Территориальные особенности распределения ртути в эпифитных лишайниках Крымского полуострова
А.М. Богданова1, Е.В. Евстафьева1, Н.В. Барановская2, Е.Е. Ляпина3, С.Л. Тымченко1, Т.С. Большунова4
1 Медицинская академия им. С.И. Георгиевского Крымского федерального университета им. В.И. Вернадского, г. Симферополь, Россия Национальный исследовательский Томский политехнический университет, г. Томск, Россия
3Институт мониторинга климатических и экологических систем СО РАН, г. Томск, Россия 4АО «ТомскНИПИнефть», г. Томск, Россия
Представлены результаты определения содержания ртути в пробах эпифитных лишайников (n=60) видов Evernia mesomorpha Nyl., E. prunastri (L.) Ach., Xanthoria parietina (L.) Th. Fr., Cladonia rangiformis Ноййш., Parmelia sulcata Tayl., используемых в качестве биоиндикаторов атмосферной эмиссии тяжелых металлов. Образцы собраны в 2015-2018 гг. в природных и городских экосистемах в центральном, юго-западном, южном, юго-восточном и восточном географических регионах Крымского полуострова. Определение содержания ртути в сухой массе лишайников выполнено атомно-абсорбционным методом с использованием анализатора ртути «РА-915М», пиролитической приставки «ПИРО-915+» и пакета программ RA915P. Полученные результаты свидетельствуют об отличиях в содержании ртути в лишайниках из различных регионов, но при этом все величины, за исключением одной пробы в г. Симферополе (1,16 мкг/г), не выходят за пределы нормальных значений относительно кларка для наземных растений и колебались в пределах от 0,037 до 0,306 мкг/г при M=0,079±0,040 мкг/г. В целом аномальное содержание ртути на различных территориях полуострова не выявлено, а полученные значения сопоставимы с данными фонового содержания ртути в эпифитных лишайниках других регионов Российской Федерации. Более высокие значения (р<0,01) на мониторинговых площадках южного побережья по сравнению с центральным, восточным и югозападным регионами могут быть обусловлены атмосферно-геохимическими особенностями этих территорий (количество осадков, морские аэрозоли, подводный вулканизм, ртутные металлогенические зоны).
Ключевые слова:биосубстрат; биоаккумуляция; лихеноиндикация; тяжелые металлы; Республика Крым.
Авторский коллектив:
Богданова Анна Михайловна - м.н.с. отдела медико-экологического мониторинга с оценкой риска Центральной научно-исследовательской лаборатории, Медицинская академия им. С.И. Георгиевского, Крымский федеральный университет им. В.И. Вернадского (Россия, 295007, г. Симферополь, пр. Академика Вернадского, 4).
Евстафьева Елена Владимировна - д-р биол. наук, профессор, зав. кафедрой физиологии нормальной, Медицинская академия им. С.И. Георгиевского, Крымский федеральный университет им. В.И. Вернадского (Россия, 295007, г Симферополь, пр. Академика Вернадского, 4).
Барановская Наталья Владимировна - д-р биол. наук, профессор отделения геологии, Инженерная школа природных ресурсов, Национальный исследовательский Томский политехнический университет (Россия,
Ляпина Елена Евгеньевна - канд. геол.-мин. наук, с.н.с. лаборатории физики климатических систем, Институт мониторинга климатических и экологических систем СО РАН (Россия, 634055, г. Томск, пр. Академический, 10/3).
Тымченко Светлана Леонидовна - канд. мед. наук, доцент кафедры физиологии нормальной Медицинской академии им. С.И. Георгиевского, Крымский федеральный университет им. В.И. Вернадского (Россия, 295007, г. Симферополь, пр. Академика Вернадского, 4).
Большунова Татьяна Сергеевна - канд. геол.-мин. наук, ведущий инженер отдела экологического нормирования, АО «ТомскНИПИнефть» (Россия, 634027, г. Томск, пр. Мира, 72).
Anna М. Bogdanova1, Еlena V. Evstafeva1, Natalia V. Baranovskaya2, Еlena Е. Lyapina3, Svetlana L. Tymchenko1, Tatiana S. Bolshunova2, VI. Vernadsky Crimean Federal University, Medical Academy Named after S.I. Georgievsky, Simferopol, Russian Federation
2National Research Tomsk Polytechnic University, Tomsk, Russian Federation
3 Institute of Monitoring of Climatic and Ecological Systems, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, Tomsk, Russian Federation
4 Tomsk Oil and Gas Research and Design Institute, Tomsk, Russian Federation
Mercury in epiphytic lichens of the Crimean peninsula
Current environmental concerns are associated with elevated levels of mercury (Hg) contamination, and monitoring studies are needed to estimate mercury atmospheric emissions as one of the hazardous global pollutants. Therefore, epiphytic lichens could be used as the most sensitive bioindicators of such environmental contamination. The presence of Hg in the air within the Russian Federation is connected with its emission from local sources of anthropogenic and natural origin and also atmospheric transport from other areas of mercury contamination. To date, few studies report mercury distribution in the Crimean peninsula and the data are still fragmentary. The aim of this study was to use the lichens Evernia mesomorpha Nyl., E. prunastri (L.) Ach., Xanthoria parietina (L.) Th. Fr., Cladonia rangiformis Hoffm., and Parmelia sulcata Tayl., collected from various rural and urban regions of the Crimean peninsula, to assess Hg contamination.
The sampling areas were located within central, southwestern, southern, southeastern and eastern regions of the Crimean peninsula (See Fig. 1 and Table) and included those characterized by the mercury ore deposits in the metallogenic zones of the southern Crimea foothills and coastal area and the Kerch peninsula as well as industrial activities (mining and quarrying) located within the Crimean peninsula (45°24N; 34°00'E). All measurements of Hg concentration in epiphytic lichens (n=60; samples collected between 2015 and 2018) were conducted using a model RA-915 atomic absorption spectrometer (Lumex, “Uranium Geology International Center”, Tomsk, Russia) with a PYRO-915 attachment. This instrument had been previously used with high efficiency for total mercury determination in lichens (Panichev N et al., 2019; Esbri JM et al., 2015).
All data on Hg concentration in epiphytic lichens from different Crimean regions are summarized in Table and it was in the range of 0.037-0.306 mkg/g (See Fig. 2) with a median (Me) value of 0.070 mkg/g (p25=0.058 mkg/g, p75=0.089 mkg/g). In urban territories (n=34), median Hg concentration was found to be 0.067 mkg/g (p25=0.058 mkg/g, p75=0.086 mkg/g) and in natural ecosystems it was 0.084 mkg/g (p25=0.060 mkg/g, p75=0.100 mkg/g). It was found that epiphytic lichens from the protected and park areas in the southern region contain the highest Hg concentrations (p<0.01) compared to the central, eastern and southwestern regions (See Fig. 3). The results of Hg determination in lichens demonstrate higher Hg concentrations (p=0.003) in samples collected in Crimean foothills and mountains (500 to 1000 m above sea level) compared to the lowlands (See Fig. 4). The latter reflects the role of the Main Ridge of the Crimean mountains as a natural barrier for the Hg transported with air masses as well as natural sources and geochemical characteristics of the monitored areas (precipitation, marine aerosols, underwater volcanoes, geological deposits of Hg minerals). The obtained results do not point to significant signs of atmospheric air pollution with Hg using epiphytic lichens as bioindicators because Hg concentration in all analyzed samples was relatively low and comparable to background Hg concentrations in other regions of the Russian Federation and other CIS countries. Revealed variations are dependent on the ecosystem type and also could be explained by the geographical diversity of the Crimean peninsula. Although the present research suggests that most of Hg is derived from natural sources it can be hypothesized that Hg concentrations in the environment might be increasing in future as a result of human activity mainly through intensification of agriculture and industry in Crimea.
The paper contains 4 Figures, 1 Table and 40 References.
Key words: biosubstrate; bioaccumulation; lichenoindication; heavy metals; the Republic of Crimea.
Funding: This study was funded by the VI. Vernadsky Crimean Federal University's Development Program for 2015-2024, within the projects “Academic mobility of young scientists in Russia 2017”. Mercury analysis was financially funded by the Russian Foundation for Basic Research (Project No 18-29-24212\18) and the State Assignment (theme No AAAA-A17-117013050031-8).
The Authors declare no conflict of interest.
Введение
ртуть эпифитный лишайник атмосферный биоиндикатор
В современных условиях в связи с интенсификацией процессов техногенного загрязнения и антропогенной трансформацией биосферы одним из важных направлений в области экологических исследований является мониторинг состояния окружающей среды (ОС), включающий определение содержания поллютантов в биотических и абиотических компонентах экосистем. Среди антропогенных факторов различной природы ведущее место занимает химическое загрязнение ОС, в том числе тяжелыми металлами. Ртуть признана международным научным сообществом одним из первоочередных металлов, подлежащих оценке и нормированию [1] в связи с тем, что она является глобальным загрязнителем 1-го класса опасности во всех средах (атмосферном воздухе, воде, почвах) и оказывает токсичное воздействие на биоту вне зависимости от дозы [2], поэтому ртутное загрязнение представляет проблему как для развивающихся, так и богатых стран. Обладая такими физико-химическими свойствами, как высокая подвижность, летучесть, растворимость, способность к аккумуляции, низкая температура плавления и кипения, этот элемент и его соединения легко мигрируют между средами и по трофическим цепям, а также переносятся на большие расстояния с воздушными массами [3-5]. В связи с этим при изучении ртутного загрязнения большое внимание уделяют атмосферной эмиссии этого элемента, наиболее чувствительными биоиндикаторами которой признаны такие компоненты растительного покрова, как лишайники [6]. Они обладают особыми аккумуляционными свойствами, большой продолжительностью жизни, не имеют специализированных органов поглощения элементов из почвы, не сбрасывают пораженные поллютантами части таллома, благодаря чему отражают многолетнюю атмосферную эмиссию металлов [7, 8].
На территории Российской Федерации, как и в большинстве стран, существует проблема ртутного загрязнения ОС, при этом на региональном уровне выделяют как антропогенные источники поступления ртути в биосферу (работа угольных теплоэлектростанций, производство первичных металлов, хлор-щелочное и аффинажное производства, сжигание твердых бытовых отходов), так и природные (дегазация земной коры, вулканические и геотермические выбросы, ртутные и полиметаллические месторождения), при этом Россия является участником международной Минаматской конвенции по контролю ртутного загрязнения. В связи с этим в некоторых преимущественно промышленно развитых регионах проводятся исследования, включающие в том числе систематический биоэкологический мониторинг ртути в различных компонентах экосистем [9-13].
Однако, как показал анализ литературных источников, для южных территорий, включая Республику Крым, существуют лишь фрагментарные данные о территориальном распределении ртути в компонентах ОС [14-16], что подтверждает необходимость проведения исследований в этом направлении. Ранее нами проведен анализ содержания ртути в лишайниках, отобранных преимущественно на прибрежных территориях полуострова [17], который показал отсутствие аномальных превышений и территориальную неоднородность для этого элемента. Для получения более полной информации по другим территориям нами предпринято дальнейшее определение ртути в эпифитных лишайниках, произрастающих в центральном, юго-западном, южном, юго-восточном и восточном географических регионах Крымского полуострова в зонах с различной степенью антропогенной нагрузки. Результаты исследования и анализа объединенных данных (2015-2018 гг.) представлены в настоящей работе.
Материалы и методики исследования
Характеристика района исследования. Крымский полуостров расположен на территории Восточно-Европейской равнины (45°24'К; 34°00'Е) в северной части Черного моря и омывается Азовским морем с северо-востока. Площадь составляет 26 860 км2. Климат региона отличается в пределах физико-географических районов (Степной Крым и Крымские горы - умеренно континентальный климат, Южный берег Крыма - субтропический климат). Среднегодовые метеорологические характеристики составили: температура воздуха - 12,5°С, сумма осадков - 476 мм в 2015 г.; температура воздуха - 11,8°С, сумма осадков - 750 мм, что в 1,3 раза выше нормы, в 2016 г.; температура воздуха - 12,3°С, осадков - 369 мм в 2017 г.; температура воздуха -12,7°С, осадков - 455,9 мм в 2018 г. [18]. По характеру рельефа выделяют Северо-Крымскую равнину с Тарханкутской возвышенностью (около 70% территории), грядово-холмистые равнины Керченского полуострова, 3 гряды Горного Крыма, разделенные продольными равнинами [19]. На территории полуострова выделяют свыше 440 видов и разновидностей почв, при этом в Горном Крыму вследствие разнообразия геологического строения и географических особенностей отмечена значительная дифференциация почвенного покрова с преобладанием горных лесных, горно-степных и горно-луговых черноземовидных, дерново-карбонатных почв, в то время как в равнинной части она менее выражена (преимущественно южные черноземы и темно-каштановые почвы) [20]. Для территории Южного берега и части Горного Крыма более характерны коричневые почвы. Наряду с рекреационной и сельскохозяйственной векторностью экономики, промышленный профиль региона определяют химическая и винодельческая отрасли, производство стройматериалов, электротехнического и электронного оборудования, машино- и судостроение, пищевая и перерабатывающая промышленность [21], которые сосредоточены в таких крупных городах, как Симферополь, Красноперекопск, Армянск, Керчь, Севастополь.
Учитывая, что основными региональными источниками поступления ртути в Крымском регионе являются ртутные рудопроявления в Предгорной и Южнобережной металлогенических зонах и проявления рассеянной ртути в продуктах грязевого вулканизма на Керченском полуострове [22], а также принимая во внимание расположение большинства карьеров по добыче полезных ископаемых и горнодобывающих предприятий [23], для исследования выбрали территории с разной степенью антропогенной нагрузки, расположенные в пределах центрального, юго-западного, южного, юго-восточного и восточного регионов (рис. 1).
Рис. 1. Расположение площадок отбора лишайников видов Evernia mesomorpha Nyl., E. prunastri (L.) Ach., Xanthoriaparietina (L.) Th. Fr., Cladonia rangiformis НЯ^., Parmelia sulcata Tayl. на территории Крымского полуострова: 1 - г. Армянск; 2-12 - г Симферополь; 13-21 - Красные пещеры; 22, 23 - с. Краснолесье;
24-29 - с. Высокое; 30-34 - г. Севастополь; 35 - г. Ай-Петри;
36, 37 - г. Ялта; 38, 39 - г. Чатыр-Даг; 40 - г. Демерджи; 41, 42 - г. Судак;
43, 44 - пгт. Курортное; 45-48 - г. Феодосия; 49-56 - г. Керчь [Fig. 1. Location of plots selected for collecting Evernia mesomorpha Nyl., E. prunastri (L.) Ach., Xanthoria parietina (L.) Th. Fr., Cladonia rangiformis Но1Гт., and Parmelia sulcata Tayl. in the Crimean peninsula: 1 - Armyansk; 2-12 - Simferopol; 13-21 - Red caves;
22, 23 - Krasnolesye; 24-29 - Vysokoye; 30-34 -Sevastopol; 35 - Plateau of Ai-Petri;
36, 37 - Yalta; 38, 39 - The plateaus of Chatyr-Dag; 40 - Demerdzhi-Yaila;
41, 42 - Sudak; 43, 44 - Kurortnoe; 45-48 - Feodosia; 49-56 - Kerch]
На первом этапе исследований в летние периоды в 2015-2016 гг. взяты 11 проб эпифитных лишайников вида Evernia mesomorpha Nyl., произрастающих на заповедных территориях (горные массивы Ай-Петри, Чатыр-Даг (верхнее и нижнее плато), Демерджи), в 2017 г. - 10 проб лишайников видов Xanthoriaparietina (L.) Th. Fr., E. prunastri (L.) Ach. и E. mesomorpha, произрастающих в парковых зонах урбанизированных территорий (города Симферополь, Керчь, Феодосия). Подробное описание методик отбора проб, осуществленного в 2015-2017 гг. (13 площадок), и определения содержания в них ртути представлены в работе [17].
Летом 2018 г. взяты 40 проб лишайников видов X. parietina, E. prunastri, Cladonia rangiformis Нойш., Parmelia sulcata Tayl. в парковых и селитебных зонах городов Симферополь, Керчь, Феодосия, Севастополь, Судак, Ялта и на условно фоновых участках природных экосистем в районе Красных пещер, с. Высокое, с. Краснолесье, Карадагского природного заповедника. Также отобрана проба в г. Армянске, относящемся к северному региону полуострова. Дополнительно или при отсутствии лишайников брали образцы мхов (n=3) вида гриммия подушковидная Grimmia pulvinata (Hedw.) Sm. Пробы лишайников и мхов взяты со стволов взрослых деревьев тополя черного Populus nigra L., сосны крымской Pinus nigra subsp. pallasiana (Lamb.) Holmboe, платана кленолистного Platanus x acerifolia (Aiton) Willd., кустарников кизильника крымского Cotoneaster tauricus Pojark., боярышника Поярковой Сгataegus pojarkovae Kossych. на высоте 1,5-2,0 м от поверхности земли. Современные названия таксонов лишайников приведены по базе данных Mycobank [24]. Отбор и подготовка к анализу проб лишайников включали очистку образцов от инородных частиц, высушивание при комнатной температуре, измельчение и перемешивание для достижения наибольшей однородности материала [25].