Биоаккумуляция металлов в органах древесных растений в условиях полиметаллических отвалов Учалинского горно-обогатительного комбината (Республика Башкортостан)

Для изучения техногенного влияния промышленных отвалов на древесные насаждения был проведен отбор почвогрунтов и растительных образцов (корни, кора, побеги, листья (хвоя) с целью определения тяжелых металлов (ТМ). Выбор участков отбора проб проводился с учетом известных и общепринятых методических подходов [3].

В лабораторных условиях были определены химические параметры почв следующими методами: содержание гумуса методом определения органи-

ческого вещества (ГОСТ 26213–91), рН, подвижный фосфор и калий по методу Мачигина в модификации ЦИНАО (ГОСТ 26205-91), азот по Корн-фильду. Изучение содержания валовых форм ТМ в почвах проводили методом атомно-абсорбционной спектроскопии на приборе Contr-AA (Analytik Jena AG, Germany) в центральной лаборатории Сибай-ского филиала ОАО «Учалинский ГОК» [4]. Определение подвижных форм ТМ проводилось методом экстракции проб почв аммонийно-ацетатным буфером (ААБ) с рН 4,8 с использованием вольтамперометрического комплекса «СТА» (ООО «ЮМХ», Россия). Для анализа растительного материала на содержание ТМ применялся также инверсионный вольтамперометрический метод исследования на установке СТА [5]. Для экотоксикологи-ческой оценки почв использовали предельнодопустимые концентрации (ПДК) ТМ по их валовым и подвижным формам [6].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Отвалы медно-колчеданных месторождений УГОК сложены скальными плохо выветривающимися породами различного химического состава (змеевики, флюориты, кварциты, порфириты, пириты и др.), легко подвергающимися выветриванию глинистыми и песчаными сланцами, различными глинами [7]. Молодые почвы под сосновыми насаждениями по химическому составу представляют собой породы с кислой реакцией среды (рН 4,3), слабо обеспечены подвижным фосфором (2,05 мг на 100 г почвогрунта), низким содержанием калия (2,05 мг на 100 г почвогрунта) и азота (0,6 мг на 100 г почвогрунта). Содержание гумусовых веществ в верхнем аккумулятивном горизонте низкое и составляет 1,65%.

Сравнение данных по содержанию валовых форм Cu и Zn с ПДК в почвогрунтах под сосновыми насаждениями показало, что в грунтах наблюдается превышение допустимых норм. По содержанию подвижных форм Cu отмечается превышение в 1,4 ПДК. По отношению к подвижным формам Zn исследуемые почвенные образцы относятся к категории «незагрязненный».

Концентрация валовых и подвижных форм Pb и Cd в горизонте 0-20 см в почвогрунтах сосновых насаждений находится в пределах ПДК.

Молодые почвы березовых насаждений УГОК характеризуются низким содержанием подвижных форм фосфора (3,2 мг на 100 г почвогрунта) и средним – калия (15,9 мг на 100 г почвогрунта), а также подвижного азота (0,7 мг на 100 г почвогрунта). Содержание гумусовых веществ в верхнем аккумулятивном горизонте под насаждениями березы высокое и составляет 7,4%. Реакция почв сильнокислая. Следует отметить крайне неустойчивый характер распределения запасов валовых и подвижных форм элементов в молодых почвах березовых насаждений.

Сопоставление содержания валовых форм Cu, Zn, Pb и Cd в отвальных грунтах под насаждениями березы со значениями ПДК показало, что концентрация металлов в условиях отвалов значительно выше нормы. По содержанию подвижных форм Cu и Cd почвогрунты относятся к категории «загрязненные» (табл. 1).

Таблица 1. Содержание валовых и подвижных форм металлов (мг/кг) в почвогрунтах под насаждениями сосны и березы

В целом, повышенное содержание исследуемых металлов в почвогрунтах медно-колчеданных отвалов УГОК свидетельствует о высоких концентрациях данных элементов во вскрышных породах.

Результаты анализа содержания металлов в различных органах сосны и березы показали значительные отличия в накоплении металлов березой и сосной и их частями, а также избирательность по отношению к определенным элементам (табл. 2, 3).

Таблица 2. Содержание микроэлементов в различных органах сосны

Таблица 3. Содержание микроэлементов в различных органах березы

Согласно таблице 3, максимальное накопление Cu и Zn обнаружено в корневой системе сосны. Отмечается постепенное снижение содержания элемента в надземных органах: кора > побеги > хвоя. Наибольшее депонирование Pb установлено для коры и наблюдается превышение ПДК для Cd (0,065-0,085 мг/кг [8]) во всех органах сосны.

Отмечается сходный характер распределения Cu в органах березы и сосны, где основным органом депонирования служит корневая система как орган, препятствующий проникновению металла в надземные органы. Распределение Zn по органам березы представлена в ряду убывания: побеги > кора > листья > корневая система. Обнаружено закономерное увеличение Pb от надземных органов к подземным, причем в корневой системе установлено превышение в 1,3 ПДК, относительно Cd установлено, что во всех органах березы обнаружено превышение ПДК (табл. 3). В целом, повышенное содержание исследуемых металлов в почвогрунтах медно-колчеданных отвалов УГОК свидетельствует о выполнении ими роли фитофильтра и аккумулировании металлов в своих органах, препятствуя их рассеиванию в окружающую среду.

Несмотря на варьирование содержания ТМ в органах хвойной и лиственной пород, выявлен ряд особенностей. Во-первых, береза во всех органах накапливает больше металлов, чем сосна. Наибольшие концентрации элементов характерны для корней и коры деревьев (сосна, береза), что, видимо, формируется в результате внешнего захвата из атмосферы и внутреннего, посредством корневого питания и откладывания в депо запасания.

В наибольшей степени древесными растениями аккумулируется Zn, количество этого металла во всех органах на порядок, а то и выше, чем Cu, Pb и Cd. Видимо, это связано с физиологической ролью Zn как важного микроэлемента в жизнедеятельности растений. Содержание Cu ниже по сравнению с Zn, что, вероятно, связано с антагонистическими взаимодействиями между элементами и проявляется в виде ингибирования Zn потребления Cu растительностью [9]. В наименьшей степени в сосне депонируется Pb, содержание которого колеблется в пределах 4,43-9,31 мг/кг. В корнях березы Pb накапливается свыше ПДК, установленной на уровне 10 мг/кг [10]. Незначительное количество металла отмечено в коре, ветвях и листьях.

Растения способны легко извлекать Cd из воздушных источников, особенно его концентрация высока в загрязненных районах [9]. В условиях полиметаллических отвалов древесные породы накапливают значительное количество фитотоксиканта. В рассматриваемых нами условиях наибольшим содержанием Cd отличаются кора и ветви сосны, а в органах березы максимальным аккумулированием характеризуются корни и листья.

Проведенные исследования позволяют отметить следующее: по уровню содержания в отвальных грунтах подвижных соединений азота, калия и фосфора почвогрунты характеризуются как бедные на макроэлементы; отвальные грунты УГОК загрязнены Cu, Zn, Pb и Cd, причем под разными породами их количественное содержание значительно варьирует; высокие концентрации ТМ в почвогрунтах отвалов УГОК избыточно накапливаются в органах сосны обыкновенной и березы повислой; сосна обыкновенная и береза повислая, относящиеся к различным видам и семействам, обладают неодинаковой способностью к аккумуляции избыточных ТМ в среде обитания; неодинаковое распределение по органам сосны обыкновенной и березы повислой связано, по-видимому, с биологическими особенностями изученных пород. Необходимо отметить, что наибольшее среднесуммарное количество техногенных металлов накапливается в многолетних частях растений (корневая система, кора и ветви) относительно ассимиляционных органов.

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ (№ 08-04-97017) и гранта по Программе фундаментальных исследований Президиума РАН «Биологическое разнообразие».