Накопление тяжелых металлов в листовой подстилке различных видов деревьев в городских районах

Последнее время возрос интерес к экологическим проблемам промышленных регионов, формирующих качество среды. Контроль за качеством окружающей среды является неотъемлемой частью комплекса природоохранных мероприятий. Биоиндикаторы являются объективными показателями состояния воздуха, почвы и других объектов. В качестве биоиндикаторов используются и различные виды растений и некоторые их части. Наиболее часто в качестве загрязнителей упоминаются тяжелые металлы [1].

К тяжелым металлам относят химические элементы, имеющие атомную массу выше 50 единиц, т.е. белее 40 химических элементов. Самые распространенные их них – железо, хром, медь, свинец, цинк, кадмий, никель, кобальт, ртуть, марганец, молибден.

Источниками поступления ионов тяжелых металлов являются в основном автомобильный транспорт, промышленные предприятия и минеральные удобрения, вносимые в почву.

В условиях городской среды в качестве важного барьера на пути распространения тяжелых металлов могут выступать древесные растения. Листья, имеющие развитую поверхность обмена с окружающей средой, поглощают и осаждают из воздуха наибольшее количество атмосферных примесей [2].

Листовой опад увеличивает содержание ионов тяжелых металлов в почве, что непосредственно влияет не только на экологию урбанизированных территорий, но и на онтогенез растений [3 ].

В литературных данных имеются сведения об изучении распространения тяжелых металлов в окружающей среде и их аккумуляции растениями [4-13].

.Многие из перечисленных элементов не всегда опасны, в некоторых случаях они выполняют жизненно важную функцию для растений: дефицит меди приводит к нарушению образования лигнина, а дефицит молибдена приводит к нарушению развития клеток, недостаток железа приводит к хлорозу [14-15].

Известно, что тяжелые металлы поступают в растения преимущественно через корни, но и значительное их количество поступает через листья, а максимальное количество ионов тяжелых металлов наблюдается в осенний период. [16], что и послужило выбором направления исследования.

Цель исследования – изучение накопления ионов тяжелых металлов (Cd2+, Pb2+, Mn2+, Cu2+, Fe2+, Zn2+) в листовом опаде различных пород древесных растений.

Объектом исследования служил листовой опад древесных растений используемых в озеленении городов средней полосы России - каштан конский обыкновенный Aesculus hippocastanum, липа сердцевидная Tilia cordata, лиственница сибирская Larix sibirica, рябина обыкновенная Sorbus aucuparia, клён остролистный Acer platanoides, берёза бородавчатая Betula verrucosa. Листья собраны в сентябре-октябре в парке Орловского государственного аграрного университета.

УСЛОВИЯ, МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Орловская область расположена в центральной части Среднерусской возвышенности. Климат умеренно континентальный с неравномерным распределением осадков.

Среднегодовая температура воздуха +4,3о С. Абсолютный максимум - +38оС. Абсолютный минимум –38оС. Средняя температура воздуха наиболее тёплого месяца июля – составляет 17,9 – 19,6оС, а наиболее холодного месяца января - -9,0 – 10,5 оС.

Среднее число дней в году со снежным покровом – 123 дня. Общая продолжительность периода с положительной среднесуточной температурой составляет 220 дней.

Продолжительность безморозного периода в среднем составляет 146 дней. Гидротермический коэффициент равен 1.2 – 1.3, что является показателем достаточной влагообеспеченности растений в вегетационный период. За год выпадает 570-580 мм осадков, Осадки распределяются неравномерно. Как правило, в первой половине вегетационного периода ощущается недостаток влаги в почве, а во второй возможно избыточное её увлажнение.

Почва, на которой произрастают растения, представляет собой типичную для области тёмно-серую лесную среднесуглинистую почву, обладает близкой к нейтральной кислотности (pH солевой вытяжки 5,6 и %.8 соответственно), имеет повышенное содержание фосфора (13,6 мг /100 г почвы) и высокое содержание подвижного калия (20,5 мг/100г почвы), среднеобеспеченны гумусом (4,25%).

Микроэлементы определяли на приборе Спектрометр ICAP 6300 Дио методом атомно-адсорбционного анализа, основанном на свойстве атомов металлов поглощать в основном состоянии свет определенных длин волн, который они испускают в возбужденном состоянии. Необходимую для поглощения резонансную линию получали от лампы с полым катодом, изготовленным из определяемого элемента. Величина поглощения света пропорциональна содержанию определяемых элементов, на чем и основано их количественное определение.

Статистическая обработка полученных результатов. В графиках представлены средние арифметические из 3-кратных биологических повторностей и их стандартной ошибки. Аналитическая повторность 5-7 кратная. Результаты исследований были подвергнуты статистической обработке. Компьютерную обработку данных осуществляли на IBM PC с помощью программ EXCEL.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Содержание ионов тяжелых металлов в листьях не превышала ПДК, но имело различное значение в зависимости от видового состава древесных растений.

Известно, что кадмий и свинец не участвует в метаболизме растений и токсичны даже в очень низких концентрациях. В условиях города Орла данные тяжелые металлы накапливаются в основном в листьях березы, липы, меньше всего - в каштане конском.

Рисунок 1 - Содержание ионов кадмия в листовом опаде, мг/кг сухой массы

□ кадмий

Содержание ионов кадмия в листьях березы в два раза превышало содержание этих ионов в каштане конском, и почти в десять раз больше, чем в рябине обыкновенной, липе сердцевидной и лиственнице сибирской

Рисунок 2 – Содержание ионов свинца в листовом опаде, мг/кг сухой массы

□ свинец

Максимальное содержание ионов свинца наблюдалось в образцах листьев березы бородавчатой и лиственницы сибирской (2,92 и 2,8 мг/кг сухой массы соответственно), содержание в липе сердцевидной и рябине обыкновенной было приблизительно одинаково (1,8 и 2,0 мг/кг сухой массы соответственно), минимальное содержание – в каштане конском (0,3 мг/кг сухой массы).

□ марганец

Рисунок 3 - Содержание ионов марганца в листовом опаде, мг/кг сухой массы

Марганец участвует в процессе фотосинтеза и является активаторов ряда ферментных систем. Его содержание было максимальным в листьях березы бородавчатой (480 мг/кг сухой массы) и почти в два раза меньше в листовом опаде рябины обыкновенной (215 мг/кг сухой массы соответственно), практически одинаковые данные (110, 104, 96 мг/кг сухой массы) были получены в образцах каштана конского, лиственницы сибирской, липы сердцевидной.

Рисунок 4 - Содержание ионов меди в листовом опаде древесных растений, мг/кг сухой массы

□ медь

Почти вся медь сосредоточена в хлоропластах растений и связана с процессом фотосинтеза, дыхания, фиксации азота, а также входит в состав ряда ферментов.

Максимальное количество ионов меди было зафиксировано в листовом опаде рябины обыкновенной (29,6 мг/кг сухой массы), что практически в два раза превышало содержание в каштане конском, березе бородавчатой, липе сердцевидной (15,2; 14,3; 13,8 мг/кг сухой массы соответственно). Минимальное содержание наблюдалось в лиственнице сибирской (1, 8 мг/кг сухой массы).

Железо играет важную роль в процессах, происходящих при фотосинтезе и дыхании, а также катализирует многие биохимические реакции.

Рисунок 5 – Содержание ионов железа в листовом опаде древесных растений, мг/кг сухой массы

По количеству содержания ионов железа в листовом опаде растения распределились следующим образом: рябина обыкновенная > береза бородавчатая > липа сердцевидная > каштан конский > лиственница сибирская.

Рисунок 6 – Содержание ионов цинка в листовом опаде древесных растений, мг/кг сухой массы

□ Цинк

• □ липа сердцевидная

олиственница сибирская

• □    рябина обыкновенная

• □    береза бородавчатая

• □    каштан конский

Рисунок 7 - Общее содержание ионов тяжелых металлов в листовом опаде древесных растений, мг/кг сухой массы

Цинк необходим для образование дыхательных ферментов и влияет на содержание витамина С, каротина, углеводов и белков, усиливает рост корневой системы. Его содержание в исследуемых образцах изменялось от 82 в каштане конском до 8,5 мг/кг сухой массы в лиственнице сибирской.

Максимальное суммарное содержание ионов тяжелых металлов в листовом опаде наблюдали у рябины обыкновенной и березы бородавчатой. Однако, у рябины обыкновенной высокое суммарное содержание ионов тяжелых металлов обеспечено за счет большого количества ионов железа (70,5%), тогда как береза бородавчатая накапливает тяжелые металлы за счет содержания не только ионов железа (46,45%), но и ионов кадмия (0,1%), свинца (0,32%), марганца (52,33%).

Листья липы сердцевидной накапливают преимущественно ионы железа, каштан конский – ионы цинка, меньше всего накапливает тяжелые металлы – лиственница сибирская.

ВЫВОДЫ

В условиях урбанизированной территории отчетливо выраженной способностью к аккумуляции тяжелых металлов обладает береза бородавчатая, которая накапливает самые токсичные тяжелые металлы – кадмий, свинец, а также марганец. Поскольку породы древесных растений накапливают по-разному ионы тяжелых металлов, необходимо максимально использовать видовое разнообразие древесных растений в озеленении города. Целесообразно удаление листового опада в городской черте для предотвращения загрязнения тяжелыми металлами почвы и ингибирования развития травяной и древесной растительности.