CC BY
198
ВЕСТНИК ПЕРМСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
2010 БИОЛОГИЯ Вып. 3
ЭКОЛОГИЯ
УДК 581.9
ЗАГРЯЗНЕНИЕ ПОЧВ ПРИДОРОЖНЫХ ГАЗОНОВ Г. ПЕРМИ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ,
ИХ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ В ВЕГЕТАТИВНЫХ И ГЕНЕРАТИВНЫХ ОРГАНАХ И ВЛИЯНИЕ НА ФЕРТИЛЬНОСТЬ И ЛИНЕЙНЫЕ РАЗМЕРЫ ПЫЛЬЦЕВЫХ ЗЕРЕН TARAXACUM OFFICINALE S.L.
Р. В. Кайгородов, Л. В. Новоселова, Е. В. Мозжерина
Пермский государственный университет, 614990, Пермь, ул. Букирева, 15; [email protected]; (342)2396489
Представлены результаты изучения характера накопления тяжелых металлов в почвах придорожных газонов, а также в вегетативных и генеративных органах одуванчика лекарственного Taraxacum officinale s.l. Установлен высокий уровень фертильности пыльцевых зерен. Сделан вывод, что обнаруженные концентрации тяжелых металлов в почве и пыльце не оказывают существенного влияния на показатели фертильности и линейные размеры пыльцевых зерен.
Ключевые слова: городские экосистемы; тяжелые металлы; Taraxacum officinale Wigg. s.l.; фертильность пыльцевых зерен; размеры пыльцевых зерен; придорожные газоны.
Введение
В почвы придорожных экосистем с продуктами сгорания топлива, аэрозольными частицами (за счет коррозии металлических частей автомобилей, износа проезжих частей дорог, колес и тормозных колодок) постоянно поступает широкий спектр тяжелых металлов. В городах к автомобильному транспорту добавляется деятельность промышленных предприятий и коммунального хозяйства, которые усиливают эмиссию загрязняющих веществ в городские экосистемы. Табл. 1 дает представление о разнообразии тяжелых металлов, поступающих в придорожные полосы, и об их источниках.
Таблица 1
Источники поступления химических элементов в придорожных полосах (по: Fritsche, Becker, 1992)
Источник Элемент
Выхлопные газы Pb, Ni
Износ проезжей части Si, Ca, Mg, тяжелые металлы
Износ колес Cd, Zn, Pb, Cr, Cu, Ni
Износ тормозных колодок Cr, Cu, Ni, Pb, Zn
Г орюче-смазочный материал Pb, Ni, Zn, Cu, V, Cr
Коррозия автомобилей Cu, Pb, Zn
Антигололедные средства Na, Ca, Mg
Тяжелые металлы, поступающие в городские экосистемы, накапливаются в организме растений. Процессы поступления загрязняющих веществ в растения достаточно сложны и зависят от множества факторов: характера загрязняющего вещества, его концентрации, морфологических и физиологических особенностей растений, их возраста, условий окружающей среды. Накапливаясь в органах и тканях растений, тяжелые металлы могут оказывать негативное воздействие на физиологические процессы растений. В целом для распределения металлов в растении характерен следующий ряд убывания: корень > стебель > лист > плоды (семена).
Содержание тяжелых металлов в генеративных органах растений, как правило, невелико, что имеет большое биологическое значение для сохранения способности к репродукции (Ильин, 1991). Однако исследования некоторых авторов свидетельствуют о том, что тяжелые металлы способны к перемещению в генеративные органы растений (Захарова, 1985; Hart et al., 1998; Harris, Taylor,
2001). При значительном повышении уровня содержания металлов в почвах их содержание в генеративных органах увеличивается (Arao, Ae, Sugiyama, 2003). По мнению ряда авторов (Жуйко-ва, Северюхина, Пришинская, 2003), тяжелые металлы обладают негативным действием на генеративную сферу растений. В частности, под влиянием тяжелых металлов может снижаться доля фер-
© Кайгородов Р. В., Новоселова Л. В., Мозжерина Е. В., 2010
30
тильных пыльцевых зерен и, соответственно, повышаться количество стерильной пыльцы. Особое место среди внешних факторов, влияющих на регуляцию репродуктивных процессов, занимает тип загрязнения, концентрация загрязнителей и продолжительность воздействия, а также форма их соединений (Анисимова, Лянгузова, Шамров, 2000).
Наиболее интенсивному воздействию тяжелых металлов подвержены растения придорожных полос в селитебных экосистемах. Исследование влияния техногенного загрязнения на состояние генеративной сферы растений в этих экстремальных экологических условиях представляет несомненный научный и практический интерес в плане изучения закономерностей распределения загрязнителей в объектах городских экосистем и оценки реакции растений на химическое загрязнение.
Материалы и методы
Объектами наших исследований послужили почвы придорожных газонов г. Перми и растения одуванчика лекарственного Taraxacum officinale Wigg. s.l. Одуванчик относится к факультативным апомиктам. (В основных сводках, посвященных апомиксису, одуванчик лекарственный числится как автономный (облигатный) или, иногда, как факультативный (Цвелев Н.Н. Род 19. Одуванчик - Taraxacum Wigg. // Флора европейской части СССР. 1989. Т. 8. С. 61-62.) апомикт. Более того, у части микровидов (в том числе и встречающихся в г. Перми) пыльца вообще не образуется, что является таксономическим признаком (прим. отв. ред. - С.О. )).В пределах вида выделяют большое количество апо-миктических микровидов, обитающих в одних биотопах и утративших способность к перекрестному опылению. Одуванчик является прекрасным объектом для экотоксикологических исследований (Жуй-кова, Северюхина, Пришинская, 2003). Отбор почвенных и растительных образцов проводили в разных зонах г. Перми: центральной (ул. Ленина), при-
легающей к центру (ш. Космонавтов), удаленной от центра (ул. Швецова) и с относительно низкой автотранспортной нагрузкой (ул. Генкеля), контрольной. Вдоль каждой улицы закладывали по три ключевых участка, на которых отбирали смешанные пробы почвы газонов (слой 0-15 см) и растения одуванчика (надземные органы и корни).
Валовое содержание тяжелых металлов определяли методом эмиссионной оптической спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (ICP-OES) после мокрого озоления смесью концентрированных азотной и соляной кислот в микроволновой системе пробоподготовки в Институте экологии и химии окружающей среды университета г. Люнебурга (Германия). Показатели фертильности пыльцевых зерен определяли ацетокарминовым методом.
Результаты и их обсуждение
Почва
Количество кобальта в исследуемых почвах (табл. 2) не превышало максимальной концентрации в почвенном субстрате газонов центральной части г. Перми (27,8 мг/кг) (Ворончихина, Ларионова, 2002). ПДК для валового содержания кобальта в почвах не разработано. Содержание меди несколько выше фонового показателя, установленного для почв Среднего Урала. Содержание никеля существенно ниже концентраций, установленных для почв зеленых насаждений центральной части г. Перми (182,5 мг/кг). При этом содержание никеля в исследуемой почве не превышает ПДК. Цинк находится в исследуемых почвах в количествах, несколько превышающих среднее содержание в почвах (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989). Однако его концентрации в почвах газонов в 2 раза ниже ПДК.
Содержание свинца в исследуемых почвах в 2,53 раза превышает верхнюю границу средних валовых концентраций почв (Ворончихина, Ларионова,
2002) и ПДК (ГН 2.1.7.2041-06).
Таблица 2
Содержание тяжелых металлов в почвах газонов г. Перми (мг/кг) и показатель суммарной токсической нагрузки (относительные единицы)
Элемент Зона ПДК*
центральная прилегающая к центру удаленная от центра контрольная
Co 8,73±G,23 1G,67±2,45 11,23±3,87 9,44±G,65 5
Cu 25,86±1,54 27,G4±1,56 27,17±2,34 29,68±2,13 55
Ni 39,42±2,73 37,68±5,65 29,92±2,34 5G,6G±3,54 85
Zn 47,4G±5,45 63,8G±9,76 59,3G±7,43 67,28±3,34 100
Pb 69,45±9,21 84,79±7,89 65,79±4,51 69,66±7,87 30
Si 3,11 3,11 2,63 1,28
*- ГН 2.1.7.2041-06 «Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в почве»; ± - стандартное отклонение.
Техногенное загрязнение в почвах городов ются суммарный показатель токсической нагрузки
обычно имеет полиэлементный состав, поэтому в ^), характеризующий степень загрязнения целой
практике экологических исследований использу- ассоциацией элементов (табл. 2). Этот показатель
вычисляют по следующей формуле:
Si=I у 9- ,
п Сф
где О - содержание элемента в исследуемой почве, Сф - фоновое содержание элемента, п - число элементов с О > Сф.
По величине показателя Si выделяют следующие зоны по токсической нагрузке: фоновая зона -1,00-1,47 относительных единиц; буферная зона -2,54-8,38 относительных единиц; импактная зона -22,78-33,00 относительных единиц (Безель, Жуй-кова, Позолотина, 1998).
Максимальный суммарный показатель загрязнения установлен в центральной и прилегающей к центру зонах г. Перми, минимальный - в контрольной зоне (пешеходная часть). Среди элементов наибольшим превышением фонового уровня во всех зонах города отличался свинец (в 7,5-8,5 раз).
Аккумуляция тяжелых металлов
Согласно ранжированию по уровню техногенного загрязнения исследованные участки г. Перми относятся к буферной и фоновой зонам и не входят в импактную зону, характеризующуюся максимальным уровнем техногенной нагрузки.
Для оценки степени техногенной аккумуляции тяжелых металлов в почвах рассчитаны коэффициенты геохимической миграции (Кгхм) как отношение содержания металла в почве к кларку элемента в литосфере (по Ферсману, 1934).
В исследуемых почвах (табл. 3) наблюдается геохимическое рассеивание большинства металлов (Кгхм < 1), что свидетельствует об отсутствии их техногенной аккумуляции в почвах газонов. В то же время содержание свинца в 4-5 раз превышает кларки литосферы (Ферсман, 1934), что говорит об его активном техногенном поступлении в почвы придорожных газонов г. Перми.
Таблица 3
в почвах газонов (Кгхм) г. Перми
Элемент Зона
центральная прилегающая к центру удаленная от центра контрольная
Со 0,44 0,51 0,49 0,49
Си 0,26 0,27 0,27 0,30
№ 0,20 0,20 0,15 0,25
2п 0,24 0,32 0,30 0,34
РЬ 4,34 5,30 4,11 4,35
Растения
Для оценки уровней накопления тяжелых металлов в органах одуванчика лекарственного были рассчитаны коэффициенты накопления (Кн) как отношение содержания металла в органе растения к содержанию металла в почве.
Сравнение коэффициентов (табл. 4) показало, что наиболее активно в органах одуванчика лекарственного на всех изученных участках накапливается кобальт. Исключение составляет пыльца, где коэффициенты накопления кобальта меньше 1. Минимальные уровни накопления установлены для свинца. Физиологические барьеры предотвращают, таким образом, повышенное поступление этого токсичного элемента в органы растений. По сравнению со свинцом медь, цинк и никель более активно аккумулируются в органах растений.
За исключением кобальта, тяжелые металлы активно накапливаются в пыльце одуванчика, превышая содержание в вегетативных органах и соцветиях. Вероятно, в условиях атмосферного загрязнения тяжелые металлы поступают в надземные органы растений с пылью и аэрозольными частицами, минуя физиологические барьеры на уровне корня. Кобальт, в отличие от цинка, свинца, никеля и меди, не является типичным элементом техногенного загрязнения для территории г. Перми (Ворончихина, Ларионова, 2002).
На всех исследованных участках фертильность пыльцевых зерен одуванчика оказалась достаточно
высокой - от 79,77% до 91,83%. Показатели фертильности пыльцевых зерен в разных зонах города заметно не отличались (табл. 5).
При обнаруженных концентрациях в почве и пыльце одуванчика тяжелые металлы не оказывали негативного воздействия на показатель фертильности пыльцевых зерен и их линейные размеры (табл. 6).
На исследованных территориях достоверность влияния суммарного содержания тяжелых металлов на фертильность пыльцевых зерен одуванчика не подтверждена.
Ранее в результате наших исследований (Новоселова, Рожкова, 2005) была обнаружена связь между снижением фертильности мужской и женской сферы Medicago Іириііпа Ь. и произрастанием растений в техногенно загрязненных экотопах. В результате оценки диапазона внутривидовой изменчивости генеративной сферы Medicago Іириііпа во всех ценопопуляциях выявлено сильное варьирование таких параметров, как размеры пыльцевых зерен, (причем у стерильных пыльцевых зерен размер варьирует в большем диапазоне), общее число пыльцевых зерен и число фертильных пыльцевых зерен в пыльниках. Вариабельность фертильности пыльцевых зерен выше в условиях промышленного загрязнения и увеличивается к окончанию сроков вегетации.
Таблица 4
Коэффициенты накопления тяжелых металлов в органах одуванчика лекарственного (Кн)
Орган Зона города
центральная прилегающая к центру удаленная от центра контрольная
Со
Корень 2.09 2.19 2.61 3.15
Лист 4.98 4.68 3.20 3.15
Соцветие 3.80 4.19 - 2.16
Пыльца 0.22 0.40 0.45 0.29
Си
Корень 0.53 0.55 0.64 1.60
Лист 0.58 0.62 0.58 0.55
Соцветие 0.90 0.53 - 0.34
Пыльца 0.65 0.66 0.56 0.82
№
Корень 0.22 0.17 0.42 0.32
Лист 0.43 0.30 0.41 0.20
Соцветие 0.24 0.28 - 0.16
Пыльца 0.22 0.52 0.52 0.28
Zn
Корень 0.45 0.34 0.39 0.44
Лист 0.79 0.69 0.55 0.45
Соцветие 0.78 0.46 - 0.45
Пыльца 0.76 0.82 0.60 0.63
РЬ
Корень 0.09 0.07 0.15 0.18
Лист 0.10 0.09 0.14 0.12
Соцветие 0.09 0.07 - 0.06
Пыльца 0.07 0.04 0.18 0.14
Таблица 5
Фертильность и линейные размеры пыльцевых зерен одуванчика
Параметры пыльцевых зерен Центральная зона города Прилегающая к центру зона города Удаленная от центра зона города Контрольная зона
Фертильность, % (М ± т) 81 ± 12 79 ± 13 88 ± 10 91 ± 9
Экваториальный диаметр, мкм; М ± mt (тіп-тах) 33,76 ± 0,74 (25,66-44,91) 34,28 ± 0,96 (23,57-43,76) 34,49 ± 0,96 (24,37-45,06) 34,79 ± 0,96 (24,73-45,21)
Полярная ось, мкм М ± mt (тіп-тах) 28,96 ± 0,68 (22,23-37,95) 29,81 ± 0,82 (21,37-36,96) 29,35 ± 0,72 (22,12-36,84) 29,85 ± 0,82 (22,01-38,75)
Таблица 6
Корреляция между содержанием тяжелых металлов в почве и пыльце одуванчика и долей
стерильных пыльцевых зерен
Элемент Коэффициент корреляции
между фертильностью пыльцевых зерен и содержанием в них металлов между фертильностью пыльцевых зерен и содержанием металлов в почве
Со -0,07 -0,07
Си -0,57 -0,43
№ -0,09 -0,03
2п -0,66 -0,37
РЬ -0,87 -0,65
Для видов ТШа высокие показатели фертильности пыльцевых зерен отмечены в популяциях на окраине города и за городом (Мозжерина, 2008). Более низкие показатели фертильности зафиксированы на центральных улицах города. При анализе размеров
пыльцевых зерен и семязачатков видов ТШа из популяций с разным уровнем техногенного загрязнения выяснено, что с увеличением загрязнения средние показатели достоверно уменьшаются.
Заключение
В почвах исследованных зон г. Перми наблюдается повышенное техногенное накопление свинца, его содержание в 2-2,5 раза превышает ПДК для почв. В органах одуванчика свинец, напротив, аккумулируется очень слабо, что связано с его низкой подвижностью в почве и избирательным поглощением растениями. Повышенной аккумуляцией в органах одуванчика отличался кобальт. Пыльцевые зерна одуванчика имели высокий уровень фертильности независимо от зоны города и от содержания тяжелых металлов в почве и пыльце. Линейные размеры пыльцевых зерен одуванчика в разных зонах города также существенно не отличались.
Таким образом, выявлена устойчивость одуванчика к загрязнению почв придорожных газонов тяжелыми металлами в условиях г. Перми. Одним из механизмов устойчивости выступает перераспределение токсичных элементов в вегетативных и генеративных органах, что обусловливает нормальное развитие пыльцевых зерен.
Библиографический список
Анисимова Г.М., Лянгузова И.В., Шамров И.И. Влияние условий загрязнения окружающей среды на репродукцию растений // Эмбриология цветковых растений. Терминология и концепции. СПб., 2000. Т. 3. С. 532-535.
Безель В.С., Жуйкова Т.В., Позолотина В.Н. Структура ценопопуляций одуванчика и специфика накопления тяжелых металлов // Экология. 1998. № 5. С. 376-382.
Ворончихина Е.А., Ларионова Е.А. Основы ландшафтной хемоэкологии. Пермь: Изд-во Перм. ун-та, 2002. 148 с.
Жуйкова Т.В., Северюхина О.А., Пришинская Н.М. Загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами и функциональное состояние мужского
гаметофита Taraxacum officinale s. 1 // Уч. зап. / Нижнетагил. гос. соц.-пед. акад. 2003. С. 149— 155.
Захарова Л.Л. Особенности миграции кадмия в системе почва — растение // Миграция загрязняющих веществ в почвах и сопредельных средах. Л.: Гидрометеоиздат, 1985. С. 168—173.
Ильин В.Б. Тяжелые металлы в системе почва — растение. Новосибирск: Наука, 1991. 150 с.
Кабата-Пендиас А. Пендиас X Микроэлементы в почвах и растениях. М.: Мир, 1989. 439 с.
Мозжерина Е.В. Изменчивость генеративной мужской сферы у видов липы, произрастающих в разных условиях атмосферного загрязнения // Фундаментальные и прикладные исследования в биологии и экологии: материалы регион. студ. науч. конф. Пермь, 2008. С. 8—10.
Новоселова Л.В., Рожкова Н.В. Фертильность мужского и женского гаметофитов люцерны хмелевидной (Fabaceae) в связи с условиями произрастания // Вестн. Перм. ун-та. 2005. Вып. 6. Биология. С. 53—58.
Ферсман А.Е. Геохимия. Л., 1934. Т. 1. 232 с.
Arao T., Ae N., Sugiyama M. Genotypic differences in cadmium uptake and distribution in soybeans // Plant Soil. 2003. Vol. 251. P. 247—253.
Fritsche M., Becker G. Schadstoffgehalte von Bank-ettschal- und Kehrgut und deren umweltvertragliche Entsorgung. Forschungsbericht FE-№.; 03.222 R 90 l, 1992. Fachhochschule Munster, 165 s.
Harris N.S., Taylor G.J. Remobilization of cadmium in maturing shoots of hear isogenic lines of durum wheat that differ in grains cadmium accumulation // J. Exp. Bot. 2001. Vol. 52, № 360. P. 1473—1481.
Hart J.J. et al. Characterization of cadmium binding, uptake and translocation in intact seedlings of bread und durum wheat cultivars // Plant Physiol. 1998. Vol. 116. P. 1413—1420.
Поступила в редакцию 27.08.2010
The soil pollution of the roadside lawns of Perm with heavy metals, their distribution in vegetative and reproductive organs and their influence of fertility and the linear sizes of pollen grains Taraxacum officinale s.l.
R. V. Kaygorodov, candidate of biology, associate professor L. V. Novoselova, doctor of biology, associate professor E. V. Mozzherina, student
Perm State University. 15, Bukirev str., Perm, Russia,614990; [email protected]; (342)2396489
We studied the character of heavy metals accumulation in the soils of the roadside lawns and in the vegetative and reproductive organs of Taraxacum. The high level of the pollen fertility of Taraxacum is established. The concentrations of heavy metals found out in the soil and in the pollen don’t render essential influence on the indicators of fertility and the linear sizes of pollen grains of Taraxacum.
Key words: city ecosystems, heavy metals, Taraxacum officinale Wigg. s.l.; fertility of pollen grains; linear sizes of pollen grains; roadside lawns.
Кайгородов Роман Владимирович, кандидат биологических наук, доцент
Новоселова Лариса Викторовна, доктор биологических наук, доцент
Мозжерина Екатерна Валерьевна, студентка ГОУВПО «Пермский государственный университет»
