Аккумуляция железа и марганца в листьях древесных растений в техногенных районах Забайкальского края

Важнейшей экологической проблемой современности, возрастающей с каждым годом, является загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами (ТМ). Поступление ТМ в атмосферу оказывает негативное воздействие на почвы и растения, и представляет угрозу для здоровья человека. Древесные растения могут выступать в роли естественного универсального фильтра, способного предохранять окружающую среду от загрязнения, т.к. они извлекают и концентрируют в своих тканях различные элементы, поэтому их используют для выявления уровня накопления тяжелых металлов как одного из источников техногенного загрязнения. Химический состав растений отражает элементный состав почв, но не повторяет его, так как они избирательно поглощают необходимые элементы в соответствии с физиологическими и биохимическими потребностями [13]. В своей жизнедеятельности растения контактируют только с доступными формами ТМ, количество которых, в свою очередь, тесно связано с буферностью почв. Способность почв связывать и инактивировать ТМ имеет свои пределы, когда они уже не справляются с поступающим потоком металлов, важное значение приобретает наличие у растений физиолого-биохимических механизмов, препятствующих их поступлению [1]. Основными факторами, влияющими на поступление и накопление в растениях ТМ, являются: элемент и его концентрация в почвенном растворе, рН почвы, вид растения.

Механизмы устойчивости растений к избытку ТМ могут проявляться по разным направлениям: одни виды способны накапливать высокие концентрации ТМ, но проявлять к ним толерантность, другие стремятся снизить их поступление путем максимального использования своих барьерных функций. Для большинства растений первым барьерным уровнем являются корни, где задерживается наибольшее количество ТМ, следующий – вегетативные части растений (стебли и листья), и в меньшей степени металлы содержатся в

генеративных органах (цветок, семена, плоды). Поглощение ТМ через листья (фолиарное) иногда оказывает значительное воздействие на загрязнение растений. Это имеет практическое значение при загрязнении атмосферы выбросами ТМ.

Как известно, наиболее опасными токсичными ТМ являются элементы I группы опасности (Hg, Pb, Cd, Zn, As, Se, Be), которые, являясь примесными микроэлементами, вызывают различные нарушения и нередко приводят к гибели живых организмов. Наряду с этим важное значение приобретает содержание биогенных элементов, которые необходимы для нормального функционирования и жизнедеятельности живых организмов, в том числе и растений. К таким биогенным элементам относятся железо и марганец (III группа опасности) [1-3, 10].

Железо играет ведущую роль среди всех содержащихся в растениях тяжелых металлов. Среднее содержание железа в растениях составляет 0,02-0,08% (20-80 мг/кг сухой массы). Органические соединения, в состав которых входит железо, необходимы в биохимических процессах, происходящих при дыхании и фотосинтезе. Это объясняется очень высокой степенью их каталитических свойств. Неорганические соединения железа также способны катализировать многие биохимические реакции, а в соединении с органическими веществами каталитические свойства железа возрастают во много раз. Каталитическое действие железа связано с его способностью менять степень окисления. Атом железа окисляется и восстанавливается сравнительно легко, поэтому соединения железа являются переносчиками электронов в биохимических процессах. В основе реакций, происходящих при дыхании растений, лежит процесс переноса электронов. Процесс этот осуществляется ферментами – дегидрогеназами и цитохромами, содержащими железо. Железу принадлежит особая функция – непременное участие в биосинтезе хлорофилла. Поэтому любая причина, ограничивающая доступность железа для растений, приводит к тяжелым заболеваниям, в частности к хлорозу. При нарушении и ослаблении фотосинтеза и дыхания вследствие недостаточного образования органиче- ских веществ, из которых строится организм растения, и дефицита органических резервов, происходит общее расстройство обмена веществ. Поэтому при остром недостатке железа неизбежно наступает гибель растений. У деревьев и кустарников зеленая окраска верхушечных листьев исчезает полностью, они становятся почти белыми, постепенно усыхают. Недостаток железа наблюдается преимущественно на щелочных и известковых почвах, где высокие величины рН препятствуют его поглощению.

Марганец принимает активное участие в обмене веществ, улучшает физиологические процессы. Участвует в окислительных процессах, в восстановлении нитратов в процессе фотосинтеза, а также в антагонизме между марганцем и другими элементами, в частности с железом. Марганец входит в состав ферментов, повышает их активность. Среднее его содержание в растениях составляет 0,001%, (1 мг/кг сухой массы) тканей. Марганец накапливается в листьях. Установлено участие ионов этого металла в выделении кислорода (фоторазложение воды) и восстановлении СО 2 при фотосинтезе, также в синтезе витамина С. Марганец поступает в растение на протяжении всего вегетационного периода. При недостатке марганца в почвах (низкое содержание, неблагоприятные условия для усвоения марганца растениями) возникают заболевания растений, характеризующиеся в общем появлением на листьях растений хлоротичных пятен, которые в дальнейшем переходят в очаги некроза (отмирания). Обычно при этом заболевании происходит задержка роста растений и их гибель. Избыток марганца, так же как и его недостаток, неблагоприятно сказывается на растениях.

Из литературных источников [7] известно о существовании манганофиллов – растений, которые способны в больших количествах накапливать марганец (лютик золотистый, полынь лекарственная, некоторые папоротники, сосна, береза, пасленовые). Многочисленные исследования показали наличие определенной зависимости между железом и марганцем. При отсутствии марганца в растении накапливается избыток активного закисного железа, что вызывает хлороз вследствие отравления его железом. Высокая концентрация марганца приводит к понижению концентрации активного закисного железа. Железо мобилизируется в клетках в виде окисного органофосфорного соединения, в результате чего наступает хлороз, вызванный недостатком железа. Для нормальной жизнедеятельности растения железо и марганец должны находиться в соотношении (примерно 2:1) [2, 5, 6, 11, 12].

Целью наших исследований являлось изучить накопление ионов железа и марганца в листьях древесных растений произрастающих в районах с техногенным воздействием.

Мощным источником техногенного загрязнения являются горно-обогатительные комбинаты (ГОК), их воздействие на окружающую среду связано с горными работами, обогатительным и гидрометаллургическим комплексом, вспомога- тельными производствами. Для исследования было выбрано по 3 участка прилегающих к Забайкальскому ГОК (недействующее предприятие) п. Первомайский (Шилкинский район) и Новоорловскому ГОК (действующее предприятие) п. Новоорловский (Агинский район). В пределах Забайкальского ГОК образцы взяты в сквере поселка Первомайский (П1), у цехов ГОК по переработке руды (П2) и рядом с недействующим заброшенным карьером (П3).В пределах Новоорловского ГОК образцы были взяты на пришкольном участке Новоорловской СОШ (Н1), у цехов ГОК по переработке руды (Н2), у дороги по которой перевозится руда из карьера к месту переработки (Н3). В качестве фонового участка выбрано с. Беклемише-во (Читинский район), которое расположено на территории Ивано-Арахлейского государственного природного ландшафтного заказника, в 120 км северо-западнее г. Читы. При выборе участка учитывалась отдаленность от города, наличие исследуемых видов растений, отсутствие в настоящее время антропогенных источников загрязнения.

Объектами изучения служили 4 вида древесных растений, широко применяющихся в озеленении: Populus balsamifera L., Ulmus pumila L., Malus baccata (L.) Borkh., Сaragana arborescens Lam.. У данных видов растений исследовали листья, собранные в июле 2009 г. Отбор образцов и их подготовка к элементарному анализу осуществлялись по общепринятым методикам [4, 8]. Содержание ионов железа и марганца определялось методом рентгенофлуоресцентного анализа (лаборатория рентгеновских методов анализа, институт геохимии СО РАН, г. Иркутск). Результаты статистически обработаны (ошибка отклонения в пределах нормы).

Анализ показал, что все исследуемые виды растений содержат ионы железа и марганца (рис. 1), однако соотношение железа и марганца (примерно 2:1) необходимое для нормальной жизнедеятельности растений обнаруживается не во всех районах исследования и часто связано с видовой специфичностью. Так для Malus baccata многократное превышение железа над марганцем наблюдается на участке П1 (рис. 1.1); у Ulmus pumila – на всех участках кроме фонового (рис 1.2). У Сaragana arborescens подобные показатели отмечены рядом с цехом по переработке руды, как в п. Первомайский, так и в п. Новоорловский (рис. 1.3).

Во всех образцах зарегистрировано многократное превышение нормы содержания, как железа, так и марганца. На участке П1 для Malus bac-cata нами отмечено превышение ПДК для железа – 977 мг/кг сухой массы (ПДК Fe – 750 мг/кг сухой массы) [9]. Возможно, это связано с повышенной антропогенной нагрузкой на данном участке, так как он с четырех сторон окружен дорогой с активным движением автотранспорта. На участке Н3 обнаружено превышение ПДК марганца – 345 мг/кг сухой массы (ПДК Mn – 300 мг/кг сухой массы) [9]. На данном участке произрастает только Populus balsamifera , поэтому здесь приводим данные по содержанию марганца в листьях только одного вида древесных растений (рис. 1.4).

□ Fe ■ Mn

1.1. Malus baccata (L.) Borkh.

□ Fe ■ Mn

1.2. Ulmus pumila L.

[□ Fe □ Mn

1.3. Сaragana arborescens Lam.

[□ Fe ■ Mn

• 1.4.    Populus balsamifera L.

Рис. 1. Среднее содержание железа и марганца в листьях древесных растений, мг/кг (июль, 2009 г.)

Повышенная концентрация элемента приурочена к дороге, по которой в настоящее время перевозится руда, что связано с антропогенной нагрузкой и значительным дополнительным поступлением марганца в окружающую среду. Оптимальное соотношение железа и марганца (примерно 2:1) отмечено нами для Malus baccata только на участке П2, для Populus balsamifera на участках П2 и Н2, у Ulmus pumila на фоновом участке, у Сaragana arborescens только на участке П1, тем не менее в момент взятия проб у всех растений хлороз, как показатель нехватки элементов, не наблюдался.

Большое значение в поглощении ТМ имеет видовая принадлежность растений. Анализ 4-х видов древесных пород выявил отличия содержания в них данных элементов. Особенно четко различия проявляются в накоплении марганца. Максимальное содержание марганца наблюдается у Populus balzamifera, как на исследуемых участках, так и на фоновом. Минимальное содержание обнаружено у Ulmus pumilla на всех участках наблюдения. Для Сaragana arborescen и Malus baccata выявлены средние показатели по этому элементу. Содержание железа в исследуемых видах на фоновом участке практически равнозначное. Наблюдается равномерное повышение содержания данного элемента на участках П1, П2. Максимальное количество элемента соответствует участкам Забайкальского ГОК. Выявилась зависимость по марганцу на фоновом и исследуемых участках (рис. 2).

□ т ополь □ карагана □ ильм □ яблоня

Рис. 2. Среднее содержание марганца в листьях древесных растений, мг/кг (июль, 2009 г.)

I □ тополь □ карагана □ ильм □ яблоня

Рис. 3. Среднее содержание железа в листьях древесных растений, мг/кг (июль, 2009 г.)

Прямая зависимость у Сaragana arborescens и Malus baccata: все исследуемые участки по марганцу превышают фоновые значения. У Ulmus pumila обратная зависимость: фоновая концентрация превышает все остальные. Для Populus balsam- ifera нами отмечено, как значительное превышение, так и снижение концентраций марганца по сравнению с фоновой. Ни на одном, их всех участков не наблюдается превышение содержания марганца во всех исследуемых видах по сравнению с фоновым участком. У Сaragana arborescens во всех пунктах наблюдения содержание железа превышающее фоновое (рис. 3).

У Populus balsamifera либо близко к фоновому на участках П1, Н2, Н3, либо превышает его на участках П3, Н3. У Ulmus pumila незначительные колебания содержания железа по отношению к фоновому участку; у двух видов отмечено многократное превышение фоновых значений: у Malus baccata на участке П1, у Populus balsamifera на участке Н3. В отличие от марганца фоновые концентрации железа в листьях исследуемых видов очень близки, и равномерное превышение их наблюдается на участке рядом с цехом по переработке руды Забайкальского ГОК. Таким образом, железо и марганец поглощается листьями разных видов древесных растений с разной интенсивностью.

Выводы:

• 1.    Исследуемые древесные виды растений обладают неодинаковой способностью аккумулировать металлы и содержат различные количества железа и марганца. Поглощение элементов видоспецифично. Фоновая концентрация железа и марганца в листьях превышена у Сaragana arborescens. По марганцу: превышена у Malus bac-cata , у Ulmus pumila ниже фоновой концентрации, а у Populus balsamifera нестабильна. По железу: нестабильно у Ulmus pumila , Populus balsamifera , Malus baccata . Содержание ТМ в условиях техногенного воздействия, по сравнению с незагрязненными территориями изменяется в более широких пределах.

• 2.    На всех исследуемых участках наблюдается превышение средних концентраций железа и марганца. ПДК железа превышено у Malus baccata в сквере п. Первомайский, ПДК марганца превышено у Populus balsamifera произрастающего вдоль дороги действующего Новоорловского ГОК.

• 3.    Сaragana arborescens является активным накопителем железа и марганца в листьях, поэтому желательно применение данного вида в озеленении населенных пунктов вблизи ГОК.

• 4.    Ulmus pumila в условиях техногенного загрязнения накапливает железо и марганец в пределах

фоновых значений или даже ниже их, вероятнее всего это связано с защитным или барьерным механизмом накопления данных металлов, что также позволяет рекомендовать данный вид для озеленения населенных пунктов.