CC BY
31
http://www.uchzap.com ISSN 2500-1701 ISSN 2542-0070 (online)
УДК 502/504
Любовь Викторовна Копылова,
кандидат биологических наук, Забайкальский государственный университет (672039, Россия, г. Чита, ул. Александро-Заводская, 30),
e-mail: [email protected]
Накопление тяжёлых металлов Caragana arborescens Lam. в условиях антропогенного воздействия (Забайкальский край)
Статья посвящена исследованию содержания и особенностям накопления ряда тяжёлых металлов в органах Caragana arborescens в условиях антропогенного воздействия. Приведены данные сравнительного анализа по накоплению тяжёлых металлов в листьях, корне и коре C. arborescens. Показано сравнение содержания ионов железа, стронция, марганца, титана, цинка, меди, хрома, рубидия и никеля в органах изучаемого вида с предельно допустимыми концентрациями (ПДК). Анализ способности C. arborescens к накоплению ионов тяжёлых металлов выявил возможность данного вида концентрировать исследуемые металлы в наибольшем количестве в корнях и коре стебля. Для всех исследуемых металлов наблюдается превышение фоновых значений. На всех участках отмечается превышение норм содержания ионов железа в корне и коре стебля, в пос. Первомайский - превышение критической концентрации. В Чите в листьях C. arborescens превышена норма содержания стронция, которая также превышена в коре стебля на фоновом участке и в Чите. Отмечается превышение ПДК хрома во всех органах и на всех участках. Данный вид может рекомендоваться для озеленения урбанизированных территорий и санитарно-защитных зон, для максимального очищения окружающей среды от опасных выбросов тяжёлых металлов. Полученные данные могут служить основой для мониторинга и оценки экологической ситуации на исследуемых территориях.
Ключевые слова: тяжёлые металлы, антропогенное воздействие, загрязнение окружающей среды, предельно допустимые концентрации, Caragana arborescens
Lyubov V. Kopylova,
Candidate of Biology, Transbaikal State University (30 Aleksandro-Zavodskaya st., Chita, 672039, Russia),
e-mail: [email protected]
Accumulation of Heavy Metals Caragana arborescens Lam. in the Conditions of Anthropogenic Influence (Zabaikalsky Krai)
The paper is devoted to the study of content and characteristics of accumulation of some heavy metals in Caragana arborescens organs in the conditions of anthropogenic influence. The data of the comparative analysis on accumulation of heavy metals in C. arborescens leaves, root and cortex are given. We present the comparison in the ion content of iron, strontium, manganese, titanium, zinc, copper, chromium, rubidium, and nickel with maximum allowable concentration. Analysis of C. arborescens ability to accumulate ions of heavy metals shows that this species can concentrate the metals studied in the largest amounts in roots and stem bark. There is an excess in concentrations for all the metals studied. All areas studied are characterized by exceeding the norm content of iron ions in root and stem bark, there is an exceedance of critical concentration in the settlement of Pervomaisky. In Chita, strontium content in C. arborescens leaves exceeds the norm, at background site and in Chita it exceeds in stem bark. Exceeding maximum allowable concentration of chromium is observed in all organs and in all areas. This species can be recommended for planting of greenery in urbanized territories and sanitary-hygienic zones, for maximum environmental cleanup from dangerous heavy metal emissions. The findings can be the ground for monitoring and evaluation of ecological situation on the territories studied.
Keywords: heavy metals, anthropogenic impact, environmental pollution, maximum allowable concentrations, Caragana arborescens
20
© Копылова Л. В., 2017
Введение. В последние десятилетия в связи с ростом городов, развитием их инфраструктуры всё более сложной становится проблема создания нормальных условий для жизни и деятельности человека, ввиду усиления его отрицательного влияния на окружающую среду. Городская растительность является средовосстанавливающей системой, которая обеспечивает комфортные условия для проживания людей, регулирует газовый состав воздуха, степень его загрязнённости, климат городских территорий, снижает шумовой эффект, выступает источником для эстетического отдыха людей [1; 4].
Растения способны накапливать в своих органах химические элементы, в том числе и тяжёлые металлы, поступающие в воздушный бассейн городов с выбросами промышленных предприятий, тепловых электростанций, автотранспорта и т. д. Тяжёлые металлы (ТМ) обладают высокой токсичностью, их избыточное содержание в среде обитания или в пище - негативный эффект для биосферы в целом, поэтому способность растений концентрировать в своих органах и тканях металлы-загрязнители используется человеком уже многие десятилетия [8; 13].
Декоративное южное растение карагана древовидная - Caragana arborescens Lam. (С. arborescens) - стало популярной частью облика урбанизированных территорий Забайкальского края из-за высоких адаптационных возможностей вида, его пластичности, биологической устойчивости к воздействию газов и тяжёлых металлов [2; 8]. В связи с этим вопрос по изучению накопления некоторых ионов тяжёлых металлов в органах С. arborescens в урбоэкоси-стемах Забайкальского края является достаточно актуальным.
Данная работа является частью комплексных исследований территорий Забайкальского края по аккумуляции ТМ в почвах и растениях в 2007-2012 гг. [3; 5-7].
Целью исследования являлось изучение содержания и особенностей накопления некоторых ТМ в органах С. arborescens в условиях антропогенного воздействия (Забайкальский край).
Материалы и методы исследования. Исследования проводились в течение летнего вегетационного периода 2009 г. в административных границах Забайкальского края на участках с различным уровнем антропогенного воздействия: в г. Чита (Читинский район), пос. Первомайский (Шилкинский район), пос. Новоорловск (Агинский район). Фоновым участком приняты окрестности с. Беклемишево (Читинский район) в связи с удалённостью от основных источников загрязнения. Сбор растительного материала проводили по общепринятым методикам [11]. Для качественного и количественного определения валового содержания ионов ТМ в золе растений использовали рентгенофлуоресцентный метод анализа (спектрометр S4 Pioneer). Исследования проводились в лаборатории рентгеновских методов анализа института геохимии г. Иркутск.
Результаты и их обсуждение. Карагана древовидная (Caragana arborescens), семейство Fabaceae - Бобовые - крупный однодомный листопадный кустарник до 6 м высотой, с густой, мелко-ветвистой кроной. Цветёт после облиствления в середине мая - начале июня, плодоносит в конце июня - июле. Плод - кожистый цилиндрический боб длиной 6 см. Семена рассеиваются в июле - августе. С. arborescens размножается семенами, корневыми отпрысками, летними черенками, растёт быстро. Мезофит, светолюбив, солеустойчив, газоустойчив, высокозимостоек и засухоустойчив. Медоносное, лекарственное, техническое и кормовое растение. С. arborescens - неприхотливый вид, который незначительно поражается вредителями и болезнями, при повреждении газами быстро восстанавливает листву, долговечный (50-60 лет). Ареал: Сибирь, Монголия, Казахстан. Данный вид используется в лесозащитных полосах, для закрепления подвижных субстратов [2; 9].
Основной проблемой загрязнения окружающей среды ТМ населённых пунктов пос. Первомайский и пос. Новоорловск являются горные предприятия, осуществляющие добычу минеральной руды открытым (карьерным) способом. Дополнительное поступление ТМ в среду обитания посёлков связано с загрязнением окружающей среды грузовым автотранспортом, доставляющим добытую руду к месту переработки, легковым автотранспортом, ТЭЦ, продуктами сжигания топлива, городского мусора и т. д. Город Чита географически расположен в котловине у подножия сопок, в связи с этим атмосферные загрязнители задерживаются, создавая дымовую завесу и увеличивая тем самым концентрацию загрязняющих веществ в атмосфере. Главными источниками поступления ТМ в окружающую среду города являются: две теплоэлектростанции, золошлакоотвалы, автомобильный, железнодорожный и авиа-
транспорт, предприятия по изготовлению строительных материалов, очистные сооружения, полигон твёрдо-бытовых отходов и т. д. [10; 14].
Для выявления загрязнения окружающей среды исследуемых урбанизированных территорий железом, цинком, марганцем, медью, никелем, хромом, стронцием, рубидием и титаном нами изучался элементный состав листьев, корня и коры стебля C. аrborescens. Нормирование ТМ в растениях представлено по Н. В. Прохоровой (1998) [12].
Результаты исследований показали, что C. arborescens из всех исследуемых металлов больше всего накапливает в своих органах железо (рис. 1). Максимальное количество элемента определяется в корне (410,0-815,5 мг/кг) и коре стебля (380,0-505,0 мг/кг), минимальное же его содержание отмечается в листьях (130,0-220,0 мг/кг), что наблюдается на всех исследуемых участках. Превышение фоновых значений железа отмечается во всех органах. На всех участках превышена норма содержания железа в корне и коре стебля (20,0-300,0 мг/кг) [12]. В пос. Первомайский в корне C. arborescens металл содержится в количестве, которое превышает установленную критическую концентрацию железа в растениях (750,0 мг/кг) [12].
Во всех исследуемых органах C. arborescens нами наблюдается высокая концентрация ионов стронция (рис. 1). Наибольшая аккумуляция элемента определена в коре стебля (117,5-193,0 мг/кг) и листьях (74,5-157,0 мг/кг), наименьшая - в корне (48,0-99,5 мг/кг). Прослеживается превышение фоновых значений в листьях и корне C. arborescens, произрастающей в г. Чита. Норма содержания стронция в растениях установлена в пределах 113,0 мг/кг [12]. Отмечается превышение данной нормы в листьях в г. Чита в 1,4 раза, в коре стебля - на фоновом участке в 1,7 раз, в г. Чита - в 1,5 раза.
На участках с повышенной антропогенной нагрузкой ионы марганца в органах C. arbor rescens больше всего концентрируются в листьях (51,5-109,5 мг/кг), меньше - в коре стебля (37,0-42,0 мг/кг) и корне (26,5-48,0 мг/кг) (рис. 1). Во всех исследуемых органах прослеживается превышение фоновых значений исследуемого элемента. Нормы содержания марганца в растениях (25,0-250,0 мг/кг) [12] не превышены ни на одном из участков.
Накопление ионов титана в наибольшей степени прослеживается в корне (39,087,0 мг/кг) и коре стебля (33,0-56,0 мг/кг), в наименьшей - в листьях (9,0-20,5 мг/кг) C. arbor rescens (рис. 1). Во всех исследуемых органах отмечается превышение фоновых значений содержания исследуемых ионов. Нормальным считается содержание ионов титана в пределах 0,15-80,0 мг/кг [12]. Немного превышены эти показатели (87,0 мг/кг) в корне C. arborescens на участке в пос. Первомайский.
На всех исследуемых участках ионы цинка в органах C. arborescens максимально аккумулируются в коре стебля (25,0-30,0 мг/кг) (рис. 1), превышая в небольших количествах фоновые значения в пос. Первомайский и пос. Новоорловск. Минимально концентрируются ионы в корне (18,0-23,0 мг/кг). Предельно допустимая концентрация цинка в растениях соответствует 150,0-300,0 мг/кг [12], на исследуемых участках она не превышена.
Содержание ионов меди в растительных образцах C. arborescens не превышает 8 мг/кг сухого вещества на всех исследованных участках. На рис. 2 видно, что металл в корнях накапливается в количестве 7,0-8,0 мг/кг, в листьях - 6,0-8,0 мг/кг, превышая в небольших количествах фоновые значения и не превышая ПДК меди в растениях (15,0-20,0 мг/кг) [12].
В ходе проведённых исследований по определению ионов хрома в различных органах C. arborescens нами установлено, что элемент накапливается в наибольших количествах в корнях (6,7-14,0 мг/кг) и коре стебля (5,7-9,0 мг/кг), в наименьших - в листьях (2,6-3,5 мг/кг) (рис. 2). Отмечается превышение фоновых значений в коре стебля в среднем в 1,4 раза, в листьях - в среднем в 1,5 раза. На всех участках в исследуемых органах C. arborescens наблюдается превышение ПДК хрома (1,0-2,0 мг/кг) [12]. Наибольшее количество элемента отмечается в корне на фоновом участке (в 7 раз) и пос. Первомайский (в 5,7 раз).
На всех участках содержание ионов рубидия в листьях C. arborescens отмечается в пределах 4,5-6,0 мг/кг (рис. 2). Сходные концентрации элемента отмечены в корне и коре стебля (3,0 и 4,5 мг/кг соответственно). Литературные данные не содержат информации о ПДК, нормальном и фитотоксичном содержании рубидия в растениях, поэтому на исследуемых участках мы сравниваем аккумуляцию элемента органами C. arborescens с фоновыми показателями. На участке в пос. Первомайский и пос. Новоорловск нами отмечается превышение фоновых значений рубидия в листьях C. arborescens, а на территории всех исследуемых участков -в корне и коре стебля.
Рис. 1. Среднее содержание Fe, Sr, Mn, Ti и Zn в органах Caragana arborescens, мг/кг (2009 г.) Fig. 1. Average content of Fe, Sr, Mn, Ti and Zn in organs of Caragana arborescens, mg/kg (2009)
Рис. 2. Среднее содержание Cu, Cr, Rb и Ni в органах Caragana arborescens, мг/кг (2009 г.) Fig. 2. Average content of Cu, Cr, Rb and Ni in organs of Caragana arborescens, mg/kg (2009)
Ионы никеля слабо аккумулируются органами C. arborescens на всех исследованных участках (рис. 2). Максимальное количество ионов никеля зафиксировано в коре стебля (5,0-6,5 мг/кг) и корне (4,0-5,0 мг/кг), минимальное - в листьях (2,0-2,5 мг/кг). Следует отметить, что на территориях с повышенным антропогенным воздействием (пос. Первомайский и пос. Новоорловск) наибольшее накопление металла происходит в корне и коре стебля, в небольших количествах превышая значение фона. Превышение ПДК никеля в растениях (20,030,0 мг/кг) [12] не наблюдается ни на одном из исследуемых участков.
Заключение. Проведённый анализ способности C. arborescens к накоплению ионов железа, стронция, марганца, титана, цинка, меди, хрома, рубидия и никеля позволил выявить способность данного вида концентрировать исследуемые металлы в большей степени в корнях и коре стебля. Стронций и цинк в наибольших количествах аккумулируются в коре стебля и в листьях. Медь накапливается в корне и листьях. Марганец и рубидий концентрируются в листьях. Для всех исследуемых металлов отмечается превышение фоновых значений. Прослеживается превышение нормы содержания железа в корне и коре стебля на всех исследуемых участках (в пос. Первомайский превышена критическая концентрация элемента). В г. Чита превышена норма содержания стронция в листьях C. arborescens, в коре стебля - на фоновом участке и г. Чита. Для хрома отмечается превышение ПДК в исследуемом виде на всех исследуемых участках.
Таким образом, исследование показало, что C. arborescens способна поглощать различными органами ионы железа, стронция, марганца, титана, цинка, меди, хрома, рубидия и никеля в существенных количествах, тем самым способствуя их временному выводу из круговорота веществ. Данный вид рекомендуется нами для озеленения урбанизированных территорий и санитарно-защитных зон, в целях максимального очищения окружающей среды от опасных выбросов ТМ. Полученные данные могут служить основой для мониторинга компонентов экосистемы в зоне антропогенного воздействия и оценки экологической ситуации на исследуемых территориях. Материалы исследований могут быть использованы при проведении научно-исследовательских работ, связанных с зелёным строительством и лесным хозяйством, а также в учебном процессе вузов Забайкальского края.
Список литературы
1. Бабич Н. А., Залывская О. С., Травникова Г. И. Интродуценты в зелёном строительстве северных городов. Архангельск: Арханг. гос. техн. ун-т, 2008. 144 с.
2. Бухарина И. Л., Поварницина Т. М., Ведерников К. Е. Эколого-биологические особенности древесных растений в урбанизированной среде. Ижевск: Ижевская ГСХА, 2007. 216 с.
3. Войтюк Е. А. Аккумуляция тяжёлых металлов в почве и растениях в условиях городской среды (на примере г. Чита): автореф. дис. ... канд. биол. наук: 03.02.08. Улан-Удэ, 2011. 22 с.
4. Горышина Т. К. Растение в городе. Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1991. 152 с.
5. Ефименко Е. А., Лескова О. А., Якимова Е. П. Роль растений в детоксикации тяжёлых металлов в городской среде // Естественные и технические науки. М.: Спутник*, 2008. № 5. С. 59-63.
6. Копылова Л. В. Накопление тяжёлых металлов в древесных растениях на урбанизированных территориях Восточного Забайкалья: автореф. дис. ... канд. биол. наук: 03.02.08. Улан-Удэ, 2012. 24 с.
7. Краснопёрова Л. В., Ефименко Е. А., Лескова О. А., Якимова Е. П. Накопление тяжёлых металлов древесными растениями г. Читы // Проблемы озеленения городов Сибири и сопредельных территорий: материалы междунар. науч.-практ. конф. Чита, 2009. С. 64-67.
8. Кулагин А. А., Шагиева Ю. А. Древесные растения и биологическая консервация промышленных загрязнителей. М.: Наука, 2005. 190 с.
9. Курбатский В. И. Caragana Lam. - Карагана // Флора Сибири. Fabaceae (Leguminosae). Новосибирск: Наука, 1994. Т. 9. С. 13-15.
10. Малая энциклопедия Забайкалья. Природное наследие. Новосибирск: Наука, 2009. 698 с.
11. Методические рекомендации по проведению полевых и лабораторных исследований почв и растений при контроле загрязнения окружающей среды металлами / под ред. Н. Г. Зырина, С. Г. Малахова. М.: Гидрометеоиздат, 1981. 109 с.
12. Прохорова Н. В., Матвеев Н. М., Павловский В. А. Аккумуляция тяжёлых металлов дикорастущими и культурными растениями в лесостепном и степном Поволжье. Самара: Изд-во Самар. ун-та, 1998. 131 с.
13. Черненькова Т. В. Реакция лесной растительности на промышленное загрязнение. М.: Наука, 2002. 191 с.
14. Юргенсон Г. А. Минеральное сырьё Забайкалья. Ч. 1. Чёрные и цветные металлы. Чита: Поиск, 2006. 56 с.
References
1. Babich N. A., Zalyvskaya O. S., Travnikova G. I. Introdutsenty v zelenom stroitel'stve severnykh gorodov. Arkhangelsk: Arkhang. gos. tekhn. un-t, 2008. 144 s.
2. Bukharina I. L., Povarnitsina T. M., Vedernikov K. E. Ekologo-biologicheskie osobennosti drevesnykh rastenii v ur-banizirovannoi srede. Izhevsk: Izhevskaya GSKhA, 2007. 216 s.
3. Voityuk E. A. Akkumulyatsiya tyazhelykh metallov v pochve i rasteniyakh v usloviyakh gorodskoi sredy (na primere g. Chita): avtoref. dis. ... kand. biol. nauk: 03.02.08. Ulan-Ude, 2011. 22 s.
4. Goryshina T. K. Rastenie v gorode. L.: Izd-vo Leningr. un-ta, 1991. 152 s.
5. Efimenko E. A., Leskova O. A., Yakimova E. P. Rol' rastenii v detoksikatsii tyazhelykh metallov v gorodskoi srede // Estestvennye i tekhnicheskie nauki. M.: Sputnik+, 2008. № 5. S. 59-63.
6. Kopylova L. V. Nakoplenie tyazhelykh metallov v drevesnykh rasteniyakh na urbanizirovannykh territoriyakh Vo-stochnogo Zabaikal'ya: avtoref. dis. ... kand. biol. nauk: 03.02.08. Ulan-Ude, 2012. 24 s.
7. Krasnoperova L. V., Efimenko E. A., Leskova O. A., Yakimova E. P. Nakoplenie tyazhelykh metallov drevesnymi rasteniyami g. Chity // Problemy ozeleneniya gorodov Sibiri i sopredel'nykh territorii: materialy mezhdunar. nauch.-prakt. konf. Chita, 2009. S. 64-67.
8. Kulagin A. A., Shagieva Yu. A. Drevesnye rasteniya i biologicheskaya konservatsiya promyshlennykh zagryaznitelei. M.: Nauka, 2005. 190 s.
9. Kurbatskii V. I. Caragana Lam. - Karagana // Flora Sibiri. Fabaceae (Leguminosae). Novosibirsk: Nauka, 1994. T. 9. S. 13-15.
10. Malaya entsiklopediya Zabaikal'ya. Prirodnoe nasledie. Novosibirsk: Nauka, 2009. 698 s.
11. Metodicheskie rekomendatsii po provedeniyu polevykh i laboratornykh issledovanii pochv i rastenii pri kontrole za-gryazneniya okruzhayushchei sredy metallami / pod red. N. G. Zyrina, S. G. Malakhova. M.: Gidrometeoizdat, 1981. 109 s.
12. Prokhorova N. V., Matveev N. M., Pavlovskii V. A. Akkumulyatsiya tyazhelykh metallov dikorastushchimi i kul'turnymi rasteniyami v lesostepnom i stepnom Povolzh'e. Samara: Izd-vo Samar. un-ta, 1998. 131 s.
13. Chernen'kova T. V. Reaktsiya lesnoi rastitel'nosti na promyshlennoe zagryaznenie. M.: Nauka, 2002. 191 s.
14. Yurgenson G. A. Mineral'noe syr'e Zabaikal'ya. Ch. 1. Chernye i tsvetnye metally. Chita: Poisk, 2006. 56 s.
Статья поступила в редакцию 19.11.2016; принята к публикации 25.12.2016 Received: November 19, 2016; accepted for publication: December 25, 2016
Библиографическое описание статьи
Копылова Л. В. Накопление тяжёлых металлов Caragana arborescens Lam. в условиях антропогенного воздействия (Забайкальский край) // Ученые записки ЗабГУ. Сер. Биологические науки. 2017. Т. 12, № 1. С. 20-25.
Reference to the article
Kopylova L. V. Accumulation of Heavy Metals Caragana arborescens Lam. in the Conditions of Anthropogenic Influence (Zabaikalsky Krai) // Scholarly Notes of Transbaikal State University. Series Biological sciences. 2017. Vol. 12, No. 1. PP. 20-25.
