Бюллетень Брянского отделения РБО, 2015. № 1(5). С. 63-69.
Bulletin of Bryansk dpt. of RBS, 2015.
N 1(5). P. 63-69.
ФИЗИОЛОГИЯ И БИОХИМИЯ РАСТЕНИЙ
УДК 574.2
ОПЫТ ХИМИЧЕСКОЙ БРИОИНДИКАЦИИ СОСТОЯНИЯ ВОЗДУХА КРУПНОЙ УРБОЭКОСИСТЕМЫ (НА ПРИМЕРЕ ГОРОДА БРЯНСКА)
© Л. Н. Анищенко
L. N. Anishchenko
Experience of the chemical brioindication of the air condition of a large urban ecosystem (by Bryansk example)
ФГБОУВПО «Брянский государственный университет им.акад. И.Г. Петровского», кафедра экологии и рационального природопользования 241036, Россия, г. Брянск, ул. Бежицкая, 14. Тел.: +7 (4832) 66-67-33, e-mail: [email protected]
Аннотация. Представлены обобщенные данные по химической бриоиндикации с использованием фоновых эпифитных видов зеленых мхов: Pylaisia polyantha, Orthotrichum obtusifolium. Выявлен ряд валовых концентраций тяжелых металлов бриофитами: Fe > Mn > Zn (Sr) > Cu (Cr) > Pb > As > Ni > Co > V (Ti). Индекс концентрирования - 1,85±0,3, что подтверждает изменение сред обитания в крупном городе Нечерноземья России. Ряд накопления тяжелых металлов в фитомассе гаметофитов зеленых мхов по коэффициенту накопления представлены рядом: Fe (Zn) > Cu > Mn > Sr >Ni > Pb > As > Cr > V (Ti, Co). Картографирование содержания ТМ в эпифитных мхах позволило провести территориальное зонирование территории крупного города по общему загрязнению воздуха.
Ключевые слова: мохообразные, бриоиндикация, тяжелые металлы, Брянская область.
Abstract. The generalized data on chemical brioindication using background epiphytic species of green moss: Pylaisia polyantha, Orthotrichum obtusifolium are given. We identified a number of total concentrations of heavy metals in bryophytes: Fe > Mn Zn (Sr) > Cu (Cr) > Pb > As >Ni > Co > V (Ti). The index of concentration is 1,85±0,3 that confirms the change of the habitats in a city of the Nechernozemye of Russia. The number of heavy metals accumulation in the phytomass of gametophytes of green mosses by accumulation factor is represented by the chain: Fe (Zn) > Cu > Mn > Sr > Ni > Pb > As > Cr > V (Ti, Co). Mapping of the content of heavy metals in epiphytic mosses allowed to carry out territorial zoning of a large city according to the general air pollution.
Keywords: mosses, brioindication, heavy metals, Bryansk region.
Введение
Флора мохообразных крупных городов России изучена достаточно полно. Для крупного города Нечерноземья России - Брянска - выявлена бриофлора, представлены результаты бриоиндикации общего состояния воздуха за 18-летний период с использованием синтетических индексов (Анищенко, 2009, 2012). В настоящее время в связи с рекомендациями международных организаций по ведению глобального мониторинга трансграничных загрязнителей развивается направление химической бриоиндикации (Folkeson, 1979; Ruhling et al., 1987; Красногорская и др., 2007; Winfried, 2008; Ашихмина, 2009; Серебрякова, 2009; Рогова и др., 2011; Королева, Пухлова, 2012 и др.). В последнее десятилетие бриофиты как аккумулятивные и чувствительные биоиндикаторы, формирующие наземный, эпифитный и эпилитный покров в течение ряда лет, имеющие хорошо развитую сорбционную поверхность, широко используются как биотесты атмосферных выпадений (Ермакова, 2006). Для крупной урбоэкосистемы актуально накопление экомониторинговых данных по содержанию элементов группы тяжелых металлов (ТМ) в диагностике состояния воздуха.
Цель работы - обобщить данные химической бриоиндикации на примере модельных эпифитных видов как базы экоаналитических исследований в биомониторинге.
Материалы и методы
Для анализа химического состава собирались фоновые (наиболее распространённые) виды эпифитных мхов (гаметофиты), кора деревьев-форофитов. Содержание элементов группы тяжелых металлов (ТМ) определялось в биомассе Pylaisia polyantha (Hedw.) B. S. G. и Orthotrichum obtusifolium Brid. Образцы коры отбирались в момент сбора мхов в соответствии с методическими документами (Руководство ЕМЕП, 2001; Harmens et al., 2010) в 64 учётных квадратах в пределах четырёх административных районов города Брянска.
В районе исследований пробы изымались на трансектах методом маршрутного хода, в каждом из квадратов обследовано по 60 форофитов. Для исследований выбиралось деревья, равномерно освещенные, без искривлений, с учетом возможности проведения обследования участка ствола на высоте до 2 м. На объектах эпифитную бриофлору изучали на видах деревьев: Tilia cordata1, Betula pendula, Acer platanoides, Populus trémula, P. nigra, Quercus ro-bur. Собранные образцы подвергалась общепринятой камеральной обработке для пробо-подготовки к работе на спектрометре «Спектроскан-Макс» фирмы Spectron (Методика..., 2004). Подготовку проб к анализу валового содержания ТМ осуществляли в соответствии с ОСТ 10259-2000, высушивание проб до сухого состояния проводили при температуре 105°С. Проанализирован 151 образец биомассы и столько же - коры как субстрата. Фоновые концентрации ТМ в двух видах мхов исследованы в урочище Рыжуха (Навлинский р-н; Нуруссо-Деснянское Полесье, биосферный резерват).
Коэффициенты накопления (Кн) рассчитывались как отношение концентрации элемента (ТМ) в биомассе растений к концентрации его в коре форофита (Лес. Человек. Чернобыль, 1999). Индекс концентрирования ТМ рассчитан по формуле:
п
где Ci - содержание i металла, Сф содержание i металла на фоновой территории, n - число определяемых ТМ (Harmens et al., 2010).
Создание картосхем с изолиниями валовой концентрации тяжелых металлов произведено с применением пакета программ MapInfo 11.0 на основе топографической карты Брянской области масштаба 1 : 75 000 (Карты городов России. Брянск, 1997). Статистическая обработка результатов проведена в программе STATISTICA 6.0.
Результаты и их обсуждение
Для урбанизированных районов особенно актуален выбор приоритетных «показательных» видов для любого вида мониторинга. Зелёные насаждения, лесопарки и лесные массивы в пределах городов представляют собой фильтр-барьер на пути распространяющихся загрязнителей, а эпифитная биота мохообразных - естественные аккумуляторы различных соединений, следовательно, и биотесты. Выбор эпифитных видов бриосообществ для представления данных химической бриоиндикации в данном случае приоритетен перед эпи-гейными и эпилитными видами ценозов, которые испытывают дополнительное влияние на биохимические реакции субстратов их произрастания.
На изучаемой территории обнаруживаются следующие особенности концентрации и накопления ТМ мхами. Валовая концентрация стронция в побегах пилезии многоцветковой и ортотрихума туполистного изменяется от 28,0±2,5 до 130,0±10,8 мг/кг, свинца - от 8,4±0,9 до 40,0±3,7 мг/кг, цинка - от 21, 0±2,1 до 151,0±12,0 мг/кг, меди - от 12,9±1,1 до 45,0±4,2 мг/кг, хрома - от 30,5 ±2,8 до 103, 0±8,7 мг/кг, никеля - от 14,4±1,1 до 21,0±1,9 мг/кг, марганца - от 211,0±13,0 до 1200,0±18,0 мг/кг, железа - от 1200,0±19,0 до 25 000,0±26,0 мг/кг,
1 Названия видов сосудистых растений приведены по С. К. Черепанову (1995), мхов -et я1., 2006).
по М. С. Игнатову и др.
кобальта - от 0 до 2,8±0,4 мг/кг. Содержание ванадия и титана в биомассе бриофитов ниже предела обнаружения прибора. В биомассе образцов зарегистрировано превышение фоновых концентраций по свинцу (максимальное - в 1,1 раза), по мышьяку (максимальное - в 5,6 раза), по цинку (максимальное - в 1,5 раза), по стронцию (максимальное - в 0,6 раза). В 7 образцах побегов бриофитов выявлена выше фоновой концентрация железа (наибольшая - в 1,3 раза). Превышение фонового значения по марганцу, никелю, ванадию и титану не обнаружено ни в одной из проб растительного материала. Повышенные в сравнении с фоновыми территориями концентрации небиогенных ТМ (мышьяка, свинца) свидетельствует о наличии источников загрязнения антропогенного происхождения.
Значения валовой концентрации ТМ в селитебных, промышленных районах города, около путепроводов показаны в табл. 1.
Таблица 1
Валовые концентрации (мг/кг) спектра тяжелых металлов, накапливаемых в гаметофитах эпифитных видов бриофлоры (в местообитаниях г. Брянск, 2011-2013 гг.)
ТМ 1 * 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
8г 44,8 ±4,16 42,1 ±4,36 38,4 ±4,93 31,0 ±3,97 22,1 ±2,38 20,8 ±3,06 131,9 ±9,48 122,1 ±7,83 128,2 ±9,37 89,3 ±6,74 88,9 ±6,35 22,2 ±3,19 18,7 ±1,57 15,4 ±2,05
РЬ 39,9 ±1,37 39,3 ±1,96 38,9 ±1,73 17,0 ±1,24 18,4 ±1,64 28,7 ±1,27 29,6 ±2,36 31,3 ±4,11 28,4 ±3,27 27,1 ±2,49 38,3±4,36 15,5 ±1,35 14,3 ±1,43 10,3 ±1,95
ЛБ 1,0 ±0,97 1,0 ±0,95 1,0 ±0,66 1,0 ±0,64 1,2 ±0,49 1,0 ±0,74 9,3 ±1,18 9,8 ±1,25 7,3 ±1,93 9,4 ±1,75 1,0 ±0,64 1,9 ±0,48 1,5 ±0,59 2,0
гп 108,3 ±9,36 110,9 ±8,94 112,7 ±9,04 103,2 ±8,49 92,4 ±7,29 88,4 ±8,31 68,7 ±6,32 59,3 ±5,21 61,8 ±6,05 96,5 ±7,38 55,8 ±5,38 42,2 ±4,25 44,8 ±4,16 59,2 ±4,53
Си 5,4 ±0,87 3,3 ±0,45 3,8 ±0,64 0 0 0 33,8 ±3,28 31,4 ±3,02 30,2 ±3,64 29,7 ±2,38 21,6 ±2,52 13,7 ±1,75 10,2 ±1,28 11,9 ±1,38
N1 12,4 ±1,04 12,3 ±1,37 18,2 ±1,42 8,1 ±1,94 7,4 ±1,38 8,2 ±1,49 47,9 ±4,52 49,4 ±4,81 39,6 ±4,31 39,2 ±3,97 19,3 ±1,38 11,9 ±1,43 12,8 ±1,53 13,2 ±1,08
Со 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
Бе 1932,1 ±156,38 1013,4 ±172,06 1997,2 ±143,29 1880,3 ±154,73 1243,5 ±146,73 1278,2 ±159,28 11892,5 ±186,26 10269,2 ±134,57 8418,7 ±195,47 9450,1 ±97,93 2110,2 ±172,49 2014,5 ±147,82 1931,2 ±79,26 2226,3 ±96,74
Мп 802,3 ±98,69 902,3 ±79,37 743,9 ±57,83 605,1 ±41,39 602,4 ±46,27 633,8 ±58,95 238,1 ±19,89 705,4 ±39,83 802,8 ±37,84 865,9 ±45,67 621,4 ±59,96 602,9 ±74,93 600,9 ±72,48 569,6 ±49,83
Сг 80,3 ±7,69 81,9 ±8,41 74,4 ±5,49 69,0 ±7,08 59,8 ±4,99 61,1 ±5,26 84,5 ±7,48 88,1 ±7,68 72,5 ±5,39 62,0 ±7,03 74,5 ±7,48 68,3 ±7,38 88,7 ±9,33 90,7 ±6,19
V 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
Т1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
Примечание. * Точки пробоотбора: 1 - ул. Литейная (у автомобильного моста через р. Десна); 2 - ул. Ульянова у перекрестка с ул. Литейной; 3 - ул. Ульянова у гипермаркета «Линия-2»; 4 - ул. Романа Брянского у конечной остановки автобуса № 5; 5 - остановка общественного транспорта «5 микрорайон»; 6 - у бывшего кинотеатра «Комсомольский»; 7 - остановка общественного транспорта «Химчистка»; 8 - остановка общественного транспорта «Телецентр»; 9 - остановка общественного транспорта «Линия» на ул. Московская; 10 - остановка общественного транспорта «Мясокомбинат»; 11 - остановка общественного транспорта «Бежицкий рынок»; 12 - на выезде из Бежицкого р-на в сторону г. Дятьково; 13 - остановка общественного транспорта «46 школа», 14 - п. Радица, остановка общественного транспорта.
Содержание ТМ в побеговой фитомассе Р. ро1уаМка и О. оЬШч/оНит различается статистически недостоверно (¿практ < ¿теор). Ряд валовой концентрации (мг/кг) поллютантов в гаметофитах зелёных мхов представлен: Бе > Мп > гп (8г) > Си (Сг) > РЬ > Лб > N1 > Со > V (Т1).
Сравнительная характеристика валовой концентрации меди, цинка, свинца в образцах видов эпифитной (Россия, г. Брянск, г. Ростов-на-Дону) и эпигейной (Украина, г. Николаев-ка) (Ком1сар, Бойко, 2013) бриофлоры показала следующее. Содержание меди в фитомассе рудерального вида Вгут а^еШеыт Н^'^ превышает (статистически недостоверно) зарегистрированные значения этого ТМ в эпифитных видах. Концентрации цинка гаметофитов эпигейного и эпифитных видов достоверно различны, свинца - практически совпадают. Вероятно, брий серебристый можно использовать как биомаркерный вид для цинка. Для
пилезии многоцветковой как вида биотеста поллютантов состояния атмосферы Ростова-на-Дону (Омельченко, 2013) значения валовой концентрации всех без исключения ТМ выше (от 1,5 до 4,5 раз), чем установленные для Брянска, что, вероятно, обусловлено различной типологией промышленных производств в урбоэкосистемах. Для многих регионов России не представляется возможным провести сравнение данных аккумуляции ТМ видами вследствие выявление не валовой концентрации, а подвижных форм загрязнителей.
Валовое содержание всех ТМ (свинца, меди, стронция, кобальта, никеля, хрома, мышьяка, цинка, железа, марганца, ванадия, титана) в слоевищах фоновых эпифитных лишайников г. Брянска выше, чем у эпифитных мхов (Анищенко и др., 2014; Сафранкова, 2014).
Метод псевдоизолиний позволил выделить три группы зон по содержанию ТМ в побего-вой биомассе эпифитных бриофитов: с низким, средним и высоким содержанием. Для некоторых поллютантов картосхемы зон распространения ТМ показаны на рис. 1-3.
Рис. 1. Изолинии валовой концентрации тяжелых металлов (мг/кг) в гаметофитах эпифитных мхов: (А) меди; (Б) свинца.
Повышенную концентрацию ТМ в воздухе города по определенным зонам выявили рассчитанные ранее синтетические индексы для эпифитных бриосообществ: индексы полеотолерант-ности и индексы атмосферной чистоты (Анищенко, 2009). Зонирование территории г. Брянск показывает районы концентрации загрязнителей, разнокачественность воздуха, вероятно, движение загрязненных воздушных масс, что может быть использовано как основа для химической бриоиндикации и бриомониторинга трансграничных поллютантов.
Индекс концентрирования ТМ для двух видов бриофитов - 1,85±0,3: содержание трансграничных поллютантов в фитомассе Р. ро1уаЫка и О. оЬШч/оНит выше фона, что подтверждает изменение сред обитания в антропогенно преобразованных экосистемах.
Рис. 2. Изолинии валовой концентрации тяжелых металлов (мг/кг) в гаметофитах эпифитных мхов: (А) цинка; (Б) стронция.
А ~ Б
Рис. 3. Изолинии валовой концентрации тяжелых металлов (мг/кг) в гаметофитах эпифитных мхов: (А) хрома; (Б) кобальта.
Коэффициенты накопления ТМ показаны в табл. 2.
Таблица 2
Коэффициенты накопления ТМ для эпифитных бриофитов
Коэффициенты накопления ТМ
8г РЬ ЛБ гп Си N1 Со Бе Мп Сг V Т1
Pylaisia ро1уапАа 1,29 0,72 0,58 1,94 1,72 1,0 0 1,75 1,47 0,47 0 0
ОгЛоМеНит oЬtusifolium 1,55 0,57 0,65 1,82 1,78 1,02 0 2,22 1,73 0,32 0 0
Экологические ряды по аккумулирующей способности зелёных мхов (на основе Кн) к ТМ следующие. О. оЬШ1/о1тт: Бе > гп > Си > Мп; Р. ро1уаПка: Бе > гп > Си > Мп. Зелёные мхи, в отличие от сосудистых растений, не накапливают свинец, мышьяк, так же, как и сосудистые растения не аккумулируют никель, титан, ванадий, хром (Анищенко и др., 2014). Отмечена сопряженная аккумуляция двумя исследованными видами ТМ в парах железо-марганец, цинк-медь. О. оЬШч/оНит - индикаторный (чувствительный) вид (Кн > 2) по отношению к железу. Ряд накопления ТМ в фитомассе гаметофитов зелёных мхов: Бе (гп) > Си > Мп > 8г > N1 > РЬ > Лб > Сг > V (Т1, Со). Для Ростова-на-Дону (Омельченко, 2013) ряд значения коэффициентов накопления ТМ (пилезия многоцветковая) совпадают с рассчитанными для Брянска по цинку, стронцию, кобальту; для остальных поллютантов - не совпадают.
Заключение
Эпифитные бриофиты как аккумулятивные биоиндикаторы перспективны для использования в экоаналитическом контроле качества сред обитания: высокие валовые концентрации небиогенных ТМ в гаметофитах фоновых эпифитных мхов свидетельствуют о существовании антропогенных источников загрязнения атмосферы урбоэкосистемы. Аккумулятивные возможности двух изученных видов зелёных мхов по отношению к ТМ не являются видовым признаком. Ряд валовой концентрации ТМ (мг/кг) поллютантов: Бе > Мп > гп (8г) > Си (Сг) > РЬ > Лб > N1 > Со > V (Т1). Валовое содержание биогенных и небиогенных ТМ в образцах побеговой биомассы эпифитных видов для превышают фоновые значения для пяти поллютантов. Индекс концентрирования - 1,85±0,3, что подтверждает изменение сред обитания в г. Брянск (Нечерноземье России). Картографирование содержания ТМ в эпи-фитных мхах позволило провести территориальное зонирование крупного города по общему загрязнению воздуха. Изолинии валового содержания ТМ в образцах фитомассы выделяют три группы зон общего состояния атмосферного воздуха, показывают направления движения загрязненного воздуха. Зонирование территории урбоэкосистемы по содержанию ТМ в эпифитных бриофитах - основа экомониторинговых исследований и планирования мероприятий по городскому развитию. Зелёные мхи, в отличие от сосудистых растений, не накапливают свинец, мышьяк, так же, как и сосудистые растения не аккумулируют никель, титан, ванадий, хром. По коэффициенту накопления индикаторный вид по отношению к железу - О. оЬШч/оНит (Кн > 2).
Список литературы
Анищенко Л. Н. Бриоиндикация общего состояния атмосферы городской экосистемы (на примере г. Брянска) // Экология. 2009. № 4. С. 264-270.
Анищенко Л. Н, Шапурко В. Н, Сафранкоеа Е. А. Особенности аккумуляции тяжелых металлов растениями и лишайниками в условиях сочетанной антропогенной нагрузки // Фундаментальные исследования. 2014. № 9. Ч. 7. С. 1527-1531.
Анищенко Л. Н. Брио - и лихеноиндикационные шкалы для оценки качества сред обитания (на примере Средней России) [Электронный ресурс] // Современные проблемы науки и образования. 2012. № 5. Режим доступа: Ьйр://'"'.Бс1епсе-е^сайоп.т/105-7080 (дата обращения: 22.06.2013).
Ашихмина Т. Я. Биоиндикаторы и биотестсистемы в оценке окружающей среды техногенных территорий. Киров, 2009. С. 336.
Ермакова Е. В. Совершенствование системы мониторинга атмосферных выпадений тяжелых металлов в промышленных районах Центральной России на основе элементного анализа мхов: Автореф. дис. ...канд. техн. наук. Дубна, 2006. 20 с.
Карты городов России. Брянск. М.: Роскартография, 1997. 20 с.
Королева Ю. В., Пухлова И. А. Новые данные о биоконцентрировании тяжелых металлов на территории Балтийского региона // Вестник Балтийского федерального университета им. И. Канта. 2012. Вып. 1. С. 99-106.
Комюар О. С., БойкоМ. Ф. Важю метали в гаметофгтах моху Bryum аrgenteum Hedw. та Грунтах на територ1ях завод1в мюта Миколаева (Укра1на) // Чорноморський боташчний журнал. 2013. Т. 9. № 4. С. 533-544.
Красногорская Н. Н., Баишева Э. З., Вдовина И. В. Мониторинг содержания тяжелых металлов в атмосфере г. Уфы с использованием листостебельных мхов // Безопасность жизнедеятельности. 2007. N° 9. С. 32-36.
Лес. Человек. Чернобыль. Лесные экосистемы после аварии на Чернобыльской АЭС: состояние, прогноз, реакция населения, пути реабилитации / В. А. Ипатьев и др. Под ред. В. А. Ипатьева. Гомель: Ин-т леса НАН Беларуси, 1999. 396 с.
Методика выполнения измерений массовой доли металлов и оксидов металлов в порошкообразных пробах почв методом рентгенофлуоресцентного анализа. М 049-П/04. СПб: ООО НПО «Спектрон», 2004. 20 с.
Омельченко Г. В. Использование тополя дельтовидного и пилезии многоцветковой в биомониторинге урбоэко-систем (на примере Ростова-на-Дону): Автореф. ...дисс. канд. биол. наук. Ростов-на-Дону, 2013. 25 с.
Рогова Н. С., Рыжакова Н. К., Борисенко А. Л., Меркулов В. Г. Изучение аккумуляционных свойств мхов, используемых при мониторинге загрязнения атмосферы // Оптика атмосферы и океана. 2011. 24. № 1. С. 79-83.
Руководство ЕМЕП по отбору проб и химическому анализу / пер. с англ.; под ред. А. Г. Рябошапко. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://tarantula.nilu.no/projects/ccc/manual/indexhtml. Дата обращения: 22.06.2013.
Сафранкова Е. А. Комплексная лихеноиндикация общего состояния атмосферы урбоэкосистем: Автореф. ...дис. канд. биол. наук. Брянск, 2014. 24 с.
Серебрякова Н. Н. Эколого-биологические особенности листостебельных мхов и использование их в экологическом мониторинге: на примере Пензенской области: Дис. ... канд. биол. наук. Саратов, 2009. 132 с.
Черепанов С. К. Сосудистые растения России и сопредельных государств. СПб: Мир и семья, 1995. 992 с.
Ignatov M. S., Afonina O. M., Ignatova E. A. et al. The check-list of mosses of East Europe and North Asia // Arctoa. 2006. T. 15. 1-130 p.
Folkeson L. Interspecies calibration of heavy metal concentration in nine mosses and lihens: applicability to deposition measurement // Water, Air and Soil Pollution. 1979. N 11. Р. 253.
Harmens H. et al. Monitoring of atmospheric deposition of heavy metals, nitrogen and POPs in Europe using Bryo-phytes. Monitoring Manual. Bangor: ICP Vegetation Coordination Centre, 2010. 9 р.
Ruhling et al. Survey of atmospheric heavy metal deposition in the Nordic countries in 1985 monitored by moss analyses. NORD, 1987. 54 р.
Winfried S. Metal accumulation in mosses across national boundaries // Uncovering and ranking causes of spatial variation Environmental Pollution. N 151. 2008. Р. 377-388.
Сведения об авторах
Анищенко Лидия Николаевна
д. с.-х. н., профессор кафедры экологии
и рационального природопользования
ФГБОУ ВПО «Брянский государственный университет
им. акад. И. Г. Петровского», Брянск
E-mail: [email protected]
Anishchenko Lidia Nikolaevna
Sc. D. in Agriculture science, Professor of the Department of Ecology and Rational environmental management
Bryansk State University named after Acad. I. G. Petrovsky, Bryansk E-mail: [email protected]