Поведение тяжелых металлов в системе «почва-растение» в условиях малопромышленного города Приамурья - Белогорска

Изучение техногенного загрязнения окружающей среды является одной из актуальных проблем в экологических исследованиях. Особое место по остроте этих проблем занимают урбанизированные территории, т.к. антропогенное загрязнение окружающей среды в последнее время приобрело такие размеры, что стало угрожать здоровью человека и представлять серьезную опасность для будущих поколений. Анализ литературных источников показывает, что большинство исследований были направлены на рассмотрение, как правило, экологических проблем крупных промышленных центров. Изучением экологического состояния г. Благовещенска – областного центра Приамурья, в том числе загрязнения экосистем тяжелыми металлами (ТМ), занимались многие исследователи [2, 5]. Экологические проблемы других малопромышленных городов Приамурья, процессы миграции и трансформации соединений ТМ практически не изучены.

Цель работы: исследование особенностей элементного химического состава растений и закономерности накопления и миграции ТМ в системе «почва-растения» г. Белогорска под влиянием воздействия природных и антропогенных факторов.

Характеристика района исследования. Город Белогорск является малопромышленным городом Амурской области, площадью 136 км² и населением 68,7 тысяч человек, расположен в 100 км к северо-востоку от областного центра Благовещенска. Станция Белогорск - узловая станция, через которую проходят поезда во всех направлениях. Крупные предприятия: мясокомбинат, мелькомбинат, овощеконсервный завод,

асфальтовый завод и завод железобетонных изделий, вагонное и локомотивное депо.

Основными загрязнителями атмосферного воздуха в г. Белогорске, как и по всей области, являются объекты жилищно-коммунального хозяйства и автотранспорт. Наибольший объем выброшенных загрязняющих веществ приходится на мелкие котельные, которых в городе достаточно много. Автотранспорт является также источником поступления пыли. Загрязнение воздуха происходит не только при сжигании топлива в двигателях внутреннего сгорания, но и при истирании шин о поверхность дороги. Образуемая при этом пыль обогащена свинцом, цинком и кадмием [6]. По данным ГИБДД УВД по Амурской области в г. Белогорске зарегистрировано 16923 единицы автотранспорта. На 1 км2 при плотности населения 505 человек приходится 124 автомобиля. Это без учета транзитного транспорта, а через г. Белогорск проходит автотрасса, соединяющая областной центр с восточной частью страны, и автомагистраль федерального значения.

Объекты и методы исследования. Объектами исследования служили почвы разных функциональных зон города и трава укоса. Сбор материала (почва, растения) проводили с июля по сентябрь 2009-2010 г. с 8 пробных площадок, включая фоновую. В качестве фона использовали территорию соснового бора в 20 км севернее города. Валовое содержание ТМ (Cu, Zn, Mn, Cr, Ni, Co, Pb, Cd) в почвах и в озоленном растительном материале определяли после разложения их смесью концентрированных кислот: фтористоводородной, азотной и соляной с последующим растворением в растворе 1 М соляной кислоты. Для выделения форм ТМ различной подвижности в почвах и соответственно неодинаковой доступности растениям использовали метод последовательной экстракции металлов из одной навески почвы [4].

Было выделено 5 форм нахождения ТМ в почвах: 1) водорастворимая фракция – соединения ТМ, переходящих в водную вытяжку, 2) фракция, содержащая непрочно сорбированные ионы ТМ, 3) фракция ТМ, связанная с аморфными оксидами и гидроксидами железа и марганца, 4) фракция ТМ, связанных с органическим веществом почв и сульфидами, 5) остаточная фракция, содержащая ионы ТМ, прочно закрепленные в кристаллических решетках минералов почв. Были рассчитаны коэффициенты концентраций ( К i ) , как отношение фактического содержания определяемого вещества в исследуемом объекте ( С i ) к фоновому ( C ф ) по формуле: К i = С i /С ф . Суммарный показатель химического загрязнения рассчитывали по формуле: Z c =Σ К сi – ( n -1 ) , где ( Z с ) – суммарный показатель химического загрязнения; К с – коэффициенты концентраций элементов; n - число определяемых загрязнителей [6]. Все определения ТМ в траве укоса были проведены атомно-абсорбционным методом на спектрофотометре 1 класса «Хитачи»-

180-50 в пламени ацетилен-воздух. Свинец и кадмий – на ААС «Анналист 400».

Результаты и их обсуждение. На всех исследованных территориях города содержание ТМ в почвах, кроме Cr, не превышает ПДК и ОДК для почв, хотя и наблюдается более интенсивная аккумуляция этих элементов в городских почвах по сравнению с фоновой территорией, что указывает на антропогенные источники их поступления. В трех точках города отмечено превышение ПДК для почв по хрому в 1,03-2,3 раз (табл. 1). В порядке уменьшения среднего валового содержания ТМ образуют следующий убывающий ряд: Mn>Cr>Zn>Pb>Cu>Ni>Co>Cd. Согласно ориентировочной шкалы по суммарному показателю загрязнения почв ( Z с ) тяжелыми металлами [6], исследуемые территории города имеют следующую градацию: 57,2% исследованных территорий города имеют допустимый уровень загрязнения ( Z с < 16) и 42,8% - умеренно опасный ( Z с = 16-32), это территории военного госпиталя, городского парка и консервного завода (табл. 1).

Таблица 1. Валовая концентрация тяжелых металлов в верхнем горизонте почв, мг/кг, – числитель, коэффициент концентраций – знаменатель

Для предсказания поведения ТМ в экосистемах, их подвижности и доступности для поглощения и выведения живыми организмами необходимы знания о формах существования ТМ. Наиболее полную и объективную информацию о формах нахождения этих металлов в ур-баноземах, участии различных компонентов почвы в их связывании дают методы последовательных селективных экстракций. В результате исследования было установлено, что наименьшее количество подвижных форм ТМ находится в водорастворимой - до 3,3% и специфически сорбированной фракциях - до 21% от валового содержания. Эти фракции характеризуют мобильность и биодоступность ТМ. Оксиды и гидроксиды железа больше удерживают металлов, чем органическое вещество почв. Сорбция Zn и Mn гидроксидами железа до 10 раз выше, чем органическим веществом почв. Главной особенностью фракционного состава соединений ТМ в почвах является значительное преобладание остаточной фракции над остальными, что позволяет предположить ведущую роль глинистых минералов в закреплении элементов в почве. Максимальное содержание в остаточной фракции характерно для Cr и Cu - до 97%, а мини- мальное для Zn - до 71% и Mn - до 63% от валового содержания.

Наиболее информативным критерием, указывающим на активность металлов в почвенном растворе, является уровень накопления их в растениях [9]. По накоплению в фитомассе того или иного элемента можно судить об экологически значимом его содержании в почве, а в химическом составе растений могут отражаться особенности геохимической среды. Химический состав травы укоса показал, что содержание определяемых ТМ в растениях урбофитоценозов гораздо выше, чем на фоновом участке. Концентрация Cu, Zn и Pb в траве укоса урбанизированных территорий г. Белогорска превышает фоновые значения до 3-4 раз, а Ni – до 12 раз (табл. 2). Наиболее высокая концентрация характерна для Mn (37,4-97,1 мг/кг) и Zn (19,8-49,7 мг/кг). Это объясняется большим физиологическим значением этих элементов и высокой потребностью в них растений различных фитоценозов [1]. Содержание Cu варьирует в интервале от 3,0 до 9,3 мг/кг, Cr, Ni и Pb от <1,0 до 3,6 мг/кг, а Cd аккумулируется в растениях незначительно (табл. 2). Наибольшее значение суммарного показателя химического загрязнения (Zс) в траве укоса г. Белогорска выявлено в районе завода железобетонных конструкций (15,4), школы-гимназии № 1 (14,7) и железнодорожного вокзала (14,3).

Таблица 2. Концентрация ТМ в траве укоса, мг/кг (в пересчете на воздушно-сухую массу)

Следует отметить, что в почвах г. Белогорска концентрация Cd ниже предела обнаружения (табл. 1), а в траве укоса Cd присутствует почти на всех точках отбора. На основании этих данных можно предположить, что для Cd возможно поглощение элемента из атмосферы через листья. Содержание ТМ в растениях – комплексный показатель, отражающий загрязнение почвы и приземного слоя атмосферы. Главный путь поступления металлов в растения - адсорбция корнями. Почвенная среда является основным источником элементов для растений. Для установления степени влияния элементного состава почвы на химический состав растений была проведена оценка корреляционной зависимости между содержанием ТМ в траве укоса и их валовым содержанием в почве. Было установлено, что корреляционная зависимость отсутствует. Это можно объяснить способностью растений к избирательному накоплению элементов, хотя некоторые исследователи считают, что между химическим составом растений и элементным составом почвы существует определенная связь [3]. Была рассчитана корреляционная зависимость между накоплением ТМ в растениях от содержания их подвижных форм в почвах города. Разница в кореляционной связи от количества фракций в почве (1+2) и (1+2+3) незначительна. Поэтому в качестве примера рассмотрим кореляционную зависимость между накоплением ТМ в траве укоса с их подвижными формами (1+2+3 фракции) в почве (табл. 3).

Таблица 3. Корреляционная зависимость между накоплением ТМ в траве укоса и содержанием их подвижных форм (1+2+3 фракции) в почвах

Примечание: жирным шрифтом отмечены достоверные коэффициенты корреляции, курсивом – коэффициенты парной корреляции

С помощью корреляционного анализа обнаружена значимая прямая связь только между концентрацией Mn в траве укоса города с его подвижными формами в почве ( r =0,65) и средняя связь для Zn ( r =0,46). Возможно, это связано с наличием у растений эволюционно выработанных механизмов извлечения эссенциальных элементов из корнеобитаемого слоя [7]. Исходя из этих данных, можно предположить, что накопление Mn и Zn в растениях зависит от содержания этих элементов в почве. Растворимые формы Zn и Mn доступны для растений и их потребление растениями возрастает с повышением концентрации элемента в почве [3]. Для остальных исследованных элементов полученные результаты не выявляют зависимости между накоплением ТМ в растениях и содержанием их подвижных форм в почвенном растворе, где коэффициенты парной корреляции отрицательны или колеблются в интервале от 0,16 до 0,24 (табл. 3). В результате исследования накопления элементов в траве укоса городских почв установлено, что факторами, определяющими уровень аккумуляции ТМ растениями, являются содержание подвижных форм металлов в почвах, потребность растений в каждом конкретном химическом элементе, биодоступность самого элемента и видовой состав растений.

Выводы: приоритетными загрязняющими веществами окружающей среды (по результатам анализов химического состава почвы и травы укоса) в г. Белогорске являются Cr, Pb и Ni. Корреляционный анализ показал, что накопление Mn и Zn в растениях зависит от содержания этих элементов в почве, а для Cd возможно поглощение элемента из атмосферы через листья. На формирование полиэлементного состава загрязнения оказывают влияние предприятия топливно-энергетического комплекса и автотранспорт, выбросы которых имеют широкий ареол рассеяния в пределах городских территорий, но в целом экологическая обстановка в г. Белогорске не вызывает опасности.