Накопление тяжелых металлов в древесных растениях на урбанизированных территориях Восточного Забайкалья

Копылова, Любовь Викторовна

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Накопление тяжелых металлов в древесных растениях на урбанизированных территориях Восточного Забайкалья
ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Накопление тяжелых металлов в древесных растениях на урбанизированных территориях Восточного Забайкалья"

На правах рукописи

0051Л 101-

КОПЫЛОВА ЛЮБОВЬ ВЖТОРОВНА

НАКОПЛЕНИЕ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ДРЕВЕСНЫХ РАСТЕНИЯХ НА УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЯХ ВОСТОЧНОГО ЗАБАЙКАЛЬЯ

03.02.08-Экология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

12 глдр ¿т

Улан-Удэ - 2012

005011879

Работа выполнена на кафедре биологии и методики обучения биологии ФГБОУ ВПО «Забайкальский государственный гуманитарно-педагогический университет им. Н. Г. Чернышевского»

Научный руководитель: Якимова Елена Павловна

доцент, кандидат биологических наук ФГБОУ ВПО «Забайкальский государственный гуманитарно-педагогический университет им. Н. Г. Чернышевского»

Официальные оппоненты:

Оглы Зоя Петровна доктор биологических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Забайкальский государственный университет»

Баранова Милада Викторовна

доцент, кандидат биологических наук ФГБОУ ВПО «Бурятский государственный университет»

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Иркутская государственная сельскохозяйственная академия»

Защита состоится «27» марта 2012 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.022.03 при Бурятском государственном университете по адресу: 670000, г. Улан-Удэ, ул. Смолина, 24а, в конференц-зале.

Факс: (3012) 210588, e-mail: d21202203@mail.ru

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Бурятского государственного университета

Автореферат разослан « 25 » февраля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат биологических наук ^^ ' Н. А. Шорноева

ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Основной причиной ухудшения экологической обстановки урбанизированных территорий является все возрастающее техногенное загрязнение окружающей среды. Среди многочисленных загрязнителей наиболее токсичными считаются тяжелые металлы (ТМ). Исследования многих ученых направлены на изучение влияния ТМ на живой организм (Алексеев, 1987; Clemens, 2001; Memon et al., 2001; Hall, 2002; Титов и др., 2007; Головко и др., 2008; Закруткин, Шишкина, 2011).

Восточное Забайкалье является старейшим горнорудным регионом, для которого проблема изучения загрязнения окружающей среды актуальна. На сегодняшний день нет достаточных данных о содержании и уровне накопления ТМ в почвах и растениях урбанизированных территорий региона. Растительные организмы чувствительны к составу окружающей среды и активно реагируют на изменение ее состояния. Большое значение в поглощении ТМ имеют древесные растения. Выполняя защитную функцию, они извлекают и концентрируют в своих органах и тканях различные химические элементы, тем самым препятствуют распространению загрязнителей в окружающей среде. Изучением вопросов накопления элементов в древесных растениях занимались Р. X. Гиния-туллин (1995), Н.В.Прохорова и др. (1998), Т. В. Черненькова (2002), А. А. Кулагин, А. Ю. Шагиева (2005), О. В. Шергина, Т. А. Михайлова (2007) и др. Улучшение экологической обстановки на урбанизированных территориях является важнейшей задачей современности. Один из способов ее реализации - оптимизация древесных насаждений, выполняющих средообразующие функции.

Наша работа является продолжением комплексных исследований по аккумуляции ТМ в почве и растениях на территории Восточного Забайкалья (Забайкальского края) (Ефименко и др., 2008; Красноперова и др., 2009; Войтюк, 2011).

Цель работы: определить содержание и особенности накопления некоторых тяжелых металлов в древесных растениях на территории Восточного Забайкалья.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Определить содержание и накопление Fe, Ti, Mn, Sr, Rb, Zn, Cr, Cu, Ni в почвенном покрове исследуемых территорий.

2. Изучить особенности накопления и поступления ряда тяжелых металлов в органах древесных растений (лист, корень, кора стебля) и провести анализ полученных результатов.

3. Выявить видовую специфику поглощения тяжелых металлов древесными растениями.

4. Определить поглотительную способность древесных растений при извлечении тяжелых металлов из почвы.

ставленных в озеленении урбанизированных территорий: Populus balsamifera L, Caragana arborescens Lam., Ulmus pumila L„ Malus baccata (L ) Впервые для территорий п. Первомайский и п. Новоорловск определено содержание и накопление ряда ТМ (Fe, Ti, Mn, Sr, Rb, Zn, Cr, Си, Ni) в почвог-рунтах и в древесных растениях. Изучены особенности их накопления в вегетативных органах (листьях, корне и коре стебля), выявлена видовая специфика в поглощении ТМ у исследованных растений. Прослежена тенденция усиления фолиарного типа накопления ТМ по мере ухудшения экологической обстановки. На основании полученных результатов по содержанию ТМ в древесных растениях и почвогрунтах проведена оценка уровня техногенного загрязнения исследуемых территорий.

Теоретическая и практическая значимость. Исследования показали различные способности лиственных древесно-кустарниковых видов растений к накоплению ТМ. При этом установлен ряд по степени их аккумулятивной способности поглощать ТМ из почвы от наиболее высокой у P. Balsamifera и минимальной - М. baccata. Материалы диссертации могут быть использованы для организации экологического мониторинга почв и древесных растений в условиях техногенного загрязнения окружающей среды. Полученные данные могут быть учтены при озеленении населенных пунктов Забайкальского края Результаты исследований используются в учебном процессе при подготовке бакалавров и магистров по специальности «Экология и природопользование» и по направлению «Естественнонаучное образование» при разработке спецкурсов-«Охрана окружающей среды», «Биохимия и экофизиология растений», «Экологическая химия».

Защищаемые положения:

1. Повышенное содержание ТМ в почвенном покрове и растениях связано с влиянием техногенных факторов. Однако, при допустимых нормах содержания некоторых ТМ в условиях г. Читы, их концентрация заметно выше в п. Первомайский и п. Новоорловск, на территории которых расположены горно-обогатительные комбинаты (ГОКи), что необходимо учитывать при организации экологического мониторинга загрязнения окружающей среды.

2. Накопление ТМ видоспецифично, кроме этого аккумуляция элементов в различных органах древесных растений (листьях, корне, коре стебля) отличается. В корнях преимущественно накапливается Fe, Ti, Ni, в листьях - Mn, Zn, Sr, Rb. Независимо от вида древесных растений Zn имеет преимущественно фолиарный путь поступления, особенно это характерно для P. balsamifera. Для улучшения состояния окружающей среды перспективно создание разновидо-вых насаждений.

Организация исследований: Работа выполнена в 2008-2011 гг. в период обучения в очной аспирантуре Забайкальского государственного гуманитарно-педагогического университета им. Н. Г. Чернышевского в рамках Государственного задания вузу Минобрнауки РФ (№4.3758.2011).

практическая конференция» (Чита, 2009); Весенняя научная сессия естественно-географического факультета ЗабГГПУ (г. Чита, 2010), II Всероссийская научно-практическая конференция «Научные проблемы использования и охраны природных ресурсов России» (г. Самара, 2010); Чтения памяти Л.М. Черепнина и V Всероссийская конференция «Флора и растительность Сибири и Дальнего Востока» (г. Красноярск, 2011); Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием «Проблемы озеленения городов Сибири и сопредельных территорий» (г.Иркутск, 2011); Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием «Растительность Байкальского региона и сопредельных территорий» (г. Улан-Удэ, 2011).

Публикации. По материалам исследований опубликовано 9 работ, из них

4 (1 в печати) в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ при защите кандидатских диссертаций.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения,

5 глав, выводов, списка литературы (201 наименование, в том числе 16 работ на иностранных языках) и приложения. Основной текст изложен на 147 страницах, включает 10 таблиц, 39 рисунков, 10 приложений.

Благодарности. Автор выражает искреннюю признательность научному руководителю и организатору исследований доценту, к.б.н. Е. П. Якимовой за помощь в подготовке и написании работы; доценту, к.б.н. О. А. Лесковой, к.б.н. Е. А. Войтюк, за ценные методические указания; к.б.н. Е. А. Бондаревичу за конструктивные советы; доценту, к.б.н. М. В. Гилевой за постоянный интерес, внимание и всестороннюю помощь на разных этапах выполнения работы. Автор благодарен коллективу кафедры биологии и методики обучения биологии Забайкальского государственного гуманитарно-педагогического университета им. Н. Г. Чернышевского за оказание помощи при выполнении научных исследований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Тяжелые металлы в почвах н растениях

На основании обобщения отечественного и зарубежного литературного материала по теме исследования в главе рассматривается понятие о ТМ, их характеристика, биологическая роль и токсическое действие на живые организмы. Рассмотрены источники поступления ТМ в почвы и их содержание, поступление и распределение в растениях. Приведены современные принципы нормирования содержания ТМ в почвах и растениях.

Глава 2. Эколого-географические условия, объекты и методы исследований

2.1. Эколого-географические условия районов исследования

В разделе приведены сведения об эколого-географических условиях районов исследования, дана их характеристика с учетом техногенных источников поступления ТМ. Исследования проводились на территории Восточного Забай-

калья, в административных границах Забайкальского края: в п. Первомайский (Шилкинский район) и п. Новоорловск (Агинский район), на территории которых расположены ГОКи, и рядом ведутся горнорудные разработки открытым способом добычи руды, в г. Чита и с. Беклемишево - условно чистый (фоновый) участок (Читинский район) (рис. 1).

По сводным данным метеостанций, было установлено, что за период проведения исследований (май, июнь, июль 2009 г.) в изучаемых районах существенное влияние на рассеивание загрязняющих веществ оказывали ветра разных направлений. В п. Первомайский - юго-западный, юго-восточный, северный и северо-восточный; в п. Новоорловск - западный и северо-западный; в г. Чите -северный, восточный и северо-западный.

2.2. Объекты исследования

Объектами исследований служили широко используемые в озеленении урбанизированных территорий виды древесных растений: Populus balsamifera L., Caragana arborescens Lam., Ulmus pumila L., Malus baccata (L.) Borkh. В работе дана их биологическая характеристика (Флора Центральной Сибири, 1979, Флора Сибири, 1988; 1992; 1994).

2.3. Методы исследования

Для исследования были выбраны участки, отличающиеся уровнем загрязнения: в условиях г. Чита - район Титовской сопки (Пл. 1), СибВО (Пл. 2), Каштака (Пл. 3). В п. Первомайский - район школьного сквера (П. 1), цехов по переработке руды (П. 2), дороги к карьеру (П. 3). В п. Новоорловск - район школьного сквера (Н. 1), цехов по переработки руды (Н. 2), дороги к карьеру (Н. 3).

Рис. 1. Участки исследований

Отбор образцов почвы и растительного материала проводили согласно общепринятым методикам (Инструкция..., 1965; Методические..., 1981).

Определение валового содержания ряда ТМ (Fe, Ti, Mn, Sr, Rb, Zn, Cr, Cu, Ni) в почве и золе растений выполнено методом рентгенофлуоресцентного анализа (РФА) на спектрометре S4 Pioneer (Bruker AXS, Germany), на базе лаборатории рентгеновских методов анализа, института геохимии СО РАН г. Иркутск. Повторность опыта трехкратная.

Для определения интенсивности и степени опасности загрязнения почвы химическими веществами был рассчитан коэффициент техногенной концентрации элемента (Кс) и суммарный показатель загрязнения почв (Zc) (Сает и др., 1990; Титова и др., 2001; Пашкевич, Понурова, 2006; Лукашев, 2009). Степень опасности загрязнения почв по показателю Zc проводили по оценочной шкале на основе методики (Большаков и др., 1999). Интенсивность поглощения ТМ растениями оценивали при помощи коэффициента биологического поглощения {КБП) (Перельман, 1989). Для характеристики процессов передвижения химических элементов использовали коэффициент передвижения (Кп) (Ковалевский, 1969). На основе данных о КБП элементов рассчитана биогеохимическая активность (БХА) изучаемых видов древесных растений (Ведерников, 2008; Буд-кина, 2011).

Обработка полученных данных проводилась общепринятыми методами статистического анализа с использованием пакета прикладных программ Microsoft Office Excel 2003.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Глава 3. Особенности накопления тяжелых металлов в почвенном покрове изучаемых территорий

3.1. Содержание тяжелых металлов в почвогрунтах

Важным показателем загрязнения почв тяжелыми металлами является их валовое содержание, которое характеризует степень опасности загрязнения почвы и позволяет осуществлять контроль над техногенным загрязнением. При проведении количественного анализа исследуемых образцов почвогрунта на наличие ТМ было выявлено, что во всех исследуемых образцах содержится определенное количество некоторых ТМ (Fe, Ti, Mn, Sr, Rb, Zn, Cr, Cu, Ni).

Результаты проведенных исследований показаны в табл. 1. Для некоторых изучаемых ТМ не установлены ПДК в почве, поэтому результаты анализов были сопоставлены с кларками почв мира.

Анализ полученных данных позволил построить следующий элементный ряд накопления тяжелых металлов по убыванию их концентраций в почвах исследуемых участков: Fe > Ti > Mn > Sr > Rb > Zn > Cr > Cu > Ni. Элементная последовательность данного ряда оказалась одинаковой для территорий фонового участка, г. Читы, п. Первомайский и п. Новоорловск, что указывает на

сходный характер миграции и аккумуляции металлов в почвенном покрове изучаемых территорий, тем самым прослеживается постоянство физико-химических свойств почв на территории Восточного Забайкалья.

Таблиі(а 1

Среднее содержание тяжелых металлов в почвогрунтах, мг/кг

Металл Участки пдк; кларк (по Алексеен-ко, 1990)

п. Первомайский п. Новоорловск г. Чита фоновый

Ре 25103,0 ±615,80 20813,0± 508,14 15260,0 ±376,19 28280,0 ± 759,70 38000,0"

Ті 3374,7 ± 40,20 2908,0 ± 32,30 2446,0 ±27,70 2130,0 ± 17,56 5000,0*

Мп 506,0 ±9,56 518,0 ±9,47 387,7 ±7,46 1049,0 ±23,07 1500,0*

Эг 380,7 ±5,80 319,7 ±5,96 285,6 ± 6,27 228,0 ±3,06 300,0"

№ 138,7 ±3,50 170,0 ±4,17 105,7 ± 2,23 91,0 ± 1,53 60,0"

1а 122Л-± 2,15 128.3 ± 2,43 1Щ=± 1,98 74,0± 1,15 100,0*

Сг . 66,0 ±2,90 41,0 ± 1,78 30,0 ± 1,24 40,0 ± 1,15 100,0*

Си 26,3 ± 2,08 20,3 ± 1,40 14,0 ±0,90 20,0 ± 1,00 55,0'

№ 23,3 ± 1,69 13,0 ± 1,05 13,0 ± 1,09 10,0 ±0,5 8 85,0*

Примечание-, выделенным шрифтом отмечены значения превышающие фон,

одной чертой подчеркнуты значения превышающие кдарк, двумя - ПДК.

Сравнительный анализ с нормативными данными показал, что почвы по валовому содержанию железа не превышают фоновый уровень и кларк почв мира. По содержанию титана, марганца, хрома, меди и никеля не превышают ПДК. По содержанию стронция превышены фоновые значения на всех исследуемых участках и кларк почв мира в п. Первомайский и в п. Новоорловск. По содержанию рубидия прослеживается превышение кларка почв мира на всех исследуемых участках. По валовому содержанию цинка отмечается превышение фоновых значений и ПДК на участках в условиях повышенного техногенного загрязнения в п. Первомайский, п. Новоорловск и г. Чите (рис. 1).

12 3 4

вэгп —ф—пдк

Рис. 1. Среднее содержание цинка в почвогрунте, мг/кг. Примечание: 1 - п. Первомайский; 2 - п. Новоорловск; 3 - г. Чита; 4 - фоновый участок

Повышенное содержание исследуемых ТМ отмечается в почвах п. Первомайский и п. Новоорловский, на территории которых расположены ГОКи.

3.2. Уровень загрязнения почвогрунтов тяжелыми металлами

Коэффициенты техногенной концентрации (табл. 2) отражают особенности накопления ТМ в почве п. Первомайский, п. Новоорловск и г. Чите. Опасность загрязнения почв тем выше, чем больше Кс превышает единицу (Закрут-кин, Шишкина, 2011), поэтому изучаемые элементы по данному показателю нами разделены на три группы.

Таблица 2

Средние коэффициенты техногенной концентрации тяжелых металлов (Кс) и суммарный показатель загрязнения (¿?с)

Район исследования Металлы гс

Хп Ре Мп N1 Си Сг Бг Юэ Ті

п. Первомайский 1,66 0,89 0,48 2,33 1,32 1,65 1,67 1,52 1,58 5,74

п. Новоорловск 1,73 0,74 0,49 1,30 1,02 1,03 1,40 1,87 1,36 3,80

г. Чита 1,38 0,54 0,37 1,30 0,70 0,74 1,25 1,16 1,15 2,66

В первую группу нами отнесены: марганец, для которого Кс существенно ниже 1, что прослеживается на всех исследуемых территориях, и железо в почвах г. Читы. Во вторую группу - железо, с Кс близким к 1 в почвах п. Первомайский, п. Новоорловск, медь и хром в почвах г. Читы. В третьей группе объединены цинк, никель, стронций, рубидий, титан на всех исследуемых участках, медь и хром в почвах п. Первомайский и п. Новоорловск, для которых на всех пробных площадках /Сс > 1, что особенно выражено для никеля в почвах п. Первомайский (Кс > 2).

Значения коэффициента техногенной концентрации для марганца сходны для большинства пробных площадок, с максимумом для почв п. Новоорловск и п. Первомайский, минимумом - для почв г. Читы. Максимальные показатели коэффициента техногенной концентрации отмечаются для никеля в почвах пробных площадок п. Первомайский, минимальные — для всех изучаемых нами ТМ в почвах г. Читы.

Анализируя полученные данные, отмечается, что степень загрязненности почвогрунтов ТМ убывает в ряду п. Первомайский (Забайкальский ГОК) > п. Новоорловск (Новоорловский ГОК) > г. Чита (рис. 2). В почвы п. Первомайский и п. Новоорловск в большей степени поступают: № > Ъъ. > 8г > Ш} > Т1 > Си > Сг, в г. Чите - Хп > № > Бг > Шэ > Ть

Таким образом, были выявлены приоритетные металлы (величина Кс> 1), в большей степени, аккумулирующиеся в почвах исследуемых участков.

Ъл

9 п. Первомайский " Я " п. Новоорловск —А. - г. Чита

Рис. 2. Спектр загрязнения тяжелыми металлами почвогрунтов в зоне воздействия ГОКов и черте города

Суммарный показатель загрязнения (гс) отражает степень загрязнения почв, как химическими веществами, так и ТМ. Оценку степени опасности загрязнения почв по 2С проводили по оценочной шкале (Большаков и др., 1999). На основании полученных данных и в соответствии с МУ 2.1.7.730-99 почвы изучаемых территорий относятся к допустимой категории загрязнения (величина 2С<16), с меньшим отрицательным влиянием на здоровье населения.

Таким образом, на основании проведенных нами исследований, установлен уровень содержания изучаемых ТМ для почв п. Первомайский, п. Новоорловск, г. Чита и фонового участка. Суммарный показатель загрязнения почв выше в п. Первомайский и п. Новоорловске, что свидетельствует о большем поступлении ТМ в почвы данных территорий, связанное с деятельностью ГОК. Выявлено, что на территориях с повышенной техногенной нагрузкой почвы загрязнены цинком (превышение ПДК в 1,4-1,7 раза), особенно в транспортной зоне. По остальным элементам в среднем превышений ПДК не отмечено, однако содержание некоторых ТМ немного превышает фоновые значения. Наши исследования показали относительно невысокие концентрации ТМ в почвах изучаемых территорий, поэтому более сложно оценить их токсическое действие, оказывающее внешне малозаметное влияние на окружающую среду. Между тем, загрязнение именно такого рода, действуя длительное время, способно вызвать серьезные сдвиги в существующем в природе биологическом равновесии.

Глава 4. Особенности накопления тяжелых металлов в органах древесных растений

Различные виды древесных растений, за счет их физиологических и морфологических особенностей, характеризуются неодинаковой способностью на) капливать ТМ. Выявление видов, способных эффективно аккумулировать ТМ, сохраняющих биологическую устойчивость, позволит улучшить состояние окружающей среды.

п.

Рис. 3. Среднее содержание Бе, '¿п, Бг, Мп, Ъ, ЯЬ, Си, Сг, № I в органах Роръйш ЬаЬатг/ега, мг/кг сухого вещества

Медь, на фоновом участке и в условиях городской среды накапливается в основном в корне и коре стебля, на участках с повышенной техногенной нагруз-| кой аккумуляция происходит в листьях. Для стронция, цинка, марганца и рубидия была отмечена повышенная концентрация в листьях. Превышение фоновых значений для всех изучаемых нами элементов чаще отмечается в листьях, затем корне и коре стебля. Превышение нормы содержания железа (20,0-300,о'мг/кг) отмечается в корне и коре стебля на всех исследуемых участках, в г. Чите прослеживается превышение критической концентрации железа (750,0 мг/кг) в коре стебля. Превышено нормальное содержание стронция (113,0 мг/кг) в листьях и коре стебля на участках с повышенной техногенной нагрузкой, в г. Чите отмечается превышение нормы во всех исследуемых органах. ПДК хрома в растении (1,0-2,0 мг/кг) превышена в листьях, корне и коре стебля на всех участках.

4.2. Содержание тяжелых металлов в органах Сапщапа агЬогеьсет

При анализе способности С. агЬогеясет к накоплению ТМ было выявлено, что вид концентрирует железо, никель, хром и титан в большей степени в корнях и коре стебля. Стронций аккумулируется в коре стебля и в листьях.

4.1. Содержание тяжелых металлов в органах Рори1т balsamifera

При анализе способности Р. ЬаЬат1/ега к накоплению ТМ было выявлено, что вид накапливает железо, титан, никель и хром в большей степени в корнях и коре стебля, в меньшей степени в листьях (рис. 3).

Ре гп Бг Мп П Си Сг №

™ Плист И копен I, Ним г, □ лист И корень Ш кора

Первомайский илист гакорень и кора п. Первомайский

Медь накапливается в корне, коре стебля и листьях (рис. 4). Цинк на участках с повышенной техногенной нагрузкой аккумулируется больше в листьях и коре стебля. Марганец и рубидий концентрируется в листьях. Для Ре, Бг, Мл, 11, гп, Си, ЯЬ и N1 отмечается превышение фоновых значений. Прослеживается превышение нормы содержания железа в корне и коре стебля на всех исследуемых участках, на участке в п. Первомайский - критической концентрации.

Ре Бг Мп Т| 2п П.Новоорловск Олист И корень Ш кора

Си Сг ЯЬ №

1Т □ лист 0 корень И кора

п. Новоорловск

Рис. 4. Среднее содержание Бе, 2п, Мп, Т1, Юз, Си, Сг, № в органах Caragana агЬогезсет, мг/кг сухого вещества

В г. Чите в листьях С. агЬогевсет прослеживается превышение нормы содержания стронция, в коре стебля - на фоновом участке, в п. Первомайский и г. Чите. Для хрома отмечается превышение ПДК в растении на всех исследуемых участках.

4.3. Содержание тяжелых металлов в органах ШпшчритПа

При анализе способности V. ритПа к накоплению ТМ было выявлено, что вид накапливает железо, стронций, марганец, титан, цинк, медь, хром и никель в корнях и коре стебля (рис. 5). Рубидий в органах V. ритПа на участках, прилегающих к ГОК аккумулируется в большей степени в корне и коре стебля, на территории г. Чита - в коре стебля, на фоновом участке - в листьях.

Для Ре, 8г, П, Ъп, Си, Шэ, Сг и № отмечается превышение фоновых концентраций. Прослеживается превышение нормы содержания железа - в корне и коре стебля на всех исследуемых участках, критической концентрации железа в растении на участке в п. Первомайский - в коре стебля и корне, в п. Новоорловск - в корне, г. Чите - в коре стебля. Прослеживается превышение нормы содержания стронция в растении на фоновом участке и в п. Новоорловске в коре стебля и корне, в г. Чите во всех исследуемых органах, в п. Первомайский в коре стебля. Для хрома отмечается превышение ПДК в растении на всех исследуемых участках.

1200 1000 800 •ё боо у

400 200 0

п. Первомайский

/А

—

- dJJJM/

Sr Mn Ti Zn □ лист И корень Шкора

Cu Cr Ni □ лист И корень Ш кора

п. Первомайский

Рис. 5. Среднее содержание Fe, Zn, Sr, Mn, Ti, Rb, Cu, Cr, Ni в органах Ulmus pumila, мг/кг сухого вещества

4.4. Содержание тяжелых металлов в органах Malus baccata

При анализе способности М. baccata к накоплению ТМ выявлено, что железо в большей степени аккумулируется в корне и коре стебля. Стронций аккумулируется в листьях и коре стебля. В условия города и на фоновом участке титан, марганец, цинк и хром в органах М. baccata концентрируется в корне и коре стебля, при возрастании техногенной нагрузки эти металлы аккумулируются в листьях. Рубидий концентрируется в листьях, медь и никель в корне и коре стебля (рис. 6).

п. Первомайский

Sr Mn

□ лист Е

п. Первомайский

Cu Cr Ni Q лист И корень В кора

Рис. 6. Среднее содержание Fe, Zn, Sr, Mn, Ti, Rb, Cu, Cr, Ni в органах Malus baccata, мг/кг сухого вещества

Превышение фоновых значений в органах М. baccata прослеживается практически для всех элементов. Отмечается превышение нормы содержания железа в корне М. baccata на фоновом участке, в листьях, корне и коре стебля в п. Первомайский. Прослеживается превышение критической концентрации железа в коре стебля на участках в п. Первомайский и г. Чите. Наблюдается превышение нормы содержания стронция в растении на фоновом участке в коре стебля, в г. Чите - в коре стебля и листьях, в п. Первомайский - во всех изучаемых органах. На всех исследуемых участках для хрома отмечается превышение ПДК в растении.

4.5. Суммарное содержание тяжелых металлов в древесных растениях

Накопление элементов в растениях, как и в почвах, зависит от многих факторов, важнейшим из которых является их расположение относительно источников загрязнения. Для оценки техногенного влияния было рассчитано суммарное содержание изучаемых ТМ в исследуемых видах древесных растений и показана доля каждого из определенных металлов. Накопление ТМ в изучаемых древесных видах растений происходит следующим образом: все виды растений в большом количестве содержат железо - от 51,1 до 72,8 %. Стронций в древесных растениях содержится в количестве от 11,4 до 23,4 %. Марганец - от 2,6 до 12,3 %. Для титана отмечается примерно одинаковое процентное содержание во всех видах - 5,0-6,7 %. Цинк в древесных видах содержится от 2,4 до 9,9 %. Исключение составляет содержание цинка в P. balsamifera на участках с повышенной техногенной нагрузкой - от 13,3 до 15,6%. Показано, что общее содержание рубидия, меди, хрома и никеля не превышает 1,5 %.

Таким образом, данные показывают, что наиболее высокое суммарное содержание ТМ выявлено у древесных видов, произрастающих в п. Первомайский, п. Новорловск и г. Чите. Повышенные концентрации ТМ связаны с увеличением техногенной нагрузки за счет значительного поступления ТМ в окружающую среду.

4.6. Биогеохимическая активность древесных видов

Для характеристики биогенной миграции элементов в системе почва-растение на основе данных по валовому содержанию ТМ в почвогрунтах и в органах древесных растений нами был рассчитан геохимический показатель интенсивности биологического поглощения элементов растительностью - коэффициент биологического поглощения (КБП)

По показателям КБП железо, титан, рубидий во всех изучаемых древесных видах отнесены к группе очень слабого захвата (КБП = 0,001-0,01). Вероятно, накопление данных металлов происходит гю барьерному типу. Исключение составляет КБП цинка у P. balsamifera, где интенсивность поглощения металла оказалась высокой (КБП> 1), что вероятно связано с его безбарьерным поступлением в органы P. balsamifera и видовой спецификой к аккумуляции цинка в условиях техногенной нагрузки. Марганец, в изучаемых видах древесных растений, отнесен к группе слабого захвата, т. к. КБП соответствует 0,01-0,1. Для хрома отмечается варьирование в накоплении и захвате элемента в органах, в одних случаях металл слабо поглощался и средне захватывался растениями, в других - слабо захватывался. Вероятно, это связано с физико-химическими свойствами металла, наличием атмосферного источника и фоли-арном пути поступления хрома в древесные виды растений.

Таким образом, было выявлено что, поглощение ТМ древесными видами наблюдалось по барьерному типу (исключение P. balsamifera), в зависимости от биологических особенностей видов и их содержания в почве.

На основе данных о КБП рассчитана биогеохимическая активность (БХА) изучаемых древесных видов растений. По показателю БХА древесные виды образуют следующий ряд: Р. ЬаЬатг/ега > и. ритИа > С. агЪогеьсет > М. Ъассма (рис. 7), который позволяет судить об общей способности растений к увеличе-ниюкондентраций химических элементов при извлечении из почвы (Ведерников, 2008; Будкина, 2011).

Рори1иБ и!я1И5 Caragaпa Ма1иэ Ьа^агшГега ригЫ1а агЬогеБсепБ Ьасса1а

Рис. 7. Биогеохимическая активность древесных видов растений

Именно по увеличению концентрации БХА можно судить о поглотительной способности древесных растений и их устойчивости к загрязнению почв тяжелыми металлами. Выявлено, что в условиях фонового участка данный показатель выше, чем в условиях г. Чита, п. Первомайский и п. Новоорловск.

Растения контролируют поступление ТМ в допустимых пределах, когда наступает порог концентрации, поглощение элемента прекращается, несмотря на увеличение его содержания в почве. Более низкие показатели БХА на участках с техногенной нагрузкой, возможно, связаны с защитными механизмами растений к накоплению ТМ, которые формировались длительное время при развитии видов на почвах с повышенным содержанием ТМ.

Таким образом, у исследуемых древесных видов наблюдалась различная аккумулирующая способность к ТМ, повышенные концентрации которых связаны с увеличением техногенной нагрузки. Выявлено, что железо, титан, хром и никель накапливались видами в корнях и коре стебля. На участках с повышенной техногенной нагрузкой накопление цинка, стронция, марганца, рубидия и меди отмечается в листьях и коре стебля древесных. Для всех исследуемых видов древесных растений характерно повышенное содержание ТМ в коре стебля, что отражает их реальное содержание в окружающей среде. Для исследуемых видов древесных растений органами-концентраторами железа можно назвать корни и кору стебля, т. к. в них аккумулируется значительное количество металла, не редко превышая норму и критические концентрации. Такая закономерность была прослежена на всех исследуемых участках, что согласуется с данными других исследователей (Саенко и др., 1968; Кулагин, Шагиева, 2005; Войтюк, 2011). Во всех древесных видах на участках с техногенным воздействием содержание стронция превышает норму в листьях и коре стебля, иногда в корне. В условиях г. Чита, п. Первомайский и п. Новоорловск в исследуемых органах наблюдалось превышение ПДК хрома. Превышение нормы стронция и

ПДК хрома в органах древесных растений, вероятно связано с наличием атмосферного источника поступления хрома. На участках в п. Первомайский и п. Новоорловск - с горнодобывающей деятельностью, в г. Чите - с работой ТЭЦ 1 и ТЭЦ 2.

Наиболее высокое суммарное содержание ТМ в древесных видах отмечается для растений, произрастающих на участках с техногенным воздействием. Следует отметить, что Р. ЬаЬаті/ега накапливает в своих органах цинк в больших количествах, чем другие исследуемые древесные виды (рис. 8), а С. агЬо-гевсет при увеличении техногенной нагрузки больше других видов накапливает медь (рис. 9).

Рис. 8. Среднее содержание цинка в органах древесных растений, мг/кг. Примечание-. 1 - п. Первомайский; 2 - п. Новоорловск; 3 - г. Чита; 4 - фоновый участок

Ш Рориіив Ъакат і/ега Я Сага^апа агЬогеїсепь ¡Щ Шт из ритіїа Ш Маїт Ьассаіа

Рис. 9. Среднее содержание меди в органах древесных растений, мг/кг. Примечание: 1 - п. Первомайский; 2 - п. Новоорловск; 3 - г. Чита; 4 - фоновый участок

Поглощение ТМ древесными видами наблюдалось по барьерному типу, за исключением цинка в органах Рориіив ЬаЬаті/ега. Уровень биогеохимиче-

ской активности древесных видов понижается в ряду Populus balsamifera > Ulmus pumila > Caragana arborescens > Malus baccata.

Таким образом, результаты исследований показали, что разные виды древесных растений обладают неодинаковой способностью накапливать ТМ, что в условиях повышенного техногенного загрязнения окружающей среды может широко применяться для уравновешивания экологического баланса населенных пунктов.

Глава 5. Особенности поступления тяжелых металлов в древесные растения

5.1. Фолиарное поступление тяжелых металлов

Большое значение в связи с высокой степенью загрязнения атмосферы приобретает поступление ТМ в составе газообразных выделений и дымов, а также в виде техногенной пыли в растения через листовую поверхность (фолиарное).

Экспериментальные данные показали (табл. 3), что ТМ накапливаются в листьях древесных растений в неодинаковых количествах. Выяснилось, что разные виды растений имеют свою специфику, определяющую максимальный и минимальный уровень содержания того или иного металла.

Результаты исследований показали, что листья Р. balsamifera в больших количествах концентрируют железо, стронций, цинк, и марганец. Следует отметить, что среди исследуемых древесных видов в листьях Р. balsamifera цинк накапливается в больших количествах. Листья С. arborescens преимущественно аккумулируют железо, стронций и марганец. На участках с повышенным техногенным воздействием медь в листьях С. arborescens накапливается в больших количествах, чем в других исследуемых видах. В листьях М. baccata и U. pumila отмечается повышенное содержание железа и стронция. Титан, рубидий, медь, хром и никель аккумулируются изучаемыми древесными видами примерно в равных количествах.

Отмечено превышение нормального содержания железа в листьях М. baccata в п. Первомайский. Превышение нормы стронция прослеживается в листьях Р. balsamifera на всех исследуемых участках, в листьях М. baccata в п. Первомайский и г. Чите, в листьях С. arborescens и U. pumila в г. Чите. Превышение ПДК хрома в листьях отмечается во всех изучаемых древесных видах на участках с повышенной техногенной нагрузкой. Прослеживается незначительное повышенное содержание рубидия на всех участках, по сравнению с фоновым участком. Превышения ПДК марганца, цинка, титана, меди и никеля не обнаружено.

Таблица 3

Среднее содержание тяжелых металлов в листьях древесных растений в зависимости от видовой принадлежности, мг/кг сухого вещества

Металл Участок Рори1ш Ьакатг/ега Caragana агЬогезсет Штш ритИа Мсйт ЬассаШ Норма, ПДК, ФК, КК* (по Прохоровой, 1998)

Ре п. Первомайский 186,7 ± 4,23 201,5 ±5,14 127,7 ±2,78 567,0 ±10,15

п. Новоорловск 250,3 ± 5,50 170,0 ±3,78 И 9,5 ±2,93 - 20,0-300,0

г. Чита 150,0 ±3,51 220,0 ±4,45 160,0 ±3,39 173,3 ±3,35 КК 750,0

фоновый 130,0 ±3,21 130,0 ±3,06 140,0 ±3,61 130,0 ±3,00

Бг п. Первомайский 128,3 ±3,11 85,0 ±2,37 77,3 ± 2,08 155,0 ±3,57 норма 113,0

п. Новоорловск 116,7 ±3,29 74,5 ± 2,20 92,5 ±2,37 _

г. Чита 185,0 ±4,01 157,0 ±3,71 122,0 ±3,11 137,0 ±3,07

фоновый 89,0 ± 2,52 88,0 ±2,31 95,0 ± 2,65 88,0 ±2,89

Мп п. Первомайский 111,0 ±3,02 73,0 ±2,20 24,7 ± 1,23 64,0 ±2,37 норма 25,0-250,0 ФК 500,0

п. Новоорловск 168,7 ±3,91 51,5 ± 2,13 27,5 ± 1,34 -

г. Чита 90,0 ± 2,46 109,5 ±2,85 25,3 ± 1,04 43,0 ± 1,78

фоновый 101,0 ±2,65 32,0 ± 1,53 78,0 ±2,00 32,0 ± 1,00

2п п. Первомайский 156,0 ±3,85 21,0 ± 1,08 23,3 ± 1,11 54,0 ± 2,42 ПДК 150,0-300,0 ФК 400,0

п. Новоорловск 117,3 ±2,83 24,0 ± 1,08 26,0 ± 1,15 -

г. Чита |_ 147,3 ±3,33 21,0 ±0,87 28,3 ± 1,40 18,7 ±0,79

фоновый 39,0 ± 1,53 16,0 ±0,58 20,0 ± 1,00 16,0 ±0,58

И п. Первомайский 16,6 ±0,84 13,5 ±0,61 11,0 ±0,46 63,5 ± 1,63 Норма 0,15 - 80,0

п. Новоорловск 22,0 ± 1,12 12,0 ±0,64 9,5 ± 0,49 -

г. Чита 14,3 ±0,69 20,5 ± 1,07 16,0 ±0,72 17,3 ±0,86

фоновый 5,0 ±0,25 9,0 ± 0,47 8,0 ±0,38 9,0 ± 0,42

ЯЬ п. Первомайский 8,3 ± 0,43 6,0 ± 0,23 7,0 ±0,36 9,0 ± 0,47 -

п. Новоорловск 7,0 ± 0,32 6,0 ±0,28 3,5 ±0,17 -

г. Чита 5,7 ± 0,24 4,5 ±0,19 5,0 ± 0,22 3,7 ± 0,17

фоновый 7,0 ±0,35 5,0 ± 0,25 4,0 ±0,17 5,0 ±0,26

Си п. Первомайский 6,7 ± 0,32 7,0 ± 0,35 5,3 ± 0,25 5,5 ± 0,28 ПДК 15,0-20,0

п. Новоорловск 6,3 ± 0,30 8,0 ±0,34 4,5 ±0,19 -

г. Чита 5,3 ± 0,27 6,0 ± 0,28 4,7 ± 0,22 5,0 ±0,24

фоновый 4,0 ±0,17 5,0 ±0,26 3,0 ±0,12 5,0 ± 0,26

Сг п. Первомайский 3,0 ±0,11 2,8 ±0,12 2,6 ±0,14 7,4 ±0,41 норма 1,3 ПДК 1,0-2,0

п. Новоорловск 3,0 ±0,12 2,6 ±0,13 2,6 ±0,15 -

г. Чита 2,3 ±0,10 3,5 ±0,15 2,3 ± 0,09 2,0 ± 0,09

фоновый 2,0 ± 0,06 2,0 ± 0,08 1,0 ±0,06 2,0 ± 0,09

№ п. Первомайский 2,7 ±0,11 2,0 ± 0,08 2,7 ±0,10 3,5 ±0,17 ПДК 20,0 - 30,0 ФК 80,0- 100,0

п. Новоорловск 2,6 ±0,10 2,0 ± 0,09 2,0 ±0,08 -

г. Чита 2,0 ± 0,09 2,5 ± 0,09 2,3 ±0,11 2,0 ± 0,08

фоновый 2,0 ± 0,09 2,0 ±0,10 3,0 ±0,10 2,0 ± 0,08

Примечание: ПДК - предельно допустимая концентрация; ФК - фитотоксичная концентрация; КК - критическая концентрация; - нет данных.

Анализ долевого содержания ТМ в листьях изучаемых видов древесных растений, показал, что наибольшей аккумулирующей способностью обладают листья Р. ЬаЬат1/ега (22,3-28,3 %), С. агЬогезсет (19-25,3 %) и М. Ъассат (15,8-30,7 %), наименьшей - листья и. ритИа (8,9-12,1 %) (рис. 10). Нами установлено, что содержание ТМ в листьях исследуемых видов древесных растений в п. Первомайский, п. Новоорловск и г. Чите повышено, по сравнению с фоновым участком (исключение и. ритИа и М. ЬассМа в г. Чите).

Штиэ риш11а МаЫэ Ьасса1а

8,9 ] 12,1 |л!>;»1:

20,7.

ага§апа агЬогеБсепэ . 11 " ........

Рорикэ Ьа1зат^га . Л 23,8 " 1 28,3 [пчкгг.зь:'»;^! ю,г;

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

□ п. Первомайский □ п. Новоорловск □ г. Чита Офон

Рис. 10. Доля тяжелых металлов в листьях древесных растений, %. Примечание: 1 - п. Первомайский; 2 - п. Новоорловск; 3 - г. Чита; 4 - фоновый участок

Следует отметить, что М. ЪассаЮ. при повышении загрязнения окружающей среды увеличивает способности к аккумуляции ТМ листьями. У и. ритйа, на участках с повышенной техногенной нагрузкой, содержание ТМ в листьях уменьшается, что вероятно связано с защитной реакцией и адаптацией вида к атмосферному загрязнению.

5.2. Особенности передвижения тяжелых металлов в условиях техногенного загрязнения окружающей среды

С повышением техногенного воздействия нарушается существующая связь между содержанием ТМ в почве и растениях за счет значительной доли участия атмосферных загрязнителей. По всей видимости, с увеличением техногенной нагрузки роль фолиарного поглощения возрастает (Махонько, 1989; Фролов, 1990). ТМ, поглощаемые листьями, могут транспортироваться в другие растительные ткани, включая и корни, поэтому важное место при исследовании влияния ТМ на растения занимает изучение процессов их поглощения и передвижения.

Для характеристики процессов передвижения химических элементов растениями А.Л. Ковалевский (1969) предложил использовать количественный показатель - коэффициент передвижения (Кп), равный отношению содержания элементов в листьях к таковому в корнях. По увеличению коэффициента передвижения можно судить о преимуществе фолиарного пути поступления ТМ над корневым.

Результаты показали, что у Р. Ьакатг/ега, по сравнению с фоновым участком, значения коэффициентов передвижения изменяются в малом диапазоне. Максимальные показатели Кп отмечаются для Мп (2,88-4,11), ЯЬ (1,50-1,98) и Ъъ (1,27-1,83) на участках с повышенной техногенной нагрузкой (рис. 11). Показатели коэффициента передвижения для вг снижаются в ряду г. Чита (1,41) > п. Новоорловск (1,26) > п. Первомайский (1,21) по сравнению с фоновым участком (1,48), хотя на данных участках прослеживается увеличение содержания металла, как в листе, так и корне. Вероятно, это связано с включением защитных механизмов Р. ЬаЬат1/ега к передвижению Бг по растению при увеличении его концентраций в окружающей среде. Минимальные значения коэффициента передвижения отмечаются для Ре (0,24-0,52), Т1 (0,10-0,46), Си (0,57-1,18), Сг (0,22-0,57) и № (0,40-1,00). Следует отметить, что для данных металлов с увеличением техногенной нагрузки Кп также увеличивается (исключение низкое значение Кп для Сг (0,22) - в г. Чите, по сравнению с фоновым участком).

тч? 7

Ш -

- - - ШгС"

Ре Ъп Эг Мп Т1 ЯЬ Си Сг № ЕШЗ г. Чита ^Я п. Новоорловск п. Первомайский -фоновый участок

Рорики ЬаЬатЬ/ега Caragana агЬогевсет

Рис. 11. Изменение коэффициентов передвижения тяжелых металлов у древесных растений в зависимости от увеличения техногенной нагрузки

Значения коэффициентов передвижения у С. агЬогеэсепз, по сравнению с фоновым участком, также изменяются в малом диапазоне. У данного вида наибольшие показатели Кп прослеживаются для Мп (1,28-2,28), Эг (1,16-1,58) и Ъъ (0,89-1,33) в г. Чите, п. Новоорловск и п. Первомайский (рис. 11). Для ЯЬ отмечается понижение значений Кп на участках с повышенным техногенным воздействием в ряду г. Чита (1,50) > п. Новоорловск (1,33) > п. Первомайский (1,33) по сравнению с фоном (2,50), хотя содержание металла, как в листе, так и корне С. агЬогезсгпз на данных участках увеличивается, что вероятно также связано с защитными механизмами к передвижению Из по растению при повышении его концентраций в окружающей среде. Наименьшие показатели коэффициента передвижения наблюдаются для Бе (0,25-0,40), Тл (0,16-0,36), Си (0,83-1,00), Сг (0,14-0,39) и № (0,40-0,56), хотя общая тенденция увеличения Кп с изменением техногенной нагрузки сохраняется.

У М. ЬассШа показатели коэффициентов передвижения наблюдаются в более широких пределах. Максимальные значения Кп отмечаются для

0,5

Ре 7л Бг Мп ЕШ г. Чита ша п. Первомайский

Т[ № Си Сг № п. Новоорловск -фоновый участок

Мп (2,15-2,37), ЯЬ (1,85-3,00) и Бг (1,31-1,40) на участках в г. Чите и п. Первомайский; для Бе (1,32), Тп (1,59), П (1,61) и Сг (1,85) только в п. Первомайский (рис. 12). Минимальные значения Кп наблюдаются для Си (0,56-0,73) и М (0,67-0,78) на всех исследуемых участках, но по сравнению с фоновым участком показатели коэффициентов передвижения данных металлов выше. Анализ процессов передвижения ТМ в листьях и корне М. ЬассМа подтвердил ранее сделанный нами вывод об увеличении способности вида к аккумуляции ТМ в листьях при повышении загрязнения окружающей среды.

Ре гп Бг Мп И № г. Чита п. Первомайский-

Ма1ш ЪассаШ

Си Сг № фоновый участок

Бг Мп

Ре 2п

:1 г. Чита Е2Э п. Первомайский

Ытия ритИа

ЯЬ Си Сг №

п. Новоорловск -фоновый участок

Рис. 12. Изменение коэффициентов передвижения тяжелых металлов у древесных растений в зависимости от увеличения техногенной нагрузки

У и. ритИа прослеживаются самые низкие показатели Кп и незначительные превышения фоновых значений. У данного вида наибольшие показатели коэффициентов передвижения прослеживаются для Ъп (0,61-0,97), 5г (0,64-0,89), Мп (0,62-0,72), ЯЬ (0,64-1,33), Си (0,43-0,79) и № (0,40-0,75), наименьшие - для Ре (0,10-0,34), П (0,10-0,18) и Сг (0,17-0,38) (рис. 12). Превышение значений Кп фонового участка отмечается для Ъп, Си и Сг на участках с повышенным техногенным воздействием. Низкие значения коэффициентов передвижения подтверждают наш вывод о том, что V. ритйа с увеличением техногенной нагрузки сокращает поглощение ТМ листьями из окружающей среды.

Таким образом, наибольшие значения коэффициента передвижения наблюдаются у Р. ЪаЬатп1/ега, С. агЬогезсет и М. ЬассМа, наименьшие - у и. ритИа. На участках с повышенным техногенным воздействием увеличивается фолиарный путь поступления ТМ.

Результаты диссертационных исследований по определению содержания ТМ в органах древесных растений показали, что Р. ЬаЬатг/ега в своих органах в больших количествах накапливает цинк, чем другие исследуемые древесные виды, и отмечен нами как вид-концентратор цинка, полученные результаты согласуются с данными других авторов (Гиниятуллин и др., 1995; Прохорова и др., 1998; Кулагин, Шагиева, 2005; Войтюк, 2011; Копылова, Якимова, 2011а). С. агЪогезсет - вид-концентратор меди, больше других древесных видов акку-

мулирует в своих органах медь, что согласуется с литературными данными, согласно которым представители семейства Бобовые являются растениями-концентраторами меди (Чертко, 2008). М. ЬассМа характеризуется нами как вид-индикатор, так как при повышенном загрязнении окружающей среды увеличивает способности к аккумуляции ТМ листьями (Баргальи, 2005). и. ритПа отмечен нами как вид-исключитель, так как на участках с повышенной техногенной нагрузкой содержание ТМ в листьях уменьшается.

Проведенный анализ показал, что древесные растения поглощают ТМ, аккумулируя их значительные количества в различных органах, тем самым они способствуют временному выводу их из круговорота веществ. Поскольку поглощение элементов видоспецифично, необходимо создавать разновидовые насаждения рядом с объектами, представляющими опасность техногенных выбросов, для максимального очищения атмосферы и почвы от ТМ. Чтобы не происходило вторичного загрязнения почвенного покрова ТМ, рекомендуется удаление опавших листьев в конце вегетационного периода и их утилизация за пределами города на полигонах для сбора мусора. Полученные данные об аккумуляции ТМ в древесных растениях и почвенном покрове послужат основой для картографической оценки экологической ситуации на исследуемых территориях.

ВЫВОДЫ

1. Элементный ряд тяжелых металлов по убыванию их концентраций в почвогрунтах исследуемых участков представлен: Fe > Ti > Mn > Sr > Rb > Zn > Cr > Cu > Ni. Степень загрязненности почв ТМ снижается в ряду п. Первомайский (Забайкальский ГОК) > п. Новоорловск (Новоорловский ГОК) > г. Чита. Тяжелые металлы по валовому содержанию в почвах урбанизированных территорий не превышают значения ПДК, кроме Zn.

2. В корнях и коре стебля исследуемые виды накапливают железо, титан, хром и никель. Аккумуляция цинка, стронция, марганца, рубидия и меди прослеживалась как в листьях, так и коре стебля. С увеличением техногенной нагрузки ^возрастает фолиарный путь поступления ТМ. Наибольшей аккумулирующей способностью обладают листья Populus balsamifera, Caragana arbores-cens и Malus baccata, наименьшей - листья Ulmus pumila.

3. Выявлена видовая специфика среди древесных видов по накоплению ТМ. Populus balsamifera - вид-концентратор цинка, Caragana arborescens - вид-концентратор меди, Ulmus pumila - вид-исключитель, Malus baccata - вид-индикатор. Среди изученных древесных видов растений виды-гипераккумуляторы не выявлены.

4. Поглощение ТМ древесными видами наблюдалось по барьерному типу, за исключением цинка в органах Populus balsamifera. Уровень биогеохимической активности понижается в ряду Populus balsamifera > Ulmus pumila > Caragana arborescens > Malus baccata.

5. Древесные виды растений обладают разной аккумулирующей способностью к ТМ, что свидетельствует о целесообразности создания многовидовых

древесно-кустарниковых насаждений. Это позволит максимально извлекать тяжелые металлы из круговорота веществ, что способствует снижению уровня загрязнения окружающей среды.

Список работ, опубликованных по теме исследования Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Копылова, Л. В. Аккумуляция железа и марганца в листьях древесных растений в техногенных районах Забайкальского края / Л. В. Копылова // Известия Самарского научного центра Российской академии наук - Самара: Изд-во Самарского научного центра РАН, 2010. Т. 12 (33). - № 1 (3). - с. 709-712.

2. Копылова, Л. В. Особенности накопления металлов древесными растениями в условиях городской среды / Л. В. Копылова, Е. П. Якимова // Ученые записки ЗабГГГГУ им. Н. Г. Чернышевского. Серия «Естественные науки». -2011.-№1(36).-С. 183-187.

3. Копылова, Л. В. Особенности поглощения некоторых тяжелых металлов древесными растениями в условиях городской среды / Л. В. Копылова // Вестник ИрГСХА: науч.-практ. журн. - 2011- Вып. 44 (июль). - Ч. III. - С. 91-99.

4. Копылова, Л. В. Оценка уровня загрязнения почв тяжелыми металлами и интенсивность поглощения их древесными растениями /Л. В. Копылова // Ученые записки ЗабГГПУ им. Н. Г. Чернышевского. Серия «Естественные науки». -2012 (принято к печати декабрь 2011).

Статьи в сборниках и материалах конференций

5. Красноперова, Л. В. Техногенное воздействие и накопление тяжелых металлов в растениях / Л. В. Красноперова // Молодая наука Забайкалья: аспирантский сборник ЗабГГПУ. - Чита, 2009. - С. 232-236.

6. Красноперова, Л. В. Накопление тяжелых металлов древесными растениями г. Читы / Л. В. Красноперова, Е. А. Ефименко, О. А. Лескова, Е. П. Якимова // Проблемы озеленения городов Сибири и сопредельных территорий: материалы междунар.-практ. конф. - Чита, 2009. - С. 64-67.

7. Копылова, Л. В. Содержание железа и марганца в листьях древесных растений в условиях техногенного воздействия / Л. В. Копылова; ЗабГГПУ // Материалы весенней научной сессии естественно-географического факультета. -Чита, 2010.-С. 34-38.

8. Копылова, Л. В. Роль древесных растений в улучшении экологических условий города / Л. В. Копылова, Е. П. Якимова; КГПУ // Флора и растительность Сибири и Дальнего Востока. Чтения памяти Л.М. Черепнина: материалы пятой Всероссийской конференции с международным участием: в 2 т. - Красноярск, 2011. Т. 2. С. 115-120.

9. Копылова, Л. В. Содержание тяжелых металлов в почве и растениях при техногенном загрязнении / Л. В. Копылова, Е.П. Якимова // Растительность Байкальского региона и сопредельных территорий: материалы всерос. науч.-практ. конф. - Улан-Удэ: Изд-во Бурятского госуниверситета, 2011. - С. 90-96.

Подписано в печать 21.02.12. Формат 60x90/16. Бумага офсетная. Способ печати оперативный. Усл. печ. л. 1,3. Уч.-изд. л. 1,3. Заказ № 03312. Тираж 100 экз.

Забайкальский государственный гуманитарно-педагогический университет им. Н.Г. Чернышевского 672007, г. Чита, ул. Бабушкина, 129

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Копылова, Любовь Викторовна, Чита

61 12-3/761

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение Высшего профессионального образования Забайкальский государственный гуманитарно-педагогический университет

им. Н.Г. Чернышевского

На правах рукописи

Копылова Любовь Викторовна

НАКОПЛЕНИЕ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ДРЕВЕСНЫХ РАСТЕНИЯХ НА УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЯХ ВОСТОЧНОГО ЗАБАЙКАЛЬЯ

03.02.08 - Экология (биологические науки)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель: доцент, кандидат биологических наук, Якимова Е.П.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 4

ГЛАВА 1. ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ В ПОЧВАХ И РАСТЕНИЯХ 9

1.1. Понятие о тяжелых металлах, их характеристика и

биологическая роль

1.2. Общие представления об источниках загрязнения тяжелыми

металлами

1.3. Содержание тяжелых металлов в почве 16

1.4. Поступление и распределение тяжелых металлов в растениях 19

1.5. Нормирование содержания тяжелых металлов в почвах и

растениях

ГЛАВА 2. ЭКОЛОГО-ГЕОГРАФИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ, ОБЪЕКТЫ И

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИИ

2.1. Эколого-географические условия районов исследования 33

2.2. Объекты исследования 44

2.3. Методы исследования 47 ГЛАВА 3. ОСОБЕННОСТИ НАКОПЛЕНИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ

В ПОЧВЕННОМ ПОКРОВЕ ИЗУЧАЕМЫХ ТЕРРИТОРИИ

3.1. Содержание тяжелых металлов в почвогрунтах 52

3.2. Уровень загрязнения почвогрунтов тяжелыми металлами 61 ГЛАВА 4. ОСОБЕННОСТИ НАКОПЛЕНИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ

В ОРГАНАХ ДРЕВЕСНЫХ РАСТЕНИИ

4.1. Содержание тяжелых металлов в органах Populus balsamifera 66

4.2. Содержание тяжелых металлов в органах Caragana arborescens 72

4.3. Содержание тяжелых металлов в органах Ulmuspumila 11

4.4. Содержание тяжелых металлов в органах Malus baccata 83

4.5. Суммарное содержание тяжелых металлов в древесных

растениях

4.6. Биогеохимическая активность древесных видов 90

ГЛАВА 5. ОСОБЕННОСТИ ПОСТУПЛЕНИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ДРЕВЕСНЫЕ РАСТЕНИЯ

5.1. Фолиарное поступление тяжелых металлов 96

5.2. Особенности передвижения тяжелых металлов в условиях

107

техногенного загрязнения окружающей среды

ВЫВОДЫ ИЗ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 114

ПРИЛОЖЕНИЯ 135

ВВЕДЕНИЕ

Восточное Забайкалье является старейшим горнорудным регионом, для которого проблема изучения загрязнения окружающей среды актуальна. На сегодняшний день нет достаточных данных о содержании и уровне накопления ТМ в почвах и растениях урбанизированных территорий региона. Растительные организмы чувствительны к составу окружающей среды и активно реагируют на изменение ее состояния. Большое значение в поглощении ТМ имеют древесные растения. Выполняя защитную функцию, они извлекают и концентрируют в своих органах и тканях различные химические элементы, тем самым препятствуют распространению загрязнителей в окружающей среде. Изучением вопросов накопления элементов в древесных растениях занимались Р.Х. Гиниятуллин (1995), Н.В.Прохорова и др. (1998), Т.В. Черненькова (2002), A.A. Кулагин, А.Ю. Шагиева (2005), О.В. Шергина, Т.А. Михайлова (2007) и др. Улучшение экологической обстановки на урбанизированных территориях является важнейшей задачей современности. Одним из способов ее реализации является оптимизация древесных насаждений, выполняющих

средообразующие функции.

Наша работа является продолжением комплексных исследований территории Восточного Забайкалья (Забайкальский край) по аккумуляции

ТМ в почве и растениях (Ефименко и др., 2008; Красноперова и др., 2009; Войтюк, 2011).

Цель работы определить содержание и особенности накопления некоторых тяжелых металлов в древесных растениях на территории Восточного Забайкалья.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Определить содержание и накопление Fe, Ti, Mn, Sr, Rb, Zn, Cr, Cu, Ni в почвенном покрове исследуемых территорий.

3. Выявить видовую специфику поглощения тяжелых металлов древесными растениями.

4. Определить поглотительную способность древесных растений при извлечении тяжелых металлов из почвы.

Научная новизна работы. В работе обобщены результаты комплексных эколого-биологических исследований на территории Восточного Забайкалья по изучению содержания ТМ в древесных видах растений, наиболее широко представленных в озеленении урбанизированных территорий: Populus balsamifera L., Caragana arborescens Lam., Ulmus pumila L., Malus baccata (L.) Borkh. Впервые для территорий п. Первомайский и п. Новоорловск определено содержание и накопление ряда ТМ (Fe, Ti , Mn, Sr, Rb, Zn, Cr, Cu, Ni) в почвогрунтах и в древесных растениях. Изучены особенности их накопления в вегетативных органах (листьях, корне и коре стебля), выявлена видовая специфика в поглощении ТМ у исследованных растений. Прослежена тенденция усиления фолиарного пути накопления ТМ по мере ухудшения экологической обстановки. На основании полученных результатов по содержанию ТМ в древесных растениях и почвогрунтах проведена оценка уровня техногенного загрязнения исследуемых территорий.

Теоретическая и практическая значимость. Исследования показали различные способности лиственных древесно-кустарниковых видов растений к накоплению ТМ. При этом установлен ряд по степени их аккумулятивной способности поглощать ТМ из почвы, от более высокой у Р. ЪаЫат 'фга и менее - Ма1ш ЪассШа. Материалы диссертации могут быть использованы для организации экологического мониторинга почв и древесных растений в условиях техногенного загрязнения окружающей среды. Полученные данные могут быть учтены при озеленении населенных пунктов Забайкальского края. Результаты исследований используются в учебном процессе при подготовке бакалавров и магистров по специальности «Экология и природопользование» и по направлению «Естественнонаучное образование» при разработке спецкурсов: «Охрана окружающей среды», «Биохимия и экофизиология растений», «Экологическая химия».

Защищаемые положения:

2. Накопление ТМ видоспецифично, кроме этого аккумуляция элементов в различных органах древесных растений (листьях, корне, коре стебля) отличается. В корнях преимущественно накапливается Те, Т1, №, в листьях - Мп, Тп, 8г, Шэ. Независимо от вида древесных растений 2л\ имеет преимущественно фолиарный путь поступления, особенно это характерно для Р. Ьакатг/ега. Для улучшения состояния окружающей среды перспективно создание разновидовых насаждений.

Организация исследований: Работа выполнена в 2008-2011 г. в период обучения в очной аспирантуре Забайкальского государственного

гуманитарно-педагогического университета им. Н.Г. Чернышевского в рамках Государственного задания вузу Минобрнауки РФ (№ 4.3758.2011).

Личный вклад автора. Подобраны и адаптированы методики проведения исследований. Осуществлен отбор образцов почв и растений, в лабораторных условиях проведена подготовка полевого материала для химического анализа, выполнена статистическая обработка, анализ и обобщение полученных результатов. Текст диссертационной работы написан по плану, согласованному с научным руководителем.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы обсуждались на конференциях: «Молодая наука Забайкалья» (Чита, 2009); «Проблемы озеленения городов Сибири и сопредельных территорий: международная научно-практическая конференция» (Чита, 2009); Весенняя научная сессия естественно-географического факультета ЗабГГПУ (г. Чита, 2010), II Всероссийская научно-практическая конференция «Научные проблемы использования и охраны природных ресурсов России» (г. Самара, 2010); Чтения памяти Л.М. Черепнина и V Всероссийская конференция «Флора и растительность Сибири и Дальнего Востока» (г. Красноярск, 2011); Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием «Проблемы озеленения городов Сибири и сопредельных территорий» (г. Иркутск, 2011); Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием «Растительность Байкальского региона и сопредельных территорий» (г. Улан-Удэ, 2011).

Публикации. По материалам исследований опубликовано 9 работ, из них 4 (1 в печати) в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ при защите кандидатских диссертаций.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, списка литературы (201 наименование, в том числе 16 работ на иностранных языках) и приложения. Основной текст изложен на 147 страницах, включает 10 таблиц, 39 рисунков, 10 приложений.

Благодарности. Автор выражает искреннюю признательность научному руководителю и организатору исследований доценту, к.б.н. Якимовой Е.П. за помощь в подготовке и написании работы, доценту, к.б.н. Лесковой O.A. и к.б.н. Войтюк Е.А., за ценные методические указания, к.б.н. Бондаревичу Е.А. за конструктивные советы, доценту, к.б.н. Гилевой М.В. за постоянный интерес, внимание и всестороннюю помощь на разных этапах выполнения работы. Автор благодарен коллективу кафедры биологии и методики обучения биологии Забайкальского государственного гуманитарно-педагогического университета им. Н.Г. Чернышевского за поддержку и оказание помощи при выполнении научных исследований.

ГЛАВА 1. ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ В ПОЧВАХ И РАСТЕНИЯХ

1.1. Понятие о тяжелых металлах, их характеристика и биологическая роль

Появление в литературе термина «тяжелые металлы» связано с проявлением токсичности некоторых металлов и опасности их для живых организмов. В различных работах авторы по-разному объясняют понятие «тяжелые металлы», в связи с этим количество элементов, относимых к группе ТМ, изменяется в широких пределах (Гудериан, 1979; Добровольский, 1980; Виноградов, 1985; Воробейчик, Хантемирова, 1994; Лозановская и др., 1998; Черненькова, 2002). В качестве критериев принадлежности к ТМ используются многочисленные характеристики: атомная масса, плотность, токсичность, распространенность в природной среде, степень вовлеченности в природные и техногенные циклы. С этих позиций к ТМ условно относят группу химических элементов, обладающих свойствами металлов и металлоидов, имеющих плотность, превышающую 5

о о

г/см (в отдельных справочниках - 8 г/см ) (Алексеев, 1987; Лозановская и др., 1998; Гусакова, 2004; Протасов, 2005). Для биологической классификации руководствуются атомной массой, и с этой точки зрения к ТМ относят металлы с атомной массой более 40 атомных единиц (Алексеев, 1987; Ильин, 1991; Лозановская и др., 1998), или, по мнению некоторых ученых - более 50 атомных единиц (Абуталыбов, 1961; Гусакова, 2004; Садовникова и др., 2006). К числу ТМ относят более 40 элементов периодической системы Д.И. Менделеева: Бе, N1, Си, Ъп, Сг, Мп, Со, Оа, Ое, Мо, Сё, 8п, вЬ, Те, Н& Т1, РЬ, В1 и др. (Садовникова и др., 2006). Большинство из перечисленных металлов, за исключением непереходных цинка, кадмия, ртути и свинца, относятся к ¿/-элементам. Наличие вакансий в электронных оболочках ¿/-элементов обуславливает легкость их включения в комплексные соединения (Лозановская и др., 1998; Исидоров, 1999, 2001; Черненькова, 2002; Тикунова, Артеменко, 2004).

ТМ по биологической классификации химических элементов принадлежат к группам микроэлементов (содержание в пределах от 10 до 1(Г5 %) и ультрамикроэлементов (содержание ниже

10"5%) (Алексеев, 1987).

К числу микроэлементов, для которых доказана их жизненная необходимость, и широкий спектр биологического действия физиологи относят: Fe, Со, Mn, Си, Zn, Cd, Sr, Li, Ni и др. (Школьник, 1974; Алексеев, 1987; Сает и др., 1990; Ильин. 1991; Тяжелые металлы..., 1994; Снакин, 2000). Микроэлементы влияют на активность и направленность действия ферментов (Протасова, 1998), часто выступают в качестве активаторов биохимических процессов (Реймерс, 1990), являясь компонентами простетических групп ферментов (Fe, Mn, Си) или кофакторами химических реакций (Либберт, 1976), в то время как ТМ относятся к категории неспецифических загрязняющих веществ, составляющих группу техногенных элементов. Следовательно, понятия ТМ и микроэлементы, относящиеся к одним и тем же химическим элементам, используются в разных значениях в зависимости от их концентрации (Алексеев, 1987; Ильин, 1991). С одной стороны, она может быть избыточной и даже токсичной, тогда металл называют «тяжелым», с другой стороны, при нормальной концентрации или недостатке его относят к микроэлементам (Алексеев, 1987; Ильин, 1991; Майстренко и др., 1996; Ильин, Сысо, 2001). Понятие «микроэлементы» является более широким, отражая в своем определении преимущественно биологический аспект, тогда как понятие «тяжелые металлы» является более узким и, прежде всего, используется при оценке экологической ситуации.

В литературе неоднократно приводились ряды ТМ по степени их токсичности (Wood, 1974; Kitagishi, 1981; Ильин, 1991). По классификации Дж. Вуда (1974) очень токсичными и относительно распространенными являются следующие ТМ: Be, Со, Ni, Си, Zn, As, Ti, Rb, Ag, Cd, Au, Hg, Pb, Pt, природные циклы которых нуждаются в еще более тщательном изучении с точки зрения экологии. Однако, по мнению В.Б. Ильина (1991)

приоритетными (наиболее токсичными) загрязнителями считаются Щ, РЬ, Сс1, Ъп, Си, Сг, №, Аб, так как их накопление в среде идет наиболее высокими темпами. Большинство авторов к ТМ чаще относят Сг, Со, N1, РЬ, Си, Zn, Сё, реже - Тл, Бе, Мп, V, 8г и др. Ряд токсичности ТМ можно представить следующим образом: Сё > Си > Со = М > Аб > Сг > Ъа > Мп = Бе > РЬ (Алексеев, 1987; Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989; Алексеенко, 1990; Протасова, 1992).

В.Н. Майстренко (1996), С.Л. Давыдова (2002) рассматривают ТМ по степени опасности для живых организмов и выделяют их основные биогеохимические свойства (табл. 1).

Таблица 1

Биогеохимические свойства тяжелых металлов

Свойство Сй Со Си Нё N1 РЬ гп

Биохимическая активность В в в в в в в

Токсичность В У У в У в У

Канцерогенность — в — — в — —

Обогащение аэрозолей В н в в н в в

Минеральная форма распространения в в н в н в н

Органическая форма распространения в в в в в в в

Подвижность в н У в н в У

Тенденция к биоконцентрированию в в У в в в У

Эффективность накопления в У в в У в в

Комплексообразующая способность У н в У н н в

Склонность к гидролизу У н в У У У в

Растворимость соединений в н в в н в в

Время жизни н в в н в н в

Примечание: В — высокая, У — умеренная, Н — низкая

Н.В. Прохорова (1998) представила наиболее обобщенную характеристику геохимической и биологической роли ТМ. Нами были дополнительно проанализированы литературные данные по исследуемым ТМ: Ъи, Бе, Мп, №, Си, Сг, Бг, Шэ, Т1, и изучены пути их техногенного

поступления в окружающую среду. Сводные данные по характеристике ТМ представлены в приложении 1.

Таким образом, анализ литературы показывает, что к ТМ относят более 40 химических элементов, масса атомов которых составляет свыше 40 атомных единиц и превышает плотность 5 г/см . Появление в литературе термина «тяжелые металлы» было связано с проявлением токсичности некоторых металлов и опасности их для живых организмов. В группу «тяжелых» вошли и некоторые микроэлементы, жизненная необходимость и широкий спектр биологического действия которых неопровержимо доказаны.

1.2. Общие представления об источниках загрязнения тяжелыми металлами

Основными источниками поступления ТМ в почву и растения являются естественные (природные) и техногенные (антропогенные) вещества (Алексеев, 1987; Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989; Ильин, 1991; Bheemalingeswana, 1991 и др.).

К естественным источникам ТМ в биосфере в первую очередь относятся горные породы (осадочные, магматические, метаморфические), из продуктов, выветривания которых сформировался почвенный покров (Ковда, 1985, Богдановский, 1994). При этом верхняя мантия, базальты и граниты выступают как первичные, а осадочные породы, воды океанов, живое вещество планеты - как вторичные вместилища ТМ (Ильин, 1991; Аммосова и др., 1989). Кроме горных пород, природными источниками ТМ для основных компонентов биосферы являются космическая и метеорная пыль, подземные воды, геотермальные источники и рассолы, эрозия почв, вулканическая деятельность, лесные пожары, продукты растительного, животного и микробиологического происхождени

Информация о работе

Копылова, Любовь Викторовна
кандидата биологических наук
Чита, 2012
ВАК 03.02.08

Диссертация

Накопление тяжелых металлов в древесных растениях на урбанизированных территориях Восточного Забайкалья - тема диссертации по биологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы