Scientific journal
Modern problems of science and education
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

CONTENTS OF HEAVY METALS IN SPHAGNUM MOSSES OF VOLOGDA REGION

Shevchenko V.P. 1 Filippov D.A. 2 Gordeev V.V. 1 Demina L.L. 1
1 Shirshov Institute of Oceanology RAS, Moscow, Russia
2 Papanin Institute of Biology of Inland Waters RAS, Borok, Yaroslavl Region, Russia
Results of studies of heavy metals contents in sphagnum mosses (accumulators of pollutants from air) of Vologda Region are presented. It has been shown, that contents of heavy metals in Sphagnum fuscum of Vologda Region vary in the wide range, but stay at the background for the Northern Eurasia level. Highest contents of Fe, Ni, As and Pb and elevated contents of Al, Cr, Mn, Co and Cu are revealed in samples collected in vicinity of Cherepovets town. This area is subjected to aerotechnogenic pollution by «Severstal» Steel Mill. Strong enrichment of sphagnum mosses of Vologda Region by Pb, Zn, Sb, Ag and Cd is connected mainly with sedimentation of aerosol particles, delivered to the studied area as a result of long-range transport from numerous sources.
sphagnum moss
heavy metals
atmospheric transport
Vologda Region
enrichment factor
pollution
Введение

Степень загрязнения атмосферы представляет большой интерес и угрозу для человечества, так как от этого зависят состояние окружающей среды и здоровье людей. Атмосферный перенос является самым быстрым механизмом переноса веществ, в том числе таких токсичных, как тяжелые металлы, от источников их поступления до различных районов Земли [1; 2]. При оценке роли атмосферного переноса тяжелых металлов эффективным индикатором может являться элементный состав лишайников и мхов [2; 4; 5].

Сфагновые мхи - это многолетние, беловато-зеленые, желтоватые, буроватые или красноватые болотные мхи. Cфагнум растет медленно (за год вырастает до 3 см), а снизу стебель отмирает. Сфагновые болота - обычно верховые болота с почти сплошным покровом изо мхов рода сфагнум, образующих сфагновый торф. Верховое болото - это болото с бедным минеральным питанием (зольность верхнего слоя составляет менее 4%) [6]. Оно формируется в условиях застаивания поверхностных вод на плоских понижениях водоразделов, подстилаемых водонепроницаемыми породами. Обычно верховое болото не связано с грунтовыми водами и существует за счет поступления влаги из атмосферных осадков. Поэтому наиболее эффективно использовать именно сфагновые мхи для индикации атмосферного переноса микроэлементов [2].

Большой интерес представляет изучение степени аэротехногенного загрязнения тяжелыми металлами экосистем Вологодской области, на территории которой расположен Череповецкий металлургический комбинат «Северсталь». Ранее было изучено загрязнение почв тяжелыми металлами в зоне его влияния [3], но исследование распределения тяжелых металлов в сфагновых мхах, широко распространенных в Вологодской области [8], до сих пор не проводилось.

Целью данной работы является оценка степени загрязненности атмосферы Вологодской области по результатам изучения элементного состава сфагновых мхов.

Материалы и методы. В сентябре - октябре 2009 г. на верховых болотах Вологодской области было отобрано 16 проб сфагновых мхов Sphagnum fuscum (рис. 1). Для полного исключения влияния грунтовых и поверхностных вод выбирали высокие кочки. Для пробы снимают лишь самый верхний слой. Как правило, толщина такого слоя Sphagnum fuscum 5-10 см. Пробы мхов отбирали в химически чистые полиэтиленовые пакеты, используя одноразовые полиэтиленовые перчатки, и хранили в холодильнике до начала лабораторной обработки.

Рис. 1. Расположение точек отбора проб сфагнового мха. Римскими цифрами обозначены субъекты Российской Федерации, соседние с Вологодской областью: I - Кировская область; II - Костромская область; III - Ярославская область; IV - Тверская область; V - Новгородская область; VI - Ленинградская область; VII - Республика Карелия; VIII - Архангельская область. Арабскими цифрами отмечены номера точек отбора проб

В лаборатории пробы были очищены от примесей (иголки, веточки, трава, фрагменты других мхов и лишайников) с помощью пластикового пинцета, высушены в сушильном шкафу при температуре 30-35 ºC и растерты в агатовой ступке. Растертые пробы были разложены смесью концентрированных ультрачистых H2O2, HNO3 и HF в тефлоновых контейнерах с использованием микроволновой печи. Элементный состав мхов был определён методом атомно-абсорбционного анализа. Содержание Al, Cr, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, Pb определяли на атомно-абсорбционном спектрометре КВАНТ-2А (пламенный вариант), а Co, As, Ag, Cd, Sb на спектрометре КВАНТ-Z.ЭТА (в графитовой кювете). Контроль качества измерений проводился с помощью международных стандартов CRM-482 (лишайник Pseudevernia furfuracea) и NIST-1515 (листья яблони). Для определения зольности высушенные пробы сфагновых мхов прокалили в муфельной печи в течение 1 суток, постепенно повышая температуру до 500 ºC.

Результаты и их обсуждение. Результаты атомно-абсорбционного анализа приведены в табл. 1.

Таблица 1 - Содержание (минимальное, максимальное, среднее, стандартное отклонение) химических элементов в сфагновых мхах Вологодской области и других районов, мкг/г сухого веса. Прочерк означает отсутствие данных

Элемент

Вологодская область

Другие районы

 

Мин.

Макс.

Среднее

Ст.отклон.

СВ ЕТР*

Ямал**

Тарман***

Al

180

1310

422

293

-

-

-

Cr

<1

24

6,3

7,7

-

<0,5

4,4

Mn

100

420

175

86

163

200

748

Fe

27

640

265

211

237

1400

1540

Co

0.015

0,33

0,07

0,09

0,26

<0,1

6,15

Ni

<0,5

2,8

1,8

0,94

1,2

0,92

3,9

Cu

<1

3,7

1.91

1,18

5,5

4,1

4,05

Zn

9

86

46

30

28

3,2

45

As

<0,1

0,86

0,58

0,26

-

-

-

Ag

0,01

1,78

0,53

0,47

-

-

-

Cd

0,34

2,85

1,05

0,65

0,11

-

0,14

Sb

0,22

0,97

0,48

0,21

-

-

-

Pb

<0,5

4,6

2,17

1,57

4,17

0,32

8,5

* Северная тайга Северо-Востока Европейской территории России [4]

** П-ов Ямал, окрестности Бованенковского нефтегазового месторождения [5]

*** Окрестности Тюмени, Тарманский лесоболотный комплекс [5]

Сфагновый мох Sphagnum fuscum в изученных нами пробах имеет сравнительно низкую зольность (от 1,31 до 3,38%, в среднем 1,84%), но более высокую, чем сфагновые мхи верховых болот Западной Сибири, зольность которых в среднем составляет 1,3% [5]. Низкая зольность сфагновых мхов связана со слабой обеспеченностью их элементами минерального питания растений на верховых болотах и замедленным биологическим круговоротом [6]. Более высокая зольность сфагновых мхов Вологодской области по сравнению с Западной Сибирью, вероятно, связана с поступлением из атмосферы большего количества минеральной пыли, обусловленным близостью промышленных предприятий, транспортных магистралей и участков с нарушенным почвенным покровом.

Наиболее высокие содержания Fe, Ni, As и Pb и повышенные содержания Al, Cr, Mn, Co и Сu отмечены в пробах, отобранных в импактном районе, подверженном сильному воздействию антропогенных источников загрязнения, вблизи г. Череповца, на расстоянии до 50 км от него (табл. 2, рис. 2, 3). Череповец является самым крупным промышленным центром в Вологодской области. На его территории расположены ОАО «Северсталь», производства минеральных удобрений и других неорганических веществ «Аммофос» и «Азот». Загрязнение окружающей среды выбросами предприятий черной металлургии ощущается в радиусе 25-50 км, на 1 км2 этой территории оседает до 5-15 кг пыли /сут. [3; 7].

Таблица 2 - Содержание химических элементов в сфагновых мхах импактного (n=4 пробы) и фоновых (n=12 проб) районов Вологодской области и других импактных районов Северной Евразии, мкг/г сухого веса. Прочерк означает отсутствие данных

Элемент

Вологодская обл.

Импактные районы Северной Евразии [4]

 

Импакт

Фон

Мончегорск

Норильск

Депутатское

Тикси

Певек

Al

638

350

-

-

-

-

-

Cr

5,3

6,6

-

-

0,52

1,12

2,45

Mn

195

169

15,1

45

205

265

618

Fe

575

161

299

932

906

1712

2871

Co

0,12

0,059

12,1

-

0,44

0,80

1,8

Ni

1,86

0,49

250

0,21

1,27

3,06

5,2

Cu

3

1,55

658

83,7

5,94

3,82

6,5

Zn

64

41

9,5

86,2

34,2

14,5

44,3

Ag

0,53

0,54

-

-

-

-

-

Cd

0,82

1,12

0,28

3,9

0,32

0,16

0,36

Sb

0,41

0,50

-

-

-

-

-

Pb

3,83

1,61

7,6

-

2,43

3,38

9,1

Рис. 2. Содержание Fe и Mn в импактном и фоновом районах Вологодской области (импакт и фон, соответственно) и других районах северо-востока Европейской территории России (СВ ЕТР) [4] и Западной Сибири [5]

Рис. 3. Содержание Cu и Pb в импактном и фоновом районах Вологодской области (импакт и фон, соответственно) и других районах СВ ЕТР [4] и Западной Сибири [5]

 

Средние значения содержания большинства изученных металлов находятся на фоновом уровне для северо-востока Европейской территории России и Западной Сибири (табл. 1) и ниже содержаний в импактных зонах Северной Евразии.

Для оценки роли различных источников в формировании состава проб были рассчитаны коэффициенты обогащения лишайников (КО) элементами относительно среднего состава континентальной земной коры по формуле:

КО = (Эл./Al)проба / (Эл./Al)земная кора,

где Эл. И Al - концентрации интересующего нас элемента и алюминия в пробе и в континентальной земной коре [10] соответственно. КО показаны на рис. 4.

Для Co и Fe значения КО не превышают 10, что говорит о преимущественно литогенном источнике их поступления, в том числе и литогенной пыли со стороны металлургического комбината «Северсталь». Обогащение Mn во всех пробах происходит из-за того, что в кислых болотных почвах он очень подвижен, участвует в синтезе хлорофилла и обильно поглощается растениями [5; 6].

Pb, Zn, Sb, Ag и Cd имеют КО, превышающие 25, во всех пробах, значит, скорее всего, их источник поступления - антропогенный, и поступают они в район исследований в основном за счет дальнего атмосферного переноса от многочисленных источников [1; 2]. Такие же высокие и сопоставимые по порядку коэффициенты обогащения этими металлами характерны для аэрозолей Арктики [9].

Рис. 4. Коэффициенты обогащения сфагнового мха Sphagnum fuscum относительно среднего состава континентальной земной коры (минимальные, средние, максимальные)

Выводы

  1.  Содержания металлов в сфагновом мхе Sphagnum fuscum Вологодской области варьируются в широком диапазоне, но находятся на уровне фоновых для северной части Евразии значений.
  2.  Наиболее высокие содержания Fe, Ni, As и Pb и повышенные содержания Al, Cr, Mn, Co и Сu отмечены в пробах мха, отобранных вблизи г. Череповца, которые подвержены влиянию аэротехногенного загрязнения окружающей среды выбросами металлургического комбината «Северсталь».
  3.  Высокое обогащение сфагновых мхов Вологодской области Pb, Zn, Sb, Ag и Cd связано в основном с осаждением аэрозольных частиц, поступивших в исследуемый район в результате дальнего атмосферного переноса от многочисленных источников.

Работа выполнена при финансовой поддержке Отделения наук о Земле РАН (проект «Наночастицы») в рамках реализации ФЦП «Кадры» (мероприятие 1.4), а также гранта НШ-3714.2010.5. Авторы признательны академику А.П. Лисицыну за поддержку и А.И. Коченковой, Н.С. Маториной и О.В. Ромашковой за помощь в выполнении атомно-абсорбционного анализа.

Рецензенты:

Виноградова А.А., д.г.н., ведущий научный сотрудник Учреждения Российской академии наук Института физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН, г. Москва.

Доманов М.М., д.г.н., ведущий научный сотрудник Учреждения Российской академии наук Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН, г. Москва.

Работа получена 29.08.2011