Белорецкий район Республики Башкортостан (РБ) является одним из старейших и крупнейших центров горнодобывающей и металлургической промышленности России, являющихся основными источниками загрязнения тяжелыми металлами (ТМ) водных объектов в зоне воздействия промышленных комплексов данного региона [6, 7].
Главной водной артерией РБ, испытывающей значительное антропогенное влияние, является река Белая (Агидель). В верхнем течении река зарегулирована. Для целей водоснабжения промышленного узла г. Белорецк создано Белорецкое водохранилище. Сточные воды и выбросы предприятий оказывают негативное влияние на качество воды реки и ограничивают её использование в нижнем течении для хозяйственно-питьевых и культурно-бытовых нужд населения [3, 14].
В настоящее время оценить степень загрязнения водоемов по содержанию в поверхностных водах химических элементов объективно не удается [8, 11]. Поэтому в качестве чувствительного показателя уровня загрязненности гидросистемы чаще используют наиболее инерционное звено-донные отложения (ДО) [2, 8, 11, 12]. При этом введение методов биомониторинга в сеть контроля над их состоянием позволяет адекватно оценить токсичность водотока. Для этого используются модельные растительные тест-системы (кресс-салат, редис, пшеница и др.) [1]. В данной работе предпринята попытка оценки токсичности ДО р. Белая с целью изучения пространственной изменчивости ТМ в грунтах верховья реки с использованием Lepidium sativum.
Материалы и методы исследования
Материалом для работы послужили ДО, отобранные в соответствии с МУ РД 52.18.685 в летний период 2013 г. на территории Белорецкого района РБ (рис. 1).
Рис. 1. Карта – схема расположения точек отбора проб в районе исследования
Наблюдательная сеть включала 5 точек отбора грунтов: 1– до впадения правого притока Тирлян (60 км от истока реки); 2 – после впадения притока, принимающего стоки листопрокатного завода (65 км); 3 – Бельский мост в зоне поступления промышленных стоков ОАО «Белорецкий металлургический комбинат» (106 км); 4 и 5 – до и после Пугачевского карьера (114 и 118 км, соответственно) (рис. 1).
Валовое содержание ТМ (Cu, Zn, Fe, Mn, Pb, Cd, Ni, Co) в образцах ДО определяли с помощью метода атомно-абсорбционной спектрофотомерии в центральной химической лаборатории Сибайского филиала Учалинского горно-обогатительного комбината [9]. Для оценки загрязнения ДО исследуемого водотока использовали кратность превышения геохимических фоновых концентраций металлов, установленных Институтом минералогии, геохимии и кристаллографии редких элементов (ФГУП «ИМГРЭ») [4] (табл. 1):
Таблица 1
Геохимическая фоновая концентрация тяжелых металлов в донных отложениях, мг/кг [4].
Fe |
Mn |
Cd |
Zn |
Pb |
Cu |
Ni |
Co |
3800 |
1100 |
0,3 |
20 |
9 |
4 |
20 |
0,1 |
Уровень техногенного загрязнения ДО реки оценивали с помощью суммарного показателя загрязнения (СПЗ):
СПЗ=∑Кс - (n-1),
где Кс.= Ci/Сф – коэффициент концентрации отдельных компонентов загрязнения; п - число суммируемых веществ, коэффициент концентрации Кс которых выше 1,0.
Критические значения, позволяющие охарактеризовать ДО по степени загрязнения, таковы: при СПЗ ≤ 8 – слабо загрязненные; при 8 ≤ СПЗ ≤ 16 – допустимая степень загрязнения; при 16 ≤ СПЗ ≤ 32 – умеренно опасная; при 32 ≤ СПЗ ≤ 128 – опасная; СПЗ ≥ 128 – чрезвычайно опасная [12].
Методика биотестирования основана на определении процента всхожести и измерения длины проростков кресс-салата Lepidium sativum сорта «Забава» при влиянии токсических веществ, присутствующих в ДО исследуемого водотока. Известно, что это растение обладает повышенной чувствительностью к загрязнению почв и грунтов ТМ. Этот биоиндикатор отличается быстрым прорастанием семян и высокой долей всхожести, заметно уменьшающейся в присутствии загрязнителей [10].
Семена растений закладывали в предварительно увлажненный грунт по 20 шт. в чашки Петри. В качестве контроля выступал кварцевый песок, предварительно промытый горячей дистиллированной водой. По необходимости производился полив образцов дистиллированной водой. Учет результатов эксперимента производили на 3-7-ой день до появления первого листа.
На основе определения всхожести семян и длины корня проростков кресс-салата техногенно загрязненные грунты могут быть отнесены к следующей степени токсичности (табл. 2) [10].
Таблица 2
Критерии степени токсичности техногенно загрязненных донных отложений реки [10]
Степень токсичности |
Степень изменения всхожести семян по сравнению с контролем, N1, % |
Степень изменения длины корня по сравнению с контролем, N2, % |
V – практически не токсичные |
0 < N1 ≤20 |
0 < N2 ≤20 |
IV – малотоксичные |
0 < N1 ≤20 |
20 < N2 ≤50 |
III – умеренно токсичные |
20 < N1 ≤70 |
50 < N2 ≤70 |
II – опасно токсичные |
70 < N1 <100 |
70 < N2< 100 |
I – высоко опасно токсичные |
N1 =100 |
N2 =100 |
Результаты исследования и их обсуждение
В донных отложениях верховья реки Белая в условиях района исследования изученные металлы образуют убывающий ряд элементов по их среднему содержанию Fe > Mn > Zn > Ni > Cu > Pb > Со > Cd, в распределении которых по длине реки отмечается определенная неравномерность.
Содержание Cu, Zn, Cd, Fe, Ni, Co в грунтах р. Белая превышало значение геохимического фона во всех створах реки: по меди – в 6-17 раз, цинку – 13-21 раз, кадмию – 10-13 раз, никелю – до 1,2 раза, железу – 9-11 раз, кобальту – 155-187 раз.
В то же время концентрация Pb в ДО участка реки до Бельского моста не превышала фонового значения. Однако в зоне влияния Пугачевского карьера концентрация этого элемента была максимальна, превысив фон в 1,6 раза.
Содержание марганца во всех грунтах исследованного водотока находилось в пределах геохимического фона.
Расчет суммарного показателя загрязнения показал, что донные осадки р. Белая характеризуются чрезвычайно опасной степенью загрязнения (табл. 3).
Таблица 3
Суммарный показатель загрязнения донных отложений р. Белая
Точка отбора |
СПЗ |
Степень загрязнения |
до р. Тирлян |
216 |
чрезвычайно опасная |
после р. Тирлян |
201 |
чрезвычайно опасная |
Бельский мост |
243 |
чрезвычайно опасная |
до карьера |
229 |
чрезвычайно опасная |
после карьера |
215 |
чрезвычайно опасная |
Наибольший вклад в суммарный показатель загрязнения вносит кобальт, для которого зафиксировано максимальное превышение значения фона (Kc = 155 – 188). При этом нельзя исключать роль и других металлов: Kc (Zn) = 13 – 21; Kc (Cu) = 6 – 17; Kc (Cd) = 9 – 13.
В связи с вышеизложенным, представляется интересным исследовать фитотоксическое действие ДО тестируемых образцов с повышенным содержанием ТМ в биотесте на всхожесть семян и длину корня проростка кресс-салата (табл. 4).
Таблица 4
Результаты биотестирования донных отложений р. Белая с помощью кресс-салата Lepidium sativium
Точка отбора |
Длина корня, мм |
Всхожесть, % |
до р. Тирлян |
58±12 |
70 |
после р. Тирлян |
65±13 |
93 |
Бельский мост |
51±13 |
67 |
до карьера |
47±15 |
30 |
после карьера |
61±13 |
80 |
контроль |
72±16 |
90 |
Из таблицы 4 следует, что длина корня кресс-салата изменялась в узком диапазоне и не превышала значения контроля. Минимальная всхожесть семян модельного растения, составляющая 30%, зарегистрирована в створе Бельский мост, а максимум, равный 93%, был характерен для пробы, отобранной в створе после впадения р. Тирлян. Следует отметить, что этот образец превышал контроль по изученному показателю. В результате статистической обработки данных между измеренными параметрами кресс-салата выявлена положительная достоверная связь (r=0,92). Литературные источники указывают, что на ранних фазах развития растения в неблагоприятных условиях среды стремятся обеспечить рост подземных органов, снижая при этом интенсивность физиологических процессов [5].
Определение токсичности загрязненных донных осадков основано на вычислении степени изменения всхожести семян и длины корня проростков растительной тест-системы по сравнению с контрольной пробой (табл. 5).
Таблица 5
Оценка степени токсичности техногенного загрязнения донных отложений
с помощью кресс-салата Lepidium sativum
Точка отбора |
Степень изменения всхожести семян по сравнению с контролем, % |
Степень токсичности по всхожести |
Степень изменения длины корня по сравнению с контролем, % |
Степень токсичности по длине корня |
Степень токсичности |
1 |
22 |
III |
19 |
V |
III |
2 |
-3 |
V |
10 |
V |
V |
3 |
26 |
III |
29 |
IV |
III |
4 |
67 |
III |
35 |
IV |
III |
5 |
36 |
III |
15 |
V |
III |
Таким образом, исследуемые грунты следует отнести к умеренно токсичной степени загрязнения. Лишь ДО створа после впадения р. Тирлян относятся к практически не токсичным, что, вероятно, связано с изменением гидродинамических характеристик водотока. Данный участок реки характеризуется узким руслом и, как следствие, увеличением скорости её течения и преобладанием процессов вымывания токсичных элементов из осадков [2, 12].
Влияние концентраций ТМ на всхожесть семян и длину корней проростка тест – растение было изучено с помощью корреляционного анализа. Выяснилось, что в этом случае имеет место как положительная, так и отрицательная корреляционная зависимость, но недостоверного характера. Поэтому в работе попытались проанализировать характер изменчивости полученных показателей биотестирования в зависимости от содержания ТМ в грунтах р. Белая с помощью полиномиальной подгонки [13].
Нелинейный характер зависимости длины корня кресс-салата от содержания железа и свинца в ДО р. Белая позволил определить их критическую концентрацию в грунтах, при которой наступает угнетение фиксируемого показателя биотеста: для Fe – 37000 мг/кг, Pb – 9 мг/кг (рис. 2). Дальнейшее увеличение концентрации данных металлов в ДО приводит к удлинению корня проростка, что позволило выдвинуть предположение об их стимулирующем эффекте.
Другой характер зависимости длины корня проростка от содержания марганца, никеля и кадмия позволил определить концентрации металлов в грунтах, при которых наступает максимальный эффект стимулирования данного показателя: для Mn – 700 мг/кг, Ni – 74 мг/кг, Cd – 3,5 мг/кг (рис. 3). При дальнейшем увеличении их концентрации в ДО наблюдалось снижение всхожести и уменьшение длины корня, что, вероятно, связано с токсическим действием этих металлов.
Характер зависимости всхожести семян от содержания железа, свинца, марганца, никеля и кадмия аналогичен изменчивости, выявленной для массива данных по длине корня проростка кресс-салата.
Рис. 2. Зависимость длины корня кресс-салата от содержания железа и свинца в донных отложениях р. Белая
Рис. 3. Зависимость длины корня кресс-салата от содержания марганца, никеля и кадмия в донных отложениях р. Белая
Таким образом, изучение характера пространственной изменчивости ТМ в донных осадках р. Белая позволило заключить, что содержание Cu, Zn, Cd, Fe, Ni, Co является индикатором напряженности экологической ситуации на территории промышленного освоения водотока. Повышенное содержание в ДО железа и свинца отрицательно влияло на всхожесть семян и длину корня кресс-салата. Напротив, повышенное содержание марганца, никеля и кадмия в грунтах способствовало стимуляции роста и развития растительного объекта.
Рецензенты:
Суюндуков Я.Т., д.б.н., профессор, директор ГАНУ «Институт региональных исследований», г. Сибай;
Янтурин С.И., д.б.н., профессор, заведующий кафедрой экологии Сибайского института (филиала) ФГБОУ ВПО «Башкирский государственный университет», г. Сибай.