Среди многих негативных последствий хозяйственной деятельности человека особое место занимает загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами (ТМ), многие из которых являются чрезвычайно токсичными даже в минимальных количествах [1].
Город Сибай является промышленным и культурным центром Башкирского Зауралья (БЗ). Современная промышленная инфраструктура города включает в себя более десятка предприятий, из которых основным в течение полувека являлся Башкирский медно-серный комбинат (БМСК). В настоящее время он преобразован в Сибайский филиал ОАО «Учалинский горно-обогатительный комбинат» (СФ УГОК), входящий в Уральскую горно-металлургическую компанию (УГМК) [2]. Источником водоснабжения данного предприятия является р. Карагайлы. В переводе с башкирского языка её название переводится как «сосновая». Она относится к Уральскому бассейновому округу и входит в водохозяйственный участок реки Урал от Магнитогорского до Ириклинского гидроузла. Речной подбассейн реки отсутствует. Карагайлы - правый приток р. Туяляс. Она берет начало в 7 км к юго-востоку от с. Мерясово Баймакского района РБ, на хребте Ирендек. Протекает с запада на восток и впадает в р. Туяляс в 27 км от ее устья. Длина - 28 км, ширина реки в черте города - 1-2 м, глубина - 0,5 м [3].
Река Карагайлы протекает в зоне промышленных и коммунально-складских предприятий. По всей длине реки расположены отвалы вскрышных (горных) пород Сибайского и Камаганского месторождений, отходы переработки руд - отвальные хвосты флотации обогатительной фабрики и Сибайский карьер, граничащий с жилыми поселками. В связи с этим возникает опасность загрязнения прилегающих территорий токсичными химическими элементами, в частности ТМ.
Цель исследования - изучение пространственной изменчивости тяжелых металлов (Сu, Zn, Fe, Mn, Ni, Cd) в поверхностных водах р. Карагайлы с последующей оценкой их фитотоксичности.
Материалы и методы исследования
Материалом для работы послужили образцы воды, отобранные в летний период 2016 г. в соответствии с ГОСТ Р 51592-2000 с приповерхностного горизонта. Наблюдательная сеть включала в себя следующие створы: ПП1 - у истока р. Карагайлы; ПП2 – пруд вблизи с. Старый Сибай Баймакского района РБ (10 км от истока); ПП3 – на территории с. Ст. Сибай (15 км от истока); ПП4 - выше хвостохранилища обогатительной фабрики за Сибайским заводом буровых реагентов; ПП5 - в районе хвостохранилища; ПП6 - ниже хвостохранилища у пос. Калинино (рис. 1).
В образцах воды, прежде всего, методом атомной абсорбции определяли содержание ТМ (Cu, Zn, Fe, Mn, Cd, Ni) [4]. Для экологической оценки качества вод использовали кратность превышения предельно допустимых концентраций (ПДК) металлов для водоемов рыбохозяйственного назначения [5, с. 57].
Для определения токсичности вод р. Карагайлы была применена методика определения токсичности питьевых, грунтовых поверхностных и сточных вод, растворов химических веществ по измерению показателей всхожести семян, средней длины и среднего сухого веса проростков семян кресс-салата Lepidium sativum L. сорта «Весенний» и лука-порея Allium Porrum L. [6].
Статистическая обработка проводилась с помощью пакета компьютерных программ STATISTICA 6.0.
Рис. 1. Карта-схема расположения точек отбора в районе исследования
Результаты исследования и их обсуждение
Анализ пространственной изменчивости концентраций ТМ в воде р. Карагайлы за летний период наблюдений в 2016 г. показал, что во всех исследуемых створах зафиксировано превышение допустимой нормы по содержанию меди, цинка, железа, марганца и никеля. Концентрация кадмия в воде не превышала ПДК лишь в ПП2. Для данных металлов в зоне непромышленного освоения исследуемого водотока зафиксировано превышение нормы по содержанию: Cu – в 25,0 раз, Zn – 18,0 раз, Fe – 1,7 раза, Mn – 2,0 раза, Ni – 1,2 раза, что связано со специфическими геохимическими особенностями района исследования.
Вблизи хвостохранилища СОФ (ПП5) наблюдалось максимальное превышение ПДК по меди (в 146 раз) и железу (в 36 раз), обусловленное продолжительным складированием отходов обогащения руды и ответвления жидкой фазы пульпы. В то же время в воде ПП4 зарегистрированы наибольшие концентрации Zn (1148 ПДК), Mn (154 ПДК), Cd (3,6 ПДК), что, возможно, связано с дополнительным источником поступления растворимых соединений цинка, расположенных выше по течению водотока. Для цинка выявлен уровень содержания, соответствующий критерию экстремально высокого загрязнения поверхностных вод (> 0,5 мг/дм3) (ПП4 и ПП5), тогда как для марганца - высокого загрязнения (0,1- 0,5 мг/дм3) в ПП4 [5, с. 58-68]. Концентрация никеля в воде зоны промышленного освоения реки оставалась равномерной и составила 0,02 мг/дм3.
Статистический анализ полученных данных выявил достоверную связь (при р=0,05) между содержанием в воде Mn и Zn (r = 0,89) и Mn и Cd (r = 0,94). Видимо, это связано с адсорбционными процессами, обусловленными постоянным присутствием в составе взвесей речных вод гидроксида марганца, а также высоким сорбционным сродством соединений марганца по отношению к ионам кадмия [7]. Аналогичная зависимость выявлена между содержанием Cu и Fe (r = 0,95).
В ходе биотестирования фиксировалось несколько тест-откликов на одном растительном тест-объекте: всхожесть семян, длина корней и сухая масса проростка. В качестве контрольного образца использовалась дистиллированная вода.
Всхожесть семян кресс-салата изменялась в пределах от 75 до 100%, в контроле этот показатель составлял 100% (рис. 2А). Минимальный показатель всхожести зарегистрирован при выращивании семян в исходном образце воды створа 4, расположенного выше хвостохранилища. Возможно, что это обусловлено наличием в воде данного участка каких-либо ингибиторов роста, содержание которых снижалось до допустимого уровня при разбавлении пробы в 16 раз и не препятствовало прорастанию. В то же время при разбавлении образцов воды створа 6 наблюдалось снижение всхожести семян, что, возможно, обусловлено дефицитом минеральных веществ, необходимых для их прорастания [3].
Всхожесть семян лука-порея варьировала в пределах от 10 до 83,5%, в контроле же она составила 28% (рис. 2Б). Минимальное значение этого показателя зарегистрировано в исходном образце воды створа 2 (пруд вблизи с. Старый Сибай) и 6 (ниже хвостохранилища у пос. Калинино), что, возможно, обусловлено влиянием отвалов Сибайского карьера и недостаточно очищенных сточных вод обогатительной фабрики. По сравнению с кресс-салатом всхожесть лука-порея с разбавлением в 8-16 раз поверхностных вод реки увеличивалась во всех створах.
(А)
(Б)
Рис. 2. Изменчивость всхожести семян Lepidium sativum (А) и Allium porrum (Б) в пробах воды р. Карагайлы в диапазоне концентрации 1-16
Длина подземной части проростков кресс-салата изменялась в пределах от 33,8 до 131,8 см, в контроле равнялась 76,3 см (рис. 3А). Выращивание семян кресс-салата с использованием образцов воды створов 1-3 (зоны влияния отвалов) выявило их фитотоксичность, поскольку значения измеренного тест-отклика не достигали уровня контроля. Минимальный показатель длины корня кресс-салата зарегистрирован в опыте с использованием воды створа 2 (пруд вблизи с. Старый Сибай). Однако разбавление привело к увеличению его длины, что можно связать со снижением концентрации токсичных веществ.
(А)
(Б)
Рис. 3. Изменчивость длины подземной части Lepidium sativum (А) и Allium porrum (Б) в пробах воды р. Карагайлы в диапазоне концентрации 1-16
В то же время длина корней проростка лука-порея варьировала в пределах от 1,9 до 17 см, а в контроле составляла 8,3 см (рис. 3Б). Как и в случае с кресс-салатом, семяна лука-порея, выращенные на воде створов 1-3 (зоны влияния отвалов), не достигали значения контроля, подвергаясь фитотоксичности. Минимальный показатель изученного тест-отклика также наблюдался в опытах с использованием воды створа 2. В отличие от кресс-салата, длина корней семян лука-порея уменьшалась с разбавлением воды, что, возможно, обусловлено нехваткой минеральных веществ для прорастания проростков.
Сухая масса проростков кресс-салата, выращенного на тестируемых образцах воды, изменялась от 0,0105 до 0,0471 г, что значительно ниже контрольного показателя (0,0419 г) (рис. 4А). В то же время сухой вес проростков лука-порея изменялся от 0,0015 до 0,0434 г, в контроле равнялся 0,0098 г (рис. 4Б). Следует отметить, что исходные образцы воды, особенно зоны промышленного освоения (створы 4-6), являлись токсичными для кресс-салата, тогда как по отношению к луку-порею исследованные пробы воды не проявляли токсичного эффекта.
Корреляционный анализ позволил выявить следующие зависимости между концентрацией ТМ в водах и всхожестью семян растительных тест-систем: кресс-салата и Zn (r = -0,97), Mn (r = - 0,95), Cd (r = - 0,84). Аналогичная связь зафиксирована между данным тест-откликом лука-порея и содержанием Zn (r = -0,89) и Ni (r = -0,81). Это позволило предположить, что высокая концентрация данных металлов в водах р. Карагайлы оказывает токсическое воздействие на измеренный показатель биотестирования кресс-салата.
(А)
(Б)
Рис. 4. Изменчивость сухой массы проростков Lepidium sativum (А) и Allium porrum (Б) в пробах воды р. Карагайлы в диапазоне концентрации 1-16
Однако анализ показал, что соединения Zn и Ni, возможно, способствуют стимулированию роста подземной части соответствующих растительных тест-систем, так как коэффициенты корреляции между длиной корня проростков кресс-салата и содержанием данных составили r = 0,89 и r = 0,87; лука-порея - r = 0,87 и r = 0,96 соответственно.
Проведенное исследование позволило заключить, что в условиях Южного Урала изученные металлы образуют убывающие ряды элементов по их среднему содержанию в воде р. Карагайлы: Zn > Fe > Mn > Cu > Ni > Cd. Превышение допустимой нормы в среднем составило: по Zn - в 358 раз, Fe - 6,8 раза, Mn - 45 раз, Cu - 44 раза, Ni - 2 раза, Cd – 1,6 раза. Исследование пространственной изменчивости металлов в воде р. Карагайлы позволило заключить, что содержание Zn, Mn, Cd, Fe, Cu является показателем напряженности экологической ситуации на территории промышленного освоения реки.
По результатам биотестирования кресс-салат является более чувствительным к загрязнению поверхностной воды исследуемого водотока. Тестируемые образцы воды, отобранные в зоне техногенной нагрузки, являлись фитотоксичными по отношению к всхожести семян и сухой массы проростков кресс-салата. Фактором, отрицательно влияющим на всхожесть семян кресс-салата и лука-порея, оказалось содержание в воде Zn. Напротив, повышенное содержание ионов Zn и Ni в воде способствовало стимуляции роста и удлинению корня обеих тест-систем.
Библиографическая ссылка
Семенова И.Н., Кужина Г.Ш., Ягафарова Г.А., Ильбулова Г.Р., Рафикова Ю.С. ОЦЕНКА ФИТОТОКСИЧНОСТИ ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОД Р. КАРАГАЙЛЫ (РЕСПУБЛИКА БАШКОРТОСТАН) // Современные проблемы науки и образования. – 2017. – № 4. ;URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=26609 (дата обращения: 27.04.2024).