Мониторинг элементного состава листьев березы, дуба, лещины и состояния населения мелких млекопитающих в техногеосистеме

Введение. Полигоном для изучения миграции химических элементов в экосистеме и экологоморфофизиологических исследований животных в условиях избыточного аэрального поступления тяжелых металлов (ТМ) в окружающую среду, начиная с 1972 года, была территория пади Малой Корейской [1–5]. Она расположена в п. Рудная Пристань вблизи побережья Японского моря в зоне ядра ореола рассеяния плавильного завода по пирометаллургической переработке полиметаллических руд. В течение XX столетия на заводе выплавляли Pb, Bi, Ag, а остальные ТМ (Zn, Cu, Cd, As, Sb), содержащиеся в рудах, складировали на открытой площадке. В атмосферный воздух, поверхностные воды и почву в больших количествах поступали биологически активные и агрессивные соединения ТМ и неметаллов в форме газообразных, растворимых и пылевых частиц: оксиды S, C и N, возгоны Pb, Zn, Cd, Sb и As, а также нерастворимые компоненты [1, 2, 6,7]. Климат района исследований – муссонный. В летние месяцы для данного побережья характерны длительные туманы и моросящие дожди, что приводило к образованию кислотных осадков. В годы наивысшей производительности завода (1960–1980-е гг.) выплавлялось 16 тыс. т/год Pb, и падь Малая Корейская получала с аэральными поступлениями 2,5 г/м2 сульфатов, 16,8 г/м2 нерастворимых соединений ТМ, содержание Pb в дождях составляло 200–1330 мкг/л в растворенной форме, а 170–609 мкг/л – в нерастворимой форме [2]. Начиная с 1996 года, свинцово-плавильный завод резко снизил объем производства свинца из полиметаллических руд до 7 тыс. т/год, а в 2004 году – полностью перешел на переплавку вторичного сырья (аккумуляторов). Прекратились подвоз по узкоколейке в открытых вагонетках из Дальнегорска (35 км) и складирование полиметаллического концентрата на технической площадке свинцово-плавильного завода. Соответственно многократно уменьшилось аэральное поступление соединений серы и ТМ в атмосферу. Изучение техногенного воздействия на растительный и животный мир в период 1993–2006 годов здесь не проводилось. Авторы возобновили полевые исследования в 2007 году. Повторные отборы проб производились с 7 по 25 июля в 2011 и 2012 годах.

Цель исследования. Исследование содержания ТМ в листьях основных видов древесной растительности и эколого-морфофизиологических изменений у мелких млекопитающих в связи с длительным периодом снижения аэрального поступления соединений ТМ в атмосферу.

Задачи исследований:

• 1.    Изучить изменения микроэлементного состава листьев деревьев и кустарников на тех же ключевых участках, где отлавливались грызуны в период 1982–1993 гг.

• 2.    Исследовать изменения эколого-морфофизиологических характеристик населения мышевидных грызунов на ключевых участках по сравнению с тем же периодом.

Методы . Изучение влияния техногенного пресса на мелких млекопитающих в пади Малой Корейской и пади Васьковского проводилось с 1982 по 1993 год [3–5]. Таковыми в нашей работе являются фоновые виды мышевидных грызунов, характерные для данного региона: восточноазиатская мышь ( Apodemus peninsulae Thomas, 1778); полевая мышь ( Apodemus agrarius Pallas, 1771). В организм млекопитающих ТМ проникают через органы дыхания и через пищеварительный тракт, накапливаясь в разных органах [3–5].

Во время натурных исследований в 2007, 2011 и 2012 годах отлавливались мышевидные грызуны на тех же ключевых участках, что и ранее. Там же отбирались пробы листьев доминантных видов древесной растительности: дуба монгольского ( Qercus mongolica ), березы ( Betula dahurica, B. mandzhurica ), лещины (Corylus heterophilla, C. Mandshurica) . Растительный покров в пади Малая Корейская на ключевом участке I (с-с-в экспозиция) формировался в олиготрофных условиях техногеосистемы на крутом склоне и представлен низкорослым дубняком с березой и редким кустарником: рододендроном, чубушником, лещиной и порослью лиан в подлеске, почвы – сильнокаменистые маломощные буроземы. Растительный покров на участке II (в-ю-в экспозиция) формировался на менее крутом склоне в эвтрофных условиях техногеосистемы, оптимальных для миграции элементов. Он представлен дубово-березовым лесом средней высоты (6–8 м) с густым подростом, очень густой лещиной и обильной порослью лиан лимонника китайского и винограда амурского. Лес произрастает на сильнокаменистых горных буроземах, имеющих развитый почвенный профиль и обеспечивающих хорошую аккумуляцию лиственного опада и формирование слоя подстилки. Участок III находится в 4 км к юго-западу от свинцово-плавильного завода в пади Васьковского и представлен дубовым лесом с березой, лещиной, лианами, чубушником и рододендроном в подлеске и отражает регионально-фоновые условия.

Каждая проба состояла из листьев от 30–50 деревьев и кустарников, собранных на уровне 1,5 м от поверхности почвы. Подготовка проб и анализ зольности и содержания ТМ в растениях осуществлялись по стандартным методикам [1, 2].

Результаты исследования. Зольность листовых пластин дуба в 2007 году по сравнению с 1986 годом уменьшилась на 32 %. Изменение зольности коснулось не только растительности в зоне воздействия завода, но и в фоновом районе. Сравнительный анализ современного макроэлементного состава листьев дуба и березы (табл.1) с данными 20-летней давности [1, 2] показал, что содержание Ca и K в золе сохранилось на прежнем уровне. Это свидетельствует о функциональной необходимости данного количества элементов Ca и K для растений и стабильности условий их накопления из почвенных растворов. Почвообразующие породы зоны техногенеза в районе исследования характеризуются кларковыми содержаниями элементов, включая халькофильные [1]. В результате аэротехногенного поступления металлосодержащей пыли и ее аккумуляции в почвах, как в эвтрофных, так и в олиготрофных, сформировалась техногенная геохимическая микроэлементная аномалия с максимумом накопления в верхней части профиля и высокими градиентами изменения концентраций халькофильных элементов по глубине [2].

Таблица 1

Макроэлементный состав листьев основных видов древесной растительности в пади Малая Корейская

Вид	Участок	Зольность %		% от сухой массы
		2007 г.	1986* г.	Ca		K		Mg	Na
				2007 г.	1986* г.	2007 г.	1986* г.
	1	4,35	6,43	1,0	0,5–1,0	1,23	1,25	0,22	0,01
Дуб мон-	2	4,36	-	0,63	-	0,65	-	0,15	0,01
гольский	3	4,23	6,17	0,99	1,0	1,05	0,75	0,32	0,02
Береза	1	5,36	-	1,86		2,83	-	0,76	0,04
	3	5,73	-	1,36		0,98	-	0,44	0,03
	1	5,4	-	-	-	-	-	-	-
Лещина	2	6,0	-	-	-	-	-	-	-
	3	6,08	-	-	-	-	-	-	-

* [2].

Концентрации всего ряда изученных микроэлементов в листьях дуба и березы уменьшились в несколько раз в техногенных условиях (табл. 2).

Таблица 2

Микроэлементный состав листьев основных видов древесной растительности в пади Малая Корейская

Вид	Участок	Концентрация, мкг/г сух. массы
		Pb	Zn	Cu	Cd	Ni	Fe	Mn
	1	8,96	40,11	4,7	0,24	0,51	52,7	121,0
		161	65	7,5	1,41		72	384
Дуб монгольский	2	8,87	18,13	2,8	0,06	0,52	12,9	32,0
	3	1,31	16,27	4,2	0	0,38	18,9	51,5
		7	12	3,6	0, 2 3		34	408
	1	34,1	1514	5,6	5,2	1,2	63,8	892
Береза		208	600	7	6,3		79	399
	3	3,0	268,6	4,3	0,8	0,17	25,6	180
		16,8	116	5	1		51	314
	1	18,1	38	4,7	0,29	0,64	45,4	213
Лещина	2	18,6	36	4,6	0,23	0,65	43,9	298
	3	2,4	12,4	4,1	0,03	0,84	42,8	579

В числителе – 2007 г., в знаменателе – 1980-е гг. [1].

Концентрация Pb – основного элемента аэрозольного загрязнения – уменьшилась в 18 раз в листьях дуба и в 6 раз в листьях березы (см. табл. 2).

В регионально-фоновых условиях концентрация Pb в листьях дуба и березы также значительно уменьшилась – более чем в 5 раз. Концентрация ряда элементов (Cd, Cu, Fe) в листьях дуба и березы за прошедшие годы понизилась в меньшей степени, причем для дуба снижение концентраций во времени более существенно, чем для березы с ее безбарьерным типом поглощения элементов [1].

В то же время динамика содержания цинка и марганца в листьях дуба и березы была противоречивой. Для дуба наблюдалось снижение концентрации биофильного, участвующего в процессах фотосинтеза Mn в листьях в 3–8 раз, как в техногенных, так и фоновых условиях; для березы – увеличение его концентрации в два раза в техногенных условиях и некоторое снижение на фоновом участке. Концентрация Zn в листьях дуба не изменилась – в техногенных условиях снизилась в 1,5 раза, в фоновых – незначительно возросла (на четверть). В то же время в листьях березы произошло 2-кратное увеличение во времени концентрации Zn как в фоновых, так и техногенных условиях. Zn и Mn являются биофильными элементами, участвующими в процессах ферменто- и фотосинтеза, особенно активно они поступают в листья берез, имеющих безбарьерный тип поглощения этих элементов.

Следует отметить также, что в эвтрофных условиях II участка наблюдаются более низкие концентрации металлов, за исключением Pb, чем в олиготрофных условиях I участка. Для олиготрофных условий почвообразования на I участке характерны более высокие концентрации металлов в растворах в верхней части почвенного профиля, чем для эвтрофных. Кроме того, в эвтрофных условиях металлы в почвенных растворах имеют более высокую степень подвижности, в том числе и за счет связи с органическим веществом, поэтому они быстрее перемещаются по почвенному профилю вниз и активнее выносятся за пределы почвенного профиля [1].

Однако наиболее объективными показателями состояния и функционирования древесных и кустарниковых растений являются не сами концентрации металлов, а отношения элементов, отражающие степень пропорциональности или диспропорции в микроэлементном обеспечении процессов метаболизма [1]. Отношение Fe/Mn, как один из показателей оптимального состояния процессов фотосинтеза в региональнофоновых условиях, находится в интервале 0,08–0,4 для листьев дуба и не превышает 0,16 для листьев березы. Отношения Fe/Mn и Pb/Mn в листьях дуба и березы представлены в таблице 3. Соотношение Fe/Mn в листьях дуба в 2007 году выросло и превысило оптимальное. В то же время отношение Pb/Mn (отношение токсичного к биофильному металлу) снизилось до фоновых значений (0,02–0,05) [1] в листьях дуба и березы.

Таблица 3

Отношение Fe/Mn и Pb/Mn листьях дуба и березы в 2007 г. (числитель) и в 1980-е годы (знаменатель)

Вид	Участок	Fe/Mn	Pb/Mn
Дуб монгольский	1	0,44 0,19*	0,07 0,42*
	2	0,41	0,28
	3	0,37 0,08*	0,03 0,02*
	Оптимум**	0,08–0,4	0,02–0,05
Береза	1	0,07 0,2*	0,04 0,52*
	3	0,14 0,16*	0,02 0,05*
	Оптимум**	До 0,16	0,02–0,05

*[1]; **[2].

Изучение влияния техногенного пресса на мелких млекопитающих в пади Малой Корейской, пади Васьковского и Сихотэалиньском заповеднике проводилось с 1982 по 1993 год [3–5,7]. Исследование воздействия ТМ на животных заключалось в изучении экологических характеристик, морфофункциональных особенностей органов и наследственного аппарата мелких млекопитающих, свободно живущих в изучаемой зоне. Таковыми в нашей работе являлись фоновые виды мышевидных грызунов, характерные для данного региона: восточноазиатская мышь (Apodemus peninsulae) и полевая мышь (Apodemus agrarius) [3–5].

В ретроспективе сравнительный анализ населения мышевидных грызунов техногенной пади Малая Корейская, регионально-фоновой пади Васьковского и Сихотэалиньского заповедника показал, что в 2007 году, после длительного периода уменьшения аэрального потока ТМ в пади Малая Корейская, состав населения мышевидных грызунов не изменился: доминантным видом осталась восточноазиатская мышь, субдоминантным – полевая мышь. Численность восточноазиатской мыши в техногенной экосистеме пади Малая Корейская и в фоновой пади Васьковского увеличилась до 12 ос/100 л-с, тогда как в заповеднике в разные годы она колеблется 18–35 ос/100 л-с. Полевая же мышь строго приурочена к поселкам, огородам, дачам и ее численность варьирует 7–12 ос/100 л-с.

В годы наибольшего пресса ТМ в пади Малая Корейская и Васьковского за счет элиминации и эмиграции мышей, уходящих на зимовку, наблюдалось упрощение возрастной структуры популяции. Затем сюда каждый год весной происходило заселение молодняка из смежных падей, где были более благоприятные условия. Именно поэтому процесс размножения у грызунов в техногенных экосистемах начинался достаточно поздно – во второй-третьей декаде июня, тогда как в заповеднике он начинался в конце мая. Кроме того, на территориях, подверженных техногенному прессу, практически у всех отловленных грызунов наблюдался силикоз и микоз легких. В результате воздействия ТМ у мышевидных грызунов на морфофункциональном уровне было выявлено энергетическое перенапряжение организма, что доказывали высокие индексы надпочечников (0,45–0,56 мг/г) и низкие индексы печени (39,7–48,2 мг/г). У самок было установлено уменьшение плодовитости (1 приплода за сезон по 3–4 эмбриона), а также увеличение частоты резорбции эмбрионов до 35–42%. Было также выявлено большое количество особей (до 50–60%) с крайне увеличенной селезенкой, опоясывающей по брюшине желудок и печень. У этих же особей в крови было обнаружено повышенное содержание лейкоцитов, что свидетельствует о наличии онкологических заболеваний. У самцов было найдено превышение нормы частоты аномалий головок спермиев (АГС) в 3–8 раз, у некоторых сперматогенез отсутствовал полностью [5,8].

В 2007 году возрастная структура популяции усложнилась за счет наличия взрослых перезимовавших особей: 9 июля были отловлены самец и самка старше 1,5 лет. Среди отловленных перезимовавших зверьков не обнаружено животных с энергетическим перенапряжением организма, что подтверждают индексы основных желез: индексы надпочечников варьируют от 0,08-0,14 мг/г, индексы печени – (от 48,5–61,3 мг/г) – это норма. У самок выявлено повышение плодовитости (2 помета по 5–6 эмбрионов). У самцов обнаружено улучшение сперматогенеза: нет аномалий головок спермиев. Селезенка у отловленных мышевидных грызунов находится в норме (индекс 0,05–0,06 мг/г).

Кроме того, в 2011 году впервые за историю исследований в пади Малая Корейская наблюдалась смена доминантов в населении мышевидных грызунов: преобладающим видом стала красная полевка ( Myodes rutilus Pallas, 1778), а восточноазиатская мышь – субдоминантом. Так численность красной полевки составляла 35 ос/100 л-с, а восточноазиатской мыши – 3 ос/100 л-с. Практически все особи обоих видов были неполовозрелыми, неразмножающимися сеголетками. Лишь три размножавшиеся самки красной полевки: одна беременная с 7 пятнами прошлого помета и две кормящие с 5 и 6 пятнами соответственно от прежних пометов, а один самец восточноазиатской мыши был крупным и старым с угасшим сперматогенезом. Заметных отклонений от нормы в морфофизиологических показателях у восточноазиатской мыши не было обнаружено. Хотя трудно достоверно что-то утверждать при столь низкой ее численности. Что касается красных полевок, то нам не с чем было сравнивать полученные результаты, так как за всю историю работы они здесь никогда не встречались. Очевидно, теперь это будет нулевой точкой отсчета для изучения населения полевок в техногеосистеме.

Полевые же исследования в 2012 году показали полное отсутствие численности всех видов мышевидных грызунов, что очевидно можно считать депрессией численности населения мышевидных.

Выводы

• 1.    Уменьшение аэрального поступления ТМ с выбросами свинцово-плавильного завода в пос. Рудная Пристань вызвало снижение геохимического пресса на древесную растительность Корейской пади: концентрация Pb – основного элемента аэрозольного загрязнения – уменьшилась в 18 раз в листьях дуба и в 6 раз в листьях березы. Понизилось также соотношение токсичный/биофильный элемент в листьях дуба, березы и лещины до фонового уровня. Соответствующее снижение содержания ТМ в растениях наблюдалось и в пади Васьковского.

• 2.    Уменьшение аэрального потока ТМ в экосистему привело к некоторому оздоровлению популяции восточноазиатской мыши. Усложнилась возрастная структура ее популяции за счет наличия взрослых перезимовавших особей летом. Пока не обнаружено животных с энергетическим перенапряжением организма: индексы надпочечников варьируют от 0,08–0,14 мг/г, индексы печени – от 48,5 – 61,3 мг/г – это норма. У самок выявлено повышение плодовитости (2 помета по 5–6 эмбрионов). У самцов количество аномалий головок спермиев в пределах нормы. Селезенка у отловленных особей находится в норме: индекс 0,05–0,06 мг/г. В 2011 году выявлена смена доминанта с восточноазиатской мыши на красную полевку. В 2012 году выявлена нулевая численность всех мышевидных грызунов.

• 3.    Полученные результаты по растениям и животным свидетельствуют о значительной способности техногенной экосистемы к самоочищению. Однако микроэлементный состав листьев древесной растительности свидетельствует о депонировании ТМ, в частности Pb и Cd, в почве и продолжающемся их дальнейшим поступлением в растения, являющиеся кормом и средой обитания животных. Вторичное загрязнение растений в связи с поглощением металлов из почвы будет продолжаться еще очень долго, особенно в условиях олиготрофного почвообразования.

• 4.    Рекомендация муниципальным властям поселка Рудная Пристань разъяснять жителям поселка опасность выращивания овощей, заготовки сена, пастьбы скота, сбора грибов в Корейской пади и постепенное выведение из зоны техногенеза старых дачных строений и недопущение строительства новых.

Для этого необходим дальнейший мониторинг экосистемы, подвергавшейся техногенному прессу почти весь XX век.