Статья: Исследования антропогенно-измененных экосистем и урбоэкология

Исследования антропогенно-измененных экосистем и урбоэкология

Ю.М. Каниболоцкая

Сибирский университет потребительской кооперации, 630087, г. Новосибирск, Россия

Аннотации

Возможность использования Artemisia austriaca Jacq. в качестве индикатора загрязнения окружающей среды некоторыми тяжелыми металлами

В связи с усилением негативного воздействия антропогенных факторов на состояние окружающей среды в техногенных регионах рассматривается возможность использования Artemisia austriaca Jacq. в качестве индикатора загрязнения промышленных территорий некоторыми тяжелыми металлами. Для достижения цели исследования анализируется содержание титана, марганца, хрома, железа, никеля, меди, цинка, свинца и стронция в растительных (A. austriaca) и почвенных пробах, отобранных в пригородах городов Павлодар и Аксу (Павлодарская область, Республика Казахстан) на различных расстояниях от действующих промышленных предприятий с применением общепринятых методик. Также проведены геоботанические исследования (с использованием классических методов). A. austriaca, являясь дигрессионно-активным видом, в условиях антропогенного воздействия часто становится доминантом или субдоминантом в растительных сообществах (в регионах, где исторически она была представлена в незначительном обилии). В связи с этим ее способность к аккумуляции некоторых тяжелых металлов (согласно результатам наших исследований - цинка и хрома) можно использовать (с учетом расстояния от источника эмиссий, возраста растений, особенностей нанорельефа и погодных условий) для определения наличия загрязнения промышленных (или прилегающих к ним) территорий, особенно в районах действия металлургических предприятий. индикатор загрязнение почвенный

Ключевые слова: тяжелые металлы в почве, тяжелые металлы в растительности, полынь австрийская (Artemisia austriaca Jacq.), коэффициент биологического поглощения, коэффициент опасности, дигрессионно-активные виды растений, индикатор загрязнения

YuM. Kanibolotskaya

Siberian University of Consumer Cooperation,

Novosibirsk, 630087, Russian Federation

Possibility of use Artemisia austriaca Jacq. as an indicator of environmental pollution by certain heavy metals

Due to the increasing negative impact of anthropogenic factors on the state of the environment in man-made regions, the possibility of using Artemisia austriaca Jacq. as an indicator of contamination of industrial areas by some heavy metals and transformation of plant communities under the influence of human activities is being considered. In order to achieve the objective of the study, the content of heavy metals (Ti, Mn, Cr, Fe, Ni, Cu, Zn, Pb, Sr); in plant metals (A. austriaca) and soil samples selected in the suburbs of Pavlodar and Aksu (Pavlodar region, Kazakhstan) is analyzed at different distances from existing industrial enterprises. Geobotanic studies have also been carried out (using classical methods). A. austriaca, being a digressive-active species, under human-induced conditions often becomes a dominant or subdominant in plant communities (in regions where it has historically) been represented in little abundance). Therefore, its capacity to accumulate some heavy metals (according to our research results - Zn and Cr) can be used (taking into account the distance from the source of emissions, age of plants, features of nanorelief and weather conditions) to determine the presence of contamination of industrial (or adjacent) areas, especially in areas of operation of metallurgical enterprises.

Key words: Heavy metals in soil, heavy metals in vegetation, biological absorption coefficient, Artemisia austria/eo Jacq., hazard coefficient, digression-active plant species, pollution indicator

Введение

Загрязнение окружающей среды является одной из глобальных экологических проблем современности. Для ее решения принимаются различные меры, в том числе проводятся мониторинговые исследования состояния различных сред, в частности - почвы и растительного покрова. Актуальным является также выявление растений, которые могут аккумулировать загрязняющие вещества, например - тяжелые металлы.

В окружающую среду они поступают в основном путем техногенного рассеяния, что влечет за собой загрязнение среды и изменение химического состава почв и растений. Это может негативно сказаться на экосистемах, биоразнообразии растительного покрова территорий, а также на участниках пищевой цепи, которые будут получать поллютанты из загрязненного растительного сырья. В то же время способность растений аккумулировать некоторые компоненты выбросов промышленных предприятий может быть использована для определения уровня накопления в среде тяжелых металлов.

Среди крупных индустриальных центров Казахстана Павлодар является одним из самых загрязненных вследствие функционирования ведущих предприятий региона: Павлодарского алюминиевого (АО "Алюминий Казахстана"), нефтехимического заводов (ПНХЗ), трех ТЭЦ (ТЭЦ-1, ТЭЦ-2, ТЭЦ-3), Аксуского завода ферросплавов (АО ТНК Казхром), Аксуской электростанции (АО ЕЭК (Евразийская Энергетическая Корпорация)), а также действовавших до распада СССР тракторного (сейчас на его базе - ПФ ТОО "Кастинг" - переплавка стали) и химического заводов (на его базе - АО "Каустик") и многих других.

Анализ имеющихся публикаций показал, что трансформация растительности в Казахстане и других странах исследуется в разных аспектах [Горчаковский, 1979; Трансформация растительного покрова, 1997-1999; Бижанова, 1998; Марынич, 1999], гораздо меньше работ [Панин, 1999; Султанова, 2000; Бигалиев, Шаймарданова, 2005], где изучалась бы реакция отдельных видов растений естественных местообитаний на загрязнение промышленными выбросами и трансформация растительности в результате их влияния в комплексе с другими факторами воздействия. Поэтому мы рассматриваем состояние растительного покрова территорий, находящихся в зоне действия промышленных предприятий (энергетики, черной и цветной металлургии, нефтехимической промышленности) [Леонова, 2010; Козыренко, Каниболоцкая, 2012; Берикова, Каниболоцкая, 2017]. Полученные данные могут быть использованы исследователями в различных регионах Казахстана, России и других стран, при условии совпадения основных характеристик биогеоценозов (экосистем).

Цели и задачи

Цель исследования: рассмотреть возможность использования

Artemisia austriaca Jacq. (полыни австрийской) в качестве индикатора загрязнения окружающей среды некоторыми тяжелыми металлами.

Задачи исследования: определить точки, по которым будет проведен анализ содержания тяжелых металлов в растительных (A. auatriaca) и почвенных пробах; сравнить содержание металлов в пробах почвы и A. auatriaca на выбранных участках; выявить металлы с наибольшим и наименьшим уровнем аккумуляции в почве и растениях исследованной территории; рассмотреть возможность применения A. austriaca в качестве индикатора при условии аккумуляции ею тяжелых металлов из окружающей среды.

Объекты и методы

Объектом исследований являлся растительный покров региона (в который входит г. Павлодар, один из основных индустриальных центров Казахстана, и расположенный рядом г. Аксу, также промышленной направленности). Изучение состояния растительного покрова проводились нами в рамках диссертационного исследования в 2006-2009 гг., далее (при разработке инициативно-поисковой темы) - в 2011-2013, 2015-2016 гг.; пробы почв и растений для химических анализов отбирались в 2006, 2011, 2013, 2015-16 гг. на различных расстояниях от промзон г. Павлодара и г. Аксу, согласно стандартным методическим рекомендациям [Биогеохимические и геоботанические исследования, 1972; Методические рекомендации..., 1981].

Рис. 1. Схема расположения точек отбора проб на территории исследования (зона вокруг городов Павлодар и Аксу, Павлодарская обл., Казахстан)

Fig. 1. Layout of sampling points in the survey area (zone around the cities of Pavlodar and Aksu, Pavlodar region, Kazakhstan)

Нами обследовано более 50 участков (рис. 1), находящихся на разных расстояниях от ведущих промышленных предприятий региона.

Точки отбора проб приурочены к преобладающим растительным сообществам, в которых проводились детальные геоботанические описания (с использованием классических методов, принятых при проведении геоботанических исследований) [Полевая геоботаника, 1959-1972]. Рельеф территории исследований представлен равнинами разного генезиса, почвенный покров неоднороден, почвы - каштановые глубоковскипающие маломощные и среднемощные (супесчаные и легкосуглинистые).

Определение содержания элементов в почве и растениях осуществлялось методом рентгенофлюоресцентного анализа (для почвы - с отжигом, для растений - с предварительным озолением) на РФА-спектрометре "Спектроскан ОР-1Е" (Россия, 2000 г. выпуска). Пробы анализировали в лаборатории Физико-технического института Министерства образования и науки Республика Казахстан (п. Алатау, Алма-Атинская область, Казахстан). Сопоставление предельно допустимых концентраций элементов в почве проводилось согласно нормативам [К 1оке, 1980; Санитарные нормы допустимых концентраций химических веществ в почве, 1983; Научно-методические указания..., 1993] (концентрации железа в почве сравнивали с фоновым содержанием).

Для почвенных проб был рассчитан коэффициент опасности К - концентрация металла в почве в долях ПДК (представлен в таблицах, определяли по формуле [Руководство..., 1993]):

Ко = C/ПДК, (1)

где С - фактический уровень содержания элемента в почве.

Для выявления уровня аккумуляции растениями поллютантов мы использовали Artemisia austriaca Jacq., т.к. фитоценозы с ее участием имеют широкое распространение и на территории наших исследований, и во многих других регионах. В частности, этот вид полыни встречается и в Новосибирской области: и как компонент аборигенной флоры, например, по границе с Павлодарской областью, и как сорный (дигрессионно-активный) вид.

Для выявления уровня перехода тяжелых металлов из почвы в растения определяли коэффициент биологического поглощения Ах по формуле (2) [Перельман, 1961]:

Ах = lx /nx, (2)

где lx - содержание элемента x в золе растения, нх - содержание элемента x в почве.

Усредненное содержание каждого металла в почве рассчитывали для каждой пары почвенных проб (слои 0-5 см и 10-15 см).

Результаты и обсуждение

Проанализированы пробы почв с участков, находящихся на различном удалении - 1-3-5-10-20-50 км - на север, юг, восток и запад от предприятий северной и восточной промышленных зон г. Павлодара и г. Аксу с учетом розы ветров и транспортной либо пешей доступности. Почва на анализ забиралась из двух слоев - 0-5 см и 10-15 см, поскольку в первом случае выявляется текущее, а во втором - более давнее загрязнение.

В табл. 1 отражены коэффициент опасности К (для металлов в почве, в слое 0-5 см и 10-15 см) и коэффициент биологического поглощения Ах металлов полынью австрийской Artemisia austriaca (выбраны точки, для которых проанализированы содержания тяжелых металлов и в почве, и в растительных пробах), чтобы иметь возможность сравнить аккумуляцию поллютантов этими двумя средами и выявить наличие/отсутствие взаимосвязи.

Отмечаются высокие значения коэффициента опасности превышения ПДК хрома в почве и коэффициента биологического поглощения A. austriaca этого металла в трех точках - т 27, т 28, т 30, находящихся на расстоянии 5, 3 и 1,5 км от АО ТНК Казхром; на остальных участках - высокие содержания в почве рассматриваемого металла, и более низкие (за исключением т 20, т 40, т 41) - в растительных пробах (предположительно, в зависимости от возраста анализируемых растений, погодных условий, особенностей нанорельефа), но аккумулировать хром A. austriaca вполне может, причем в очень высоких концентрациях, при этом сохраняя жизнеспособность.

Для цинка ситуация иная: в т 35 и т 44 отмечаются схожие значения рассматриваемых коэффициентов в почве и в растительных пробах, а для остальных точек аккумуляция этого металла растениями выше, чем почвой на тех же участках. То есть можно отметить способность A. austriaca аккумулировать цинк.

Свинец: концентрации в почве в основном высокие, как минимум - 0,55 ПДК, в основном - 1,2; максимально - 1,75 ПДК (в т 42, чуть ниже - в т 30). При этом в растениях коэффициент биологического поглощения невелик (за исключением т 40, где в почве концентрации не слишком значительны, т.е. для свинца аналогий в поглощении почвой и растениями нами не обнаружено, A. austriaca этот элемент аккумулирует слабо).

Таблица 1

Аккумуляция тяжелых металлов почвой (слои 0-5,10-15 см) и полынью австрийской (Artemisia austriaca) [Accumulation of heavy metals by soil (layers 0-5, 10-15 cm) and Artemisia austriaca]