Monitoring of heavy metal contamination of soil and plants (for example, Potentilla tanacetifolia Willd. ex Schlecht.) of natural ecosystems in Chita urban areas

Full Text

Введение

В связи с возрастающим загрязнением окружающей среды, особенно урбанизированных территорий, становится необходимым изучение трансформации тяжелых металлов в почвах и в системе «почва – растения» с учетом природно-климатических особенностей региона [1, с. 35–39]. Такие микроэлементы, как Zn, Cd, Pb и Cu, могут накапливаться, иногда в огромных количествах, в окружающей среде и живых организмах, вызывая тем самым негативные необратимые последствия в экосистемах [2, с. 24–28]. Концентрация элементов в растениях зависит не только от величины фитомассы, но и от интенсивности поглощения, потребности растения в элементах питания и экологических условий [3, с. 34–39]. Изучение поведения элементов в системе «почва – растение» является важным моментом, поскольку концентрации элементов в растениях часто проявляют положительную корреляцию с концентрациями их в почве. Большую ценность при изучении загрязнения почвенного покрова представляют данные о валовом содержании тяжелых металлов. Между тем при оценке интенсивности потока в системе «почва – растение» важной является информация о подвижных формах микроэлементов, способных к миграции [1, с. 110–115].

В почвенном покрове природной зоны, где размещается город Чита, преобладают черноземные почвы, в степной части – суглинисто-галечные выщелочные черноземы, в пониженных местах – болотные, лугово-болотные, по склонам хребтов – серые и темно-серые лесные почвы, иногда дерновые слабооподзоленные. Почвы города в основном аллювиально-остепненные супесчаные и песчаные [4, с. 7–10]. Все исследованные участки характеризуются низким содержанием гумуса [5, с. 200–203].

Объект и методика исследований

Лапчатка пижмолистная (Potentilla tanacetifolia Willd. ex Schlecht.) – многолетнее травянистое растение семейства Розоцветные (Rosaceae Juss.). С лечебной целью используются корни, стебли, листья и цветки растения. В медицине корни и корневища применяются в виде отвара при атеросклерозе, желудочно-кишечных заболеваниях, туберкулезе легких, простудных заболеваниях, в составе средств при диабете. Наружно корни используются для полосканий, примочек (присыпок). Отвар травы назначают при дизентерии. Известно, что растение содержит в себе сесквинтерпеноиды, фитол, алколоиды и флавоноиды [6, с. 150]. Но недостаточно данных о содержании в растении микроэлементов, в том числе и тяжелых металлов [3, с. 43–46; 7, с. 58–60].

Цель исследования – определить валовое содержание и подвижные формы тяжелых металлов (Zn, Cd, Pb, Cu) в почвах и в органах P. tanacetifolia из природных экосистем, расположенных в условиях урбанизированной территории, и оценить степень влияния абиотических факторов на вид по величинам эколого-геохимических коэффициентов и индексов.

Образцы почв и растений для элементного анализа отбирали в трехкратной повторности, согласно общепринятым методикам, в конце вегетационного периода 2017 г. [8, с. 12]. Почвенные образцы были взяты из корнеобитаемого слоя (0–15 см). Растения высушивали на воздухе, сортировали по отдельным частям (корневище, стебель, листья, цветки) и мелко измельчали [9, с. 9–10]. Навески проб высушивали в сушильном шкафу при температуре 105°С. Далее пробы высушивали при температуре 150–350°С в кварцевых стаканчиках в печи «ПДП-Аналитика» («ТомьАналит»). Озоление растений и почв на валовое содержание тяжелых металлов проводили с добавлением концентрированных азотной кислоты и перекиси водорода до получения однородной золы белого, серого или рыжеватого цвета без угольных включений. Перед анализом золу растворяли в концентрированной муравьиной кислоте. Подвижные формы микроэлементов экстрагировали аммонийно-ацетатным буферным раствором с pH 4,8 [8, с. 12]. Определение валового содержания и подвижных форм тяжелых металлов в почве и их концентрацию в золе растений определяли методом инверсионной вольтамперометрии на анализаторе «ТА-Универсал», методом добавок. Измерение pH почвенных образцов проводили потенциометрическим методом [10, с. 467–474] на анализаторе «ТА-Универсал» со стеклянным комбинированным электродом ЭСК-10603 с разрешением ±0,2 единицы pH, с автокоррекцией масштаба шкалы, ее угла наклона и температуры.

Корневое поступление элементов из почвы определяли с помощью коэффициента накопления (К_н), который выражает отношение содержания элемента в корнях к таковому в почве: ${\mathrm{К}}_{\mathrm{Н}}=\frac{{\mathrm{К}}_{\mathrm{корни}}}{{\mathrm{К}}_{\mathrm{почва}}}$. Для характеристики процессов передвижения ионов использовали коэффициент передвижения (Кп), равный отношению содержания элементов в листьях к таковому в корнях: ${\mathrm{К}}_{\mathrm{Н}}=\frac{{\mathrm{К}}_{\mathrm{листья}}}{{\mathrm{К}}_{\mathrm{корни}}}$ . Индекс биологического накопления (Ах_ВС и Ах_ПФ) выражали через соотношение содержания микроэлемента в золе растений к его содержанию в почве (ВС – валовое содержание, ПФ – подвижные формы): ${\mathrm{Ах}}_{\mathrm{ВС}}=\frac{{\mathrm{С}}_{\mathrm{зола} \mathrm{растит}.}}{{\mathrm{С}}_{\mathrm{ВС} \mathrm{в} \mathrm{почве}}}$ и ${\mathrm{Ах}}_{\mathrm{ПФ}}=\frac{{\mathrm{С}}_{\mathrm{зола} \mathrm{раст}.}}{{\mathrm{С}}_{\mathrm{ПФ} \mathrm{в} \mathrm{почве}}}$  . Индекс биогеохимической активности микроэлементов в растениях рассчитывали как сумму индексов биологического накопления: БХА = ΣАх [2, с. 46–47; 11].

Для исследования были выбраны участки в г. Чита: пункт № 1 – в районе Титовской сопки, территория вблизи промзоны, пункт № 2 – южный склон хребта Черского, площадка в районе комплекса «Орбита», пункт № 3 – западный склон хребта Черского, площадка в районе комплекса «Орбита», пункт № 4 – микрорайон Сосновый бор, ул. Украинский бульвар, пункт № 5 – п. ГРЭС, ул. Энергетиков. Фоновым участком была выбрана территория с. Александровка (Читинский район) – пункт № 6.

Полученные данные были подвергнуты математико-статистической обработке с помощью статистического пакета Microsoft Excel 2010 и PAST 3.0 [12; 13].

Результаты исследования и их обсуждение

Согласно литературным данным, оптимальная реакция среды, обеспечивающая необходимое поступление микроэлементов из почвы в растения, должна поддерживаться в пределах 6,9–7,1 [1, с. 37–39]. При исследовании образцов почв было установлено, что по величине pH почвы пунктов № 1, 4 и 6 относятся к слабокислым, пунктов № 2 и 3 – к слабощелочным, пункта № 5 – к щелочным (табл. 1).

 

Таблица 1 – Значения pH, валового содержания (ВС) и концентрация подвижных форм (ПФ) тяжелых металлов в почвах (мг/кг)

Пункт	pH	Металлы, $\frac{\mathrm{ВС}}{\mathrm{ПФ}}$ , мг/кг
		Zn	Cd	Pb	Cu
№ 1	6,47	5,1±1,3 4,3±1,2	0,9±0,002 0,19±0,05	2,4±0,8 3,8±1,3	3,2±1,05 0,28±0,07
№ 2	7,3	40±7,4 7,3±2,3	10,3±4,8 3,1±1,02	5,0±1,6 3,1±0,97	12,3±4,7 2,2±0,9
№ 3	7,1	200±16,4 3,63±1,52	42±11,3 1,3±0,07	11,5±4,3 8,4±2,3	40±11,5 3,8±1,5
№ 4	6,8	12±3,56 7,3±3,03	3,4±0,92 0,23±0,03	10,2±4,03 2,1±0,56	5,1±2,07 0,31±0,03
№ 5	8,1	15,3±6,7 7,4±2,78	12,1±6,3 2,2±0,76	2,4±0,8 2,8±0,54	60±25,6 3,01±0,76
№ 6(фон)	6,8	63±23,4 4,3±1,8	4,2±1,6 0,91±0,05	10,3±4,7 2,4±0,87	120,5±43,8 0,03±0,002
ПДК [2]		300-500	3-5	32-300	100
Кларк в почвах мира [14; 15]		50	0,5	10	20

 

При анализе содержания тяжелых металлов отмечено, что с увеличением pH подвижность ионов Zn возрастает: от 4,3 (при pH 6,47) до 7,4 мг/кг (при pH 8,1) соответственно. Валовое содержание цинка было максимальным в почве пункта № 3, однако оно не превышало ПДК. Самая высокая подвижность и валовое содержание ионов Cd, так же как и Pb, была отмечена в слабощелочных почвах в пунктах № 3, 4 и 5. У меди значительное количество подвижных ионов отмечалось в слабощелочных почвах с pH 7,1–8,1 (пункты № 2, 3 и 5).

Доля мобильных форм Zn, Cd, Pb и Cu, участвующих в формировании потока из почвы в растения, при pH 6,8 суммарно составила 11,5% от валового содержания; при pH 7,3 – 9,6%; при pH 8,1 – 17,1%.

В почвах исследуемых площадок превышение ПДК отмечено для кадмия (пункты 2, 3 и 5) и для меди (пункт 6). При этом концентрации подвижных форм поллютантов ни в одной из проб не превышали ПДК (табл. 1). Сравнение полученных показателей валового содержания и подвижных форм микроэлементов с кларками почв мира (табл. 1) выявило превышение в 4 раза этого показателя по цинку на площадке 3 и незначительное превышение в пункте 6. По кадмию все площадки имели превышение кларка (отличия составляли 1,8–84 кратную разность), за исключением подвижных форм тяжелых металлов в пунктах 1 и 5. По свинцу данный показатель слабо отличался от среднемировых значений, тогда как по меди для пунктов 3, 5 и 6 отмечено явное превышение по валовому содержанию (2-х и 6-ти кратная разность).

Интенсивность поглощения и количество поступивших поллютантов в органы P. tanacetifolia оценивали относительно валового содержания и подвижных форм тяжелых металлов по величине коэффициентов биологического поглощения (Ах_ВС и Ах_ПФ соответственно), накопления (Кн_ВС и Кн_ПФ соответственно) и передвижения (К_п) (табл. 2).

Валовое содержание тяжелых металлов в почвах исследуемых территорий значительно превышает содержание их подвижных форм. Согласно полученным данным, значения коэффициентов биологического поглощения и накопления относительно валового содержания в большинстве проб несколько ниже таковых, относительно подвижных форм цинка, кадмия, свинца и меди.

Было установлено, что органы P. tanacetifolia интенсивнее поглощают подвижные ионы Cd и Cu. На территории пункта № 6 (фоновый участок) значение Ах_ПФ по меди составил 206,3 – самое высокое значение, по сравнению с другими поллютантами. Анализируя значения коэффициента накопления подвижных форм, отмечалась та же зависимость – корневое поступление кадмия и меди значительно превышало значения для цинка и свинца. Сравнение значений коэффициентов передвижения (К_п) показало, что ионы меди, в отличие от цинка, кадмия и свинца, обладают более высокой подвижностью. На территории пунктов № 1 и № 3 К_п по меди составил 3,25 и 7,7 соответственно.

Таким образом, по валовому содержанию тяжелых металлов почвы пунктов № 3 и 6 содержат высокое количество Zn и Cu (200 мг/кг и 120,5 мг/кг соответственно). В образцах почв участка, выбранного как фоновый (№ 6), валовые формы цинка и свинца (63 мг/кг и 10,3 мг/кг соответственно) были выше тех же показателей в почвах других территорий, за исключением пункта № 3 (200 мг/кг и 11,3 мг/кг соответственно). Валовое количество кадмия в почвах пункта № 6 (120, 5 мг/кг) превысило значения ПДК в 2 раза. Поскольку валовое содержание является показателем накопления поллютантов в почве и свидетельствует о степени ее загрязнения, то можно сделать вывод о том, что территория пункта № 6, выбранного как фоновый участок, не может выполнять роль такового, несмотря на удаленность от черты города. Медь и цинк являются физиологически важными для растений. Их накопление в верхних слоях почвы может свидетельствовать о том, что либо произошло изменение количества в результате увеличения pH (6,8–7,0), либо на этих участках имеются локальные источники загрязнения [16].

Согласно значениям коэффициентов биологического накопления (К_н) и поглощения (А_х) P. tanacetifolia является видом-аккумулятором ионов тяжелых металлов. Высокие показатели А_х и К_н для кадмия были отмечены у растений пункта № 1 и 4; для ионов меди – у растений пунктов № 1, 3 и 6. При этом количество подвижных форм этих элементов в почвах было относительно низким. Такой характер накопления ионов кадмия и меди, вероятно, связано с тем, что либо растения данных территорий испытывают дефицит микроэлементов к концу вегетационного периода, либо накопление происходит за счет поверхностного загрязнения и недостаточностью работы физиолого-биохимических механизмов защиты растения от поступления токсикантов. Цинк и свинец накапливался растениями в меньшей степени, несмотря на то, что содержание подвижных форм в почвах было значительно выше, по сравнению с кадмием и медью. Такая особенность может свидетельствовать о достаточно хорошо развитых защитных механизмах корневой системы растений относительно этих металлов [17; 18].

Сумму коэффициентов биологического поглощения (I_A) характеризует показатель биогеохимической активности вида (БХА). Этот показатель позволяет оценить общий эффект накопления микроэлемента у определенного вида растения при определенном комплексе условий среды [17; 19, с. 32–33]. По величине этого индекса, рассчитанного по коэффициенту биологического поглощения относительно валового содержания и подвижных форм микроэлементов, выявлены следующие тенденции. Показатель БХА по подвижным формам тяжелых металлов на всех участках значительно превышал аналогичный индекс по валовым формам (табл. 2). Среднее значение БХА ВС составило 9,24, тогда как по подвижным формам 69,895, то есть разница составила 7,5 кратное различие. Максимум индекса отмечен для пункта 6, основной вклад принадлежит меди (табл. 2).

 

Таблица 2 – Величины коэффициентов биологического поглощения (Ахвс и АхПФ), накопления (Кнвс и КнПФ) и передвижения (Кп) тяжелых металлов в органах P. tanacetifolia

Пункт	Коэффициенты	Zn	Cd	Pb	Cu
№ 1	АхВС	7,5	6,25	3,9	2,9
	АхПФ	8,9	29,6	2,47	32,8
	КнВС	1,5	3,7	1	0,25
	КнПФ	1,8	17,9	0,63	2,9
	Кп	1,5	0,01	0,58	3,25
	БХА ВС	20,55
	БХА ПФ	73,77
№ 2	АхВС	1,08	4,8	1,75	3,3
	АхПФ	3,8	4,05	3,16	4,8
	КнВС	0,3	0,55	0,06	0,2
	КнПФ	0,96	1,5	0,01	1,23
	Кп	1,5	1,4	4,66	1,2
	БХА ВС	10,93
	БХА ПФ	15,81
№ 3	АхВС	0,17	0,15	0,9	0,3
	АхПФ	9,5	4,9	1,24	3,15
	КнВС	0,05	0,05	0,37	0,02
	КнПФ	2,9	1,8	0,5	0,18
	Кп	0,84	0,6	0,8	7,7
	БХА ВС	1,52
	БХА ПФ	18,79
№ 4	АхВС	5,1	3,23	1,13	1
	АхПФ	8,6	47,8	5,5	6,4
	КнВС	0,6	2,08	0,03	0,4
	КнПФ	4,2	27,3	0,14	6,7
	Кп	0,23	0,18	13,6	0,6
	БХА ВС	10,46
	БХА ПФ	68,3
№ 5	АхВС	3,77	0,08	5,9	0,19
	АхПФ	7,8	9,1	3,7	3,8
	КнВС	0,6	0,46	1,3	0,04
	КнПФ	1,26	2,5	0,86	0,69
	Кп	1,32	1,03	0,9	2,1
	БХА ВС	9,94
	БХА ПФ	24,4
№ 6	АхВС	0,3	1	0,7	0,05
	АхПФ	4,4	4,6	3	206,3
	КнВС	0,11	0,35	0,11	0,01
	КнПФ	1,65	1,65	0,5	36,6
	Кп	0,6	0,2	2,25	0,7
	БХА ВС	2,05
	БХА ПФ	218,3

 

Анализ значений корреляций между площадками по отдельным микроэлементам выявил значительные связи между пунктами по содержанию и распределению в P. tanacetifolia цинка и кадмия (табл. 3). Тогда как достоверных взаимосвязей между площадками по свинцу и меди оказалось значительно меньшим. Высокую и весьма высокую силу корреляционной связи по цинку можно отметить для пункта 2 по отношению к 3, 5 и 6 пунктам, также между парами «пункты 1–5», «пункты 2–3», «пункты 3–6» и «пункты 4–5». Уровень значимости для них был менее 0,05. Максимальное количество корреляционных взаимосвязей отмечено по кадмию. Единственной площадкой, не имеющей сильных связей с другими, являлся пункт № 2 (табл. 3).

 

Таблица 3 – Корреляционный анализ по коэффициенту Пирсона (rxy) по совокупности эколого-геохимических индексов между исследованными площадками

№ пунктов		Пункт 1	Пункт 2	Пункт 3	Пункт 4	Пункт 5	Пункт 6
		p – уровень значимости
Коэффициент корреляции Пирсона – rxy	Цинк
	Пункт 1		0,17681	0,27615	0,052275	0,022014*	0,28575
	Пункт 2	0,71254		0,023075*	0,13491	0,030134*	0,025658
	Пункт 3	0,60849	0,92771		0,096346	0,072019	7,36·10⁻⁵*
	Пункт 4	0,87463	0,76126	0,81025		0,036675*	0,090948
	Пункт 5	0,92996	0,91351	0,84428	0,90128		0,078927
	Пункт 6	0,59903	0,92237	0,99845	0,81755	0,8343
	Кадмий
	Пункт 1		0,48522	0,018127*	0,000967*	0,031323*	0,009549*
	Пункт 2	0,4167		0,52888	0,57087	0,53686	0,34606
	Пункт 3	0,93852	0,37932		0,007912*	0,000687*	0,006044*
	Пункт 4	0,99133	0,34394	0,96472		0,018395*	0,011374*
	Пункт 5	0,91123	0,37256	0,9931	0,93792		0,007149*
	Пункт 6	0,95999	0,54135	0,97054	0,95502	0,96703
	Свинец
	Пункт 1		0,90604	0,28698	0,65983	2,59·10⁻⁵*	0,89153
	Пункт 2	0,073861		0,19812	0,019845*	0,86548	0,065837
	Пункт 3	0,59782	0,68908		0,49241	0,26665	0,072865
	Пункт 4	–0,27051	0,93468	0,4105		0,69874	0,15535
	Пункт 5	0,99922	0,10585	0,61793	–0,2389		0,85999
	Пункт 6	0,085297	0,85346	0,84304	0,73702	0,11019
	Медь
	Пункт 1		0,085367	0,76054	0,27874	0,047467*	0,0022*
	Пункт 2	0,82523		0,93699	0,45576	0,24147	0,12812
	Пункт 3	0,1892	0,049512		0,76313	0,27131	0,88297
	Пункт 4	0,60593	0,44232	–0,18713		0,41469	0,17215
	Пункт 5	0,88254	0,64342	0,61328	0,47867		0,073137
	Пункт 6	0,985	0,76954	0,092045	0,71778	0,84264

Примечание. _* – уровень значимости коэффициента Пирсона p ≤ 0,05.

 

 Данные особенности распределения значений коэффициента Пирсона указывают на значительную вариацию эколого-геохимических индексов у P. tanacetifolia по цинку и кадмию, тогда как свинец и медь характеризовались меньшими различиями в накоплении и распределении.

Аналогичные выводы получились и при сравнении силы корреляционной связи по распределению тяжелых металлов в сравнении площадок (рис. 1). Однако уровень корреляционной связи между кадмием и цинком оказался гораздо ниже (r_xy = 0,63), индексы по свинцу и меди имели минимальные значения (r_xy менее 0,2).

 

Рисунок 1 – Кластерная дендрограмма, построенная методом средней связи (pair-group method using arithmetic averages), по силе корреляционной связи между металлами по совокупности эколого-геохимических индексов

 

Выводы

Изученное распределение тяжелых металлов по площадкам в условиях урбанизированной территории можно охарактеризовать следующими особенностями и тенденциями:

1. Почвы природных экосистем, расположенных в городской среде, имеют высокие и очень высокие показатели загрязненности тяжелыми металлами. Однако доля биологически активных и доступных подвижных форм в большинстве проб не превышала валового содержания. Максимальные значения этого соотношения отмечены для цинка (в среднем 36,73%, максимум 84,3% (пункт 1)), минимум 1,82% (пункт 3) и для свинца (в среднем 75,64%).
2. По распределению по органам P. tanacetifolia наибольшими значениями эколого-геохимических индексов и коэффициентов характеризовались площадки, расположенные в условиях сильного техногенного загрязнения. Сравнение накопления и распределения тяжелых металлов выявило высокие значения показателей по цинку и кадмию (пункты 1 и 4) и по меди (пункты 1 и 6).
3. Вид P. tanacetifolia по совокупности параметров можно отнести к накопителям, что согласуется с ранними работами [5; 15]. Однако выяснено, что интенсивность поступления и избыточного накопления поллютантов в значительной мере зависит от pH почвы и степени загрязненности среды обитания [20, с. 25–27; 21].

About the authors

Galina Yurievna Samoilenko

Chita State Medical Academy

Email: g.s.311278@mail.ru

assistant of Chemistry and Biochemistry Department

Russian Federation, Chita

Evgeniy Alexandrovich Bondarevich

Chita State Medical Academy

Email: bondarevich84@mail.ru

candidate of biological sciences, associate professor of General Chemistry and Biochemistry Department

Russian Federation, Chita

Natalia Nikolaevich Kotsyurzhinskaya

Chita State Medical Academy

Email: nata_nik_k@mail.ru

candidate of biological sciences, associate professor, head of General Chemistry and Biochemistry Department

Russian Federation, Chita

Igor Anatolyevich Boriskin

Zabaykalsky Agrarian Institute - branch of Irkutsk State Agricultural University named after A.A. Ezhevsky

Author for correspondence.
Email: boriskin1985@inbox.ru

candidate of biological sciences, director

Russian Federation, Chita

References

Supplementary files