Экологические последствия загрязнения тяжелыми металлами фитоце-нозов Центральной России (27.07.2009)

Автор: Кузнецов Михаил Николаевич

Условия, методика и объекты проведения исследований

Исследования проводились в 1992…2008 годах.

Для изучения нами была избрана наиболее типичная для промышленных предприятий зона техногенного воздействия – Думчинский отвал, а также территории, подвергающиеся многолетней интенсивной обработке пестицидами и воздействию минеральных удобрений – плодовые и ягодные насаждения.

Исследования проводились на территории Орловской области, условия которой типичны для многих областей Центрального региона России. Шлаковый отвал АООТ «Цветные металлы и сплавы» (АООТ ЦМиС) расположен вблизи насёленного пункта Большое Думчино (1 км). С северо-восточной и восточной сторон к отвалу примыкает лесной массив, а с остальных его окружает пашня.

Также проводились исследования в районе памятника природы – балки Непрец, во ВНИИЗБК, на территории Орловской области. Данные объекты рассматривались в качестве контроля.

Климат Орловской области формируется под влиянием атлантических и континентальных воздушных масс и является умеренно-континентальным.

В местах проведения опытов климатические условия различаются незначительно. Средняя годовая температура воздуха +4,5(С, абсолютный максимум +38(С. Сумма положительных температур выше 10(С равна 2250(С. Среднее число дней со снежным покровом – 126. Самый тёплый месяц – июль, самый холодный – январь. Среднегодовое количество осадков составляет 560 мм, в том числе за апрель...октябрь – 350...400 мм. В направлении с северо-запада на юго-восток оно уменьшается примерно на 50...120 мм. Наибольшее количество осадков выпадает в июне...июле. Среднее значение гидротермического коэффициента (ГТК) составляет 1,4. Вегетационный период продолжается 175…185 дней, период активной вегетации с температурой выше 10(С составляет 135…140 дней.

Для определения регионально-фонового содержания тяжёлых металлов в почвах выбирались участки, расположенные на дерново-подзолистых, тёмно-серых и серых лесных почвах.

Для изучения влияния зон активного техногенного загрязнения на состояние дикорастущей и культурной флоры проводились исследования на территории, прилегающей к Думчинскому отвалу шлаков АООТ «Цветные металлы и сплавы» (АООТ ЦМиС). Состав шлака в отвале: Al2O3 – 52,3%; SiO2 – 10,9%; Fe (мех.) – 7,0%; MgO – 6,2%; KCl – 5,9%; MgCl2 – 3,0%;

Fe2O3 – 3,5%; CaCl2 – 1,2%; CuO – 1,2%; NaCl – 1,0%; CaO – 0,75%; ZnO – 0,7%; MnO – 0,5; TiO2 – 0,13%; Cr2O3 – 0,1%; SnO2 – 0,05%; PbO – 0,032%;

NiCl2 – 0,06% сажа – 1,0%; прочие примеси – 4,54%.

Химический анализ почв выполнялся по следующим ингредиентам: реакция почвенной среды (рН), сульфат-ионы (в пересчёте на элементарную серу), аммонийный азот, валовые формы тяжёлых металлов (свинец, медь, никель, кобальт, марганец, хром, кадмий). Исследование массовых концентраций валовых и подвижных форм металлов в почвах осуществлялось соответственно методическим указаниям Государственного комитета по гидрометеорологии (1990). Контроль загрязнения почв металлами проводили отбором и анализом проб в соответствии с ГОСТ 17.4.3.01. (Методические рекомендации, 1981, Временные методические рекомендации, 1983).

Содержание валовых форм тяжёлых металлов определяли методом рентгенофлуоресцентного анализа. Измерение массовой доли подвижных форм металлов (меди, свинца, цинка, никеля, кадмия, кобальта, хрома, марганца) в пробах почвы проводилось атомно-абсорбционным методом.

Все измерения выполнялись в соответствии с разделом «Анализ» «Руководства пользователя» к «Программному комплексу для проведения количественного анализа» на «Спектроскан» (МВИ–05–97) НПО «Спектрон» С.–Петербург, 1997).

Пероксидазную и О-дифенолоксидазную (полифенолоксидазную) активность определяли колориметрическим методом А. Н. Бояркина (Методы современной биохимии, 1975; Методы биохимических исследований, 1987), определение хлорофилла проводили по А. А. Шлыку (1968). Анализы проводили в трёхкратной повторности, статистическую обработку проводили по Б. А. Доспехову (1985).

Для изучения влияния загрязнения территории тяжёлыми металлами на рост и развитие сельскохозяйственных культур в растильнях на образцах почвы, взятых в районе Думчинского отвала, выращивались следующие сельскохозяйственные культуры: горох (сорт Орловчанин), пшеница (сорт Памяти Федина), овёс (сорт Скакун), гречиха (сорт Баллада), просо (сорт Крупноскорая), сахарная свекла (сорт Рамонская). Определение всхожести и энергии прорастания проводили по ГОСТ 12038–84, оценку проростков – по Д. Веллингтону (1973).

С целью изучения влияния тяжёлых металлов на рост и развитие корневой системы яблони был проведён лабораторный опыт, в котором использовали стратифицированные, наклюнувшиеся семена яблони. Их промывали в дистиллированной воде и выдерживали 15 минут в слабом растворе перманганата калия с целью дезинфекции. Семена проращивали на смоченной дистиллированной водой фильтровальной бумаге в течение 24...48 часов в термостате при Т= +26(С. Отбирали проростки с длиной корня 1,5...2 см и пересаживали в чашки Петри диаметром 150 мм на фильтровальную бумагу, пропитанную 2?10-5 М и 4?10-5 М растворами Pb(NO3)2 и Ni(NO3)2 , рН = 5,6. Используемые концентрации солей металлов соответствуют 1 и 2 ПДК содержания ионов в почвенном растворе, величина рН соответствует среднему значению рН почвы. Чашки Петри помещали в термостат при Т= +26(С и наблюдали характер роста корней через 24 и 48 часов. Опыт проведён в трёхкратной повторности по 5 семян в каждой чашке Петри.

Влияние ионов Pb и Ni на микроструктуру поверхности зародышевого корня изучали на сканирующем электронном микроскопе JSM-6390 (Япония) в десятикратной повторности.

С целью изучения влияния удалённости растений яблони от источника техногенного загрязнения (Думчинский шлакоотвал Мценского района Орловской области) на активность антиоксидантного фермента и процессы липопероксидации биомембран на фоне нарушения баланса фитогормонов нами был проведён опыт, объектом исследования служили листья яблони сорта Осеннее полосатое. Экстракцию фитогормонов проводили из одной навески, предварительно зафиксированной в парах этанола комплексным методом, разработанным в лаборатории В. И. Кефели. Анализы проводили в пятикратной биологической повторности. Достоверность результатов оценивали по стандартным методикам с использованием программы BIOSTAT и MSExcel.

Рекогносцировочное обследование лесонасаждений проводилось с целью подбора участков для детального изучения биогеоценозов. Временные пробные площади закладывали для характеристики состояния насаждения в зависимости от удалённости от шлакоотвала, для определения причины ослабления роста древостоя. Количество постоянных пробных площадей было достаточным для достоверных выводов о закономерностях процессов деградации насаждений. Использовалась шкала категорий состояния лиственных деревьев, выделенных при характеристике ослабленных и усыхающих насаждений (Инструкция по экспедиционному …, 1983)

Обследование эпифитных лишайников проводили путём перечёта на пробных площадках 25 деревьев главной породы с указанием ступени толщины, категории состояния, высоты расположения и степени покрытия накипными, листоватыми и кустистыми лишайниками. Степень покрытия лишайниками определяли у корневой шейки и на высоте 1,3 м. Данные учётов обрабатывали по программе «Покров» с расчётом средней встречаемости вида на пробной площади, общего количества видов, среднего количества видов на 1 м2, коэффициента общности, коэффициента разнообразия Шеннона-Винера.

На 20...25 площадках размером 1 ( 1 м учитывался видовой состав травянистой растительности, проективное покрытие общее и покрытие мхов.

Для изучения динамики радиального прироста в связи с климатическими факторами использовали дендрохронологический метод Битвинскаса (1974).

Показатели флуктуирующей асимметрии листьев яблони определялись в соответствии с разработанными нами методическими указаниями (Кузнецов, Голышкин, Долматов, 2009).

Исследования проводились также на опытах, заложенных в 2004 году на территории ВНИИ селекции плодовых культур. В результате длительного интенсивного применения средств защиты растений валовое содержание ТМ в почве опытного участка превысило регионально-фоновую концентрацию. Цель данного опыта – изучение влияния мелиорантов на содержание тяжёлых металлов в вегетативной части и плодах ягодных культур: смородины чёрной, крыжовника и малины. Схемы опытов включали варианты с различными дозами минеральных удобрений, извести, цеолита и сочетаниями данных факторов. Опыты заложены в четырёхкратной повторности. Расположение вариантов по делянкам рендомизированное. Анализ почвы и растений проводился по общепринятым методикам.

С целью изучения возможности повышения экологической безопасности ягод путём применения физиологически активных веществ был проведён вегетационный опыт. Растения земляники выращивались в сосудах, наполненных 5 кг почвы. Варианты опыта включали в себя: контроль – растения, возделываемые на почве без внесения меди; циркон – растения, обработанные цирконом и растущие на почве без меди; 2 ПДК меди – внесение в почву двух предельно допустимых концентраций элемента; 2 ПДК меди + циркон – растения, обработанные цирконом и произрастающие на почве с 2 ПДК меди. Обработку растений цирконом проводили путём опрыскивания раствором препарата, содержащего 10 мкг/л (1?10-6 %) гидроксикоричных кислот. Содержание малонового диальдегида (МДА) – конечного продукта ПОЛ – определяли по цветной реакции с тиобарбитуровой кислотой (Стальная, Гаришвили, 1977), гидроперекиси – по цветной реакции с роданидом аммония (Романова, Стальная, 1977), активность пероксидазы – методом Бояркина (Ермаков, 1987), количество ионов меди – высокоэффективной жидкостной хроматографией (ВЭЖХ).

Результаты исследований

Особенности загрязнения тяжёлыми металлами почв

Центральной России (на примере Орловской области)

Небольшая по территории Орловская область имеет ярко выраженную почвенную зональность. Так, почвенный покров юго-востока региона представлен в большей степени чернозёмами, центральных регионов – тёмно-серыми лесными почвами. На северо-западе преобладают серые лесные и дерново-подзолистые почвы. Это дало основание известному ученому – почвоведу И. К. Фрейбергу заявить, что…«Орловщина представляет собой как бы нарочно созданный почвенный музей».

По результатам наших исследований содержание микроэлементов в почвах Орловской области ниже ПДК за исключением территорий, имеющих локальные загрязнители в виде промышленных предприятий, хранилищ, отвалов, автомагистралей и т.п. При этом, содержание свинца в большей степени наблюдается в серой лесной почве: оно колебалось в пахотном слое от 13 до 89 мг/кг со средним значением 41,48 мг/кг. В дерново-подзолистой почве содержание этого микроэлемента было наименьшим – на уровне 11,5 мг/кг. В чернозёмных почвах (чернозём выщелоченный и чернозём оподзоленный) содержание свинца составляло 26…28 мг/кг, в тёмно-серой лесной – около 40 мг/кг.

Соединения цинка наиболее распространены в выщелоченном чернозёме (до 114 мг/кг), затем идут чернозём оподзоленный и тёмно серая лесная почва (46,5 мг/кг). Меньше всего содержание этого металла в дерново-подзолистой и серой лесной почве. Таким образом, содержание цинка в почве самым непосредственным образом оказалось связанным с её плодородием: в более плодородных почвах содержание этого элемента оказалось выше.

Близко к указанной была и закономерность содержания меди в почвах. Больше всего этого элемента наблюдалось в чернозёмных почвах (43…53 мг/кг), затем шли тёмно-серая и серая лесная, а также дерново-подзолистая почва.

Содержание никеля было наибольшим в выщелоченном чернозёме (42,6 мг/кг), затем в серой лесной (40 мг/кг) почве. Меньше всего содержалось этого микроэлемента в дерново-подзолистой почве, чернозём оподзоленный и тёмно-серая лесная почвы занимали промежуточное положение.

Содержание кобальта в почвах исследуемых разностей изменялось в соответствии с уровнем их плодородия. В более плодородных почвах оно оказалось более высоким. В частности, наибольшее содержание данного микроэлемента, как правило, отмечалось в выщелоченном чернозёме. В чернозёме оподзоленном оно оказалось несколько меньшим, но превышающим этот показатель в тёмно-серых и серых лесных почвах. Наиболее низкое его содержание, как правило, в 1,5…5,0 раз меньше, чем в выщелоченном чернозёме, было в дерново-подзолистой почве.

В отношении содержания марганца в различных почвах следует отметить, что различия по данному показателю были не столь значительными, как по другим микроэлементам. При этом отмечалась тенденция к повышению его содержания в менее плодородных почвах: дерново-подзолистой и серой лесной. В чернозёмных почвах оно было, как правило, меньшим.

Чернозём выщелоченный и тёмно-серые лесные почвы отличались большим содержанием хрома. Оно почти в два раза превышало соответствующий показатель в дерново-подзолистых и почти в 1,5 раза в серых лесных почвах.

Таким образом, следует отметить положительную связь между плодородием почвы и содержанием в ней таких микроэлементов, как цинк, медь, кобальт. В то же время между содержанием марганца и уровнем плодородия почвы отмечается обратная связь.

Содержание в почве почти всех микроэлементов было существенно ниже ПДК. Ближе всего к ПДК находится содержание в почве никеля: отмечается значительное количество точек с содержанием данного микроэлемента, превышающем ПДК.

С целью оценки взаимосвязи содержания исследуемых микроэлементов с концентрацией других тяжёлых металлов в почвенной среде, а также с содержанием аммония и нефтепродуктов был проведён корреляционный анализ.


загрузка...