Содержание химических элементов (Zn, Mn, Cu, Pb, Cd) в системе вода-почва-растение пойменной части реки Иртыш

Цель исследований: экологическая оценка содержания микроэлементов (кадмия, свинца, цинка, меди и марганца) в системе вода – почва – растение для мониторинга состояния окружающей среды экосистемы в пойменной части реки Иртыш в условиях промышленного города.

Для достижения данной цели решались следующие задачи: 1) установить содержание микроэлементов (Zn, Mn, Pb, Cu, Cd) в пробах воды, почвы и растениях пойменной части реки Иртыш; 2) определить характер влияния повышенных концентраций (2ОДК, 3ОДК, 5ОДК) кадмия на содержание меди, свинца, цинка в почве в условиях вегетационного опыта; 3) выявить характер накопления кадмия в пырее гребенчатом, осоке береговой в условиях вегетационного опыта; 4) составить прогноз накопления кадмия в системе почва – растение в случае антропогенного его поступления.

Объекты и методы исследования. Объектами исследования явились: вода реки Иртыш, почва и растения (ива белая Salix alba, пырей гребенчатый Agropyrum cristatum, осока береговая Carex riparia) пойменной части реки. Исследования по экологической оценке содержания химических элементов в системе вода – почва – растение в пойме реки Иртыш проводились с 2005 по 2007 гг. Выбор растений обоснован их широкой распространенностью в пойменной зоне, различной видовой принадлежностью и использованию их в качестве корма для животных.

Нами были определены следующие показатели: в воде – содержание растворенных форм меди, цинка, свинца, марга-неца, кадмия, рН среды, в почве – валовое содержание ХЭ и их подвижные формы, содержание гумуса, емкость катионного обмена, рН среды, в растениях – содержание кадмия. Основным методом определения ХЭ в исследуемых пробах воды, почвы и растений был выбран атомноабсорбционный метод.

Результаты и их обсуждение. Рассмотрим загрязнение тяжелыми металлами каждого из компонента нашей системы вода – почва – растение пойменной части реки Иртыш. Cостояние поверхностных вод р. Иртыш можно охарактеризовать как неудовлетворительным. Концентрации меди, цинка, марганца составляют: Cu (весна) – 24 ПДК, (лето) – 22,5 ПДК, (осень) – 36 ПДК; Mn (весна)–5,3 ПДК, (лето) – 5,2 ПДК, (осень) – 3,2 ПДК; Zn (весна) – 4,7 ПДК, (лето) – 5,7 ПДК, (осень) – 5 ПДК. Обнаружены следы содержания кадмия и свинца в воде реки.

Содержание меди оказалось повышенным в осенние месяцы по сравнению с летними. Это объясняется тем, что в летний период вследствие активного роста биомассы концентрации меди снижаются. При осаждении взвешенных частиц, которые обладают способностью адсорбировать ионы меди, последние переходят в донные отложения, что приводит к наблюдаемому эффекту.

В ходе исследований было установлено, что береговые почвы (аллювиальные дерновые) по содержанию гумуса относятся к микрогумусным (содержание гумуса меньше 2%), реакция среды – щелочная, достаточно невысокая емкость катионного обмена (10,1мг∙экв/100 г). По гранулометрическому составу данный тип почвы относится к легким (песчаным).

Содержание микроэлементов в почве, как по валовой форме так и по подвижной форме не превышает нормы. Валовое содержание ХЭ в почве: Mn – 155,6 (ОДК – 1500 мг/кг); Cu – 11,1 (ОДК – 33 мг/кг); Zn – 35 (ОДК – 55 мг/кг); Pb – 10 (ОДК – 32 мг/кг); Cd – 0,19 мг/кг (ОДК – 0,50 мг/кг). Содержание подвижных форм ХЭ в почве: Mn – 18,7 (ПДК – 100 мг/кг); Cu – 0,43 (ПДК – 3,00 мг/кг); Zn – 2,3 (ПДК – 23 мг/кг); Pb – 1,8 (ПДК – 6,0 мг/кг); Cd – 0,16 мг/кг. В табл. 1 представлены результаты исследований по содержанию ХЭ в растениях.

Таблица 1. Содержание ХЭ в растениях в условиях пойменной части реки Иртыш, мг/кг сухого вещества (х±Sd)

Растения	Pb	Cd	Cu	Zn	Mn
пырей гребенчатый	0,26±0,16	0,04±0,01	4,47±0,39	31,60±1,30	52,50±3,3
осока береговая	0,35±0,01	0,02±0,001	6,64±0,1	19,5±0,7	62,20±4,5
ПДК	0,5	0,10	10,0	50,0
ива белая (листья)	1,76±0,02	1,75±0,01	2,70±0,43	109,80±1,7	63,40±0,59
ива белая (ветви)	1,81±0,02	1,81±0,02	2,07±0,09	65,0±2,95	20,32±1,36
ива белая (корни)	1,89±0,05	0,87±0,01	4,60±0,36	115,3±27,0	74,00±7,2

В процессе исследований было установлено, пырей гребенчатый и осока береговая не загрязнены ХЭ. Их содержание в растительных культурах не превышает ПДК. Распределение микроэлементов в органах ивы белой выглядит следующим образом: содержание Zn в листьях в 1,6 раз выше, чем в ветвях и в 1,04 раза ниже чем в корнях. Содержание Cu в листьях в 1,3 раза больше, чем в ветвях, однако ростовые корни в 1,8 раз превышают содержание металла по сравнению с листьями. Mn в листьях в 3,1 раза превышает содержание элемента в ветвях и в 1,2 раз ниже чем в корнях. Pb накапливается в листьях в 1,3 раза больше чем в ветвях. По накоплению Cd корни и ветви в 0,8 и 0,5 раз соответственно содержат меньше металла, чем в листьях ивы. Подобное распределение ХЭ в органах ивы белой связано с влиянием окружающей среды, помимо потребления микроэлементов через корневую систему.

Листья подвержены антропогенной нагрузке – пыль, выхлопные газы автотранспорта. На втором месте по потреблению ХЭ относится корневая система, поскольку именно за счет нее осуществляется питание растений. Накопление ХЭ в органах ивы белой можно расположить в следующий ряд по убыванию: Zn>Mn>Cu>Pb>Cd.

Для определения накопления ХЭ в системе вода – почва – растение в условиях вегетационного опыта был выбран кадмий, поскольку он считается более подвижным [1, 2]. Растения (пырей гребенчатый Agropyrum cristatum, осока береговая Carex riparia) поливали раствором соли кадмия CdCl2∙2,5H2О. Соль кадмия вносили вплоть до колошения трав. Эксперимент проводили на почвах аллювиальнодернового типа пойменной части реки в шестикратной повторности по следующей схеме: контроль, 2 ОДК – доза соли 10,28, 3 ОДК – доза соли 15,42, 5 ОДК – доза соли 32,14 мг/кг.

В условиях вегетационного опыта была выявлена положительная корреляция зависимости накопления кадмия растениями (пырей гребенчатый и осока береговая) от концентрации элемента в почве (ρ=0,973, коэффициент детерминации R2 0,996 соответственно). Для пырея гребенчатого характерна линейная зависимость между накоплением кадмия в растении и его содержанием подвижных форм в почве. Уравнение регрессии для пырея гребенчатого имеет следующий вид: Y = 0,96х + 0,30. Для осоки береговой установлена полиноминальная зависимость между содержанием кадмия в почве аллювиальнодернового типа и накоплением его в растениях (рис. 1).

фактические значения полиномиаль ный тренд 2-й степени

Рис. 1. Зависимость между содержанием ионов кадмия Cd²⁺ в почве и содержанием ионов кадмия Cd²⁺ в осоке береговой (Carex riparia)

Y = 0,2х2 – 0,322х + 0,11

Накопление кадмия почвой и поглощение его растениями зависит от механического состава и свойств почвы. Аллювиально-дерновый тип почвы относится к легкому механическому составу, следовательно, миграция металла протекает более интенсивно. Также было установлено, что осока береговая проявляет защитные функции при высоких концентрациях кадмия. Кадмий способен влиять на мобильность других элементов (рис. 2-4). Уравнения регрессии (1-3) отражают обратную зависимость между подвижными формами Cd-Pb, Cd-Zn, Cd-Cu.

Pb, мг 1 /к ,2 г

0,8 0,6 0,4 0,2

0,1

5,4               7,4

^8,45 Cd, мг/кг

Рис. 2. Зависимость содержания подвижных форм Pb в почвах аллювиально-дернового типа от накопления Cd в условиях вегетационного опыта

Y = –0,03х + 1,01, r = –0,9

3 Zn, мг/кг

2,5

1,5

0,5

0,1

5,4

7,4

_8, C ₄₅ d, мг/кг

Рис. 3. Зависимость содержания подвижных форм Zn в почвах аллювиально-дернового типа от накопления Cd в условиях вегетационного опыта

Y = –0,08х + 2,43, r = –0,4

0,35

Cu, мг/кг

0,3

0,25

0,2

0,15

0,1

0,05

0,1

5,4

7,4

Cd, мг/кг

8,45

Рис. 4. Зависимость содержания подвижных форм Cu в почвах аллювиально-дернового типа от накопления Cd в условиях вегетационного опыта

Y = –0,01х + 0,32, r = 0,8

Из выше приведенных рисунков видно, что при увеличении концентрации кадмия в почве наблюдается снижение концентрации свинца, меди и цинка по со держанию подвижных форм.

Выводы:

• 1.    Вода реки Иртыш загрязнена следующими химическими элементами (Zn, Mn, Cu).

• 2.    Пойменная часть реки Иртыш и растения пойменной части не загрязнены химическими элементами (Zn, Mn, Pb, Cu, Cd).

• 3.    При поливе раствором кадмия осоки береговой наблюдается проявление защитных функций к накоплению металла (2 ОДК – 0,20 мг/кг, 3 ОДК – 1,01 мг/кг, 5 ОДК – 2,00 мг/кг).

• 4.    Установлена обратная зависимость между кадмием, цинком, свинцом и медью.