Аккумуляция тяжелых металлов хвоей сосны в урбоэкосистеме города Благовещенска

В последнее время экологические проблемы все больше привлекают внимание ученых и специалистов различных направлений, т.к. антропогенное загрязнение окружающей среды приобрело такие размеры, что стало угрожать здоровью человека и представлять серьезную опасность для будущих поколений. Особое место по остроте этих проблем занимают урбанизированные территории. Изучение техногенного загрязнения является одной из актуальных проблем в экологических исследованиях.

Для оценки состояния окружающей среды лучших индикаторов, чем лесные породы, не существует [8]. Хвойные растения имеют меньшую устойчивость к атмосферным полю-тантам по сравнению с лиственными. Из хвойных наиболее чувствительна к загрязнению воздуха сосна обыкновенная (Pinus silvestris), которая чутко реагирует на изменения окружающей среды, обладает высокой газопоглотительной способностью и может быть использована как биоаккумулятор аэрогенных загрязнений [3, 6]. Продолжительность жизни хвои сосны на фоновых участках, по разным источникам, от 5 до 9 лет, в районах сильного загрязнения возраст хвои уменьшается до 2-3 лет [7]. Ассимиляционный аппарат хвойных удобен в качестве объекта исследования, т.к. подвергается многолетнему техногенному загрязнению. За это время в нем накапливается достаточное количество тяжелых металлов (ТМ), поступающих с техногенными потоками. Хвоя способна накапливать ТМ как из атмосферы, так и из почвы путем корневого поглощения.

Цель работы: исследование закономерностей накопления тяжелых металлов в хвое

сосны обыкновенной (Pinus silvestris) в зависимости от степени техногенного загрязнения г. Благовещенска.

Благовещенск является малопромышленным городом с небольшим объемом производств. Основными загрязнителями атмосферного воздуха в г. Благовещенске являются стационарные источники промышленных предприятий, теплоэлектростанций и котельных предприятий коммунального хозяйства. Так, Благовещенская ТЭЦ выбрасывает в среднем 18,8 тысяч тонн загрязняющих веществ в год. Несмотря на то, что ТЭЦ расположена на окраине города, выбросы ее в направлении господствующих ветров с северо-запада на юго-восток (по розе ветров) направлены на жилые кварталы города и оказывают значительное влияние на экологическую обстановку. Другим источником загрязнения является автотранспорт. В Приамурье на долю автотранспорта приходится 59,9% от общей массы загрязняющих веществ, т.е. больше, чем на все остальные виды деятельности человека [1].

Методы исследования. Сбор материала (хвоя сосны) проводили с июля по октябрь 2009 г. с 35 пробных площадок в г. Благовещенске. В качестве фона была выбрана территория заповедного урочища Мухинка, расположенная в 38 км северо-восточнее г. Благовещенска, которая не подвергается техногенным и пылевым нагрузкам города. Урочище Мухинка представляет собой смешанный лес с преобладанием сосны. Образцы хвои отбирались в промежутках между дождями. Собранные образцы взвешивали, хорошо промывали дистиллированной водой. Смывы фильтровали через предварительно взвешенные обеззоленные фильтры. Фильтры высушивали, взвешивали и отбирали навеску нерастворимой части аэрозольного материала, задерживаемого хвоей, для определения ТМ. Результаты анализов накопления ТМ в смывах хвои приведены к одному значению - мг/кг хвои, который рассчитывался по формуле: С=(Сi V):m, где Сi – содержание элемента, в смыве (мг/дм3); V – общий объем смыва (дм3); m – масса хвои (кг). Хвою озоляли до получения золы белого или серого цвета без обугленных частиц. Для определения ТМ в фильтрате, аликвотную часть фильтрата выпаривали в стеклоуглеродных стаканах до влажных солей.

Cодержание ТМ в почве, золе хвои, твердом осадке с фильтров и растворимой части аэрозольного материала, задерживаемого хвоей, определяли после разложения их смесью концентрированных кислот: фтористоводородной, азотной и соляной с последующим растворением в горячем растворе 1 М соляной кислоты [4] методом атомно-абсорбционного анализа на спектрофотометре 1 класса «Хита-чи»-180-50. Свинец и кадмий – на ААС «Анналист 400».

Результаты и их обсуждение. В г. Благовещенске было выделено 5 зон в зависимости от степени техногенного загрязнения.

• 1.    Промышленная или импактная зона (с повышенным техногенным водействием), где оказывают влияние промышленные предприятия: район Спичфабрики, где расположены мелкие предприятия по деревообработке, Силикатный завод в Белогорье, Судостроительный завод, Мясокомбинат, з-д «Амурский металлист», ЖБИ, ТЭЦ, ЗАО «Асфальт», ж/д вокзал.

• 2.    Дорожная зона - территории, прилегающие к улицам с интенсивным транспортным потоком: площадь Ленина, угол улицы Зейской и 50 лет Октября, АмГУ, Транспортное агентство.

• 3.    Буферная зона - зона слабого техногенного воздействия: все точки Игнатьевского шоссе, Золоотвала (1-3), сквер школы № 4, ДальГАУ (сосновый бор), Набережная р.Амур, Моховая падь (бывшее Танковое училище).

• 4.    Рекреационная (или парковая) зона – территории, занимаемые парками, скверами, предназначенные для отдыха населения: Первомайский и Городской парки, сквер ЦЭВ.

• 5.    Фоновая территория - Урочище Мухинка.

ТМ в смывах хвои. В ходе исследования было установлено, что массовая доля ТМ в растворимой части смывов с хвои составляет, в 10^-3 мг/кг хвои, для Mn – 37-450; Zn – 26-380; Cu – 2,7-38; Cr <2,0-50; Ni <0,5-79; Со <0,5-18; Pb <0,5-47; Cd <0,5-3,8. Для Pb наибольшие концентрации отмечены в импактной и дорожной зонах (от 7,0 до 47,0 мкг/дм³), на фоновой территории - ниже предела обнаружения.

Максимальные содержания Ni - 79,0 мкг/дм3 и Cu - 38,0 мкг/дм3 выявлены в дорожной зоне, что превышает фоновые значения в 46 раз по Ni и в 9 раз по Cu. Для Zn превышение фоновых значений отмечено в дорожной зоне в 2-6 раз, в импактной - в 2-3,6 раз, в буферной -1,2-2,3 раз.

Проведенный анализ на содержание ТМ в растворимой части аэрозольного материала, задерживаемого хвоей, показал, что по показателю химического загрязнения (Z с ) исследуемые районы города можно расположить в следующий ряд, по убывающей: промышленная зона > дорожная зона > буферная зона > рекреационная зона > фон (рис. 1). Наибольшее значение Z с растворимой части аэрозольного материала, задерживаемого хвоей, отмечено в районе ЗАО «Асфальт» (Z с - 144,44), Транспортного агентства (Z с - 119,01), Судоремонтного завода (Z с - 75,59), Белогорье, в 200 м от силикатного завода, (Z с - 68,95). Минимальное загрязнение растворимой части аэрозольного материала, задерживаемого хвоей, отмечено в точках Игнатьевского шоссе (Z с = 1,65) и Зо-лоотвала (З-3) (Z с = 3,31).

Рис. 1. Суммарный показатель химического загрязнения ТМ (Z с ) в растворимой части аэрозольного материала, задерживаемого хвоей, в разных зонах города

Наибольшее количество твердого осадка в смывах хвои (в % от общего количества смыва) отмечено в районе Транспортного агентства - 0,08%, ЗАО «Асфальт», Белогорье (200 м от силикатного завода) и угол ул. Зей-ской-50 лет Октября – по 0,04%. Содержание твердого осадка в смывах хвои на данных территориях в 4-8 раз выше, чем на фоновом участке (0,01%). Содержание ТМ в нерастворимой части составляет, в 10-3 мг/кг хвои, для Mn – 199-3376; Zn – 69-1532; Cu – 14-316; Cr – 0,4-271; Ni <1,0-279; Со <1,0-67; Pb – 1-409; Cd <1,0-12.

Химический состав нерастворимой части аэрозольного материала, задерживаемого хвоей, показал, что на всех исследуемых территориях города наблюдается превышение фоновых значений ТМ: по Zn и Cu в дорожной зоне в 422 раза, в импактной зоне - в 2-8 раз, в буферной - в 1,5-6 раз; по Mn в дорожной зоне до 12 раз, в импактной - до 6 раз; по Cr в дорожной зоне в 3-16 раз, в промышленной - до 6 раз; по Co и Ni до 79 раз в дорожной зоне и до 20 раз - в импактной. По Pb отмечено превышение в импактной зоне в 13-120 раз, в дорожной - в 386 раз, в буферной - 3-50 раз. По суммарному показателю химического загрязнения (Zс) ТМ исследуемые районы города располагаются следующим образом (рис. 2): дорожная зона > промышленная зона > буферная зона > рекреационная зона > фон.

Рис. 2. Суммарный показатель химического загрязнения ТМ (Z с ) нерастворимой части аэрозольного материала, задерживаемого хвоей, в разных зонах города

По показателю химического загрязнения ТМ нерастворимой части аэрозольного материала, задерживаемого хвоей, исследуемые районы города можно расположить в следующей убывающей последовательности: Транспортное агентство (Z с = 206,7), АМГУ (Z с = 197,3), ЗАО «Асфальт» (Z с = 172,3), ДальГАУ (Z с = 158,5). Наименьшее загрязнение ТМ в нерастворимой части аэрозольного материала, задерживаемого хвоей, наблюдается в районе Игнатьевского шоссе (Z с = 1,08) и Золоотвала (З-3) (Z с = 1,24). Соотношение ТМ в твердой и растворимой части смывов хвои указывает на то, что данные элементы присутствует, в основном, в виде осадка на поверхности хвои (рис. 3). Доля Cu, Cr, Mn, Ni, выходящих в раствор, составляет в среднем 15% от общего их количества в смывах хвои, а доля Pb, переходящего в раствор, от 0,5 до 10%. Можно предположить, что водорастворимые формы ТМ поглощаются тканями хвоинок, поэтому процент выхода их в раствор незначителен.

Доля Сo и Cd, переходящих в раствор, достигает 60%. Вероятно, данные элементы после смывания их атмосферными осадками будут накапливаться в почвенном растворе в большем количестве, чем остальные ТМ. Несколько иной механизм накопления Zn в растворимой части смывов. На загрязненных территориях (дорожная зона) в раствор переходит от 4% (угол ул. Зейской-50 лет Октября) до 20% (Транспортное агентство). На фоновых и буферных зонах - около 50%.

Рис. 3. Суммарный показатель химического загрязнения ТМ (Z с ) в разных зонах города в растворимой и нерастворимой части аэрозольного материала, задерживаемого хвоей

Отмечена также специфика накопления отдельных элементов в хвое. С возрастанием техногенной нагрузки уменьшается концентрация Mn. В зонах автотранспортного загрязнения содержание Mn в среднем (в мг /кг) -132, в промышленной зоне – 142,4 на всех точках Игнатьевского шоссе от 285,3 до 494,2. Эти территории не подвержены антропогенному влиянию. Отношение Pb/Mn в хвое может является показателем устойчивости растений к техногенному загрязнению. На фоновой территории величина Pb/Mn - 0,002. В буферной зоне это отношение превышает фоновое значение в 1,5-5 раз. С увеличением теноген-ного загрязнения возрастает отношение Pb/Mn в хвое: в промышленной зоне в 8-19 раз, в дорожной – в 7-33 раза по сравнению с фоном. Максимальный показатель отмечен в районе Транспортного агентства - превышение фона в 33 раза.

Для установления степени влияния элементного состава почвы на химический состав хвои была проведена оценка корреляционной зависимости между содержанием ТМ в золе хвои и их валовым содержанием в почве (табл. 1).

Корреляционная зависимость между накоплением тяжелых металлов в золе хвои и их валовой концентрацией в почве практически отсутствует (табл. 1). Коэффициенты парной корреляции отрицательны для Pb, Cd и Mn, что является следствием в большей степени их атмосферного, а не корневого поступления. Для Cu, Zn, Ni и Co коэффициенты парной корреляции не достоверны и колеблются от 0,02 до 0,26. Для данных элементов возможно поглощение элементов из атмосферы и из почвы. С помощью корреляционного анализа обнаружена значимая прямая связь между концентрацией Cr (г=0,62) в хвое с его содержанием в верхнем горизонте почв (табл. 1). Исходя из этих данных, можно предположить, что накопление Cr в хвое зависит от его содержания в почве. Максимальное его количество выявлено в точках импактной и дорожной зон, подтверждая связь содержания хрома в хвое с антропогенными источниками [2].

Таблица 1. Корреляционная зависимость между содержанием ТМ в золе хвои и их валовым содержанием в почве

ТМ в почве	ТМ в хвое
	Cu	Zn	Mn	Cr	Ni	Co	Pb	Cd
Cu	0,04	-0,27	-0,44	0,29	0,08	-0,38	-0,36	-0,17
Zn	0,31	0,26	-0,25	0,61	-0,09	0,19	-0,01	-0,32
Mn	-0,08	-0,02	-0,26	0,32	-0,01	0,02	-0,20	-0,53
Cr	-0,26	-0,05	-0,56	0,62	-0,25	-0,01	-0,34	-0,77
Ni	-0,10	-0,07	-0,05	0,37	0,02	0,13	-0,20	-0,38
Co	0,03	-0,10	-0,04	0,34	0,14	0,22	-0,06	-0,33
Pb	-0,32	-0,18	-0,40	-0,08	-0,65	-0,42	-0,38	-0,43
Cd	0,20	0,95	-0,23	0,96	0,08	0,88	-0,98	-1,00

Примечание: жирным шрифтом отмечены достоверные коэффициенты корреляции, курсивом – коэффициенты парной корреляции

При техногенном загрязнении окружающей среды увеличивается в хвое и содержание Pb, который является очень токсичным для растений. Полученные результаты исследования накопления Pb в хвое показывают его присутствие практически на всех исследованных территориях, но большие его концентрации отмечены в хвое дорожной зоны, до 2,0 мг/кг (в пересчете на воздушно-сухую массу). По результатам корреляционного анализа можно предположить, что накопление Pb в хвое является следствием атмосферного поступления этого элемента. Эти данные подтверждаются и другими авторами [2, 5].

Чтобы выявить влияние техногенной нагрузки на поглощение хвоей ТМ из почвы, был рассчитан коэффициент миграции, как отношение концентрации ТМ в хвое (в пересчете на воздушно-сухую массу) к концентрации ТМ в почве (табл. 2).

Таблица 2. Коэффициенты миграции: (min – max) ТМ - числитель, среднее значение – знаменатель

Зоны	Cu	Zn	Mn	Cr	Ni	Co	Pb	Cd
импактная	4,2-11,6 6,7	1,8-44,5 19,0	2,0-8,5 5,1	0,7-1,1 0,9	0,6-3,3 1,5	0,4-3,3 1,8	0,2-2,4 1,3	<2,0-1,3 <1,8
дорожная	1,8-6,5 4,1	11,7-24 16,5	2,3-12,2 7,3	0,2-1,8 0,9	0,8-3,7 2,1	0,7-2,2 1,3	0,2-1,6 1,0	<2,0-4,0 <2,0
буферная	2,7-7,1 4,9	5,2-14,9 11,6	5,3-13,2 8,9	0,2-1,1 0,8	0,6-3,7 2,1	1,5-2,8 2,2	0,4-4,4 1,5	<2,0 <2,0
рекреационная	4,1	5,4	2,3	1,0	4,3	0,3	0,7	<2,0
фоновая	11,8	56,2	32,8	2,0	1,1	2,3	2,0	1,0

Исходя из данных табл. 2, можно сделать вывод, что с увеличением техногенной нагрузки уменьшается поглощение хвоей сосны ТМ из почвы. Особенно наглядно это прослеживается для Mn, Zn и Cu. Для Cr, Ni, Co, Pb и Cd прямая зависимость между концентрацией элементов в хвое и почве от уровня техногенного загрязнения явно не прослеживается в связи с невысоким уровнем загрязнения города данными элементами. Согласно значениям коэффициентов миграции исследуемые ТМ образуют следующий ряд: Zn>Mn>Cu>Ni~Co>Pb>Cr>Cd (табл. 2). Проведенный анализ накопления ТМ в минеральном остатке хвои выявил, что содержание их зависит от уровня техногенной нагрузки и специфики хвои накапливать определенные элементы.

Выводы: в результате исследования смывов аэрозольного материала, задерживаемого хвоей, и минерального состава золы хвои установлено, что содержание ТМ коррелирует со степенью техногенного загрязнения. Под влиянием техногенного пресса изменяется элементный состав хвои, происходит накопление загрязнителей в ассимиляционных органах, снижается содержание биофильных элементов (Mn). Результаты исследования химического состава смывов и золы хвои показывают, что в г. Благовещенске можно выделить несколько локальных участков сильного загрязнения, относящихся к промышленной и дорожной зонам: район Транспортного агентства, Белогорье, ЗАО «Асфальт», угол улицы Зейская – 50 лет Октября.

Обобщая данные уровня загрязнения смывов и золы хвои на исследуемых территориях, можно отметить, что даже на удалении от источников загрязнения в атмосфере города содержатся загрязняющие вещества. Основными загрязнителями окружающей среды города являются выбросы предприятий теплоэнергетики и автотранспорта, которые в виде аэрозолей и пыли оседают в окружающей среде, в т.ч. и на ассимиляционном аппарате сосны.