Накопление металлов древесно-кустарниковой растительностью в Башкирском Зауралье

Развитие промышленного производства в XX в. привело к формированию антропогенно трансформированных территорий, восстановление которых в XXI в. становится приоритетной задачей. Образование значительных объемов высокотоксичных отходов промышленного производства обусловили первичное и вторичное загрязнение обширных территорий, включая городские земли и сельскохозяйственные угодья.

Таким образом, ограничение миграции токсикантов в окружающей среде является необходимым условием обеспечения комплексной экологической безопасности населения и устойчивого развития. Общеизвестно, что древесная растительность способна аккумулировать значительные количества экотоксикантов, при этом сохраняя энергию роста и долговечность при этом выполняя комплекс санитарно-гигиенических и эстетических функций. Особую актуальность приобретает данное направление оздоровления окружающей среды в тех регионах, где сформирован специфический геохимический фон, характеризующийся высоким фоновым содержанием металлов [1-3].

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ

Особенности накопления тяжелых металлов (ТМ) в наземных экосистемах зависят от целого ряда условий, но в большей степени от состояния почвенного и растительного покрова, а также от интенсивности техногенной нагрузки. Следует отметить, что почва аккумулирует значительные количества металлов и в свою очередь может стать вторичным источником загрязнения приземного слоя атмосферы, природных вод, продукции растениеводства и животноводства [4].

Почвенный покров, представляющий собой сложную многофазную гетерогенную среду, обладает высокой буферной емкостью, что является важнейшим условием определяющим необходимость анализа содержания ТМ.

Благодаря способности связывать экотоксиканты почвенный покров снижает их подвижность и уменьшает их поступление в растения, животные и человека, как последнего компонента пищевой цепи. Нами выбран подход, который базируется на определении разницы концентрации ТМ в почвах и растениях зоны техногенного воздействия [2].

Изучали содержание ряда металлов в растениях березы повислой ( Betula pendula Roth) и сосны обыкновенной ( Pinus sylvestris L.), произрастающих на промышленных отвалах вблизи г. Сибай и подверженных загрязнению со стороны СФ УГОК. Всего в процессе полевых работ взято более 1000 объединенных проб почвы и растений. Отбор и подготовку образцов к анализу осуществляли по общепринятым методикам [5].

Для анализа содержания отдельных элементов отобранные образцы высушивали до воздушносухого состояния, затем готовили навески (по 2,0 г). Содержание элементов определяли в аналитической лаборатории Института геологии РАН (г. Москва) методом масс-спектрометрии с индуктивносвязанной плазмой – ICP-MS (PLASMA QUAD PQ2-TURBO PLUS, USA). Содержание отдельных элементов выражалось как массовая доля примесей – в частях на миллион (ppm). Фактический материал отбирали с 2000 по 2010 гг. Все измерения проводили не менее чем в 10 повторностях. Математическую обработку полученных данных производили с помощью статистического пакета Microsoft Excel 2000. В таблицах представлены средние арифметические данные и ошибки среднего значения за все годы исследований [6].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Растения березы бородавчатой и сосны обыкновенной отличаются высокой эврибионтностью и успешно развиваются на техногенно трансформированных участках.

Необходимо отметить, что развитие в различных условиях наносит серьезный отпечаток на характер формирования насаждений. Так, при произрастании на отвалах СФ УГОК береза бородавчатая, наряду с сосной обыкновенной, входит в число пионерных видов древесной растительности и ос- ваивает свободные территории, образуя при этом разновозрастные насаждения. Количество стволов березы бородавчатой может достигать 3000 шт/га, при этом очевидным является факт выполнения растениями березы бородавчатой средостабилизи- рующих функций в техногенных ландшафтах. Результаты анализа некоторых металлов, содержание которых в органах растений характеризуется как наибольшее, представлено в таблицах 1 и 2.

Таблица 1. Содержание техногенных элементов в органах березы бородавчатой ( Betula pendula Roth.) при произрастании на отвалах медно-колчеданного месторождения в г. Сибай

Таблица 2. Содержание техногенных элементов (ppm) в органах сосны обыкновенной ( Pinus sylvestris L.) при произрастании на отвалах медно-колчеданного месторождения в г. Сибай

Наименования образцов для анализов

Содержание цинка в растениях березы бородавчатой при произрастании на отвалах СФ УГОК колеблется в пределах 81,9-86,5 ppm. Достоверных различий между показателями аккумуляции цинка в различных органах установлено не было. По сравнению с цинком в растениях березы накапливается гораздо меньшее количество меди. Максимум меди концентрируется в листьях березы (11,5 ppm), чуть меньше – в корневой системе (7,4 ppm), а минимальное количество – в древесине и коре (5,4 ppm). Результаты анализов показывают, что содержание кадмия в растениях подчиняется закономерности: корни > древесина и кора > листья, чего нельзя сказать о цинке и меди. Характеризуя суммарное содержание ТМ в растениях, необходимо отметить, что наибольшее их количество содержится в листьях и несколько меньшее в корнях, коре и побегах.

Хвоя сосны обыкновенной содержит 66,23 ppm ТМ, являющихся основными загрязнителями окружающей среды в СФ УГОК. Основную долю среди исследуемых металлов в хвое занимает цинк, количество которого составляет 56,6 ppm. В наименьшей степени в аккумулируется кадмий, концентрация которого в хвое не превышает 0,15 ppm. При этом содержание меди в хвое сосны составляет 9,5 ppm. Наибольшее количество исследуемых металлов концентрируется в многолетних частях растений. Так, в побегах и коре в наибольшем количе- стве накапливается медь (11,4 ppm), при этом корневая система аккумулирует цинк (85,8 ppm) и кадмий (0,47 ppm) в количестве, несколько превосходящем кору и побеги – 81,1 и 0,34 ppm соответственно.

Отвальные грунты содержат значительное количество ТМ, 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 не-облесенной части отвалов, то сравнение содержания металлов приведено относительно ПДК для соответствующих элементов. Так, установлено, что наибольшее превышение наблюдается в случае с медью, содержание которой в отвальных грунтах составляет 83,8 ppm при ПДК равном 23 ppm. Валовое содержание цинка в отвальных почвогрунтах приближается к 100 ppm. Несмотря на высокое содержание металла в почвогрунтах его превышение над ПДК значительно меньше по сравнению с медью и составляет 13,8 ppm. Содержание кадмия в отвальных грунтах за биоаккумулятивных свойств растений в 3 раза меньше относительно ПДК, составляющего для этого металла 1,5 ppm.

Исследования биоаккумулятивных возможностей растений березы бородавчатой в техногенных ландшафтах позволяют сделать заключение о том, что в наибольшей степени металлы аккумулируют- ся в листьях на отвалах СФ УГОК – 97,1 ppm. Наименьшими способностями к биоаккумуляции у растений березы характеризуются корни – на отвалах СФ УГОК (89,45 ppm). Показано, что при развитии растений на отвалах СФ УГОК металлы распределены в различных органах равномерно, о чем свидетельствует незначительная разница между максимальными и минимальными показателями содержания металлов.

Накопление техногенных металлов сосной обыкновенной на отвалах СФ УГОК характеризуется равномерным распределением металлов в побегах и коре при снижении их содержания в хвое на 30% относительно одревесневших органов.

Суммарное содержание металлов в растениях превосходит аналогичный показатель для почв под насаждениями, но наибольшее количество метал- лов аккумулируется в хорошо развитой лесной подстилке.