Аккумуляция тяжёлых металлов в растениях-доминантах антропогенно-нарушенных участков болот на территории Томской области
Автор: Гашкова Людмила Павловна, Иванова Екатерина Сергеевна
Журнал: Известия Самарского научного центра Российской академии наук @izvestiya-ssc
Рубрика: Биологические ресурсы: флора
Статья в выпуске: 1-3 т.16, 2014 года.
Бесплатный доступ
Сравнивается накопление тяжёлых металлов доминантами растительных сообществ на участках болот с различной антропогенной нагрузкой. Рассчитаны коэффициенты биологического поглощения. Выявлено, что наибольшее накопление тяжёлых металлов концентрируется на участках торфодобычи, расположенных рядом с автодорогами и в зоне влияния промышленных предприятий городов Томска и Северска.
Загрязнение, окружающая среда, тяжёлые металлы, болото, осушение, торфодобыча
Короткий адрес: https://sciup.org/148202823
IDR: 148202823
Текст научной статьи Аккумуляция тяжёлых металлов в растениях-доминантах антропогенно-нарушенных участков болот на территории Томской области
Болотные биогеоценозы отличаются устойчивостью и способностью к самовосстановлению, но различные виды антропогенного воздействия способны кардинально влиять на биохимические процессы в растениях. Миграция химических элементов в биогеоценозах всё больше трансформируется благодаря резко возрастающему глобальному росту промышленного производства, развитию автотранспорта. Основными индикаторами загрязнения окружающей среды являются тяжёлые металлы (ТМ). Поступление этих веществ в атмосферу из природных источников существенно уступает промышленным выбросам [1, 2]. Растения обладают способностью аккумулировать их в своих тканях, отражая, таким образом, изменения химического состава среды [3, 4]. Выявление особенностей накопления ТМ в растениях позволяет разработать критерии оценки антропогенного воздействия и проводить мониторинг ненарушенных ландшафтов [5].
Цель работы: воздействие различных видов антропогенных факторов на аккумуляцию Zn, Cu, Cd и Pb в растениях.
Объекты и методика исследований. Для определения содержанияТМ отбирались пробы торфа и надземной части растений-доминантов травяно-кустарничково яруса на 12 участках торфяных болот с различной степенью антропогенной нарушенности в юго-западной части
Томской области (табл. 1) Степень нарушенно-сти участков определялась по [6]. Концентрация ТМ определялась методом инверсионной вольтамперометрии. Для оценки интенсивности накопления растениями ТМ применялся коэффициент биологического поглощения, который определялся по соотношению содержания микроэлемента в золе растения и в корнеобитаемом слое торфяной залежи [7]. Для расчетов использовались результаты определения содержания тяжелых металлов в слое 0-10 см торфяной залежи ключевых участков болот. Вычислена биогеохимическая активность видов [8] по отношению к ТМ, которая является суммой коэффициентов биологического поглощения отдельных элементов. Растения определялись по [9]. Статистический анализ результатов проведён с использованием программ Excel 7.0 и Statistica 8.0.
Результаты и их обсуждение. Интенсивность биологического накопления микроэлементов зависит не только от свойств, присущих им как химическим элементам, а является функцией большого числа независимых факторов, среди которых обычно выделяются две – экологическая (внешняя) и физиологическая (внутренняя) [10]. Среди экологических факторов важнейшее значение имеет концентрация химических элементов в среде питания, доступность элементов для растений, климатические, ландшафтногеохимические и другие условия их произрастания. Физиологические факторы, во-первых, предполагают, что у некоторых растений могут быть развиты специфические барьеры поглощения, защищающие их от избыточного накопления токсичных микроэлементов. Во-вторых, поглощение микроэлементов растениями зависит от их видовой принадлежности, фазы вегетации и ряда других факторов [10].
Таблица 1. Характеристика участков в пунктах отбора проб
№ |
Вид антропогенного воздействия |
Степень нару-шенности |
Доминант травя-но-кустарнич-кового яруса |
Тип водного питания болота |
Географическое положение |
1 |
осушение, пожар |
высокая |
Carex rostrata |
переходное |
бассейн р. Икса |
2 |
осушение, торфодобыча, промышленные предприятия |
очень высокая |
Carex rostrata |
низинное |
терраса р. Томь |
3 |
осушение, автодорога, промышленные предприятия |
высокая |
Carex rostrata |
низинное |
терраса р. Томь |
4 |
осушение |
высокая |
Carex rostrata |
низинное |
пойма р. Томь |
5 |
осушение |
средняя |
Carex rostrata |
низинное |
пойма р. Томь |
6 |
осушение, торфодобыча |
очень высокая |
Urtica dioica |
низинное |
терраса р. Обь |
7 |
осушение, торфодобыча |
очень высокая |
Urtica dioica |
низинное |
терраса р. Обь |
8 |
осушение, торфодобыча |
очень высокая |
Urtica dioica |
низинное |
терраса р. Обь |
9 |
осушение, пожар |
высокая |
Chamaedaphne calyculata |
верховое |
бассейн р. Икса |
10 |
осушение, пожар |
средняя |
Chamaedaphne calyculata |
верховое |
бассейн р. Икса |
11 |
осушение, пожар, автодорога |
высокая |
Chamaedaphne calyculata |
верховое |
бассейн р. Икса |
12 |
осушение, автодорога, промышленные предприятия |
очень высокая |
Chamaedaphne calyculata |
переходное |
терраса р. Томь |
С методической точки зрения наибольшие затруднения связаны с определением источников поступления химических элементов в растения, так как часто питание бывает смешанным. По мнению В.В. Ковальского [11] в природных ситуациях говорить о почвенном питании можно в тех случаях, когда корневая система не имеет контакта с водоносным горизонтом или его капиллярной каймой. При наличии такового контакта растение получает почвенно-водное питание. Оба эти источника предполагают корневое поглощение и являются основными поставщиками большинства химических элементов в растение. Большое значение для торфяных болот, особенно для верховых, имеет атмосферное питание, которое является основным источником накопления элементов в растениях [12].
Анализ полученных результатов по содержанию ТМ в растениях Carex rostrata Stokes показал, что наибольшее накопление Cd и Pb наблюдается на низинном болоте, подвергшемся торфодобыче (участок 2), находящемся в зоне влияния промышленных предприятий. На этом участке растения активно накапливают и биогенные микроэлементы. Cu и Pb здесь содержится чуть больше, чем в среднем для растений незагрязнённых территорий [13]. Примерно такое же содержание Cu и Zn наблюдается в C. rostrata на осушенном низинном болоте (участок 5), при этом содержание Cd и Pb на нём гораздо ниже, что свидетельствует о меньшей антропогенной нагрузке. Коэффициент биологического поглощения для биогенных элементов примерно одинаков в этих двух точках, однако для Cd и Pb он гораздо выше на участке 2 с более сильным атмосферным загрязнением.
Таблица 2. Содержание тяжёлых металлов (Ix), коэффициент биологического поглощения (Ax) и биогеохимическая активность вида (БХА) Carex rostrata
№ участка |
Zn |
Cd |
Pb |
Cu |
БХА |
||||
Ix (мг/кг) |
Ax |
Ix (мг/кг) |
Ax |
Ix (мг/кг) |
Ax |
Ix (мг/кг) |
Ax |
||
1 |
5,90 ±1,18 |
2,21 |
0,17 ± 0,05 |
0,013 |
0,26 ± 0,08 |
0,035 |
1,37 ± 0,41 |
0,386 |
2,64 |
2 |
28,85 ± 8,65 |
1,02 |
0,45 ± 0,14 |
4,50 |
1,85 ± 0,56 |
0,30 |
11,25 ±3,37 |
1,26 |
7,08 |
3 |
10,28 ± 3,08 |
3,45 |
0,31 ± 0,09 |
3,80 |
0,45 ± 0,14 |
0,07 |
2,21 ± 0,66 |
3,82 |
11,14 |
4 |
17,6 ± 5,28 |
4,23 |
0,19 ± 0,06 |
0,012 |
0,19 ± 0,06 |
0,023 |
1,71± 0,51 |
0,735 |
5,00 |
5 |
28,88 ± 8,66 |
1,29 |
0,17 ± 0,44 |
0,019 |
0,15 ± 0,05 |
0,060 |
9,68 ± 2,90 |
1,107 |
2,54 |
Биогеохимическая активность вида наибольшая на участке 3, находящемся под влиянием автодороги и промышленных предприятий за счёт активного накопления всех элементов, кроме Pb. На всех участках в C. rostrata Zn является элементом биологического накопления (Ax >1), и поглощается активнее других элементов (табл. 2). По интенсивности поглощения элементы располагаются в следующей последовательности: Zn > Cd > Cu > Pb.
Исследования содержания тяжелых металлов в Urtica dioica L. показали, что на участках 6 и 7, где проводилась более интенсивная торфодобыча, Cd содержится примерно в 2 раза, а Pb в 4 раза больше. Биогеохимическая активность вида на этих участках выше почти в 3 раза по сравнению с менее нарушенным участком 8, в основном за счёт интенсивного поглощения Pb. В ряду интенсивности биологического поглощения у U. dioica на первое место выходит Cd: Cd > Zn > Cu > Pb (табл. 3).
Таблица 3. Содержание тяжёлых металлов (Ix), коэффициент биологического поглощения (Ax) и биогеохимическая активность вида (БХА) Urtica dioica
№ участка |
Zn |
Cd |
Pb |
Cu |
БХА |
||||
Ix (мг/кг) |
Ax |
Ix (мг/кг) |
Ax |
Ix (мг/кг) |
Ax |
Ix (мг/кг) |
Ax |
||
6 |
16,42 ± 4,93 |
1,36 |
0,38 ± 0,11 |
3,17 |
0,55 ± 0,17 |
0,31 |
2,58 ± 0,77 |
0,98 |
5,82 |
7 |
10,30 ± 3,09 |
0,48 |
0,47 ± 0,12 |
3,92 |
0,39 ± 2,50 |
0,20 |
1,51 ± 0,45 |
0,27 |
4,87 |
8 |
8,9 ± 2,65 |
0,75 |
0,2 ± 0,06 |
0,59 |
0,11 ± 0,03 |
0,07 |
1,13 ± 0,34 |
0,31 |
1,72 |
Результаты анализа содержания ТМ в Chamaedaphne calyculata (L.) Moench. показали, что наименьшая концентрация Pb наблюдается у растений, обитающих на максимальном удалении от автодороги и других загрязнителей, на осушенном верховом болоте (участок 10), и примерно в 3 раза возрастает его содержание в растениях осушенного верхового болота после пожара, расположенного в 20м от автотрассы и переходного болота, расположенного в зоне влияния промышленных предприятий и автодороги (участки 11, 12). Незначительно увеличивается содержание Pb, и примерно в 4 и 6 раз, соответственно Zn и Cu на участках после пожара. На всех участках, за исключением наименее нарушенного, интенсивно накапливается цинк. Коэффициент биологического поглощения всех исследуемых элементов выше на наиболее близких к автодороге участках. Биогеохимическая активность вида наиболее высока на участке 11, где накладывается влияние осушения, пожара и автодороги. (табл. 4). По результатам можно построить следующий ряд элементов по убывающей энергии их биологического поглощения для C. calyculata: Zn > Cd > Cu > Pb.
Таблица 4. Содержание тяжёлых металлов (Ix), коэффициент биологического поглощения (Ax) и биогеохимическая активность вида (БХА) Chamaedaphne calyculata
№ участка |
Zn |
Cd |
Pb |
Cu |
БХА |
||||
Ix (мг/кг) |
Ax |
Ix (мг/кг) |
Ax |
Ix (мг/кг) |
Ax |
Ix (мг/кг) |
Ax |
||
9 |
13,58 ± 4,07 |
1,71 |
0,21 ± 0,06 |
0,022 |
0,28 ± 0,08 |
0,027 |
4,87 ± 1,46 |
0,529 |
2,29 |
10 |
4,6 ± 1,38 |
0,39 |
0,27 ± 0,08 |
0,033 |
0,17 ± 0,05 |
0,019 |
0,48 ± 0,14 |
0,087 |
0,53 |
11 |
14,44 ± 4,33 |
4,64 |
0,27 ± 0,08 |
0,033 |
0,55 ± 0,16 |
0,045 |
4,04 ± 1,21 |
0,877 |
5,60 |
12 |
16,06 ± 4,81 |
1,25 |
0,23 ± 0,07 |
1,92 |
0,69 ± 0,21 |
0,36 |
4,86 ± 1,46 |
0,84 |
4,37 |
Выводы: сравнительный анализ накопления ТМ в растениях на торфяных почвах показал, что наибольшая их концентрация наблюдается на участках, находящихся в зоне влияния промышленных предприятий городов и автомобильных дорог. На тех участках, где проводилась добыча торфа, активнее всего аккумулируется Cd. Биогеохимическая активность вида варьирует на разных участках, но в среднем она выше у C. rostrata . Коэффициент биологического поглощения исследованных нами элементов выше на участках болот с высокой степенью на-рушенности.
Список литературы Аккумуляция тяжёлых металлов в растениях-доминантах антропогенно-нарушенных участков болот на территории Томской области
- Беспамятнов, Г.П. Предельно допустимые концентрации химических веществ в окружающей среде. Справочник/Г.П. Беспамятнов, Ю.А. Кротов. -Л.: Химия, 1985. 528 с.
- Cheng, Shuiping. Heavy Metal Pollution in China: Origin, Pattern and Control/Shuiping Cheng//A State-of-the-Art Report with Special Reference to Literature Published in Chinese Journals ESPR -Environ Sci & Pollut Res 10 (3), 2003. Р. 192-198.
- Кабата-Пендиас, А. Микроэлементы в почвах и растениях. Монография. Пер. с англ./А. Кабата-Пендиас, Х. Пендиас. -М.: Мир, 1989. 439 с.
- Кудряшова, В.И. Аккумуляция тяжелых металлов дикорастущими растениями/автореферат.. канд. биол. наук. -Саранск, 2003. 144 c.
- Сутормина, Э.Н. Пространственные геохимические особенности ландшафтов Тебердинского государственного природного заповедника/автореферат …канд. геогр. наук. -Ставрополь, 2010. 22 с.
- Евсеева, Н.С. Ландшафты болот Томской области. Монография/Н.С. Евсеева, А.А. Синюткина, Ю.А. Харанжевская и др. -Томск: изд-во НТЛ, 2012. 400 с.
- Перельман, А.И. Геохимия ландшафта/А.И. Перельман, Н.С. Касимов. -М.: Изд-во МГУ, 1999. 610 с.
- Айвазян, А.Д. Геохимические особенности флоры ландшафтов юго-западного Алтая. Монография. -М.: Изд-во МГУ, 1974. 155 с.
- Вылцан, Н.Ф. Определитель растений Томской области. -Томск: Изд-во ТГУ, 1994. 301 с.
- Летувнинкас, А.И. Антропогенные геохимические аномалии и природная среда: учебное пособие. -Томск: Изд-во НТЛ, 2002. 290 с.
- Ковальский, В.В. Микроэлементы в растениях и кормах/В.В. Ковальский, Ю.И. Раецкая, Т.И. Грачева. -М.: Колос, 1971. 235 с.
- Глазовская, М.А. Геохимические основы типологии и методики исследований природных ландшафтов. Монография. -М.: Изд-во МГУ, 1964. 230 с.
- Ильин, В.Б. Тяжёлые металлы в системе почва -растение. Монография. -Новосибирск: Наука, 1991. 151 с.