Биоиндикационный потенциал листьевдревесных и кустарниковых растений г. Темиртау | Вестн. Том. гос. ун-та. Биология. 2012. № 3 (19).

Биоиндикационный потенциал листьевдревесных и кустарниковых растений г. Темиртау

Изучено содержание тяжелых металлов в листьях древесных и кустарниковых растений г. Темиртау при различной антропогенной нагрузке. Выявленазначительная видовая специфика между накоплением тяжелых металлов в листьях и уровнем концентрации данных металлов в среде обитания. Установлено, что содержание тяжелых металлов в листьях древесных и кустарниковыхрастений г. Темиртау превышает их кларк в растительности суши, характеризуясь видовой спецификой. Наибольшая средняя концентрация цинка характернадля листьев Betula pendula Roth., Populus alba L., меди - Crataegus oxyacantha L.,Populus alba L., кадмия - Populus nigra L., Populus alba L. и свинца - Eleagnusargentea Pursch., Syringa vulgaris L. Растения, произрастающие в промышленной и транспортной зонах, накапливают больше тяжелых металлов, чем в селитебной и рекреационной зонах, что коррелирует и с почвенным загрязнением.Рассчитаны зольность листьев, коэффициент биологического поглощения элементов и корреляционные связи. Рекомендуются в качестве биоиндикаторов содержания тяжелых металлов в окружающей среде листья таких растений какBetula pendula Roth., Acer negundо L., Eleagnus argentea Pursch. и растения родаPopulus, но адекватно той техногенной нагрузке, которой они подвергаются.

Bioindication potential of trees and shrubs leavesof Temirtau city.pdf ВведениеВ последние годы возрос интерес к экологическим проблемам и каче-ству окружающей природной среды в крупных промышленных регионахКазахстана, что обусловлено тенденцией роста выбросов вредных веществ,в частности тяжелых металлов (ТМ), в атмосферу городов. Так, в г. Темир-тау находятся крупнейшие в республике предприятия черной металлур-гии (АО «АрселорМиттал Темиртау»), химической (АО «Темиртаускийэлектрометаллургический комбинат», ТОО «Экоминералс»), строительной(АО «ЦентралАзия Цемент», АО «Карцемент»), теплоэнергетической про-мышленности, а также широко развита транспортная сеть. Среди городовКазахстана г. Темиртау занимает лидирующие место по выбросам загрязня-ющих веществ в атмосферу: в 2010 г. этот показатель составил 296,05 тыс. т,что составляет от общего количества выбросов по республике 13,3% [1]. Всеэто оказывает существенное влияние на загрязнение атмосферы города ТМ,которые относятся к числу наиболее опасных химических загрязняющих ве-ществ. Поэтому контроль над содержанием их в урбоэкосистеме становитсянеотъемлемой частью комплекса природоохранных и мониторинговых мер.В качестве биоиндикаторов загрязнения ТМ используются различныевиды растений и различные их части. В данной работе в качестве биоинди-катора загрязнения атмосферы города ТМ использованы листья доминант-ных древесных и кустарниковых растений г. Темиртау. Листовая системаявляется мощным воздушным насосом дерева, что обеспечивает поглоще-ние, накопление значительных количеств загрязняющих веществ [2]. Имен-но поэтому листья древесных и кустарниковых растений в настоящее времяшироко используются для биоиндикации.Цель данной работы - изучение биоиндикационного потенциала листьевдревесных и кустарниковых растений г. Темиртау к аккумуляции ТМ приразличной антропогенной нагрузке.Материалы и методы исследованияНами были исследованы следующие виды доминантных древесных икустарниковых растений г. Темиртау: Acer negundо L. (клен ясенелистый),Betula pendula Roth. (береза повислая), Crataegus oxyacantha L. (боярышникобыкновенный), Populus alba L. (тополь белый), Populus nigra L. (топольчерный), Rosa canina L. (шиповник собачий), Syringa vulgaris L. (сиреньобыкновенная), Ulmus minor Mill. (вяз малый), Eleagnus argentea Pursch.(лохсеребристый).Для объективной характеристики биоиндикационных качеств листьевдревесных и кустарниковых растений необходимо учитывать их способ-ность к накоплению ТМ адекватно той техногенной нагрузке, которой ониподвергаются. Для этого были заложены пробные площадки в г. Темиртау сразличной антропогенной нагрузкой: рекреационная (скверы, парки), сели-тебная (жилые дворы), транспортная (вдоль дорог) и промышленная зоны(непосредственно вблизи заводов).На 8 (по две в каждой зоне) пробных площадках были отобраны 72 про-бы листьев древесных и кустарниковых растений. Отбор проб листьев про-водился в 2010 г. согласноПараллельно с пробоотбором растительных образцов осуществлялсясбор образцов почвы. Отбор проб осуществлялся на глубине 0-20 см ме-тодом «конверта» путем осреднения материала из 5 частных проб. Пробывысушивались до воздушно-сухого состояния и просеивались через сито сдиаметром отверстий 1 мм.Содержание ТМ в листьях и почве определяли атомно-абсорбционнымметодом с пламенной и электротермической атомизацией, прибор «SOLAAR» серии М6 (фирма «THERMO ELEKTRON», США), анализы вы-полнялись в аналитическом центре Института геологии и минералогииим. В.С. Соболева СО РАН (г. Новосибирск, Россия).Статистическая обработка полученных в ходе исследования данных прово-дилась по Н.А. Плохинскому [4] с использованием программы Microsoft® Excel.Для характеристики распределения элемента между живым веществом иабиотической средой рассчитан коэффициент биологического поглощения,представляющий собой отношение средних содержаний элементов в золерастений к концентрации в почве [5].Результаты исследования и обсуждениеВыявленные колебания содержания ТМ в листьях древесных и кустарни-ковых растений обусловлены совокупным влиянием внутренних (генетиче-ских) и внешних (экологических) факторов (табл. 1).По величине среднего содержания в листьях древесных и кустарниковыхрастений исследуемые ТМ располагаются в следующем убывающем поряд-ке, мг/кг:Zn (52,5) > Cu (5,3) > Pb (1,4) > Cd (0,13).Видовая разница в накоплении ТМ весьма значительна. Так, наибольшаясредняя концентрация цинка характерна для листьев B. pendula Roth., P. alba L.;меди - C. oxyacantha L., P. alba L.; кадмия - P. nigra L., P. alba L. и свин-ца - E. argentea Pursch., S. vulgaris L. Таким образом, разным видам растений,произрастающим в пределах одного биогеоценоза (урбоэкосистемы), прису-ща различная селективная способность к накоплению ТМ. Поскольку данныевиды древесных и кустарниковых пород растений накапливают достаточновысокие концентрации ТМ, их наиболее удобно использовать в качестве филь-тров атмосферного воздуха, загрязненного данными элементами. Различиемежду максимальной и минимальной концентрациями цинка у5,7 раза соответственно. Содержание кадмия в листьях всех видов растенийг. Темиртау превышает кларк в растительности суши (от 1,1 до 8,5 раза), асодержание меди ниже этого показателя. Видовая особенность аккумуляцииТМ говорит о высоком биоиндикационном потенциале листьев древесных икустарниковых растений к тем или иным элементам.Т а б л и ц а 1Показатели содержания ТМ в листьях древесных и кустарниковыхпород растений г. Темиртау, мг/кг воздушно-сухой массыВид растения Zn Cu Cd Pb Зольность, %P. nigra L.(n = 8)65,9±6,249,9-102,9(26,7)6,0±0,34,6-7,3(40,9)0,3±0,020,22-0,40(20,0)0,9±0,060,7-1,2(18,6)11,3±0,111,0-11,8(2,7)P. alba L.(n = 8)104,5±13,559,9-187,7(36,5)6,5±0,53,9-9,1(25,9)0,2±0,020,15-0,36(29,8)1,0±0,20,5-2,1(62,5)11,0±0,110,5-11,9(4,0)A. negundо L.(n = 8)35,3±4,514,7-56,8(36,4)6,1±1,03,2-10,6(71,3)0,06±0,0060,04-0,09(27,8)1,4±0,20,83-2,8(57,4)11,4±0,210,6-12,4(5,6)E. argenteaPursch.(n = 8)25,4±4,010,4-43,5(45,3)4,2±0,43,0-7,0(51,6)0,1±0,0080,08-0,14(21,5)2,9±0,41,1-4,4(39,6)7,2±0,16,6-7,8(5,9)B. pendula Roth.(n=8)96,2±19,530,0-190,6(57,5)6,2±0,25,2-7,0(41,5)0,1±0,0090,1-0,16(22,3)2,2±0,41,0-4,0(51,9)6,9±0,26,5-8,4(8,9)U. minor L.(n = 8)27,8±2,317,3-38,6(24,2)3,6±0,61,5-5,9(53,1)0,05±0,0030,05-0,07(18,0)0,7±0,090,3-1,0(36,6)11,9±0,111,5-12,3(2,5)S. vulgaris L.(n = 8)45,3±2,437,8-55,5(15,4)5,3±0,34,3-7,1(27,1)0,09±0,010,06-0,17(36,7)2,7±0,41,0-4,3(42,2)9,3±0,18,9-10,1(3,9)R. canina L.(n = 8)21,0±1,514,7-26,6(20,4)3,1±0,42,0-6,1(44,7)0,04±0,0070,03-0,09(44,4)0,2±0,040,1-0,5(48,2)7,6±0,17,0-8,4(6,8)C. oxyacantha L.(n = 8)51,3±6,123,1-73,4(33,8)6,6±0,45,1-8,5(32,2)0,1±0,010,09-0,2(34,6)0,6±0,060,3-0,8(28,4)8,9±0,058,7-9,3(1,8)Почва(n = 8)89,1±15,025,3-159,8(47,7)26,2±3,712,0-44,3(40,6)1,3±0,200,60-2,3(44,6)31,2±4,218,1-54,1(38,5)-Кларк в рас-тительностисуши [6]30 8 0,035 1,25 -ПДК в почве [7] 23 33 0,5 32 -ПДК в почве [8] 300 100 3 100 -Кларкв почве [9] 50 20 0,5 10 -Примечание. В числителе - средняя арифметическа с ошибкой (X±S o ), в знаменателе -пределы колебаний (lim), в скобках - коэффициент вариации (Сv, %).Причины высокой аккумуляции ТМ в листьях растений связаны как сатмосферным загрязнением, так и с высоким содержанием их в почве. За-грязнение почвенного покрова чаще всего происходит за счет атмосферныхвыбросов заводов цветной и черной металлургии, ТЭЦ, автотранспорта идругих источников, таким образом, почва отражает загрязнение атмосфер-ного воздуха за многолетний период. Так, из табл. 1 видно, что концентра-ция ТМ в почве превышает их ПДК в почве, принятые в Казахстане [7], икларк почвы [9], а по ПДК в почве по Kloke [8] превышений нет. Например,валовое содержание цинка и кадмия в почве превышает ПДК почвы, приня-тые в Казахстане, в 3,8 и 2,6 раза, а превышение по кларку в почве составля-ет 1,7 и 2,6 раза соответственно.Зольность представляет собой важный биогеохимический показатель,характеризующий соотношение минеральных и органических веществ врастении. Зольность можно считать показателем приспособленности расти-тельных сообществ к данным условиям. Чем больше зольность, тем лучшеприспособлено растение к условиям произрастания. Зольность растений по-зволяет получить представление о степени загрязнения атмосферного воз-духа, характеризуя газопоглотительную способность растений [10].По величине зольности древесных и кустарниковых растений были вы-делены значительные различия по видам. Так, максимальная зольность ха-рактерна для листьев U. minor L. (11,9%), A. negundo L. (11,4%), P. nigra L.(11,3%) и P. alba L. (11,0%), а минимальная - для B. pendula Roth. (6,9%) иE. argentea Pursch. (7,2%). Это говорит о высокой газопоглотительной спо-собности листьев A. negundo L., U. minor L. и рода Рopulus по сравнению сдругими видами, что подтверждают литературные данные [10]. Были рассчи-таны корреляционные связи между содержанием ТМ в листьях древесных икустарниковых растений от их зольности и концентрации ТМ в почве (рис. 1).0,25-0,39-0,10-0,160,110,240,32-0,27-0,5-0,4-0,3-0,2-0,100,10,20,30,4Zn Cu Cd Pbi i .aaçî ë üí î ñòüРис. 1. Корреляционные зависимости содержания ТМв листьях древесных и кустарниковых растенийот их зольности и концентрации ТМ в почвеОтмечается, что по силе корреляционные связи проявляются по-разномудля изученных элементов. Так, для цинка - это средняя прямая корреляци-онная связь, а для свинца - обратная слабая. Для меди и кадмия корреляци-онная зависимость между содержанием их в листьях растений от концентра-ции их в почве обратная слабая (низкие корреляционые зависимости могутговорить о преобладании атмосферного поступления ТМ в листья древес-ных и кустарниковых растений г. Темиртау), а между зольностью - средняяпрямая зависимость.Слабые корреляционные связи показывают, что поступление и пере-распределение ТМ в листьях определяются не только этими факторами, нотакже могут зависеть от таких параметров, как тип посадки древесных икустарниковых растений, видоспецифическая аккумулятивная стратегиярастений, рельеф местности, климатические условия и др.Интенсивность техногенного воздействия на листья оценивалась при по-мощи коэффициента биологического поглощения (КБП). По средней вели-чине КБП цинка в листьях различных видов древесных и кустарниковыхрастений представлен следующий убывающий ряд:B. pendula Roth. (15,6) > P. alba L. (10,6) > P. nigra L. (6,5) > C. oxyacanthaL. (6,4) > S. vulgaris L. (5,4) > A. negundо L. (4,3) > E. argentea Pursch.(3,9) > R. canina L. (3,1) > U. minor L. (2,6);меди: B. pendula Roth. (3,4) > C. oxyacantha L. (2,8) > P. alba L. (2,2) ≥E. argentea Pursch. (2,2) > S. vulgaris L. (2,1) > P. nigra L. (2,0) ≥ A. negundо L.(2,0) > R. canina L. (1,5) > U. minor L. (1,1);кадмия: P. nigra L. (2,0) > P. alba L. (1,3) > B. pendula Roth. (1,1) >E. argentea Pursch. (1,0) > C. oxyacantha L. (0,84) > S. vulgaris L . (0,73) >A. negundо L. (0,40) ≥ R. canina L. (0,40) > U. minor L. (0,32);свинца: E. argentea Pursch. (1,2) > B. pendula Roth. (1,0) > S. vulgaris L.(0,92) > A. negundо L. (0,39) > P. alba L. (0,28) > P. nigra L. (0,25) > C. oxyacanthaL. (0,21) > U. minor L. (0,18) > R. canina L. (0,08).По градации А.И. Перельмана [5] в листьях изученных растениях цинкхарактеризовался для B. pendula Roth. и P. alba L. как элемент энергично-го накопления, а для остальных - как элемент сильного накопления. Такжеэлементом сильного накопления является медь для всех изученных листьеврастений, кадмий - для P. nigra L., P. alba L., B. pendula Roth., E. argenteaPursch. и свинец - для B. pendula Roth. и E. argentea Pursch., для всех осталь-ных листьев кадмий и свинец являются элементами слабого накопления исреднего захвата. При величине коэффициента больше 1 можно говоритьо накоплении растением конкретного элемента, а значит, и о формирова-нии биогеохимическогообразом, растения, произрастающие в данных зонах, накапливают большеТМ, чем в селитебной и рекреационной зонах. Например, содержание цинкав листьях B. pendula Roth. в промышленной зоне в 2,9 раза больше, чем вселитебной зоне, а свинца в листьях P. alba L. в транспортной зоне в 2,6 разавыше, чем в рекреационной зоне, это совпадает и с почвенным загрязнением.3551,4 52,371,429,996,9 94,8134,9020406080100120140160Селитебная Рекреационная Транспортная Промышленнаям г /к г ,су х ойм а с сыZn4,8 4,7 4,9 6,520,331,533,819,30510152025303540Селитебная Рекреационная Транспортная Промышленнаям г /к г ,су х ойм а с сыCu0,13 0,13 0,14 0,120,71,81,91,300,511,52Селитебная Рекреационная Транспортная Промышленнаям г /к г ,су х ойм а с сыCd1,7 1,2 1,8 1,119,725,531,548,10102030405060Селитебная Рекреационная Транспортная Промышленнаям г /к г ,су х ойм а с сыPbлистья почва9,4 9,4 9,49,89,29,39,49,59,69,79,89,9Селитебная Рекреационная Транспортная Промышленная%ЗольностьРис. 2. Зависимость содержания ТМ, зольности листьеви концентрации ТМ в почве от функциональной зоны городаЗаключениеТаким образом, листья древесных и кустарниковых растений г. Темиртаухорошо накапливают ТМ, что говорит об интенсивности техногенной на-грузки урбоэкосистем данными поллютантами, а также их биологическойдоступности. В результате изучения биоиндикационного потенциала ли-стьев древесных и кустарниковых растений были установлены виды, кото-рые можно использовать в биоиндикации городской среды по отношениюк ТМ, так как накопление металлов адекватно той техногенной нагрузке,которой они подвергаются.Значительная аккумуляция ТМ листьями древесных растений, а такжевысокие значения КБП и зольности позволяют сделать вывод, что наиболееинформативными видами для индикации загрязнения атмосферы г. Темир-тау ТМ являются листья B. pendula Roth., A. negundо L., E. argentea Pursch.,а также листья деревьев рода Populus. Таким образом, данные растения,устойчивые к антропогенным нагрузкам, можно рекомендовать к исполь-зованию в озеленении города в качестве фильтров атмосферного воздуха.

Ключевые слова

leaves, heavy metals, city zone, bioindication, функциональные зоны города, тяжелые металлы, листья, биоиндикация

Авторы

ФИООрганизацияДополнительноE-mail
Панин Михаил СеменовичСемипалатинский государственный педагогический институт (г. Семей, Республика Казахстан)доктор биологических наук, профессор химии, академик, зав. кафедрой эколого-химических и географических дисциплин, проректор по научной работе и международным связямpur@sgpi.kz
Есенжолова Ажар ЖумановнаСемипалатинский государственный педагогический институт (г. Семей, Республика Казахстан)соискатель кафедры эколого-химических и географических дисциплинzhymanova.13@mail.ru
Всего: 2

Ссылки

Алексеенко В.А. Эколого-геохимические изменения в биосфере. Развитие, оценка. М. : Логос, 2006. 520 с.
Виноградов А.П. Геохимия редких и рассеянных химических элементов в почвах. М. : АН СССР, 1957. 235 с.
Уфимцева М.Д., Терехина Н.В. Фитоиндикация экологического состояния урбогеосистем Санкт-Петербурга. СПб. : Наука, 2005. 339 с.
Kloke A. Orientierangsdaten fur tolerierbare Gesamtgehalte einiger Elemente in Kulterboden // Mitteilungen VDLUFA. 1980. H. 2. S. 32-38.
Совместный приказ Министерства здравоохранения РК от 30.01.04 № 99 и Министерства охраны окружающей среды РК от 27.01.04 № 21-п «Об утверждении нормативов предельно-допустимых концентраций вредных веществ, вредных микроорганизмов и других биологических веществ, загрязняющих почву».
Плохинский Н.А. Биометрия. М. : Изд-во МГУ, 1970. 367 с.
Перельман А.И., Касимов Н.С. Геохимия ландшафта. М. : Астрея, 2000. 715 с.
Добровольский В.В. География микроэлементов. Глобальное рассеяние. М. : Мысль, 1983. 272 с.
Методические рекомендации по проведению полевых и лабораторных исследований почв и растений при контроле загрязнения окружающей среды металлами. М. : Гидрометеоиздат, 1981. 108 с.
О состоянии охраны атмосферного воздуха в Республике Казахстан за 2010 г. : стат. сб. Астана, 2011. Т. 1-3.
Илькун Г.М. Загрязнители атмосферы и растения. Киев : Наукова думка, 1978. 246 с.
 Биоиндикационный потенциал листьевдревесных и кустарниковых растений г. Темиртау | Вестн. Том. гос. ун-та. Биология. 2012. № 3 (19).

Биоиндикационный потенциал листьевдревесных и кустарниковых растений г. Темиртау | Вестн. Том. гос. ун-та. Биология. 2012. № 3 (19).