Scientific journal
Modern problems of science and education
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,682

ACCUMULATION HEAVY METALS BY PHYTOCENOSISES OF WEST - SIBERIAN ARCTIC AND SUBARCTIC

Popova E.I. 1
1 Tobolskaya complex scientific station RAS
Основной причиной ухудшения экологической обстановки является все возрастающее техногенное загрязнение окружающей среды. Среди многочисленных загрязнителей наиболее токсичными считаются тяжелые металлы. В статье приведены результаты исследования антропогенных фитоценозов Субарктики и Арктики в пределах Западной Сибири, выполненные в рамках программы фундаментальных научных исследований Тобольской комплексной научной стации Уральского отделения РАН «Выявление эпицентров синантропизации биоты в Западно-Сибирской Арктике и Субарктике» (№ ГР 116020510090). Было исследовано 7 антропогенных участков вблизи автодорог. Проведена оценка фонового содержания тяжелых металлов в почве и общей фитомассе исследованных растительных сообществ. На основании определенного коэффициента техногенной концентрации химического элемента и коэффициента биологического поглощения определен уровень техногенного загрязнения. Экспериментальные данные представляют интерес в плане оценки влияния на растительность.
The main cause of environmental degradation is increasing technogenic pollution. Among the many pollutants are considered to be the most toxic heavy metals. The results of the study of anthropogenic phytocenoses of Subarctic and Arctic regions within Western Siberia, performed under the program of fundamental scientific research of Tobolsk complex scientific stations of the Ural Branch of Russian Academy of Sciences "Identification of the epicenters synanthropization biota in West Siberian Arctic and Subarctic" (№ 116020510090). Were studied the seven anthropogenic sites near roads. From the studied plant communities was evaluated background content of heavy metals in the soil and the total phytomass. Defined level of technogenic pollution based on specific coefficient of technogenic concentration of the chemical element and the coefficient of biological absorption. The experimental data are of interest in assessing the impact on the vegetation.
heavy metals
the coefficient of technogenic concentration of the chemical element
the coefficient of biological absorption
accumulation
roads

Бурное развитие сети автодорог и выраженная тенденция увеличения численности автомобилей на трассах, в том числе северных территориях, привели к тому, что автодороги стали одним из наиболее мощных источников загрязнения окружающей среды.

В ряду научных методов, с помощью которых возможно объективное исследование биологических объектов (в том числе и растений), наряду с биоиндикационными способами оценки занимает количественный химический анализ. Одним из специфичных загрязнителей придорожных экосистем являются тяжелые металлы [1,2,3].

Тяжёлые металлы являются одними из самых распространённых загрязнителей территорий. О загрязнении судят на основе сопоставления данных по их валовому содержанию. Тяжёлые металлы занимают особое положение среди дру­гих техногенных загрязняющих веществ, поскольку, не подвергаясь физико-химической или биологической деградации, накапливаются в поверхностном слое почв и изменяют их свойства, в течение длительного времени остаются доступными для корневого поглощения растениями и активно включаются в процессы миграции по трофическим цепям.

Изучение реакции растений на загрязнение среды тяжёлыми металлами является одной из задач биологического мониторинга окружающей среды. Специфические характеристики обмена у различных видов растений обусловливают их избирательную способность к накоплению одного или нескольких элементов. Источники поступления тяжёлых металлов в почву и окружающую среду различны, в наших исследованиях – это автодороги [9-15].

Цель исследования: определить содержание и особенности накопления некоторых тяжелых металлов в анторогенных экосистемах Западно-Сибирской Арктики и Субарктики.

Материал и методы исследования

Отбор проб. Отбор образцов почв и пробоподготовка для количественного химического анализа проведены в соответствии с [4-8]. С каждого участка отобрано пять проб.

Подготовка проб. Подготовка проб осуществлялась с использованием системы микроволнового разложения speedwave MWS-2 фирмы PerkinElmer (США).

Почвенную навеску m=4,0г, помещали в пластиковый туб, затем добавляли HNO3:HCl=1:3. Туб помещали в микроволновую печь для разложения пробы, используя программу, рекомендованную производителем печи, применяя следующий режим нагрева: выдерживание в течение 5 мин при 200 °С, охлаждение до 45 °С. Растворенную пробу переносили в пробирку объемом 15 мл, доводя объем до 10 мл дистиллированной водой, после проводили анализ.

Для разложения растительных образцов, навеску m=0,3г помещали в туб, затем добавляли H2SO4:H2O2=1:3. Следующие этапы разложения проводились в таком же порядке, который был описан ранее.

Количественный химический анализ накопления микроэлементов и тяжелых металлов As, Cr, Cu, Mо, Ni, Pb, Sr, Zn в образцах почвы, общей фитомассе методом индуктивно-связанной плазмы на атомно-эмиссионном спектрометре OPTIMA-7000DV фирмы PerkinElmer (США). Для градуировки использовали стандартные растворы фирмы PerkinElmer (США).

Коэффициент техногенной концентрации химического элемента. Для оценки уровня химического загрязнения почв химическими веществами был рассчитан коэффициент техногенной концентрации химического элемента [1]:

(1)

(С) – реальное содержание загрязнителя в природном объекте к его фоновому уровню (СF).

Коэффициент биологического поглощения. Учитывая многофакторность процессов, происходящих в системе «почва-растение», и необходимость отслеживания ее поведения во времени, чтобы иметь возможность прогнозирования динамических характеристик, представляется целесообразным использование имитационного моделирования. В данной работе применяется имитационная модель, в основу которой положена суть коэффициента биологического поглощения [3]:

(3)

где – содержание i-го тяжелого металла в растении, мг/кг; – содержание i-го тяжелого металла в почве, мг/кг [10,11,12,16].

Результаты исследований и их обсуждение

В результате исследования Субарктики и Арктики в пределах Западной Сибири, были исследованы следующие участки:

Участок №1 (контрольный) – западный склон увала, двенадцать километров к востоку от поселка Старый Надым. Лесотундра. Злаково-осоково-сфагновое сообщество (N 65º 34′ 957″, E 72º 53′ 532″).

Участок № 2 – автодорога – западная сторона автострады Сургут – Когалым, примерно в двадцать километров к северу от перекрестка автодорог Сургут – Когалым, Сургут – Нижневартовск. Средняя тайга. Придорожье. Злаково-рудеральное сообщество (N 62º 09′084″, E 73º 45′013″).

Участок № 3 – автодорога. Три километра к северу от города Пурпе близ автострады Пурпе – Коротчаево. Северная тайга. Придорожье. Политрихо-осоковое болото (N 64º 28′ 749″, E 76º 38′ 745″).

Участок № 4 – автодорога Коротчаево – Пурпе, сорок километров к югу от поселка Коротчаево. Область границы северной тайги и лесотундры. Политрихо-злаковое рудеральное сообщество (N 65º 22′ 839″, E 77º 46′ 345″).

Участок № 5 – автодорога Коротчаево – Новый Уренгой, семьдесят километров к востоку от города Новый Уренгой. Область границы северной тайги и лесотундры. Рудеральное злаково-осоковое сообщество (N 65º 55′ 014″, E 78º 07′ 312″).

Участок № 6 – трасса Надым – Новый Уренгой, двадцать километров к востоку от поселка Старый Надым. Лиственнично-березовая лесотундра. Кустарничково-кладониевое сообщество (N 65º 35′ 253′, E 73º 08′ 845″).

Участок № 7 – автострада Новый Уренгой – Ямбург, около ста километров к северу от горда Новый Уренгой. Лесотундра – южная кустарничковая тундра. Кустарничково-осоковое сообщество (N 66º 55′ 003″, E 76º 25′ 314″).

Участок № 8 – автотрасса на поселок Ямбург, в ста пятидесяти восьми километрах от города Новый Уренгой. Осоково-моховая тундра. Злаково-осоковое сфагновое сообщество (N 67º 20′ 916″, E 76º 23′ 340″).

В почвах наблюдаемых участков, в большей степени подверженных техногенным воздействиям, тяжелые металлы варьировали в пределах: As (0,10÷0,84); Cr (0,31÷1,81); Cu (3,11÷15,12); Mо (0,91÷4,84); Ni (0,61÷12,08); Pb (1,22÷13,36); Sr (0,59÷19,75); Zn (3,75÷19,33) мг/кг.

По мере воздействия экотоксиканты можно расположить в убывающий ряд: Sr>Zn>Cu>Pb>Ni>Cr>Mo>Со>As.

По мере загрязнения участки можно выстроить в следующем порядке 7>2>3>8>6>5>4>1(рис. 1).

Рис. 1. Содержание тяжелых металлов в почвах наблюдательных участков

Тяжелые металлы накапливаются не только в почве, но и растениях. Растения накапливают тяжелые металлы в тканях и на поверхности органов. Наибольшая аккумуляция тяжелых металлов в общей биомассе выявлена по отношению к Sr, Cu, Zn и Ni (рис. 2).

Рис. 2. Содержание тяжелых металлов в общей фитомассе наблюдательных участков

Для оценки контрастности и экологической опасности техногенных ореолов тяжелых металлов в почвах используется несколько подходов. Индикация загрязнения основывается в первую очередь на сопоставлении загрязненных почв с их фоновыми аналогами. Это достигается расчетом коэффициента техногенной концентрации химического элемента или аномальности (Кс), показывающего во сколько раз содержание элемента в почвах выше его содержания в фоновых почвах. Коэффициент Кс отражает интенсивность загрязнения. Опасность загрязнения почв тем выше, чем больше Кс превышает единицу. Значение Ксв наиболее загрязненных участках варьировало: As (0,10÷0,84);Cо (0,30÷4,89);Cr (0,31÷1,81); Cu (3,11÷15,12); Mо (0,91÷4,84); Ni (0,61÷12,08); Pb (1,22÷13,36); Sr (0,59÷19,75); Zn (3,75÷19,33).

Биологическое поглощение микроэлементов и тяжелых металлов растениями можно оценить с помощью коэффициента биологического поглощения Кiпб(рис. 3).

Рис. 3. Коэффициент биологического поглощения исследуемых элементов

Анализ результатов показал различную аккумуляционную способность наблюдаемых растений к тяжелым металлам. Избыточная аккумуляция металлов разными видами растений ограничивается избирательной способностью корневого поглощения по отношению к определенным элементом. Коэффициент биологического поглощения, наиболее высокий, выявлен по следующим элементам:As (3,08÷5,92) участки № 3,4,5; Cr (1,34÷1,86) участки № 2,4,8; Cо (1,78÷2,59) участки № 2,4,6,8.

Выводы

Элементный ряд тяжелых металлов по убыванию их концентраций в почве и общей фитомассе исследуемых участков представлен: Sr>Zn>Cu>Pb>Ni>Cr>Mo>Со>As (почва); As>Cо>Cr>Cu>Pb>Ni>Sr>Zn>Мо (общая фитомасса).

Для большинства изучаемых металлов прослеживается тенденция снижения значения коэффициентов биологического поглощения в растениях по мере увеличения их в почве, а в диапазоне низких концентраций химических элементов в почве степень поглощения их растениями увеличивается.

Показатели коэффициента техногенной концентрации химического элемента, коэффициента биологического поглощения являются основными для определения уровня техногенного загрязнения изучаемых фитоценозов и проведения мониторинговых наблюдений.

Таким образом, полученные данные по оценке степени поглощения тяжелых металлов растениями, произрастающими вдоль автомобильной трассы, свидетельствуют о загрязнении исследуемой территории. Различие в коэффициентах биологического накопления позволяет классифицировать металлы по трем категориям: сильное накопление – As, Cr, Со; среднее – Cu, Ni;Sr, Pb; слабое – Zn, Мо.