Особенности накопления тяжелых металлов девясилом британским (Inula britannica L.) в районах с различной степенью техногенного загрязнения

Введение. Девясил британский ( Inula britannica L.) на Северном Кавказе произрастает повсеместно [1] и наряду с девясилом германским ( Inula germanica L.) и высоким ( Inula helenium L.) относится к евро-сибирским географическим элементам бореального геотипа флоры Кабардино-Балкарской Республики (КБР) [2]. Виды данного геоэлемента характеризуются более или менее выровненным распространением в ксерофильных сообществах и лесных фитоценозах.

Девясил британский как вид многоцелевого хозяйственного использования применяется в медицине (в т.ч. в ветеринарной), декоративном растениеводстве, пищевой промышленности, пчеловодстве. Надземная часть Inula britannica L. содержит эфирные масла, дубильные вещества, фенолкарбоновые кислоты, кумарины, флавоноиды, тритерпеноиды, стероиды. В корневищах и корнях обнаружены инулин, алкалоиды, эфирное масло [3].

Широкое применение девясила британского делает актуальным исследование экологической чистоты его сырья, в частности по тяжелым металлам, в условиях техногенного загрязнения. Главными источниками загрязнения окружающей среды молибденом, вольфрамом и другими тяжелыми металлами в КБР являются хвостохранилища и отвалы Тырныаузского вольфрамо-молибденового комбината (ТВМК). К источникам загрязнения окружающей среды свинцом, кадмием, медью, цинком относятся промышленные предприятия, автотранспортные средства, коммунальные хозяйства республики.

Цель исследования. Изучить особенности накопления и усвоения тяжелых металлов фитомассой растений в районах с контрастной степенью техногенного загрязнения, что расширит представление о пределах выносливости и адаптации к стресс-факторам представителей рода Inula L. в КБР .

Объекты и методы исследования. Полевые работы проводились в последней декаде августа 2014–2015 гг. Пробы растений отбирали в период массового цветения с трех площадок в пяти повторностях: Р1 (контроль) – городской парк им. Атажукина (г. Нальчик); Р2 – средняя терраса хвостохранилища ТВМК; Р3 – берег пруда-отстойника хвостохранилища ТВМК. Глубина отбора почвенных образцов – 10–15 см. Повторность трехкратная. Особенности накопления меди, цинка, свинца и кадмия фитомассой девясила британского изучали на участках Р1 и Р2, молибдена – на всех участках.

В ценопопуляциях девясила британского определяли морфометрические показатели растений: высота побега, диаметр стебля, количество листьев, корзинок, язычковых цветков, длина и ширина листа, диаметр корзинки, масса 1000 семян. Для оценки внутрипопуляционной изменчивости морфологических признаков использовался коэффициент вариации (CV, %). Достоверность различий между ценопопуля-циями оценивали наименьшей существенной разностью (НСР 05 ) [4].

Содержание тяжелых металлов (ТМ) в пробах почвы и растений определяли методом атомно-абсорбционной спектрометрии с электротермической атомизацией (прибор МГА-915). Предварительно пробы были минерализованы с использованием СВЧ-минерализатора «Минотавр-2» [5]. Фоновые концентрации ТМ в почве Р1 считали равными: Cu – 11; Zn – 29; Pb – 15; Cd – 0,1; Mo – 1,1 мг/кг [6]. Для оценки степени концентрации ТМ в растениях рассчитывали: 1) коэффициент биологического накопления (КБН) – отношение содержания химического элемента в золе растений к его валовому содержанию в почве; 2) транслокационный коэффициент (КТ) – отношение содержания элемента в надземной фитомассе к его содержанию в корнях [7].

Результаты исследования и их обсуждение . Почва контрольного участка – чернозем обыкновенный карбонатный суглинистого механического состава, рН=6,6– 6,8. Почвы хвостохранилища щелочные (рН=7,9–9,3). В профиле почвы Р2 имеется сформированный почвенный слой 1–2 см, ниже – слой золовых наносов высохшей пульпы (5 см), под ним слой каменисто-песчаного грунта (10–15 см). На участке Р3 отсутствует сформированный почвенный покров, субстрат представлен в основном каменисто-песчаным грунтом.

В почве районов исследования установлено превышение естественного фона по кадмию (Р1, Р2, Р3), меди, цинку и молибдену (Р2, Р3), свинцу (Р3). Концентрация Cu, Zn, Pb и Mo в почве Р2 превышает контроль соответственно в 3,2; 17,5; 1,7 и 56,4 раза. Почва участка Р3 загрязнена ТМ в наибольшей степени. Здесь концентрация Cu, Zn, Pb и Mo превышает контроль соответственно в 9,3; 40,3; 4,5 и 92,7 раза (табл. 1).

Таблица 1

Участок	Cu	Zn	Pb	Cd	Mo
Р1	4,3	5,7	4,2	0,24	1,1
Р2	14	100	7	0,23	62
Р3	40	230	19	0,23	102

Валовое содержание ТМ в почве районов исследования, мг/кг

Ценопопуляция девясила британского на участке Р1 занимает площадь 20 м2 с плотностью растений 20 шт/м2; на участке Р2 – площадь 2,5 м2, плотность особей 12 шт/м2. На берегу пруда-отстойника (Р3) площадь ценопопу-ляции девясила британского – 0,8 м2, плотность – 6 шт/м2. Анализ морфометрических параметров ценопопуляций выявил отсутствие внешних проявлений фитотоксичности ТМ, в первую очередь молибдена, на участке Р2, где отмечается превышение значений всех исследованных морфометрических параметров растений по сравнению с контролем (табл. 2).

На участке Р3 отмечено достоверное снижение высоты растений, диаметра стебля, количества листьев и корзинок по сравнению с контролем. Значения остальных морфометрических параметров ценопопуляции близки к контролю, что свидетельствует об адаптации вида к стрессовым условиям. Так, при уменьшении количества корзинок по сравнению с контролем в 2,7 раза их диаметр возрастает в 1,4 раза, а масса 1000 семян увеличивается на 5 г. При уменьшении количества листьев в 6,4 раза их длина и ширина достоверно увеличиваются.

В ценопопуляциях девясила британского установлена значительная степень внутрипопуля-ционной изменчивости по высоте побега, ширине листа и количеству корзинок; средняя – по диаметру стебля, длине листа, массе 1000 се- мян, незначительная – по количеству язычковых цветков. Количество листьев характеризуется средней изменчивостью на контрольном участке и значительной – на участках хвостохранилища. Диаметр корзинки имеет незначительную изменчивость в контроле и среднюю – в районе хвостохранилища (рис.).

Таблица 2

Показатель	Р1	Р2	Р3	НСР 05
Высота побега, см	20,8±3,5	44,5±10,7	17,3±3,4	5,64
Диаметр стебля, см	0,23±0,03	0,41±0,02	0,22±0,01	0,02
Кол-во листьев, шт.	90,0±10	120,0±28	14,0±3	10
Длина листа, см	2,3±0,3	4,2±0,2	3,3±0.3	0,9
Ширина листа, см	0,5±0,1	0,6±0,1	0,7±0,1	0,1
Кол-во корзинок, шт.	8,0±3	18,0±5	3,0±1	1,2
Диаметр корзинки, см	2,0±0,1	2,2±0,2	2,8±0,2	0,5
Масса 1000 семян, мг	83±10	92±8	88±12	4,8
Кол-во язычковых цветков, шт.	52±3	40±2	43±3	8,4

Морфометрические параметры ценопопуляций Inula britannica L.

В условиях умеренного техногенного загрязнения (Р1) ценопопуляции характеризуются высокой изменчивостью диаметра стебля, длины и ширины листа, количества корзинок. В условиях высокого загрязнения ТМ (Р2) возрастает внут-рипопуляционная изменчивость по высоте побе- га, количеству листьев и диаметру корзинки. В условиях повышенного техногенного загрязнения (Р3) отмечена высокая изменчивость высоты побегов, количества листьев и язычковых цветков, массы 1000 семян.

■ Pl □ P2 □ РЗ

Вариабельность морфометрических параметров ценопопуляций девясила британского: 1 – высота побега; 2 – диаметр стебля; 3 – количество листьев; 4 – длина листа;

5 – ширина листа; 6 – количество корзинок; 7 – диаметр корзинки; 8 – масса 1000 семян;

9 – количество язычковых цветков

Содержание молибдена в надземной и подземной фитомассе девясила британского, произрастающего на участках Р2 и Р3, превышает контроль соответственно в 1,9–2,3 и 31,1– 33,9 раза. На почвах с низким содержанием молибдена (фон) аккумуляция данного металла отмечена преимущественно в надземной фитомассе. В условиях геохимической аномалии концентрация молибдена в корневищах и кор- нях в 7,1–8,2 раза превышает его содержание в листьях и стеблях (табл. 3).

Таблица 3

Оценка степени концентрации молибдена (мг/кг золы) в надземной (н) и подземной (п) фитомассе Inula britannica L.

Участок	Содержание молибдена, мг/кг		КБН		КТ
	н	п	н	п
Р1	7,22	3,55	6,56	3,23	2,03
Р2	13,51	110,34	0,22	1,78	0,12
Р3	16,83	120,47	0,16	1,18	0,14

При фоновом содержании молибдена в почве (Р1) девясил британский в значительной мере проявляет способность к его биологическому накоплению фитомассой и транслокации по органам. В условиях геохимической аномалии (Р2, Р3) биологическое накопление и транслокационный коэффициент молибдена снижаются, что, по-видимому, связано с включением механизмов контроля концентрации молибдена в тканях и защиты от его чрезмерного накопления в надземной фитомассе. Фитотоксичность молибдена в ценопопуляции девясила британского проявляется при концентрации металла в почве более 100 мг/кг. Показателями биоиндикации содержания молибдена в токсичных для данного вида концентрациях являются высота побега, диаметр стебля, количество листьев и корзинок.

Концентрация молибдена в почве около 60 мг/кг не оказывает внешнего токсического эффекта на растения.

Полученные результаты согласуются с имеющимися данными по накоплению молибдена травянистыми растениями. Так, у бобовых и злаковых трав в районе ТВМК отмечено превышение содержания молибдена в надземной фитомассе по сравнению с чистой зоной в 6–15 раз без внешних признаков угнетения растений [8].

Концентрация Cu, Zn, Pb и Cd в надземных органах и подземной фитомассе девясила британского в исследованных районах находится в пределах ПДК. Исключение составляет кадмий, превышение содержания которого отмечено в надземной фитомассе растений Р1 (табл. 4)

Таблица 4

Содержание ТМ в надземной (н) и подземной (п) фитомассе Inula britannica L., мг/кг

Металл	Район	Надземная фитомасса	Подземная фитомасса	ПДКн, мг/кг	ПДКп, мг/кг
Cu	Р1	6,03	3,21	150	150
	Р2	4,60	5,68
Zn	Р1	22,63	4,02	300	300
	Р2	17,77	20,34
Pb	Р1	9,54	9,10	10*	6**
	Р2	0,57	0,69
Cd	Р1	1,27	0,88	1*	1**
	Р2	0,47	0,35

* – по СанПиН 2.3.2.1078-01 для чая черного, зеленого, плиточного; ** – по СанПиН 2.3.2.1078-01 для БАД на растительной основе.

Девясил британский накапливает и усваивает ТМ в разной степени, зависящей от рН почвы. В слабокислых и нейтральных почвах (Р1) подвижность Cu, Zn, и Cd значительно выше, чем в почвах с щелочной рН (Р2). Независимо от рН подвижность Pb в почвах очень низкая. Следовательно, накопление растением Pb обусловлено в основном фолиарным поступлением (газы, дым, техногенная пыль), что особенно характерно для растений, произрастающих в загрязненном выхлопными газами автомобилей центре города (Р1). Довольно высокая степень аккумуляции Cd без признаков угнетения растений девясила британского свидетельствует об избирательной способности этого вида поглощать Cd даже из незагрязненной почвы, компенсируя недостаток цинка. Дополнительным источником загрязнения Cd надземных органов Inula britan- nica L. является фолиарное поступление с пылью, сажей, особенно вблизи автомобильных дорог.

В условиях умеренного техногенного загрязнения (Р1) надземная фитомасса накапливает ТМ в большей степени, чем подземная. Более равномерно распределяются по органам растения Pb и Cd . В условиях высокого техногенного загрязнения значения КБН снижаются, что свидетельствует о том, что растение контролирует поступление ТМ, накапливая их в необходимом для жизнедеятельности количестве. В условиях умеренного техногенного загрязнения накопление ТМ фитомассой девясила британского снижается от кадмия к меди ( Cd>Zn>Pb>Cu ), а в условиях сильного техногенного загрязнения – от кадмия к свинцу ( Cd >Cu>Zn>Pb ) (табл. 5).

Таблица 5

Оценка степени концентрации ТМ в надземной (н) и подземной (п) фитомассе Inula britannica L. в районах исследования

Металл	Район исследования	КБН н	КБН п	КТ
Cu	Р1	1,40	0,75	1,88
	Р2	0,33	0,41	0,81
Zn	Р1	3,97	0,70	5,63
	Р2	0,18	0,20	0,87
Pb	Р1	2,27	2,17	1,05
	Р2	0,08	0,10	0,83
Cd	Р1	5,29	3,67	1,44
	Р2	2,04	1,52	1,34

В районе Р1 транслокация ТМ снижается от цинка к свинцу ( Zn>Cu>Cd>Pb ), а в Р2 – от кадмия к меди ( Cd>Zn>Pb>Cu ). Высокий КТ кадмия, независимо от типа почвы и степени загрязнения, а также способность к семенному и вегетативному размножению делают девясил британский перспективным для фиторемедиации загрязненных кадмием земель.

Выводы. Накопление тяжелых металлов фитомассой Inula britannica L. зависит от степени техногенного загрязнения почвы. В условиях умеренного техногенного загрязнения надземная фитомасса растения накапливает тяжелые металлы (Cu, Zn, Pb, Cd) в большей степени, чем подземная. В условиях сильного техногенного загрязнения тяжелые металлы распределяются в фитомассе более равномерно. При этом коэффициент биологического накопления тяжелых металлов снижается. В условиях умеренного техногенного загрязнения накопление тяжелых металлов фитомассой девясила британского снижается от кадмия к меди (Cd>Zn>Pb>Cu), а в условиях сильного техногенного загрязнения – от кадмия к свинцу (Cd >Cu>Zn>Pb). Транслокационный коэффициент тяжелых металлов фитомассой девясила британского при умеренном загрязнении почвы снижается от цинка к свинцу (Zn>Cu>Cd>Pb), а при сильном – от кадмия к меди (Cd>Zn>Pb>Cu).

Фитотоксичность молибдена в ценопопу-ляциях Inula britannica L. проявляется при концентрации металла в почве более 100 мг/кг. Показателями   биоиндикации содержания молибдена в токсичных для данного вида концентрациях являются высота побега, диаметр стебля, количество листьев и корзинок. Высокий транслокационный коэффициент кадмия наряду со значительным потенциалом семенного и вегетативного размножения свидетельствует о возможности использования девясила британского для фиторемедиации загрязненных кадмием земель.

Кабардино-Балкарскую Республику можно считать перспективным регионом для заготовки экологически безопасного сырья Inula britannica L. в районах с умеренной и слабой техногенной нагрузкой. Учитывая высокую вероятность фолиарного загрязнения надземной фитомассы девясила британского свинцом и кадмием, участки для заготовки сырья следует выбирать вне зон влияния автомобильных дорог и интенсивного промышленного производства.