Дикорастущие растения как объект мониторинга загрязнения почвы тяжелыми металлами

Большинство городов России испытывают сильное антропогенное воздействие из-за высокой численности промышленных предприятий. Особое место среди них занимает Саранск, где выбросы промышленных ппедппия-тий, энергетических установок и транспорта привели к загрязнению окружающей среды тяжелыми металлами.

Серьезную опасность для окружающих промышленную зону районов представляет нео-зелененная открытая поверхность почвы, главным образом, вокруг заводов, гаражей, автостоянок и т. д. Эти обширные участки несут серьезную угрозу пылевой дефляции и выноса поверхностного слоя загрязненной почвы на близлежащие территории, в том числе и садово-огородные участки.

В настоящее время известно много публикаций, посвященных разработке приемов детоксикации [1; 13]. Однако анализ литературы не дает какой-либо универсальной методики для быстрой рекультивации почв, загрязненных тяжелыми металлами, и каждый из вышеприведенных методов имеет свои слабые стороны.

На наш взгляд, одним из перспективных способов детоксикации почв в комплексе с другими приемами может быть фиторемедиация — способ очистки и оздоровления загрязненных тяжелыми металлами почв с помо-ПГк1Л ПОГТРиМЫ 1ЪпдщтиГ1 L’TA nOATAULTO ПУЛ1А-A^AHAV ^Ы Ч- А ЧжЖХАХАА. *. Ю JL^ *_ Ч-, 1 X X Ч-Г , ХХЧ» |/Ы Ч Я V 1 I 1 1 X 1 , 1-1 к МЛ J- V чаясь в биологический круговорот, накапливают в своих тканях тяжелые металлы, извлекая их из почвы (1; 5). Без вмешательства растений тяжелые металлы могут оставаться в почве на протяжении веков. Именно на этом и основан основной принцип фиторемедиации — выращивание на загрязненных тяжелыми металлами почвах растений, способных избирательно поглощать металлы и аккумулировать их в надземных органах, которые удаляются и сжигаются в промышленных печах, а металлы возвращаются производству, или вывоз надземной фитомассы растений и захоронение их в карьерах.

В качестве модели в фиторе медиационном методе наибольший интерес представляют дикорастущие формы, в частности сорняки культурных посевов, обладающие устойчивыми признаками и свойствами. Они, как правило, легче переносят неблагоприятные факторы © В. И. Кудряшова, Д. И. Башмаков, Т Н. Гудошникова, 2007

среды, в том числе токсичные, техногенные загрязнения.

Целью работы являлось изучение аккумуляции тяжелых металлов дикорастущими растениями, произрастающими в зонах промышленного загрязнения г. Саранска, для возможного их использования в фито ре медиационном методе очистки загрязненных почв от тяжелых металлов.

Для проведения эксперимента были выбраны районы г Саранска, отличающиеся неодинаковой степенью загрязненности тяжелыми металлами: Юго-Западный в пределах опытного завода и Центральный вблизи экспериментального завода.

Объектами исследования являлись почва и растения, которые наиболее часто встречаются в данном районе. Это растения из семейства сложноцветных: одуванчик лекарственный Taraxacum officinale Wigg., полынь горькая Artemisia abssinthium L, ежа сборная Dactylic glonurata L., клевер луговой Trifolium, pretense L, марь белая Chenopodium album L. Пробы почв и растений собирали осенью 1996 г. Отбор проб проводили в сухую погоду с 8 до 10 ч утра [9].

Собранные пробы зеленой массы были очищены от внешних загрязнителей и примесей, вымыты водой и высушены до воздушно-сухого состояния.

Определение тяжелых .металлов в растениях проводили из трех параллельных навесок. Для проведения анализа в фарфоровую чашку брали навеску измельченной пробы, взвешенной с погрешностью не более ± 0,0002 г. Минерализацию проб проводили по ГОСТу 26929-86 [3]. Содержание тяжелых металлов в почве и растениях определяли рентгенофлуоресцентным методом на прибо ре «Спектроскан» [11; 12].

Результаты анализа почвенных проб, отобранных в Центральном и Юго-Западном районах, показали, что содержание свинца (РЬ) в 12 раз превышает ПДК (табл. 1).

Наблюдаемое превышение ПДК свинца в этих районах связано с непосредственной близостью автодороги и с интенсивностью движения. Кроме того, РЬ и его соединения присутствуют в выбросах предприятий, расположенных на территории города. В 1,5 (Центральный район) и 1,7 (район Юго-Запада) раза превышен уровень содержания цинка (Zn). Основной источник загрязнения, обусловливающий превышение ПДК Zn в почве, объясняется наличием дизельного автотранспорта [5], а также работой лампового и опытного заводов, где изготавливали гальванические элементы и существует цех хромирования,

Неблагоприятная ситуация складывается и по отношению к содержанию меди (Си) в этих районах. Показатели здесь в 10 — 14 раз выше нормы. Исследование почвы в Центральном и Юго-Западном районах города показало, что валовое содержание тяжелых металлов ( Ni, Со, Ге, Мп и Сг ) не превышает ПДК, хотя в центральной части города у заводов «Биохимик», лампового, «ЖБК-1» наблюдается превышение фоновой концентрации Мп в 1,1 раза, а Сг находится в пределах верхней

ПП7 /1ЛЛ0 и

1 ра1ппЦи1 I 1Д11 \ л w^x- mi / гы/♦ и i vi иаанаД' ной части города фоновое значение Сг превышено в 1,1 раза.

Если рассматривать динамику посезонного накопления тяжелых металлов в почве, то содержание таких элементов, как Ni, Мп, Со, РЬ остается практически без изменений. В сентябре к концу вегетационного периода развития растений происходит увеличение концен-

Таблица 1

Валовое содержание тяжелых металлов в почвах, отобранных в Юго-Западном и Центральном районах г. Саранска*

Точка отбора	Тяжелые металлы, мг / кг сухой массы
	РЬ	Zn	Си	Ni	Со	Ее	Мп	Сг
Центральный район (перекресток улиц Гагарина и Басенко)	365,2± ±2,62	150,3± ±2,46	803,3± ± 50,4	52,2 ± ± 0.1	19,2 ± ± 1,5	36 667.5± ± 1 833.3	1.008,3 ± ± 35,4	100,2 ± ± 6,6
Юго-Западный район (р-н опытного завода)	259, 7± ± 3,70	172,1 ± ± 10,2	603,4± ±50,9	48,6 ± ± 1,16	20,7 ± ± 1,9	33 455,2± ± 2 007,3	637.5 ± ± 38,2	98,5 ± ± 9,3
ПДК	30	100	55	85	25	38 000	1 500	100
Фон	18	50	19.5	54	14	700	850	55

* Подчеркнуты значения, превышающие фон; жирным шрифтом выделены значения, превышающие ПДК.

трации в почве Fe и Си, а содержание Сг, наоборот, уменьшается. Полученные данные подтверждают устоявшееся мнение об относительном постоянстве физико-химических свойств почв в течение сезонного периода, а увеличение того или иного тяжелого металла к концу сезона, скорее всего, связано с усилением антропогенного воздействия.

В связи с тем, что в фиторемедиационном методе очистки почв от тяжелых металлов используют надземную часть растений, способных аккумулировать их, нами проведены исследования по распределению тяжелых металлов в различных частях растений, корнях и надземной части.

Как видно из табл. 2, максимальная концентрация свинца в растениях была выявлена в корнях всех исследуемых растений; в надземной части одуванчика лекарственного цинка накапливается в 1,5 раза больше, чем в корнях; у клевера лугового и мари белой превышение наблюдалось в надземной части; наблюдалось снижение меди в 2 раза в ряду корень — надземная часть, причем эта тенденция выявлена практически у всех исследованных растений.

Наши исследования показали: Ni слабо аккумулируется растениями; преимущество аккуму ляции металлов надземной частью у полыни горькой. Слабую биоаккумуляцию Ni растениями можно объяснить низкой концентрацией его в почве (48,1 мг / кг), небольшой подвижностью и слабощелочной реакцией среды (pH = = 7,5), которая, как известно из литературных источников, снижает подвижность Ni [13; 7; 8].

Нами установлено, что все изученные растения в условиях антропогенного загрязнения накапливают в фитомассе повышенное количество тяжелых металлов, а такие металлы, как Fe, Сг, Си, аккумулируются в количестве, превышающем ПДК. ПДК Си содержат все изученные растения, кроме клевера лугового. По содержанию Fe превышение ПДК выявлено для ежи сборной, клевера лугового. Все дикорастущие растения, участвующие в эксперименте, содержат ПДК Сг.

По общему содержанию тяжелых металлов в надземной части различных видов растения располагаются в следующий ряд: клевер луговой > полынь горькая > ежа сборная > одуванчик лекарственный > марь белая.

Из литературных источников известно, что различные органы растений обладают неодинаковой способностью накапливать тяжелые металлы [1]. Это зависит от многих факто ра бл и цй 2

Суммарное содержание тяжелых металлов в дикорастущих растениях

Вид растения Тяжелые металлы, мг / кг сухой массы РЬ Zn Си Ni Со Fe Мп Сг Стебель и листья Клевер луговой 6,1 + 0,3 6,9 ± 0,1 6,3 ± 0,6 6,1 ± ± 0,2 3.0 ± ± 0,1 270,2 ± 14,9 1,9 ± 0,1 0,1 ± 0,01 Ежа сборная 11,1 ± 0,7 10,4 ± 0,8 12,5 ± 0,4 3.1 ± ± 0,1 3,9 ± ± 0,2 202,2 ± 15,5 1,9 ± 0.1 1,4 ± 0,08 Одуванчик лекарственный 9,8 ± 0,5 16,7 ± 1,3 11,2 ± 0,5 2.9 ± ± 0,2 4,9 ± ± 0.1 229,2 ± 19,4 3,8 ± ОД 1,8 ± 0,1 Полынь горькая 11,6 ± 0,8 7,9 + 0,4 150,1 ± 10,9 22,9 ± 1,2 . 2,9 ± ± 0,2 114,8 ± 10,3 4,7 ± 0,08 1,1 ±" 0,07 Марь белая 6,9 ± 0,4 7,5 ± 0,5 9,3 ± 0,9 2.8 ± ± 0,4 3,7 ± ± 0,4 327,7 ± 19,5 2,1 ± 0,03 1,7 ± 0,08 Корень Клевер луговой 15,2 ± 0,£ 4,4 ± 0,3 10,1 ± 0,8 10,2 ± ± 0,4 3,9 ± ± 0,3 370,4 ± 22,3 4,5 ± 0,2 2,0 ± 0,2 Ежа сборная 9,3 ± 0,3 7,3 ± 0,5 11,1 ± 0,9 3,1 ± ± 0,2 2,5 ± ± 0,2 235,8 ± 8.8 2,7 ± 0,07 2,4 ± 0,08 Одуванчик лекарственный 12,3 ± 0,9 10.7 ± 0.9 20,9 ± 1,1 2,4 ± ± 0,2 2,9 ± ± ОД 169,3 ± 10,2 2,6 ± 0.7 1,2 ± 0,08 Полынь горькая 18,3 ± 1,3 10,6 ± 0,8 19,9 ± 1,2 7,6 ± ± 0,5 4,0 ± ± 0,5 385,7 ± 17,3 3,7 ± 0,2 1,5 * 0,03 Марь белая 8,9 ± 0,6 4,8 ± 0,5 19,2 ± 0,8 3,9 ± ± 0,1 4,3 ± ± 0,5 402,3 ± 15,3 5,4 ± 0,08 1,7 ± 0,1 ров: вида почв, на которых произрастают те или иные растения, экологической обстановки в данном районе, фазы развития растений.

Кроме того, следует учитывать и видовую специфику в накоплении отдельных элементов, а также синергические и антагонистические взаимодействия отдельных элементов в пределах одного вида.

Результаты проведенных нами исследований показали, что максимальное общее количество тяжелых металлов в осенний период накапливается в основном в надземной части растений. Однако в корнях мари белой и одуванчика лекарственного количество тяжелых металлов больше, чем в листьях и стеблях.

Полученные данные по валовому содержанию тяжелых металлов в почве, а также в различных частях растений (см. табл. 1, 2) позволили нам рассчитать индекс биоаккумуляции, который показывает отношение содержания этих металлов в растениях и почве.

Среднее значение индекса биоаккумуляции для надземных частей растений уменьшается в следующем ряду: Fe > Си > Сг > Zn> > Со > Мп. Для всех металлов (кроме Fe) коэффициент биоаккумуляции меньше 1 (для Со, Мп совсем незначителен), что означает их слабое биологическое поглощение растениями из почвы. Для Fe установлен наибольший КБП (3,25), выявленный у клевера лугового, полыни горькой и ежи сборной.

Данные, полученные в ходе эксперимента, показали, что наибольшей аккумуляционной способностью по отношению ко всем имеющимся тяжелым металлам обладают клевер луговой, полынь горькая и ежа сборная. Наименьший индекс КБП имеют марь белая и одуванчик лекарственный (0,001 — 0,23 мг / кг).

В результате проведенных исследований было установлено, что для фиторемедиацион-ной очистки загрязненных почв от тяжелых металлов в промышленной зоне г. Саранска наиболее подходят клевер луговой, полынь горькая, ежа сборная, и их можно рассматривать в качестве биоиндикаторов загрязнения надземных экосистем.

Выращенные на загрязненных почвах растения можно скашивать, высушивать и подвергать озолению. Золу брикетировать и утилизировать намного удобнее из-за меньшего объема и массы. Зольный остаток растений-концентраторов возможно использовать как мини-удобрение на бедных теми или иными микроэлементами почвах. Растения—концентраты всех металлов не выявлены: каждое накапливает в побегах 2 — 3, реже 4 элемента.

Таким образом, фиторемедиационный метод можно использовать для очистки и оздоровления загрязненных тяжелыми металлами почв с помощью дикорастущих растений как не требующий больших экономических затрат, простой в практическом осуществлении и применимый в любых экологически неблагоприятных зонах.