Биоконсервация промышленных загрязнителей растениями березы Повислой (Betula pendula Roth) на антропогенно нарушенных территориях в Республике Башкортостан

Несовершенство технологий при низком уровне очистных мероприятий на промышленных предприятиях приводит к тому, что в окружающую среду с выбросами поступают огромные количества токсичных соединений, в состав которых часто входят и металлы. Токсиканты оказывают негативное влияние на здоровье населения и состояние растительного покрова на значительных территориях. Известно, что в наибольшей степени санитарнозащитные функции выполняют древесные растения [1, 3, 4, 6, 11, 12]. Поллютанты оказывают серьезное комплексное воздействие на растительность, и нередко мощный антропогенный пресс является губительным или летальным для растений [9, 10]. При этом оздоровление окружающей среды невозможно без создания фитофильтра и среди множества древесных пород береза повислая ( Betula pendula Roth) является видом, который широко используется в «зеленом строительстве» как в Башкортостане, так и по всей России.

Методика исследований. Характер накопления и перераспределения тяжелых металлов в экосистеме в значительной мере зависит от особенностей почвенного и растительного покрова, а также уровня техногенной нагрузки. Почва аккумулирует поступающие

загрязнители и может стать вторичным источником загрязнения приземного воздуха, природных вод, продукции растениеводства [8]. Необходимость определения содержания тяжелых металлов в почве имеет особое значение, т.к. обладая буферной емкостью, почва снижает подвижность металлов и тем самым уменьшает поступление их в растения. В качестве индикации техногенного воздействия на объекты исследования выбран подход, основанный на сравнении концентрации тяжелых металлов в почвах и растениях зоны техногенного воздействия с показателями местного геохимического фона исследуемых металлов [2, 8].

Изучали содержание ряда металлов в растениях березы повислой (Betula pendula Roth) , которые произрастают на промышленных отвалах вблизи городов Кумертау (КБР), Сибай (СФ УГОК) Учалы (УГОК), а также в промзоне г. Стерлитамака. Всего в процессе полевых работ было взято более 1500 объединенных проб почвы и растений. Отбор и подготовку к анализу почвенных и растительных образцов осуществляли по общепринятым методикам [7]. Для анализа содержания отдельных элементов в почвах и растениях отобранные образцы высушивались до воздушносухого состояния, затем готовились навески (по 2,0 г). Содержание элементов в растительных образцах и в почвогрунтах определялось в аналитической лаборатории Института геологии РАН (г. Москва) методом масс- спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой – ICP-MS (PLASMA QUAD PQ2-TURBO PLUS, USA). Содержание отдельных элементов выражалось как массовая доля примесей – в частях на миллион (ppm). Фактический материал отбирался на протяжении 10 лет – в период с 2000 по 2010 гг. Все измерения проводились не менее, чем в 10 повторностях. Математическая обработка полученных данных производилась с помощью статистического пакета Microsoft Excel 2000. В таблицах представлены средние арифметические данные и ошибки среднего значения за все годы исследований [5].

Результаты исследований и их анализ. Растения березы повислой отличаются высокой эврибионтностью. Необходимо отметить, что развитие в различных условиях наносит серьезный отпечаток на характер формирования березовых насаждений. Так, при произрастании на отвалах УГОК и СФ УГОК береза повислая, наряду с сосной обыкновенной, входит в число пионерных видов древесной растительности и осваивает свободные территории, образуя при этом разновозрастные насаждения. Количество стволов березы повислой может достигать 3000 шт./га, при этом очевидным является факт выполнения растениями березы повислой средостабилизирующих функций в техногенных ландшафтах.

Рассматривая вопрос формирования березовых насаждений на отвалах КБР и в промзоне г. Стерлитамака необходимо отметить, что насаждения создавались как культуры и на сегодняшний день представляют собой сомкнутые древостои, способные в полной мере выполнять роль фитофильтра на пути распространения промышленных загрязнителей окружающей среды. Биоаккумулятивные свойства березы в условиях хронического загрязнения окружающей среды играют важнейшую роль в ограничении миграции экотоксикантов (табл. 1, 2). Установлено, что содержание Ca в растениях исчисляется тысячами ppm, при этом наибольшее его количество накапливается в коре (6610 ppm), а наименьшее – в побегах (3318 ppm). Содержание Fe и Mn исчисляется сотнями ppm и в наибольшей степени данные металлы накапливаются в коре (1090 и 440 ppm), минимальное содержание этих металлов приходится на побеги (284 и 151 ppm). Содержание меди в коре также наибольшее и превосходит ее содержание в листьях в 2,3 раза и составляет 23 ppm.

Показано, что наибольшее количество Pb, Cd и Hg накапливается в листьях березы, при этом наименьшее их количество содержится в коре. Побеги занимают промежуточное положение. Содержание данных металлов в растениях не превышает 1,5 ppm. Характеризуя накопление St отмечается, что данный элемент не определяется в растениях, при этом его содержание в почве составляет 22 ppm. За счет биоаккумулятивных свойств березы содержание металлов в растениях превышает аналогичный показатель для почв, а максимальное суммарное количество техногенных металлов в лесной подстилке объясняется постоянным поступлением металлов с опадом.

Показано, что суммарное содержание Cu в надземной части березы повислой значительно превосходит содержание этого металла в подземной части растения. Таким образом, можно сделать заключение о том, что многолетние надземные органы березы повислой выполняют депонирующую роль и способны к аккумуляции значительных количеств Cu. Наибольшее количество Cu содержится в побегах (92 ppm), в то время как в листьях Cu не обнаружена. Промежуточное положение занимают корневая система (44 ppm) и кора (32 ppm). Содержание Cu в почвогрунтах под насаждением и на необлесенных участках незначительно и приближается к 0.

Содержание Mn, как одного из наиболее важных физиологических элементов, исчисляется сотнями ppm. Анализируя данные о количественном содержании Mn в различных органах березы повислой отмечено значительное накопление этого элемента в листьях – до 424 ppm, при этом содержание Mn в корнях, коре и побегах не превышает 200 ppm. Максимальное накопление металла в листьях обуславливает повторную интоксикацию во время опада листвы. В почвогрунтах под насаждениями древесных растений содержание Mn на 30% ниже относительно необлесенных участков отвалов буроугольных месторожедений.

Установлено, что накопление Zn в органах березы находится в ряду: побеги > корневая система > кора. В наибольшей степени накопление Zn происходит в надземных органах березы повислой, однако следует отметить, что в листьях Zn не концентрируется. Количественное соотношение Zn в грунтах показывает, что под насаждением содержание металла более, чем в 7 раз превосходит показатели по сравнению с необлесенными участками.

В ходе проведения анализов по определению содержания Ni в различных органах березы повислой было установлено, что в листьях Ni отсутствует. Содержание металла в побегах в 2 раза меньше, чем в коре и в 4 раза меньше по сравнению с корневой системой и составляет 13 ppm. Защитные механизмы березы повислой обеспечивают депонирование металла в более старых органах растения, тем самым предотвращая попадания Ni в молодые развивающиеся органы и ткани. Благодаря металлаккумулирующей способности древесных растений содержание Ni в грунтах под насаждением более, чем в 4 раза меньше относительно показателей необлесенного участка.

Анализ распределения Pb в различных органах древесных растений, произрастающих на отвалах буроугольного месторождения, показывает, что корневая система и кора являются основным местом депонирования Pb в растениях березы повислой: содержание этого металла в коре – 7,9 ppm, в корнях – 9,3 ppm. Побеги также способны накапливать Pb, однако содержание металла в них значительно ниже по сравнению с корой и корневой системой и составляет 1,7 ppm. Показано, что в листьях березы повислой Pb не накапливается. Несмотря на значительную способность березы к накоплению Pb содержание этого металла в почвах под насаждениями почти в 10 раз выше по сравнению с грунтами необлесенных участков.

St накапливается во всех частях березы повислой и его содержание исчисляется десятками ppm. Наибольшее его содержание отмечается в корневой системе (93 ppm) и побегах (68,3 ppm), наименьшее – в листьях (22 ppm) и коре (52 ppm). Таким образом, распределение St в растениях березы повислой можно характеризовать как равномерное. Суммарное количество металла в надземной части выше, чем в подземной, что является основанием для того, чтобы сделать предположение о высокой проникающей способности St в растительный организм (в данном случае – береза повислая). Высокое содержание St в растениях обуславливает снижение его количества в грунтах под насаждением более, чем в 2 раза по сравнению с грунтами необлесенного участка.

Cr в наибольшем количестве накапливается в корневой системе березы повислой – до 107 ppm. Содержание Cr в коре и побегах различается незначительно и составляет 68 и 71,3 ppm соответственно. Наименьшее количество Cr обнаруживается в листьях (29 ppm), что дает возможность предположить возможность внутренней регуляции распределения данного металла в растениях. Очевидно, что основная масса высокотоксичного металла концентрируется в тканях корней и поступает в ассимиляционные органы в минимальном количестве. Несмотря на значительные способности березы к аккумуляции Cr его количество в почве под насаждением более, чем в 34 раза превосходит аналогичный показатель для необлесенных участков. Такой факт может быть объяснен значительными корневыми выделениями растений с высоким содержанием данного металла (в корнях его очень много), а также дополнительным поступлением в почву с опадом.

Показано, что суммарное содержание Cd в надземной части березы повислой в 3 раза больше, чем в подземной части растения. Наибольшее количество Cd содержится в коре (0,78 ppm) и побегах (0,74 ppm), а наименьшее – в листьях (0,4 ppm) и корнях (0,6 ppm). Наибольшее количество Cd накапливается в более старых частях березы повислой. Содержание Cd в почвах под насаждением березы повислой значительно меньше по сравнению с грунтами необлесенных участков – 0,55 и 5,4 ppm соответственно.

Отмечается, что в органах березы повислой содержание Hg колеблется в пределах 0,12-0,01 ppm, в побегах и корневой системе соответственно. Наибольшее количество Hg концентрируется в побегах, при этом в листья данный металл не транспортируется – его содержание в ассимиляционных органах равно 0. Промежуточное положение занимает кора деревьев, содержание Hg в которой составляет около 0,06 ppm. Количество Hg в почвогрунтах под насаждениями березы повислой в 7 раз превосходит содержание данного металла в грунтах необлесенных участков и составляет 0,21 ppm. Значительное увеличение Hg в почвах под насаждениями возможно благодаря корневым выделениям.

Содержание Zn в растениях березы повислой при произрастании на отвалах СФ УГОК колеблется в пределах 81,9-86,5 ppm. Достоверных различий между показателями аккумуляции Zn в различных органах установлено не было. По сравнению с Zn в растениях березы накапливается гораздо более меньшее количество Cu. Максимум Cu концентрируется в листьях березы (11,5 ppm), чуть меньше содержится Cu в корневой системе (7,4 ppm), а минимальное количество отмечается в древесине и коре – 5,4 ppm. Результаты анализов показывают, что содержание Cd в растениях подчиняется закономерности: корни > древесина и кора > листья, чего нельзя сказать о Zn и Cu. Характеризуя суммарное содержание металлов в растениях необходимо отметить, что наибольшее количество металлов содержится в листьях и несколько меньшее в корнях, коре и побегах. Отвальные грунты содержат значительное количество металлов, несмотря на биоаккумулятивные свойства древесных растений. Поскольку процесс самозарастания отвалов СФ УГОК идет очень низкими темпами, и отвальные грунты под насаждениями по своей структуре мало отличаются от необлесенной части отвалов, то сравнение содержания металлов приведено относительно ПДК для соответствующих элементов. Так, было установлено, что наибольшее превышение наблюдается в случае с Cu, содержание которой в отвальных грунтах составляет 83,8 ppm при ПДК равном 23 ppm. Валовое содержание Zn в отвальных почвогрунтах приближается к 100 ppm. Несмотря на высокое содержание металла в почвогрунтах его превышение над ПДК значительно меньше по сравнению с Cu и составляет 13,8 ppm. Содержание Cd в отвальных грунтах за биоаккумулятивных свойств растений в 3 раза меньше относительно ПДК, составляющего для этого металла 1,5 ppm.

Таблица 1. Содержание техногенных элементов в органах березы повислой при произрастании на отвалах медно-колчеданного месторождения в г. Сибай

Элементы (ppm)	Наименования образцов для анализов
	ассимиляционные органы (листья)	cмешанные образцы побегов и коры	корни	грунт под насаждением (валовое содержание)	ПДК (по валовым формам)
Cu	11,5±1,1	5,4±0,3	7,4±0,8	83,8±2,9	23
Zn	86,5±5,8	84,3±7,5	81,9±6,4	98,8±3,6	85
Cd	0,1±0,02	0,12±0,01	0,15±0,05	0,48±0,07	1,5
Итого:	97,1	89,82	89,45	183,08	109,5

Анализируя количественные характеристики биоаккумуляции металлов было установлено, что содержание Fe как в растениях березы повислой, так и почвогрунтах исчисляется тысячами ppm. Показано, что наименьшие количества данного металла накапливаются листьями и побегами растений – 3270 и 3720 ppm соответственно. Наибольшее количество Fe аккумулируется в коре растений и в 2 раза превосходит показатели листьев и побегов. Корневая система содержит до 7350 ppm Fe, что является средним показателем относительно остальных органов растений. На фоне высокого содержания Fe в растениях почвогрунты под насаждениями содержат значительно большее количество исследуемого металла по сравнению с грунтами необлесенных участков – 132000 и 89900 ppm.

Растения березы повислой аккумулируют также значительное количество Mn при произрастании на отвалах УГОК. Наибольшее содержание Mn приходится на листья – до 475,3 ppm и кору – 205,5 ppm, наименьшее – на побеги (54,5 ppm) и корневую систему (129 ppm). Значительные биоаккумуляционные способности березы повислой являются основой более, чем 3-х кратного снижения содержания Mn в почвах под насаждениями по сравнению с отвальными грунтами вне древостоев – 1410 и 4260 ppm соответственно.

Таблица 2. Содержание техногенных элементов в органах березы повислой при произрастании на отвалах медно-колчеданного месторождения в г. Учалы

Элементы (ppm)	Наименования об			разцов для анализов
	ассимиляционные органы (листья)	побеги	кора (на высоте 1,3 м)	корни	грунт под насаждением	грунт необ-лесенного участка
Cu	23,3±3,7	28,5±2,2	24±1,2	31,5±2,2	57±4,2	166±21
Zn	40,2±4,1	0	124,5±16,9	760±55	0	242±38
Mn	475,3±21,8	54,5±3,7	205,5±31,6	129,5±11	1410±98	4260±187
Cd	0,22±0,05	7,8±0,8	0,52±0,07	0,95±0,06	0,13±0,04	1,1±0,08
St	50,1±4,7	39,5±3	152±10,9	74,5±6,8	83±5,7	239±18
Fe	3270±212	3720± + 169	7355± + 265	4690±389	132000±1268	89900±948
Ni	10,3±0,9	0	0	0	937±89	0
Cr	84,3±6,7	26,5±1,4	76,5±5,1	58±4,3	735±25	433±15
Pb	1,46±0,2	6±0,7	4,5±0,6	6,65±0,88	9,2±1,1	43±2,1
Итого:	3955,18	3882,8	7942,52	5751,1	133961,33	95284,1

Содержание Cr в растениях березы повислой, произрастающих на отвалах УГОК, исчисляется десятками ppm. При этом наибольшее количество Cr накапливается в листьях (84,3 ppm) и коре (76,5 ppm), наименьшее – в побегах (26,5 ppm). Промежуточное положение занимает корневая система, содержание Cr в которой оценивается в 58 ppm. Вместе с тем, количество Cr в почвогрунтах под насаждениями березы составляет 735 ppm, что значительно больше по сравнению с грунтами необ-лесенных участков (433 ppm). Повышение количества Cr в почве под насаждениями объясняется дополнительным поступлением металла с опадом и корневыми выделениями.

Cu распределена в органах растений березы повислой весьма равномерно по сравнению с другими металлами. Ее содержание варьирует в пределах от 23,3 ppm в листьях до 31,5 ppm в корневой системе. Содержание Cu в побегах и коре различается незначительно и составляет 28,5 и 24 ppm соответственно. Значительное накопление Cu в растениях определяет довольно низкое ее содержание в почвогрунтах под насаждениями относительно участков, где отсутствует древесная растительность. Так, было установлено, что в почвогрунтах под насаждениями содержание Cu составляет 57 ppm против 166 ppm на безлесных территориях.

Установлено, что многолетние части березы повислой способны аккумулировать значительные количества Zn. В частности корневые системы березы содержат до 760, а кора 124,5 ppm Zn, при том, что в побегах Zn может обнаруживаться лишь в следовых количествах. Содержание Zn в листьях березы составило 40,2 ppm. В отвальных грунтах УГОК содержание Zn составляет 242 ppm, при следовом содержании данного металла в почвах под насаждениями березы повислой.

Показано, что в растениях березы повислой, произрастающих на отвалах УГОК, содержание Pb в наибольшем количестве отмечается в корневой системе и побегах – 6 и 6,65 ppm соответственно. Несколько меньшее количество Pb аккумулируется в коре (4,5 ppm), а минимальное количество металла накапливается в ассимиляционных органах березы повислой – 1,46 ppm. Следует отметить, что разница между содержанием Pb в почвогрунтах под насаждением и его содержанием в грунтах безлесных участков составляет более чем 400%. При этом содержание Pb в почвогрунтах под насаждениями составляет 9,2 ppm, а на обеслесенных участках – 43 ppm.

Содержание St в растениях березы, произрастающих на отвалах УГОК, исчисляется десятками ppm. При этом основная масса St концентрируется в корневой системе (74,5 ppm) и коре (152 ppm). Наименьшее количество St накапливается в побегах березы повислой – 39,5 ppm и несколько большее количество металла концентрируется в листьях 50,1 ppm. Фоновое содержание St в почвогрунтах необ-лесенного участка составляет 239 ppm, в то время как в почвогрунтах под насаждениями этот показатель составляет 83 ppm.

Наибольшее содержание Cd отмечается в побегах (7,8 ppm) березы повислой, произрастающих на отвалах УГОК. При этом распределение металла в органах березы повислой выглядит следующим образом: побеги > корни > кора > листья. Таким образом, показано, что в многолетних частях растения содержание Cd значительно выше по сравнению с ассимиляционными органами. На фоне увеличения содержания Cd в многолетних органах березы отмечается 9-кратное снижение его концентрации в почвогрунтах под насаждениями относительно грунтов необлесенного участка – 0,13 и 1,1 ppm соответственно.

В многолетних органах березы повислой не аккумулируется Ni при произрастании на отвалах УГОК. Однако достаточно высокое содержание Ni отмечается в листьях березы – до 10,3 ppm. В результате аналитических работ установлено, что в образцах почвогрунтов под насаждениями березы содержание Ni составляет 937 ppm, а в образцах отвальных грунтов на необлесенных участках Ni не обнаруживается.

Выводы: исследования биоаккумуля-тивных возможностей растений березы повислой в техногенных ландшафтах позволяют сделать заключение о том, что в наибольшей степени металлы аккумулируются в многолетних органах на отвалах КБР (побеги) и УГОК (кора) – 576, 91 и 7942,52 ppm или в листьях на отвалах СФ УГОК – 97,1 ppm. Наименьшими способностями к биоаккумуляции у растений березы характеризуются: на отвалах КБР – кора (378, 74 ppm), УГОК – побеги (3882,8 ppm) и корни – на отвалах СФ УГОК (89,45 ppm). Показано, что при развитии растений на отвалах КБР и СФ УГОК металлы распределены в различных органах равномерно, о чем свидетельствует незначительная разница между максимальными и минимальными показателями содержания металлов. При развитии на отвалах КБР отмечается снижение содержания общего количества металлов в почвогрунтах под насаждениями по отношению к необле-сенным участкам – на 35%. В г. Стерлитамаке наибольшее количество суммы металлов, а также Cu, Ca, Mn, Fe накапливается в коре, при этом Pb, Cd, Hg концентрируются в листьях, а St – только в почве. Суммарное содержание металлов в растениях превосходит аналогичный показатель для почв под насаждениями, но наибольшее количество металлов аккумулируется в хорошо развитой лесной подстилке.