Аккумуляция тяжелых металлов в листьях Sorbus aucuparia L. в условиях городской среды (на примере г. Оренбурга)

Экологические факторы урбанизированных территорий имеют существенные отличия от тех, которые оказывают влияние на растительные организмы в естественной среде. Вследствие большой площади контакта с окружающей средой растения становятся особо уязвимы по отношению к различным воздействиям, в том числе и к загрязнителям, так как через контактирующую поверхность кроме жизненно важных веществ поглощаются и всевозможные токсиканты. Особо велика поглотительная способность листовых пластинок: на поверхности может оседать большое количество пылевых частиц, а через устьица поллютанты проникают внутрь самого листа [2; 11–14].

Поглощенные растением из окружающей среды загрязнители, аккумулируясь в клетках и тканях, существенно влияют на физиологическое состояние, а также на морфологию растительного организма. Наиболее уязвимы в этом отношении многолетние растения, так как токсические вещества накапливаются в организме непрерывно на протяжении нескольких лет. Накопление вредных для растительного организма веществ влияет и на фенологию, смещая наступление фенофаз в ту или иную сторону. В частности, у листопадных растений наблюдается раннее пожелтение и опадание листьев вследствие накопления в них токсических веществ. В итоге вегетационный период растений заметно укорачивается. Нарушается и водный режим растений, так как под действием поллютантов нарушается целостная организация устьичного аппарата – наступает так называемый «паралич» устьичных клеток, т. е. клетки теряют способность регулировать ширину устьичной щели. Вследствие этого устьица постоянно широко открыты, что в свою очередь способствует увеличению расхода воды при транспирации.

Особую группу загрязнителей, оказывающих негативное влияние на растительный организм, представляют тяжелые металлы (ТМ). Те или иные ТМ присутствуют в растительном организме в определенном количестве, тем самым обеспечивая им нормальную жизнедеятельность [8]. Однако постепенное увеличение концентрации ТМ приводит к тому, что они из категории полезных переходят в группу токсичных для организма веществ. Превышение допустимых концентраций металлов в растениях приводит не только к отклонению в их развитии, но и к гибели растительного организма [12].

Разные группы металлов оказывают особое воздействие на различные процессы жизнедеятельности растений. Например, повышенное содержание цинка и кадмия снижает рост клеток, а накопление свинца приводит к аномалиям митотических процессов, что также угнетает рост растительного организма. Кроме того, некоторые металлы, являясь химическими аналогами других веществ, попадая в растение, замещают жизненно необходимые для растения элементы ферментативной системы, тем самым нарушая их работу (например, кадмий является химическим аналогом цинка) [7].

Одним из главных источников загрязнения в городах является автомобильный транспорт. ТМ могут поступать в окружающую среду как в результате работы самого транспорта, так и в результате истирания дорожного покрытия. Как следствие в окружающую среду поступают такие металлы как цинк, никель, свинец, алюминий, кадмий, железо и другие. Наиболее токсичными веществами этой группы считаются свинец и кадмий [7].

В настоящее время проводится большое количество научных мероприятий мониторинга экологического состояния окружающей среды, среди которых важное место принадлежит фитотестированию – биологическому контролю с использованием в качестве индикатора высших растений [4; 9].

Целью исследования было выявление изменчивости в накоплении ТМ растениями вида Sorbus aucuparia L., произрастающими вдоль автомобильных дорог на территории г. Оренбурга в сравнении с контрольным образцом.

Условия, объект и методика исследования

Исследования проводились на территории г. Оренбурга. Оренбург – крупный административный центр Оренбургской области, расположенный в Южном Предуралье. Для климата характерна резкая выраженность климатических сезонов, которые различны по изменению режима тепла и влаги. Низкая влажность воздуха обусловлена высокими летними температурами в сочетании с небольшим количеством атмосферных осадков, что ведет к неблагоприятным периодам засухи на территории города. Характерны для климата и низкие зимние температуры, а также поздневесенние и раннеосенние заморозки [14].

Оренбургская область находится в числе лидеров среди субъектов ПФО по степени загрязненности окружающей среды. За последнее десятилетие уровень загрязнения атмосферного воздуха в Оренбурге характеризуется как «высокий», при этом показатель индекса загрязнения варьирует от 5,1 ед. до 8,8 ед. Огромную роль в загрязнении играет автомобильный транспорт, количество которого увеличивается ежегодно. Так, например, число легковых автомобилей в период с 2000 по 2017 гг. увеличилось более чем в два раза (табл. 1.) [6].

Таблица 1

Наличие транспортных средств в Оренбургской области

	2000	2005	2010	2015	2016	2017
Грузовые транспортные средства: грузовые автомобили (включая пикапы и легковые фургоны) – всего	48 806	51 461	87 706	131 485	133 675	134 214
в том числе в организациях всех видов экономической деятельности	28 091	18 162	12 442	9 614	7 509	7 313
пассажирские транспортные средства:
автобусы общего пользования	2 344	1 100	1 174	907	1 018	942
легковые автомобили – всего	301 844	379 347	526 615	678 400	710 981	740 990

Объект исследования – Sorbus aucuparia L. – дерево, характеризующееся как достаточно декоративное и экологически пластичное, вследствие чего часто используется в озеленении г. Оренбурга (как одиночные, так и групповые посадки). В качестве условного контроля использовались растения рябины, произрастающей на территории Ботанического сада Оренбургского государственного университе- та. Выбор контроля обусловлен нахождением Ботанического сада на значительном удалении от крупных автодорог города.

Сбор листьев осуществлялся в конце вегетационного периода, с растений, произрастающих вдоль автодорог на улицах с интенсивным потоком транспорта: ул. Чичерина, Шевченко, Туркестанская, Монтажников, Хабаровская, Постникова, Пролетарская, Терешковой. Данные улицы принадлежать к четырем административным районам города: Центральный (№ 1), Промышленный (№ 2), Ленинский (№ 3), Дзержинский (№ 4). Исследования по выявлению содержания ТМ проводились на базе испытательной лаборатории Государственного центра агрохимической службы «Оренбургский» посредством испытания на спектрофотометре ААS-4. При этом определяли содержание 5 металлов (Cu, Zn, Pb, Fe, Cd), два из которых (Pb, Cd) обладают высокой токсичностью.

Площадь листовых пластинок определяли с использованием весового метода в модификации Л. В. Дорогань (1994).

Для более точной и наглядной оценки накопления в листьях ТМ использовался показатель концентрации (показатель загрязнения) тяжелого металла (ПК): ПК = (С о –С к )/С, а также суммарный показатель концентрации (СПК): СПК = Σ(С_о–С_к)/С_к, где С_к – содержание химического элемента в листьях контрольной зоны (Ботанический сад), С_о – содержание химического элемента в листьях растений придорожных зон [5]. Статистическую обработку данных проводили с применением программы Microsoft Excel и Statistica 6.0.

Результаты исследований

Sorbus aucuparia L. – листопадное дерево. Листья рябины обыкновенной непарноперистосложные, состоящие в среднем из 13 зубчатых по краю листочков. Листья слегка опушенные, сверху окраска матово-зеленая, снизу – чуть светлее.

При сборе биоматериала было отмечено наличие большого количества поврежденных листовых пластинок. Для них было характерно присутствие хлоротичных участков и желтоватого оттенка, т. е. у деревьев наблюдалась так называемая «пестролистность». У многих деревьев кроме хлороза отмечались участки отмершей ткани в различных местах листовой пластинки (на верхушке, по краям и между жилками). По мере увеличения участков отмершей и высохшей ткани растение принимает вид пораженного ржавчиной. В связи с этим сбор был достаточно затруднен и занимал значительное время, так как для проведения морфометрических измерений, а также биохимического анализа необходимо производить сбор неповрежденных листьев с целой листовой пластинкой.

Анализируя данные, полученные в результате биохимического анализа, нельзя прийти к однозначному выводу о том, что контрольные образцы обладают лучшими показателями по накоплению ТМ, так как ряд значений содержания металлов в контрольном образце превышает таковые в образцах городской среды. И поэтому невозможно однозначно сделать вывод об экологической «успешности» контроля. Так, например, содержание свинца в контрольном образце превышает содержание в образцах, собранных на территории города. Однако, необходимо обратить внимание на показатели площадей листовых пластинок (табл. 2). Как известно [1], загрязнение окружающей среды, угнетая растение, негативно влияет на его морфометрические показатели. Как следствие, под воздействием поллютантов снижается площадь листовых пластинок. Исходя из вышесказанного, можно проследить четкое различие в показателях площадей у исследуемых образцов. Наибольшая площадь характерна для контрольных образцов – 118,3 см2, в экологических условиях города этот показатель в два раза меньше, и в среднем составляет 56,1 см2. Поскольку имеется такое сильное различие по показателю площадей листовых пластинок, целесообразно рассчитать отношение накопленных металлов к этому показателю и сравнить уже полученные числовые данные. Условно назовем эти значения как «содержание ТМ на 1 см2 площади листа» (рис. 1). Исходя из полученных значений, очевидно, что в контрольных образцах накоплено значительно меньше ТМ по сравнению со всеми остальными образцами.

Таблица 2

Содержание тяжелых металлов в листьях Sorbus aucuparia L.

Район исследования	S листовой пластинки, см2	Содержание ТМ, мг/кг
		Cu	Zn	Pb	Fe	Cd
№ 1	51,99±3,1	2,05±0,5	7,44±1,5	0,06±0,02	55,8±12,0	0,034±0,011
№ 2	54,29±5,47	2,5±0,7	12,4±2,5	0,06±0,02	95,7±21,5	0,025±0,008
№ 3	53,32±3,0	1,85±0,5	6,5±1,3	0,08±0,03	100,5±24,2	0,03±0,01
№ 4	65,79±1,8	3,0±0,8	14,5±3,0	0,07±0,02	118,7±27,8	0,04±0,014
Ср. показатель	56,11±3,3	2,35±0,5	10,23±3,2	0,06±0,008	91,95±18,1	0,03±0,005
Контроль	118,3±6,35	2,1±0,5	12,5±2,6	0,08±0,03	98,5±22,7	0,012±0,004

Рис. 1. Содержание тяжелых металлов в листьях Sorbus aucuparia L. на 1 см²:

№ 1 – Центральный район, № 2 – Промышленный, № 3 – Ленинский, № 4 – Дзержинский, К – контроль

Суммарный показатель загрязнения ТМ у растений города варьирует в пределах от 0,67 до 5,8. Наиболее высокий суммарный показатель загрязнения ТМ отмечается у растений рябины обыкновенной на ул. Монтажников (5,8). Следующие по уровню СПК – растения с ул. Хабаровской (1,4) и Пролетарской (1,11). Показатели СПК в данных случаях достаточно высокие за счет большого содержания в листьях этих растений кадмия по сравнению с контрольным образцом.

У растений, произрастающих на ул. Чичерина и Туркестанской, отмечается отрицательное значение СПК: 0,36 и 0,67 соответственно. Такой низкий показатель содержания ТМ в первую очередь связан с обеднением листьев данных растений железом, цинком и медью.

По показателю СПК все исследуемые растения можно расположить в следующий убывающий ряд:

• –    по улицам: Монтажников ˃ Хабаровская ˃ Пролетарская ˃ Терешковой ˃ Шевченко ˃ Постникова ˃ Чичерина ˃ Туркестанская;

• –    по административным районам: Дзержинский ˃ Промышленный ˃ Ленинский ˃ Центральный.

Если рассматривать показатель загрязнения по каждому металлу в среднем по городу (по сравнению с контрольным образцом), то исследуемые ТМ по степени интенсивности накопления их листьями Sorbus aucuparia L. в условиях Оренбурга можно расположить в следующий убывающий ряд: Cd ˃ Cu ˃ Pb ˃ Zn ˃ Fe.

Практически во всех районах (кроме центрального) у исследуемых организмов наблюдается высокое содержание железа в листьях. Вероятнее всего это связано с важной ролью данного вещества в процессах дыхания и фотосинтеза у растений. Таким образом, накапливая его в большом количестве, растения пытаются усилить процессы метаболизма, тем самым нормализовать процессы жизнедеятельности в условиях интенсивной техногенной нагрузки.

Выводы

В ходе исследований в отношении фитоиндикационной способности растений рябины обыкновенной были проведены анализ морфометрических показателей листовых пластинок и биохимический анализ содержания ТМ в листьях данных образцов. Морфометрический анализ – определение площади листовой пластинки – показал сильное отличие площади у контрольных образцов от площади у образцов, произрастающих в черте города. Прослеживается уменьшение площади листьев у растений города, что связано с увеличением техногенной нагрузки и ухудшением экологических условий урбосреды в сравнении с ботаническим садом.

Степень содержания ТМ в листьях города значительно выше, чем у контрольных образцов, что доказывает проведенный биохимический анализ. В первую очередь негативное влияние на растение в данном случае оказывают выбросы от автотранспорта. Наиболее загрязненной территорией города согласно полученным данным является Дзержинский район, а улицей – улица Монтажников. Кадмий – наиболее аккумулируемый металл для данного растения, что естественно пагубно сказывается на жизнедеятельности данного вида в условиях техногенной нагрузки.

Итак, согласно проведенным исследованиям, подтверждается возможность использования вида рябина обыкновенная в качестве вида-индикатора экологического состояния урбанизированных территорий. Планируется расширение спектра исследуемых химических загрязнителей, а также поиск новых видов-индикаторов.