В настоящее время загрязнение атмосферного воздуха является одним из основных последствий негативного антропогенного воздействия на окружающую среду. Прогрессирующая урбанизация и техногенное загрязнение окружающей среды приводят к тому, что приземные слои атмосферы промышленных городов загрязнены окислами азота, серы, хлороводородом, пылью, а также частицами тяжелых металлов. Источником такого загрязнения являются как промышленные предприятия, так и автотранспорт. Оценка качества среды, насыщенной разнообразными источниками загрязнения атмосферы, имеет важнейшее значение.
Чувствительность лишайников к атмосферному загрязнению отмечена еще в прошлом веке Гриндоном и Ниландером [4]. Лишайники способны аккумулировать из окружающей среды элементы в количествах, намного превосходящих их физиологические потребности. Отсутствие специальных органов водо- и газообмена и крайне низкая способность к авторегуляции приводят к высокой степени соответствия химического состава лишайников и окружающей их среды. Это качество определило широкое использование лишайников как аккумулятивных биоиндикаторов загрязнения среды тяжелыми металлами, соединениями фтора, серы, азота, а также радионуклеидами[2].
Установлено [1], что Co, Ni, Mo, Au присутствуют в лишайниках в тех же концентрациях, что и в высших растениях, а содержание Zn, Cd, Sn, Pb намного выше. Тяжелые металлы нарушают полупроницаемость клеточных мембран. Медь, ртуть и серебро индуцируют интенсивный выход калия даже в низких концентрациях [9]. Известно, что Zn локализуется внутри клеток лишайников, Pb - на клеточных стенках симбионтов, а Fe и Cu - на поверхности и/или межклеточных пространствах талломов [8]. Поэтому содержание последних, а именно: Fe и Cu, регулируется уровнем загрязненности ими воздуха в большей степени, в то время как внутриклеточная фракция изменяется в течение более длительных промежутков времени, так как ее стабильность обеспечивается барьерной функцией плазматической мембраны, которая препятствует процессам поступления и вымывания катионов металлов. Степень накопления тяжелых металлов в лишайниках, как и соединений серы, тесно связана со степенью загрязнения ими воздуха.Газообразный токсикант, неорганическая сера (SO2, SO3), непосредственно из атмосферного воздуха проникает в слоевища лишайников и накапливается в талломах [3]. Поэтому определение серы в талломах может быть использовано в качестве теста на загрязнение атмосферного воздуха сернистыми соединениями.
В настоящей работе приведены результаты анализа содержания тяжелых металлов и валовой серы в талломах эпифитного лишайника вида ParmeliasulcataTayl., 1836 (сем. Parmeliaceae), собранных на территории г.Уфа Республики Башкортостан. Выбор данного вида в качестве объекта связан с толерантностью к атмосферному загрязнению и широкой распространенностью в городской среде. При выборе эпифитов как объекта исследования, в первую очередь, преследовались цели корректного выявления элементного состава талломов, практически исключающие его субстратное происхождение.
Характеристика района исследования
В качестве района исследования рассмотрена территория крупного промышленного центра Южно-Уральского региона - г.Уфы, с населением более 1 млн человек. Город Уфа расположен на берегу реки Белая, при впадении в неё рек Уфа и Дема, на Прибельской увалисто-волнистой равнине, в 100 км к западу от хребтов Башкирского (Южного) Урала. Уфа находится в северо-лесостепной подзоне умеренного пояса. Климат континентальный, достаточно влажный, лето тёплое, зима умеренно холодная и продолжительная [5].
Материалы и методы
Сбор образцов лишайников для анализов проводился в следующих точках: точка №1(54048`N 56008`E) - промзона в районе ТЭЦ-2 г. Уфа; точка №2(54046`N 56001`E) - аллея вдоль Проспекта Октября (центр Уфы с оживленным дорожным движением); точка №3 (54049`N 56003`E) - городской парк «Победы» (парковая зона в северной части города); точка №4 (54042`N 55057`E) - сад Салавата Юлаева (парковая зона в южной части города). В качестве фона (точка №5) выбран смешанный лес недалеко от д.СабаевоБуздякского района Республики Башкортостан, расположенный на значительном удалении от промышленных объектов и автодорог (54053`N 54027`E).
Сбор лишайников производился с березы повислой (Betulapendula) на высоте от 1,2 до 1,5 метров осенью 2010 года; в безосадковый период с целью избежания включения в образцы переувлажненных талломов лишайников. Образцы лишайников срезались вместе с корой. При сборе пренебрегались талломы размером в диаметре менее 5 мм. Лишайники, собранные с одного дерева (с одной экспозиции), помещались в общий пронумерованный пакет. При этом в дневнике указывались: дата сбора; место сбора; высота дерева; диаметр ствола; экспозиция; наклон ствола.
Определение концентраций тяжелых металлов в лишайниках проводилось на базе Управления государственного аналитического контроля г. Уфы. Для определения тяжелых металлов использовался метод атомно-абсорбционной спектроскопии. Метод атомно-абсорбционного анализа основан на резонансном поглощении света свободными атомами, возникающем при пропускании пучка света через слой атомного пара [7].
Навески образцов (1 г) подвергали кислотной минерализации. Полученный минерализат после охлаждения переносили в мерную колбу на 50 см3, отфильтровывая неразложившуюся минеральную основу. После чего проводили измерение на спектрофотомере SHIMADZU AA 6200 и SHIMADZU AA 6800. Холостой и анализируемый раствор последовательно через капилляр вводили в горелку подготовленного к работе спектрофотометра и регистрировали атомное поглощение и массовую концентрацию элемента в анализируемом растворе.
Для определения валовой серы использовался турбидиметрический метод, который основан на осаждении иона сульфата хлористым барием и турбидиметрическом определении его в виде сульфата бария[10]. В качестве стабилизатора взвеси использовался глицерин.
При турбидиметрических измерениях помутнение, вызываемое суспензией, описывается уравнением:
D=k•c•l (1.1)
Это отношение подобно уравнению Ламберта - Бера для поглощения света окрашенными растворами, поэтому для турбидиметрических измерений используются колориметры, фотоколориметры, спектрофотометры.
Турбидиметрическое измерение проводилось с использованием спектрофотометра UNICO 1201.
Перед анализом пробы минерализовались. В мерные колбы (100см3) отбиралось 8см3минерализата. К растворам проб прибавляли по 10 см3 осаждающего раствора, тщательно перемешивали и доводили до метки дистиллированной водой. Раствор фотометрировали через 10 минут после добавления осаждающего раствора в кювете толщиной просвечиваемого слоя 10 мм относительно раствора сравнения при λ=520 нм.
Концентрация сульфатов определялась следующим образом:
(1.2)
где:
D- значение оптической плотности;
V - объем раствора, мл;
V0 - объем фильтрата, мл;
k - коэффициент калибровки (0.05);
m - масса навески, мг.
Результаты и обсуждение
Тяжелые металлы поступают в окружающую среду г.Уфы с выхлопными газами автотранспорта, атмосферными выбросами предприятий нефтепереработки, нефтехимии, энергетики, машиностроения и радиотехнических производств, сточными водами, твердыми бытовыми отходами.
В образцах лишайников определяли содержание следующих металлов: Fe, Mn, Cu, Ni, Zn, Pb, Cd, Co, V, Cr. Результаты анализа содержания тяжелых металлов представлены в таблице 1.
Таблица 1. Содержание тяжелых металлов в талломах лишайника Parmeliasulcata
|
Точка отбора пробы |
Содержание металлов, мг/кг |
|||||||||
|
Fe |
Mn |
Zn |
Cu |
Pb |
V |
Ni |
Cr |
Cd |
Co |
|
|
№1 |
5062±1265 |
79±35 |
94±48 |
22±11 |
27±14 |
50±10 |
43±22 |
15±6 |
<0.05 |
<0.1 |
|
№2 |
8438±2109 |
200±70 |
183±73 |
64±33 |
44±23 |
30±46 |
23±11 |
15±6 |
<0.05 |
<0.1 |
|
№3 |
2148±537 |
60±27 |
24±12 |
22±11 |
20±10 |
- |
17±8 |
- |
<0.05 |
<0.1 |
|
№4 |
1924±481 |
56±25 |
64±33 |
19±9 |
16±8 |
- |
15±7 |
- |
<0.05 |
<0.1 |
|
№5 |
778±311 |
121±42 |
95±49 |
6±3 |
3,6±1,8 |
2±0,5 |
2±1 |
4±2 |
<0.05 |
<0.1 |
Установлен ряд накопления металлов лишайниками Parmelia sulcata, который имеет вид: Fe>Mn>Zn>Cu>Pb>Ni>Cr>Cd. Наибольшая кумулятивная способность вида Parmelia Sulcata отмечается по отношению к железу (рисунок 1). Железо, по-видимому, действительно не столь остро влияет на жизненность талломов, так как накапливается в межклеточном материале в более высоких концентрациях. Его содержание относительно фоновой точки в точках №3 и №4 (парк «Победы» и сад Салавата Юлаева) выше в 2,5 раза, а точках №1 и №2 (ТЭЦ-2 и Проспект Октября) в 7 и 10 раз соответственно.
Рисунок 1. Содержание железа в лишайниках Parmelia Sulcata
Содержание остальных металлов в талломах Parmelia Sulcata графически представлено на рисунке 2. Отмечается относительно высокое содержание Zn и Mn, на основании чего можно сделать вывод о том, что воздух в Уфе наиболее загрязнен этими металлами. Некоторые из собранных образцов имели поперечную исчерченность, что является симптомом цинковой интоксикации [6]. Вероятно, это обусловлено уменьшением содержания пигментов, связанного с разрушением хлорофилла. Содержание кадмия и кобальта во всех точках оказалось ниже предела обнаружения прибора.
Рисунок 2. Содержание тяжелых металлов в лишайниках Parmelia Sulcata
Возле ТЭЦ-2 отмечено высокое содержание в лишайниках ванадия (50мг/кг) и никеля (43мг/кг), что, видимо, непосредственно связано с работой самого ТЭЦ-2. Относительно невысокое содержание остальных металлов возле ТЭЦ можно объяснить возможным расположением точки сбора в подфакельной зоне. Необходимы дальнейшие исследования для объяснения причин высокого содержания в фоновой зоне цинка (95мг/кг) и марганца (121мг/кг).
Значения по меди и хрому в несколько раз выше в лишайниках собранных возле ТЭЦ-2 (22мг/кг) и Проспекта Октября (64мг/кг), чем в лишайниках собранных в Буздякском районе (6мг/кг и 3,8мг/кг соответственно), а по ванадию, никелю и свинцу в точках, выбранных в черте города, фоновые значения превышены в 10-20 раз.
Анализ содержания тяжелых металлов в талломах лишайников за период 2007-2010 гг. показал, что количество всех металлов в слоевищах Parmelia Sulcata в рассматриваемых точках (точка №1(54048`N 56008`E), точка №2 (54046`N 56001`E)) увеличивается. Содержание железа возле ТЭЦ-2 выросло в 2,5 раза, в районе Проспекта Октября - в 2,6 раза (рисунок 3).
Рисунок 3. Изменение содержания железа в талломах лишайников Parmelia Sulcata в точках № 1 и №2 в 2007 и 2010 гг.
Содержание никеля, марганца в районе ТЭЦ увеличилось в 2-2,5 раза, цинка в 4, незначительны изменения по свинцу и меди (рисунок 4).
Рисунок 4. Увеличение содержания тяжелых металлов в лишайниках Parmelia Sulcata в точке № 1 в 2007 и 2010 гг.
Содержание марганца, свинца, никеля и меди в районе Проспекта Октября (центр города) в талломах лишайников увеличилось в два раза, почти в три раза больше стало цинка (рисунок 5).
Рисунок - 5.Увеличение содержания тяжелых металлов в лишайниках Parmelia Sulcata в точке № 2 с 2007 по 2010гг.
Анализ изучения данных за 2007 и 2010 гг. выявил значительную тенденцию по увеличению содержания тяжелых металлов в лишайниках Parmelia Sulcata, что свидетельствует об ухудшении состояния окружающей среды и одной из причин является увеличение количества автотранспорта.
Результаты определения валовой серы показали (таблица 2), что содержание серы в точке №1 (ТЭЦ-2) в 3 раза превосходит значение содержания в зоне с наименьшим антропогенным воздействием - №5(Буздяк) и в 2 раза - в точке №2 (Проспект Октября).
Таблица 2. Содержание валовой серы в талломах лишайника Parmeliasulcata
|
Точка отбора |
D(Sвал) |
с(Sвал), мг/кг |
|
№1 |
0,089 |
7 416 |
|
№2 |
0,038 |
3 166 |
|
№5 |
0,026 |
2 166 |
Высокое содержание концентрации валовой серы в лишайниках, собранных вблизи ТЭЦ-2, что, вероятно, обусловлено производственной деятельностью предприятия, а также выбросами автотранспорта, проходящего по трассе, расположенной в непосредственной близости от места сбора лишайников.
Выводы
Проведен анализ содержания тяжелых металлов: Fe, Mn, Cu, Ni, Zn, Pb, Cd, Co, V, Cr в лишайниках вида Parmelia sulcata. Отмечается относительно высокое содержание Zn и Mn, на основании чего можно сделать вывод о том, что воздух в Уфе наиболее загрязнен этими металлами. В промзоне отмечено высокое содержание в лишайниках ванадия и никеля. Значения по меди и хрому в несколько раз выше в лишайниках, собранных в промзоне и центре города, чем в лишайниках собранных в фоновой зоне. А по ванадию, никелю и свинцу в точках, выбранных в черте города, фоновые значения превышены в 10-20 раз.
Сравнительная оценка содержания тяжелых металлов в исследуемых точках в черте города за период с 2007 по 2010 г. в талломах лишайников показала увеличение концентрации загрязняющих веществ, а именно, в промзоне произошло увеличение количества цинка в 4 раза, в центре города цинка и железа - в 3 раза. Содержание остальных металлов увеличилось в 1,5-2 раза, что свидетельствует об ухудшении состояния окружающей среды г.Уфа и одной из причин - увеличение количества транспорта.
Проведен анализ содержания серы в лишайниках Parmelia Sulcata в выбранных точках. Валовое содержание серы возле ТЭЦ-2 г.Уфы (7416мг/кг) в 3 раза превосходит значение содержания в фоновой точке и в 2 раза значение в районе Проспекта Октября (центр города).Высокое содержание концентрации валовой серы в лишайниках, собранных в черте города, обусловлено производственной деятельностью предприятий урбанизированной территории, а также выбросами автотранспорта.
Рецензенты:
- Дубовик И.Е., д.б.н., профессор, ФГБОУ «Башкирский государственный университет», г. Уфа.
- Шкундина Ф.Б., д.б.н., профессор, ФГБОУ «Башкирский государственный университет», г. Уфа.