 35 40 44

4 Чернозем обыкновенный карбонатный среднемощный малогумусный тяжелосуглинистый на лессовидных суглинках 55,3 55,8 4,5 7,5 0,7 2,9 3,8 32 31 32

5 Чернозем обыкновенный карбонатный среднемощный малогумусный тяжелосуглинистый на лессовидных суглинках 56,3 54,7 4,2 7,5 1,1 2,6 3,0 38 35 36

6 Лугово-чсрноземная среднемощная малогумусная тяжелосуглинистая на лессовидных суглинках 58,8 59,3 4,2 7,7 0,7 3,6 3,7 37 30 33

7 Чернозем обыкновенный карбонатный среднемощный малогумусный тяжелосуглинистый на лессовидных суглинках 53,7 56,4 4,2 7,6 0,6 2,8 2,9 48 31 31

8 Лугово-черноземная среднемощная малогумусная тяжелосуглинистая на лессовидных суглинках 60,0 54,0 5,1 7,4 0,4 2,2 4,4 35 44 48

9 Чернозем обыкновенный карбонатный среднемощный малогумусный тяжелосуглинистый на лессовидных суглинках 54,3 58,6 4,2 7,6 0,6 2,3 3,8 34 32 32

10 Чернозем обыкновенный карбонатный среднемощный малогумусный тяжелосуглинистый на лессовидных суглинках 55,1 54,4 4,4 7,6 0,5 3,6 3,8 40 34 36

11 Чернозем обыкновенный карбонатный среднемощный малогумусныйсреднесуглинистыйна лессовидных суглинках 40,1 4,9 2,3 7,4 0,6 3,0 4,3 35 31 34

12 Аллювиально-луговая карбонатная слабогумусированнаясреднесуглинистаяна аллювиальных отложениях 30,3 47,2 1,2 7,6 0,6 2,7 3,9 37 33 30

Анализы почвенных образцов выполнялись с применением следующих методик: подвижные формы фосфора и калия - по методу Мачигина в модификации ЦИНАО (ГОСТ 26205-84); определение органического вещества - по методу Тюрина в модификации ЦИНАО (ГОСТ 26213-91); обменные основания Са2+ и ]У^2+и емкость катионного обмена (ЕКО) - по методу Шаймухаметова (1993); определение фракций физической глины и ила - по методу Качинского (Долгов, Мичманова, 1966); рН водной вытяжки -потенциомегрическим методом (ГОСТ 26423-85); содержание карбонатов в почве - по методу Шейблера (Безуглова, Морозов, 1996); нитратный азот - ионометрическим методом (ГОСТ 26951-86).

Рис. 1. Карта-схема расположения мониторинговых площадок в зоне влияния Новочеркасской ГРЭС

Общее содержание ТМ в почве определялось ренген-флюоресцентным методом. Подвижные формы соединений ТМ в почвах извлекались ацетатно-аммонийным буферным раствором с рН = 4,8 (ААБ) (Методические указания..., 1992). В полученных фильтратах определяли ТМ методом атомно-адсорбционнойспектрофотометрии (ААС). Минерализацию проб растений проводили методом сухого озоления по ГОСТ 26657-85 с последующим определением на ААС (Методические указания..., 1992).

Оценка степени накопления ТМ растениями проводилась на основе коэффициента биологического поглощения (КБП) как отношения содержания металла в надземной части растения к общему содержанию элемента в почве (Полынов, 1956; Ковалевский, 1974; Перельман, Касимов, 1999), а также КН, представленного отношением содержания ТМ в растении к содержанию его подвижных форм в почве (Брукс, 1996).

Устойчивость растений по отношению к загрязнению ТМ рассчитывалась как совокупность величины КН и отношения содержания элементов в корневой системе к их количеству в надземной части растения (Ковалевский, 1971; Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989; Ильин, Степанова, 1982; Степанок, 1998). Устойчивость системы почва-растения по отношению к загрязнению ТМ оценивается величиной КН, характеризующей накопление подвижных форм ТМ в почве и их поступление в растение.

ГЛАВА 3. ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ В ТРАВЯНИСТЫХ РАСТЕНИЯХ ТЕРРИТОРИИ, ПРИЛЕГАЮЩЕЙ К НОВОЧЕРКАССКОЙ ГРЭС

3.1. Результаты геоботанического исследования мониторинговых площадок

В главе приводится геоботаническое описание мониторинговых площадок, ежегодно проводимое в период 2008-2012 гг. Рассмотрены видовой состав флоры, средняя высота травяного покрова и общее проективное покрытие. Установлено, что растительные сообщества претерпевают изменения в численном и видовом составе. Высокий уровень техногенной нагрузки не оказывает существенного негативного влияния на рост и развитие изученных растений, однакопроисходит постепенная смена флоры территории исследований в сторону преобладания в травостое злаков и увеличения видового разнообразия. Так, в начале периода исследований на мониторинговых площадках, испытывающих техногенную нагрузку, произрастала, главным образом, рудеральная растительность. Впоследствии, разнотравье перешло в разнотравно-злаковые ассоциации растений, в которых помимо произраставших ранее травянистых растений семейства Астровые появились многолетние дерновые злаки.

3.2. Накопление и динамика варьирования количества тяжелых металлов в

растениях в течение периода мониторинговых наблюдений

По величине абсолютного содержания в дикорастущей травянистой растительности ТМ располагаются в следующем порядке: 2п>Мп>Сг>Си>РЬ>№>Сс1. Наблюдается зависимость поглощения элементов растениями от степени техногенной нагрузки и от свойств почвы. Превышение максимального допустимого уровня (МДУ) РЬ, С<1 и № для кормов обнаруживается в растениях на площадках № 4, № 5 и № 6 (табл. 2), наиболее близко расположенных от источника выбросов по линии преобладающего направления ветра. Содержание С(1 в растениях мониторинговых площадок № 4 и № 5 более чем в 4 раза превышает МДУ. По мере удаления от источника выбросов содержание ТМ в растениях постепенно уменьшается (рис.2).

Следует отметить, что содержание Сг в растениях всех мониторинговых площадок выше МДУ для кормов в 48,0 - 72,4 раза (табл. 2). Это связано с высоким региональным фоновым уровнем металла в почве Ростовской области, характеризующимся биогеохимическими особенностями почвообразующихпород. Наблюдается зависимость концентраций Сг в почвах и растениях от уровня техногенной нагрузки (рис. 2).

Различия в содержании ТМ в растениях, произрастающих в условиях минимального и максимального загрязнения, составляют для Сг - 15 раз, С<1 — 7 раз, Си - 5 раз, № и РЬ - 3 раза, Мп и Ъа. - 2 раза. Содержание изучаемых ТМ на наиболее отдаленных от НчГРЭС площадках не превышает их МДУ для кормовых трав. Количество Хп, как и Си, в травостое площадок № 9 и № 10 соответствует нижней пороговой концентрации этих металлов в кормовых травах.

Таблица 2

Содержание ТМ в надземной части изучаемых видов дикорастущих травянистых растений на территории, прилегающей к НчГРЭС, мг/кг (среднее за 2000-2012 гг.)

(совместно с С.С. Манджиевой, М.В. Бурачевской)

га <я ? 1 5 Направление и расстояние от источника, км Мп Zn Сг Си РЬ Ni Cd

1 1,0 СВ 37 44 17 7 8 3 0,8

2 3,0 ЮЗ 42 48 7 11 4 3 0,5

3 2,7 ЮЗ 35 32 6 4 6 2 0,2

4 1,6 сз 53 80 36 11 14 3 1,3

5 1,2 СЗ 58 64 15 15 9 4 1,2

6 2,0 СЗ 40 34 17 11 8 3 0,4

7 1,5 С 60 43 2 6 6 3 0,5

8 5,0 СЗ 29 54 12 8 4 2 0,3

9 15,0 СЗ 33 28 10 3 4 2 0,2

10 20,0 СЗ 32 26 30 8 12 2 0,2

11 1,0 юв 18 49 3 8 5 2 0,1

12 1,1 ю 9 29 11 15 11 4 0,1

НСР 0,95 4,5 3,0 0,5 1,6 1,3 0,4 0,06

МДУ для кормовых трав (Временные максимально допустимые..., 1991) - 50 0,5 30 5 3 0,3

Примечание: полужирным шрифтом выделеныплощадки генерального направления и прилегающая к нему площадка № 5,а также превышение МДУ

Рис. 2. Содержание ТМ в растениях мониторинговых площадок «генерального

направления»

Отмечается превышение МДУ РЬ в 2,5 раза и Сй в 1,5 раза в растениях на мониторинговой площадке № 10 дополнительно загрязняемой выбросами автотранспорта. Почва данной площадки также загрязнена РЬ (табл. 3). Мониторинговая площадка № 10 имеет особое расположение, находящаяся на расстоянии 20 км по преобладающему направлению ветров от НчГРЭС, но расположенная в 400 м от автомагистрали и испытывающая воздействие дополнительного источника загрязнения ТМ. Площадка расположена внутри У-образного пространства, ограждённого двумя автомагистралями (рис. 1). Автомобильные выхлопы загрязняют территорию данной площадки при различных направлениях ветра.

Сходные закономерности с содержанием ТМ в растениях отмечены и для почв мониторинговых площадок (табл. 3). На площадках, расположенных на расстоянии до 5 км от НчГРЭС в северо-западном направлении, обнаружено превышение общего содержания Си, Сг, Хп, СА и РЬ в почве над предельно допустимой концентрацией (ПДК). Количество ТМ в почвах убывает в направлении от источника загрязнения к периферии ореола. Содержание ТМ на самых отдаленных от предприятия площадках соответствует их фоновому уровню, за исключением площадки № 10, где установлено загрязнение почвы РЬ.

Таблица 3

Общее содержание и подвижные соединения ТМ в 0-20 см слое почв мониторинговых площадок (среднее с 2000 по 2012 гг.), мг/кг (совместно с С.С.

Манджиевой, М.В. Бурачевской)

5 * | 1 Направление и расстояние от источника, км Мп Тп Сг Си РЬ № са

1 1,0 СВ 905/23 104/11 130/3 50/2 42/4 58/2 0,6/0,03

2 3,0 ЮЗ 612/30 79/12 84/3 44/4 21/2 37/2 0,6/0,03

3 2,7 ЮЗ 647/19 100/5 113/2 54/2 30/2 50/1 0,5/0,02

4 1,6 сз 931/63 111/17 138/7 73/5 67/7 65/4 1,0/0,17

5 1,2 СЗ 894/69 141/25 146/7 63/4 60/6 65/4 1,3/0,19

6 2,0 СЗ 932/52 115/13 138/5 59/4 59/5 61/3 1,1/0,15

7 1,5 С 731/31 92/6 134/4 42/1 34/3 55/2 0,6/0,04

8 5,0 СЗ 731/23 116/14 126/3 60/3 43/3 56/2 0,6/0,02

9 15,0 СЗ 699/13 82/2 104/2 41/1 28/1 41/1 0,3/0,01

10 20,0 СЗ 756/11 77/1 107/2 41/1 37/3 41/1 0,3/0,01

11 1,0 юв 719/43 108/2 105/1 38/1 27/2 47/1 0,5/0,02

12 1,1 ю 628/27 92/2 83/2 35/1 25/1 48/1 0,4/0,05

НСРо.95 18/3 8/0,6 9/0,4 6/0,3 4/0,2 5/0,1 0,1/0,01

ПДК(ГН 2.1.7.204106, 2006) 1500/700 100/23 90/6 55/3 32/6 85/4 0,5/0,05

Примечание: в числителе - общее содержание, в знаменателе-подвижные соединения; полужирным шрифтом выделены площадки генерального направления и прилегающая к нему площадка № 5, а также превышение ПДК

Такая же закономерность отмечается и для подвижных форм ТМ в почвах (табл. 3). Из изучаемых ТМ наибольшие изменения в подвижности в условиях загрязнения почвы

наблюдаются для Сё, в связи с чем, отмечается самое большое различие в содержании С(1 в растениях в зависимости от их удаления от НчГРЭС по сравнению с другими металлами.

Кроме техногенных источников загрязнения на содержание ТМ в растениях оказывают воздействие свойства почв. Концентрация № и С<3 в растениях на мониторинговой площадке № 2 превышает МДУ (табл. 2). При этом на соседней площадке № 3, расположенной в 300 м от площадки № 2 в том же направлении от станции, не наблюдается загрязнение растений этими элементами. Содержание других исследуемых металлов в растениях площадки № 2 также заметно выше. Несмотря на близкое расстояние между этими мониторинговыми площадками, их почвенный покров представлен разными видами почв: аллювиально-луговой (площадка № 2) и лугово-черноземной (площадка № 3). Общее содержание ТМ в почвах этих мониторинговых площадках заметно различается (табл. 3). Содержание РЬ на площадке № 3 в 1,5 раза выше по сравнению с площадкой № 2, содержание Хп выше в 1,3 раза, Си - в 1,2 раза, № - в 1,4 раза, Мп - в 1,1 раза, Сг - в 1,3 раза. Обратная закономерность выявлена для подвижных форм ТМ в почвах данных площадок, что приводит к более интенсивному поглощению всех изучаемых элементов растениями на площадке № 2.

Изучена динамика изменения содержания ТМ в растениях за период наблюдений 2000-2012гг. (рис.3). Полученные данные указывают на присутствие продолжительного загрязнения травянистой растительности ТМ.

2ООСВОО120022003200420052006200720082009201020112012 Годы наблюдений А 7п ...........Сг

Годы наблюдений

Рис. 3. Динамика изменения содержания ТМ в растениях на мониторинговой площадке № 4 (1,6 км в СЗ направлении от НчГРЭС)

3.3. Показатели интенсивности поступления металлов в растения

На большинстве мониторинговых площадок величины КБП были меньше единицы, что говорит о слабом накоплении ТМ растениями (табл. 4). КБП > 1 наблюдается только в случае с Сс1 на площадках № 1 и № 4. Значение КБП для С<1 изменяется в пределах 0,331,33 (в 4 раза).

В большинстве случаев наибольшие значения КБП отмечаются на площадках, расположенных на «генеральном направлении». Величины КБП элементов показали, что данные ТМ относятся к элементам слабого (КБП №, Си, РЬ, Тп, Мп, Сг = 0,03-0,63) и среднего (КБП С<1 = 0,2-1,33) накопления. По величине КБП растений исследуемые металлы образуют следующий убывающий ряд: Сс1>7п>РЬ>Си>Сг>№ > Мп.

Таблица 4

Коэффициент биологического поглощения ТМ дикорастущими травянистыми растениями

площад ки Направление и расстояние от источника, км Мп Ъа Сг Си РЬ № са

1 1,0 СВ 0,04 0,42 0,13 0,14 0,20 0,05 1,33

2 3,0 ЮЗ 0,07 0,60 0,09 0,26 0,20 0,09 0,83

3 2,7 ЮЗ 0,05 0,32 0,05 0,08 0,19 0,05 0,40

4 1,6 сз 0,06 0,72 0,26 0,15 0,21 0,05 1,30

5 1,2 СЗ 0,06 0,46 0,10 0,23 0,15 0,07 0,92

6 2,0 СЗ 0,04 0,30 0,13 0,19 0,13 0,05 0,36

7 1,5 С 0,08 0,47 0,02 0,15 0,16 0,05 0,83

8 5,0 СЗ 0,04 0,46 0,10 0,14 0,10 0,04 0,50

9 15,0 СЗ 0,05 0,34 0,10 0,08 0,15 0,04 0,67

10 20,0 СЗ 0,04 0,33 0,28 0,20 0,32 0,04 0,67

11 1,0 ЮВ 0,03 0,45 0,02 0,21 0,19 0,03 0,20

12 1,1 ю 0,01 0,31 0,13 0,41 0,44 0,08 0,25

Примечание: полужирным выделены площадки генерального направления и прилегающая к нему площадка № 5

Поскольку доступными растениям являются подвижные формы металлов, более объективным критерием оценки аккумуляции ТМ растениями из почвы является КН. Это связано с тем, что содержание ТМ в растениях имеет тесную связь с количеством подвижных форм металлов в почвах, чем с общим содержанием (табл. 5).

Связь между аккумуляцией ТМ в растениях и содержанием их подвижных форм в почве характеризовалась как средняя и высокая. При этом, величины коэффициента корреляции, связанные с общим содержанием металлов в почве оценивались как средние и слабые.

Установлена обратная закономерность в изменении величин КН от уровня техногенной нагрузки (табл. 6). Это, возможно, объясняется тем, что при загрязнении значительно возрастает доля подвижных форм в общем содержании, а также с проявлением защитных механизмов растений при увеличении подвижности ТМ в почве.

Таблица 5

Коэффициенты корреляции между содержанием ТМ в дикорастущих травянистых растениях и почвах территории исследования

Содержание металлов в почве/растениях Мп Ъа. Сг Си РЬ № С(1

Общее содержание 0,49+0,09 0,62+0,05 0,32+0,06 0,52+0,09 0,52+0,12 0,54+0,04 0,77+0,07

Обменные формы 0,57+0,08 0,84+0,08 0,58+0,11 0,62+0,11 0,70+0,08 0,77+0,13 0,87+0,10

Последовательность по величине КН исследуемой травянистой растительности аналогична с КБП: Сс1>гп>Си>Сг>РЬ>№>Мп (табл. 6). Исключением является меньшие величины накопления растениями РЬ в сравнении с Си и Сг. Дикорастущая травянистая растительность имеет самыми высокие величины КБП и КН по отношению к Сс1 и наименьшие к Мп.

Следует отметить, что не всегда наблюдается четкая закономерность в изменении величин КБП и КН в зависимости от уровня антропогенной нагрузки. Возможно, что в накоплении ТМ надземной частью растений важную роль играют адсорбированных из атмосферысоединения ТМ.

Таблица б

Коэффициент накопления подвижных форм ТМ дикорастущими травянистыми

растениями

э 2 I 1 Направление и расстояние от источника, км Мп Хп Сг Си РЬ № С<1

1 1,0 СВ 1,6 4,1 5,0 2,9 2,3 1,4 26,7

2 3,0 ЮЗ 1,4 4,1 2,9 3,1 2,0 1,9 16,7

3 2,7 ЮЗ 1,9 6,9 3,3 2,3 3,1 1,8 10,0

4 1,6 сз 0,8 4,8 5,3 2,3 2,1 1,0 7,7

5 1,2 СЗ 0,8 2,6 2,1 4,1 1,4 1,3 6,3

6 2,0 СЗ 0,8 2,7 3,3 2,8 1,6 1,2 2,7

7 1,5 С 1,9 7,8 0,6 5,3 1,6 1,8 12,5

8 5,0 СЗ 1,3 3,8 4,6 2,5 1,4 1,5 15,0

9 15,0 СЗ 2,6 13,1 5,5 3,2 4,2 2,4 20,0

10 20,0 СЗ 2,9 18,4 16,7 11,7 3,9 1,7 20,0

11 1,0 ЮВ 0,4 28,8 1,6 13,3 3,2 2,0 5,0

12 1,1 Ю 0,3 11,9 6,1 12,1 7,9 4,0 2,0

Примечание: полужирным выделены площадки генерального направленияи прилегающая к нему площадка № 5

Таким образом, выявлена зависимость накопления ТМ в дикорастущей травянистой растительности от ее расположения по отношению к источнику эмиссии, свойств почв и подвижности ТМ в почвах. В растениях, произрастающих вблизи НчГРЭС, установлено повышенное содержание всех исследуемых элементов и загрязнение РЬ, Сс1, Сг и N1

Основная часть превышений МДУ по данным ТМ приходится на площадки северозападного направления.

ГЛАВА 4. СРАВНЕНИЕ НАКОПЛЕНИЯ И РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В РАЗЛИЧНЫХ ВИДАХ ТРАВЯНИСТЫХ РАСТЕНИЙ 4.1 Содержание тяжелых металлов в различных видах растений

Полынь австрийская (Artemisia austriaca Pall. ex. Wild.)

Поскольку полынь австрийская, тысячелистник благородный, цикорий обкновенный и пижма обыкновенная являются широко применяемыми лекарственными растениями, а в существующей нормативной документации на лекарственное растительное сырье отсутствуют показатели, характеризующие нормы допустимого и безопасного содержания вредных веществ, мы сравнили содержание металлов в ней с ПДК для продовольственного сырья и пищевых продуктов группы «Зерно (семена), мукомольно-крупяные и хлебобулочные изделия» (СанПиН 2.3.2.560-96).

По величинам абсолютного содержания в надземной и корневой частях полыни австрийской в условиях максимальной техногенной нагрузки ТМ можно представить в виде следующего убывающего ряда (мг/кг):

Zn (78) >Мп (68) >Сг (39) >РЬ (22) >Cu (11,6) >Ni (4,7) >Cd (1,3) (табл. 7).

Выявлено превышение МДУ для кормов по 4 из 7 изучаемых элементов (Zn в 78, РЬв 22, Níb 4,7, CdB 1,3 раз) на мониторинговых площадках, расположенных по линии «генерального направления». Самое высокое содержание ТМ в растениях наблюдается на площадках № 4 и № 5: превышение МДУ, установленное для 4 из 7 элементов, составляет у различных видов растений: от 1,1 - 6,7 для РЬ; 3,3 - 8,0 для Cd; 1,1-1,4 для Zn и 1 - 2,5 для Ni. На площадке № 10, расположенной в 20 км от ГРЭС, установлено высокое содержание РЬ до 40 ПДК для продовольственного сырья (при ПДК 0,5 мг/кг), что связано с дополнительной эмиссией РЬ за счет выбросов автотранспорта.

В условиях постоянного техногенного загрязнения по величине КН металлы расположились в следующем порядке (табл. 7):

Cd (6,8) >РЬ (3,3) >Сг (2,7) >Cu (2,3) >Ni (1,3) >Zn (1) >Mn (0,4)

На площадке № 9, наименее загрязненной поллютантами, по величине КН элементы расположились в следующем порядке (табл. 7):

Zn (12,4) >Cd (10) >Cr (8,9) >Cu (6) >Ni (1,4) >Mn (1,2) >Pb (1)

Самые высокие показатели КН отмечаются для Cd, что указывает на высокий уровень накопления данного элемента полынью. Таким образом, установлено загрязнение Польши австрийской РЬ, Cd, Ni и Zn. Наибольшее содержание ТМ в полыни австрийской наблюдается на площадках «генерального направления».

Для данного растения установлена самая высокая аккумуляция Cd, Zn и Cr среди изучаемых видов. Полынь австрийская представляет интерес как растение-аккумулятор ТМ и может применяться при фиторемедиации загрязненных почв.

Таблица 7

Содержание ТМ в различных видах дикорастущих травянистых растений на мониторинговых площадках, мг/кг

№ площадки Направление и расстояние от НчГРЭС, км Мп | Zn | Сг | Си | РЬ | Ni | Cd Мп 1 а 1 Сг | Си 1 РЬ 1 № 1 Cd

Полыньавстрийская Тысячелистник благородный

1 1,0 СВ 17/16 27/23 1 18/45 7/7 17/19 4/3 0,1/0,2

2 3,0 ЮЗ 28/17 36/54 24/17 10/12 3/1 1/2 0,2/0,3 24/23 24/25 8/7 7/8 7/6 3/3 0,2/0,1

3 2,7 ЮЗ 13/15 30/26 14/21 6/11 1/1 1/2 0,1/0,1 17/16 17/18 8/20 5/10 1/1 1/2 0,1/0,1

4 1,6 СЗ 68/31 68/37 39/17 10/11 22/29 3/6 1,1/0,1 52/119 19/40 24/31 8/7 13/18 6/11 1,0/2,4

5 1,2 СЗ 25/23 26/19 19/10 8/8 21/22 5/1 1,3/0,1 38/37 29/24 17/15 10/11 33/39 6/3 1,3/2,6

6 2,0 ССЗ 24/12 21/15 22/14 6/10 12/11 4/2 0,8/0,1 33/58 39/38 14/17 5/7 1/1 5/5 0,8/0,1

7 1,5 С 21/15 15/16 29/7 7/6 1/1 3/1 0,2/0,1

8 5,0 СЗ 29/9 78/30 13/14 12/13 1/2 5/5 0,6/1,3 28/23 28/19 7/10 9/8 4/6 2/2 0,1/0,1

9 15,0 СЗ 16/11 26/26 17/9 6/6 1/1 1/1 0,1/0,1 29/22 34/23 13/21 5/7 1/1 1/3 0,1/0,1

10 20,0 СЗ 22/23 14/17 32/19 10/5 20/15 1/2 0,4/0,2 25/22 32/20 19/23 5/8 6/3 2/3 0,4/0,3

Амброзия полыннолистная Пырей полз учий

1 1,0 СВ 28/23 113/58 9/13 11/15 7/5 3/3 0,3/0,2 52/28 15/14 15/21 8/1 7/12 4/1 0,8/0,2

2 3,0 ЮЗ 55/19 66/59 8/13 9/6 3/3 2/2 0,5/1,6 3/31 5/12 2/5 4/3 1/3 4/5 0,3/0,2

3 2,7 ЮЗ 28/17 56/44 7/11 10/13 5/11 1/2 0,3/0,3

4 1,6 СЗ 26/56 30/27 17/29 7/8 17/33 4/4 1,0/0,7

5 1,2 СЗ 35/54 56/30 20/34 9/10 34/17 8/5 1,2/0,9 10/27 5/17 8/14 1/3 5/9 1/1 1,1/0,3

6 2,0 ССЗ 20/6 69/41 13/7 7/10 15/7 5/2 0,4/0,3 11/12 6/5 21/10 5/12 5/8 5/4 1,2/0,4

7 1,5 С 85/20 18/21 10/13 8/7 2/3 1/2 0,2/0,4 33/35 10/9 19/15 4/5 4/3 2/2 0,1/0,2

8 5,0 СЗ 13/12 95/49 5/10 14/33 31/14 4/5 0,1/0,1

9 15,0 СЗ 1/3 3/14 8/14 1/1 2/1 1/2 0,5/0,3

10 20,0 СЗ 93/30 73/23 7/15 14/7 8/6 2/2 0,5/0,1 13/16 9/22 11/28 3/3 8/14 3/4 0,1/0,2

11 1,7 ЮВ 18/6 49/13 2/4 8/8 5/1 2/2 0,1/0,1

Пижма обыкновенная Цикорий обыкновенный

3 2,7 ЮЗ 23/21 28/24 22/13 3/6 12/10 2/4 0,1/0,1

5 1,2 СЗ 107/30 41/27 18/16 10/7 1/1 7/3 1,0/0,1 42/14 33/30 26/11 8/17 27/26 10/4 2,4/0,1

6 2,0 ССЗ 31/19 22/23 24/14 4/6 1/1 2/4 0,1/0,4 24/15 31/31 24/14 11/11 1/1 2/3 0,1/0,1

8 5,0 СЗ 53/18 59/15 9/8 11/6 5/1 7/6 0,4/0,4

9 15,0 СЗ 43/50 16/21 37/32 1/5 4/1 4/4 0,8/1,1 32/11 27/14 10/13 14/13 26/10 6/1 0,1/0,1

10 20,0 СЗ 79/36 33/17 65/76 8/15 22/26 1/4 0,2/0,3 31/12 43/18 17/26 10/10 6/15 2/3 0,1/0,1

12 1,1 Ю 10/8 24/33 13/19 15/14 10/12 6/2 0,1/0,1

Примечание: числитель - в надземной части, знаменатель - в корневой части, полужирным шрифтом выделено превышение МДУ для кормовых трав

Тысячелистник благородный (Achillea nobilis L.) По величинам абсолютного содержания в надземной и корневой части тысячелистника благородного в условиях максимальной техногенной нагрузки, исследуемые ТМ можно представить в виде следующего убывающего ряда (табл. 7): Мл (52) >Zn (39) >Сг (24) >РЬ (13) >Cu (11) >Ni (6) >Cd (1,3)

В растениях тысячелистника МДУ для кормов превышен на площадках № 4, № 5, № 6, и № 10 для РЬ (до 6,6 МДУ), Cd (до 4,3 МДУ) и Ni (до 2,0 МДУ). ПДК для продовольственного сырья превышен практически на всех площадках для РЬ (до 66 ПДК) и Cd (до 13 ПДК) при уровнях ПДК 0,5 и 0,1 мг/кг соответственно. Отмечается снижение содержания ТМ в растениях по мере удаления от НчГРЭС.

Накопление металлов происходит преимущественно в корнях растений, что указывает на проявление тысячелистником элементостатического барьера по отношению к данным элементам в условиях антропогенной нагрузки.

В условиях техногенной нагрузки ТМ распределяются по величине КН следующим образом (табл. 8):

Cd (6,8) >РЬ (5,2) >Си (2,9) >Сг (2,4) >Ni (1,7) >Zn (1,2) >Mn (0,6) Высокие значения КН также отмечены в растениях тысячелистника на площадке № 10, расположенной у автотрассы (табл. 8). На площадке № 9, наиболее отдаленной от ГРЭС, ТМ распределяются по величине КН следующим образом: Zn (16,2) >Cd (10) >Cr (6,8) >Cu (5,0) >Mn (2,2) >Ni (2) >Pb (0,3) Таким образом, установлено загрязнение тысячелистника благородного Pb, Cd, Ni и Сг. Для растения отмечается самая высокая устойчивость к Cd среди рассматриваемых видов дикорастущих трав.

Амброзия полыннолистная (Ambrosia artemisiifolia L.) Данное растение является карантинным сорняком и сильнейшим аллергеном, не рекомендуемым для использования в качестве кормов для сельскохозяйственных животных. По абсолютному содержанию в надземной части растенияв условиях максимальной техногенной нагрузки ТМ можно представить в виде следующего убывающего ряда (табл. 7):

Zn (113) >Мп (93) >РЬ (34) >Сг (20) >Си (20) >Ni (8) >Cd (1,2). Для корневой системы этот ряд несколько иной и выглядит следующим образом: Zn (58) >Мп (56) >Сг (34) >РЬ (33) >Си (33) >Ni (5) >Cd (1,6). Амброзия отличается самым высоким накоплением Zn среди изучаемых видов. В соответствии с варьированием в надземной части амброзии в условиях минимальной и максимальной техногенной нагрузки металлы образуют ряд: Ni (в 25 раз) >РЬ (в 14 раз) >Cd, Сг (в 12 раз) >Мп (в 7,2 раза) >Zn (в 6,4 раза) >Си (в 4 раза).

В корнях металлы изменяются следующим образом: РЬ (в 55 раз) >Сг (в 20,6 раза) >Cd (в 16 раз) >Ni (в 12,7 раза) >Мп (в 9,3 раза) >Сг (в 8,6 раза) >Zn (в 4,5 раза).

Согласно величинам КН амброзия полыннолистная характеризуется самой высокой аккумуляцией РЬи Zn среди рассмотренных видов (табл. 7). При повышенной техногенной

нагрузке в соответствии с КН металлы образуют следующий ряд: Сс1 (6,3) >РЬ (5,2) >Сг (2,8) > Си (2,6) >Ъп (2,2) >N1 (2,1) >Мп (0,5)

Таким образом, на мониторинговых площадках, расположенных в 5-километровой зоне вокруг НчГРЭС, установлено накопление металлов, как в вегетативной, так и в корневой части амброзии полыннолистной. Распределение металлов в растении сильно варьирует в зависимости от природных и техногенных факторов. Амброзия является самым сильным растением-аккумулятором N1 и РЬ среди представленных видов.

Пырей ползучий (Е1уМ%ха герет (Ь) Ые\^к1) Пырей ползучий характеризуется низким содержанием изучаемых элементов по сравнению с другими видами растений. По абсолютному содержанию в надземной части пырея ползучего в условиях максимальной техногенной нагрузки ТМ представляют собой следующий убывающий ряд:

Мп (52) >Сг (21) >2п (15) >Си (8,4) >РЬ (8) >№ (5,2) >Сс1 (1,2) (табл. 7). Распределение элементов по абсолютному содержанию в корнях пырея выглядит аналогично. Установлено превышение МДУ по Сг в изучаемых растениях (до 42 раз) с максимальными значениями на площадках, расположенных на расстоянии 2 км от НчГРЭС. На этом же расстоянии отмечается превышение МДУ по содержанию РЬ в 1,5 раза, Сс1 в 4 раза и № в 1,7 раза. Также высокие концентрации ТМ, превышающие МДУ РЬ, N1 и Сг, как для надземной, так и для корневой части пырея, отмечаются на площадке № 10. Это показывает, что наибольшее загрязнение растений данного вида происходит в условиях воздействия антропогенных выбросов. Содержание ТМ в пырее ползучем превышает ПДК для продовольственного сырья до 16 раз для РЬ и до 8 раз для С<1.

По величине КН металлы в растении распределяются следующим образом: в условиях повышенной техногенной нагрузки (табл. 8): Сс1 (10) >Ъп (6,4) > Сг (6,1) >Си (4,3) >N1 (3,3) >РЬ (2,6) > Мп (2,3); при слабом техногенном воздействии: Сс1 (50) >Сг (4,4) >РЬ (1,8) > Ъл (1,3) >№ (0,9) > Си (0,6) > Мп (0,1).

Таким образом, для пырея ползучего установлено превышение МДУ РЬ, С<1, № и Сг в условиях активного техногенного воздействия. Тем не менее, по совокупности элементостатического барьера и КН, пырей является самым устойчивым к загрязнению РЬ, Сг, №, 7x1, Мп и Си растением среди рассматриваемых в текущем исследовании видов.

Пижма обыкновенная (ТапасеШт уи^аге Ь.) По абсолютному содержанию в надземной части пижмы обыкновенной в условиях максимальной техногенной нагрузки ТМ можно представить в виде следующего убывающего ряда: Мп (107) >Сг (65) >2п (41) >РЬ (22) >Си (10) >N1 (6,6) >Сс1 (1)

Для пижмы установлено превышение МДУ для кормов для Сг в 130 раз, РЬ в 4,4 раза, Сё в 3,3 раза и № в 2,2 раза (табл. 7). Концентрация РЬ и Сё в исследованных растениях превышает ПДК для продовольственного сырья на всех площадках кроме № 6 (2 км СЗ) до 44 и 10 раз соответственно.

В условиях техногенной нагрузки в соответствии с КН металлы располагались в следующем порядке (табл. 8):

Св. (5,3) >Си (2,7) >Сг (2,5) >№ (1,9) >Ъа. (1,6) =Мп (1,6) >РЬ (0,1) В естественных условиях по величине КН металлы образуют следующий ряд: Сё (80) > Сг (19,5) > гп (7,4) > № (6) >РЬ (4,2) >Мп (3,3) > Си (1,1) Полученные значения КН показывают интенсивное поступление РЬ, Сё, Сг и № в растения пижмы обыкновенной на большинстве мониторинговых площадок. На мониторинговой площадке № 10 (20 км СЗ) наблюдается активное поступление в надземную часть пижмы обыкновенной почти всех изучаемых элементов.

Установлено загрязнение пижмы обыкновенной РЬ, Сё, Сг и №. Дополнительным источником поступления РЬ и Сс1 служат выбросы автотранспорта. Пижма характеризуется самым высоким накоплением в надземной части Си и Мп. Являясь одним из растений-аккумуляторов ТМ, пижма обыкновенная может быть использована в качестве природного фиторемедиатора загрязненной почвы.

Цикорий обыкновенный (Сккопит \ntybus Ь.) По абсолютному содержанию в надземной части цикория обыкновенного в условиях максимальной техногенной нагрузки ТМ располагаются следующим образом: Тп (43) >Мп (42) >РЬ (27) >Сг (26) >Си (11) >N1 (10) >Сё (2,4) (табл. 7) Установлено повсеместное загрязнение растений цикория РЬ (превышение в 5,4 раза МДУ для кормов и в 54 раза ПДК для продовольственного сырья), Сг (превышение в 54 раза МДУ для кормов) и № (превышение в 3,3 МДУ для кормов). Загрязнение Сё присутствует на мониторинговой площадке № 5 (1,2 км СЗ), где его содержание составило 8 МДУ для кормов и 24 ПДК для продовольственного сырья. Загрязнение РЬ отмечается и на площадке № 10 (20 км СЗ) ввиду присутствия дополнительного загрязнения растений выбросами автотранспорта.

Показатель КН для Си, Мп и Сг возрастает по мере удаленности мониторинговых площадок от НчГРЭС. Для Мп установлен один из самых низких КН среди изучаемых элементов. В условиях влияния техногенных выбросов КН металлов для цикория располагается в следующей последовательности (табл. 8):

Сё (4) > РЬ (1,1) > Сг (0,7) >2п (0,6) >Си (0,4) >№ (0,4) > Мп (0,1) Ряд для КН в растениях, расположенных на максимальном удалении от источника атмосферных выбросов, выглядит следующим образом:

РЬ (5,2) > Сё (3,3) > Тп (2,5) > Си (1,9) > № (1,5) > Сг (0,8) >Мп (0,3) Таким образом, установлено загрязнение цикория обыкновенного РЬ, Сг и №. Данное растение харатеризуется низкой устойчивостью к загрязнению ТМ и низкой аккумуляцией элементов из почвы.

4.2. Сравнение показателей накопления тяжелых металлов растениями

Элементостатический барьер изучаемых растений, рассчитанный как отношение содержания ТМ в корневой системе к надземной части представлен в таблице 8.

Наибольшие значения этого показателя отмечаются для пырея ползучего, тысячелистника благородного и амброзии полыннолистной. Полынь, амброзия и пижма

при техногенном загрязнении накапливают в своей надземной части наибольшее количество ТМ среди изучаемых видов растений. Полынь аккумулирует больше всех исследуемых растений Zn, Ст и Сй, пижма - Мп и Си, амброзия - РЬ и № (табл. 9). Следует отметить, что высокая концентрация ТМ не оказывает угнетающего воздействия на эти виды растений, что позволяет говорить об их толерантности к техногенному загрязнению рассматриваемыми химическими элементами.

Таблица 8

Величина элементостатического барьера травянистых растений на мониторинговой

площадке № 5 (1,2 км СЗ от НчГРЭС)

Наименование растения Mn Zn Cr Cu Pb Ni Cd

Полынь австрийская (Artemisia austriaca Jack.) 0,9 0,7 1,0 1,0 1,0 0,2 0,1

Тысячелистник благородный (Achillea nobilis L.) 1,0 0,8 0,9 1,0 1,2 0,5 2,0

Амброзия полыннолистная (Ambrosia artemisiifolia L.) 1,5 0,5 1,7 1,1 0,5 0,7 0,8

Пырей ползучий (Eiytrigia repens (L.) Nevski.) 2,7 3,4 1,8 7,0 1,8 1,2 0,3

Пижма обыкновенная (Tanacetum vulgare L.) 0,3 0,7 0,4 0,7 0,3 0,4 0,1

Цикорий обыкновенный (Cichorium intybus L.) 0,3 0,9 0,4 2,1 1,0 0,4 0,1

Примечание: числитель - в корневой части, знаменатель - в надземной части

Все рассмотренные виды растений активно поглощают из почвы С<1 и в наименьшей степени Мп, что согласуется с подвижностью данных элементов в почве. Следует отметить, что при интенсивном поступлении Сс1 в растения, его абсолютное содержание в надземной части растений является самьм низким среди изучаемых элементов, а Мп -одно из самых высоких. Очевидно, это связано с ролью данных ТМ в физиологических процессах протекающих в растениях. Доля подвижных соединений Сс1 на наиболее загрязненных почвах составляет 17 %, в то время как доля Мп равна 7 %. Отмечается значительная способность амброзии к аккумуляции РЬ, Сё, № и 2п.

Таблица 9

Коэффициент накопленияТМдикорастущими травянистыми растениямина

мониторинговой площадке№ 5 (1,2 км СЗ от НчГРЭС)

Наименование растения Mn Zn Cr Cu Pb Ni Cd

Полынь австрийская (Artemisia austriaca Jack.) 1,1 4,1 5,7 2,1 3,3 1,3 6,8

Тысячелистник благородный(/1сАг7/е anobilis L.) 0,6 3,0 2,4 1,3 0,1 1,7 5,3

Амброзия полыннолистная (Ambrosia artemisiifolia L.) 0,5 2,2 2,8 2,6 5,2 2,1 6,3

Пырей ползучий (Eiytrigia repens (L.) Nevski.). 0,1 0,2 1,1 0,1 0,8 0,3 5,8

Пижма обыкновенная(7апасейдя vulgare L.) 1,6 1,6 2,5 2,7 0,1 1,9 5,3

Цикорий обыкновенный (Cichorium intybusL.) 0,1 0,6 0,7 0,4 1,1 0,4 4,0

Установлено повсеместное значительное превышение МДУ Сг в различных видах растениях, что, по-видимому, является региональной особенностью растений Нижнего Дона, произрастающих на обеспеченных этим элементом почвах. На исходно высокое

содержание данного элемента в почве накладывается влияние техногенного фактора, что проявляется в существовании зависимости количества Сг в почвах и растениях от уровня техногенной нагрузки.

Тысячелистник характеризуется низкой аккумуляцией ТМ из почвы, наиболее высокой устойчивостью по отношению к Сй и значительной устойчивостью к другим элементам. Для пижмы наблюдается самая низкая устойчивость к ТМ. Цикорий обладает низкой устойчивостью к техногенному загрязнению большинством ТМ, но является единственным видом растения, практически не загрязненным С<1.

В условиях техногенной нагрузки меняется аккумулирующая способность растений по отношению к исследуемым поллютантам, за исключением пижмы. По величинам КН растения, произрастающие в условиях техногенной нагрузки, располагаются в виде следующих убывающих рядов (табл. 8):

РЬ: амброзия > полынь > цикорий > пырей > пижма = тысячелистник Сс1: полынь > амброзия > пырей > тысячелистник > пижма > цикорий 2п: полынь > тысячелистник > амброзия > пижма > цикорий > пырей Си: пижма > амброзия > полынь > тысячелистник > цикорий > пырей N1: амброзия > пижма > тысячелистник > полынь > цикорий > пырей Мл: пижма > полынь > тысячелистник > амброзия > цикорий = пырей Сг: полынь > амброзия > пижма > тысячелистник > пырей > цикорий Рассчитанные КН указывают на значительное поступление в растения С<1, РЬ, Сг и 2п из подвижных форм металлов в почве. Следует отметить, что для № не наблюдается интенсивное поступление в растения из почвы, хотя загрязнение этим ТМ установлено для всех видов растений, рассматриваемых в исследовании.

Выводы

1. Установлена зависимость накопления ТМ в различных видах травянистой растительности от ее расположения по отношению к источнику эмиссии. В растениях, произрастающих вблизи НчГРЭС, выявлено большее содержание всех исследуемых металлов и загрязнение РЬ, Сё и №. Основная часть превышений МДУданных элементов приходится на площадки северо-западного направления.

2. НчГРЭС является основным источником аэротехногенного загрязнения травянистых растений исследуемыми металлами. Полученные за 13 летний период наблюдений (2000-2012 гт.) данные указывают на присутствие многолетнего загрязнения выбросами НчГРЭС травянистой растительности. Наибольшая концентрация ТМ обнаруживается в непосредственной близости от предприятия (до 5 км) по линии преобладающего направления розы ветров. Дополнительным источником загрязнения растений Сс1 и РЬ служат выбросы автотранспорта.

3. Накопление ТМ в растениях зависят от подвижности элементов в почвах и физико-химических свойств почв (содержания органического вещества, физической глины, ила и рН). Содержание ТМ в растениях, произрастающих на песчаной аллювиально-луговой

почве, выше в 1,2-2,7 раз, чем на рядом расположенной лугово-черноземной легкоглинистой почве.

4. Высокий уровень техногенной нагрузки на исследуемой территории не оказывает существенного влияния на растительный покров, однако ускоряет постепенную естественную смену флоры от разнотравья, представленного семейством Астровые, в сторону преобладания в травостое злаков, таких как пырей ползучий, мятлик луговой, овсюг.

5. Связь с содержанием Pb, Cd, Zn, Cu, Ni, Mu, Cr в дикорастущей травянистой растительности с количеством их подвижных форм в почве была более тесной, чем с общим содержанием и характеризовалась как средняя и высокая. Поэтому величины КН, полученные с учетом подвижных форм металлов в почве, находились в большем соответствии с уровнем техногенной нагрузки. Значения КН позволили установить площадки с минимальным и максимальным накоплением ТМ, в то время как по величине КБП они мало отличались друг от друга. Величины КН ТМ в растениях на площадках, близлежащих к НчГРЭС, были ниже, чем на отдаленных площадках. Исходя из величин КН, по интенсивности накопления вдикорастущей травянистой растительности металлы выстраиваются в следующий ряд: Cd>Cr>Pb>Zn>Cu>Ni>Mn.

6. Установлено повсеместное значительное превышение МДУ Сг в различных видах растений, что, по-видимому, является региональной особенностью растений Нижнего Дона, произрастающих на почвах с исходно высоким содержанием данногоэлемента.

7. Различные виды дикорастущих травянистых растений отличались по накоплению и распределению ТМ в надземной и корневой частях. Растениями-аккумуляторами ТМ являются амброзия, полынь, тысячелистник и пижма, которые в условиях техногенного загрязнения накапливают в надземной части наибольшие количества ТМ. Данные виды растений характеризуются высокими величинами КН, составляющими у пижмы обыкновенной (Tanacetum vulgare L.), амброзии полыннолистной (Ambrosia artemisiifolia L.) и полыни австрийской (Artemisia austriaca Pall. ex.Wild.) 5,3; 6,3 и 6,8 для Cd; 2,5; 2,8 и 5,7 для Cr, 1,6; 2,2 и 4,1 для Zn, 2,7; 2,6 и 2,3 для Си, 1,9; 2,1 и 1,3 для Ni соответственно, а также 5,2 и 3,3 для РЬ у амброзии и полыни и 1,6 для Мп у пижмы. Полынь накапливает больше всех исследуемых растений Zn, Cr и Cd, пижма - Мп и Си, амброзия - РЬ и Ni, тысячелистник характеризуется высокой аккумуляцией Zn и Cd.

8. Устойчивость травянистой растительности к загрязнению ТМ определяется по совокупности величин барьера поступления поллютантов на границе корень/надземная часть и КН. Наиболее устойчивым к загрязнению Pb, Cr, Zn, Мп, Ni и Cu является пырей ползучий (Elyfrigia repens (L.) Nevski.), по отношению к Cd - тысячелистник благородный (Achillea nobilis L.).

9. Высокая аккумуляция ТМ в надземной части тысячелистника, полыни и пижмы позволяет рассматривать данные виды как потенциальные фиторемедиаторы, не требующие ухода и приспособленные к региональным климатическим условиям.

СПИСОК ОСНОВНЫХ РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Минкина Т.М., Мотузова Г.В., Мирошниченко Н.Н., Фатеев А.И., Манджиева С.С., Чаплыгин В.А. Накопление и распределение тяжелых металлов в растениях зоны техногенеза // Агрохимия. 2013. № 9. С. 78-88.

2. Бауэр Т.В., Минкина Т.М., Манджиева С.С., Сушкова С.Н., Чаплыгин В.А. Аккумуляция меди и цинка в черноземе обыкновенном в форме различных соединений при техногенном загрязнении // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс]. -Краснодар: КубГАУ, 2013. № 07 (091). - ША [article ГО]: 0911307080. - Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2013/07/pdf780.pdf.

3. Минкина Т.М., Бауэр Т.В., Манджиева С.С., Назаренко О.Г., Сушкова С.Н., Чаплыгин В.А. Закономерности процесса трансформации цинка в черноземе обыкновенном в присутствии различных анионов [электронный ресурс] // Инженерный Вестник Дона. 2013. № 3. -Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n3y2013/1793 (доступ свободный).

Статьи в изданиях, индексируемых в базах данных Web of Science и Scopus:

4. Minkina T.M., Mandzhieva S.S., Motuzova G.V., Chapligin V.A., Suchkova S.N., Bauier T.V. Accumulation and distribution of heavy metals in plants within the technogenesis zone // Environmental Engineering and Management Journal. 2014. V. 13. № 5. P. 1535-1543.

5. Mandzhieva S.S., Minkina T.M., Burachevskaya M.V., Kravtsova N.E., Chaplygin V.A., Lutsenko E.K., Sushkova S.N., Sherstnev A.K. Features of nutrient uptake by spring barley grain at the contamination of chernozem with zinc and lead // Middle-East journal of scientific research. 2014. 22 (6): 859-863.

6. Mandzhieva S.S., Minkina T.M., Sushkova S.N., Motuzova G.V., Bauer T.V., Chapligin V.A. The Group Composition of Metal Compounds in Soil as an Index of Soil Ecological State // American Journal of agricultural and biological sciences. 2014. V. 9. № 1. P. 19-24. ISSN 1557-4989. doi:10.3844/ajabssp.2014.19.24.

7. Minkina T.M., Mandzhieva S.S., Chapligin V.A., Fedorov Y.A., Bauer T.V., Nevidomskyay D.G. Influence of organic matter on the mobility of copper, lead and zinc in soil // World Apply Science Journal. 2013. 26 (3): P. 406-409. http://www.idosi.org/wasj/wasj26%283%2913/19.pdf

8. Minkina T.M., Mandzhieva S.S., Fedorov Y.A., Suchkova S.N., Belyaeva O.V., Chapligin V.A Influence of Different Meliorants on Lead Mobility in Polluted Chernozem // World Applied Sciences Journal. 2013. 26 (3): P. 410-414. http://www.idosi.org/wasj/wasj26%283%2913/20.pdf

Статьи и тезисы, опубликованные в других изданиях

9. Чаплыгин В.А., Манджиева С.С., Минкина Т.М., Тюрина И.Г. Накопление тяжелых металлов корнями и надземной частью травянистых растений степной зоны // Доклады по экологическому почвоведению, 2013, выпуск 18, N 1, с. 127-134. http://jess.msu.ru/index.php?option==com_scibibliography&func=view&id=159&Itemid=121&catid=76

10. Лукашенко Н.К., Головатый С.Е., Ковалевич З.С., Минкина Т.М., Мотузова Г.В., Манджиева С.С., Чаплыгин В.В. Устойчивость растений ячменя и люпина к загрязнению почв тяжелыми металлами // Почвоведение и агрохимия. 2013. № 1. С. 38-47.

11. Чаплыгин В.А., Минкина Т.М., Манджиева С.С., Сушкова С.Н., Назаренко О.Г.,

Мотузова Г.В. Загрязнение растительного и почвенного покрова степной зоны тяжелыми металлами под действием выбросов Новочеркасской ГРЭС / Victor A. Chaplygin, Tatiana M. Minkina, Saglara S. Mandzhieva, Svetlana N. Sushkova, Olga G. Nazarenko, Galina V. Motuzova Steppe Zone Vegetation and Soil Layer Pollution by Heavy Metals Under the Influence Novocherkassk Power Station Emission // Biogeosystem Technique, 2014, V. (1), № 1, P. 50-57. DOI: 10.13187/bgt.2014.1.50.

12. Чаплыгин B.A., Манджиева С.С., Минкина Т.М. Фиторемедиационный потенциал травянистых растений Нижнего Дона И Материалы IV Международной научно-практической конференции «Современные достижения Биотехнологии». Минск-Ставрополь: Изд-во СКФУ, 1719 сентября2014. С. 247-252.

13. Чаплыгин В.А, Манджиева С.С., Бурачевская М.В., Сушкова С.Н., Минкина Т.М., Бауэр Т.В., Маштыкова Л.Ю., AB. Кушнарева. Влияние мелиорантов на загрязнение растений цинком и свинцом // Материалы международной школы-семинара молодых исследователей «Биогеохимия химических элементов и соединений в природных средах». Тюмень, С. 322-328.

14. Манджиева С.С., Чаплыгин В.А, Чернигина Н.В., Минкина Т.М., Тюрина И.Г., Невидомская Д.Г. Показатели защитных возможностей системы почва-растения по отношению к тяжелым металлам // Материалы VIII Международной Биогеохимической Школы, посвященной 150-летию со дня рождения академика В.И. Вернадского. Гродненский государственный университет, 11-14 сентября 2013 г. М: ГЕОХИ РАН, 2013. С 180-183.

15. Чаплыгин В.А, Минкина Т.М., Мотузова Г.В., Назаренко О.Г., Манджиева С.С., Сушкова С.С. Селективное поглощение тяжёлых металлов естественной травянистой растительностью // Материалы IV Международной научной конференции «Современные проблемы загрязнения почв». М, 27-30 мая 2013 г., факультет почвоведения МГУ. М.: Изд-во МГУ, 2013. С. 186-190.

Список сокращений

ААБ - ацетатно-аммонийный буферный раствор

ЕКО - емкость катионного обмена

КБП — коэффициент биологического поглощения

КН - коэффициент накопления

МДУ — максимальный допустимый уровень

НСР - наименьшая существенная разность

НчГРЭС - Новочеркасская государственная районная электростанция ПДК — предельно допустимая концентрация ТМ - тяжелые металлы

ФГУ ГЦАС - Федеральное государственное учреждение Государственный центр агрохимической службы

Подписано в печать 20.01.2015 г.

Формат 60*84 '/и. Пет. лист. 1.0. Уч.-изд. лист. 1.0.

Тираж 100 экз. Заказ № 4204.