REACTION OF THE ENVIRONMENT AND CONTENT OF HEAVY METALS IN ALLUVIAL SOILS IN THE PLAIN OF THE RIVER BIG YUGAN

Full Text

Нефтедобывающая отрасль в Западной Сибири является основным фактором, оказывающим разностороннее влияние на отдельные компоненты и ландшафты. Большое количество работ, выполненных на территории Ханты-Мансийского автономного округа, посвящено проблеме нефтяного загрязнения среды, однако вопросы накопления тяжелых металлов (ТМ) в растениях рассмотрены лишь в единичных работах (Шепелева, Филимонова 2008). Наши исследования выполнены на территории Сургутского района Ханты-Мансийского автономного округа - Югры. В ряде работ (Ильин, Степанова 1981; Борисков 2000; Кудряшова 2003) установлены закономерности распределения тяжелых металлов в различных органах растений. Так, максимальное накопление отмечается авторами в корнях, затем в вегетативных органах, наименьшей аккумуляцией металлов отличаются генеративные органы. По мнению Г. А. Евдокимовой, Е. Е. Кислых, Н. П. Мозгова (1984), корни растений до определенного предела обеспечивают защиту наземных органов, однако, несмотря на это, поллютант проникает в стебли и листья растения и само растение способно ограничить его поступление в репродуктивные органы. Н. А. Черных и Л. Л. Ефремова (1988) отметили, что по мере увеличения содержания тяжелых металлов в почве до очень высокого уровня концентрация их в различных органах возрастает, но при этом сохраняется соотношение между содержанием тяжелых металлов в корнях, стеблях, листьях и репродуктивных органах. Известно, что для большинства ТМ более кислая среда способствует увеличению подвижности (Головина и др. 1988; Обухов, Плеханова 1991), а при высоких значениях рН доступность ТМ снижается (Химия тяжелых металлов 1985). Органическое вещество почвы также играет большую роль в снижении доступности ТМ для растений (Добровольский 1997). Органическим веществом активнее закрепляются медь и свинец и значительно слабее цинк и кадмий (Рэуце, Кырстя 1986). Актуальность. Для территории Сургутского района ХМАО-Югры в настоящее время имеются лишь единичные работы, касающиеся изучения геохимического фона почв и донных отложений (Сорокина и др. 2006). Полученные нами результаты исследований накопления тяжелых металлов в почвах и пойменных луговых растениях представляют поэтому большой интерес. Цель исследования - изучение закономерностей накопления тяжелых металлов у пойменных видов луговых растений. В задачи исследования входило: определение содержания тяжелых металлов (Cu, Pb, Cd) в растениях и почве; изучение влияния реакции среды почв на поглощение тяжелых металлов растениями. Материалы и методы исследования Для изучения содержания тяжелых металлов почвенный и растительный материал был собран на территории Сургутского района в окрестностях деревни Юган (рис. 1). Рис. 1. Схема расположения мониторинговых участков: 1 - Усть-Балыкское месторождение; 2 - Южно-Сургутское месторождение, 3 - пойма р. Юган Объектом исследования послужили 7 видов растений: Calamagrostis purpurea (Trin.) Trin., Carex acuta L., Carex aquatilis Wahlenb., Carex vesicaria L., Carex rostrata Stokes., Elytrigia repens (L.) Desv. ex Nevski, Phalaroides arundinacea (L.) Rausch. В фитоценозах производился отбор образцов изучаемых растений (корни, листья), а также образцов почвы. Пробы отбирались в пяти повторностях. Корни растений очищали от почвы и отмывали в проточной воде. Эксперименты проводили на высушенном сырье. Содержание тяжелых металлов в почвенных и растительных образцах определялось методом атомно-абсорбционной спектрометрии в экстракте с 5М азотной кислотой (ГОСТ 30178-96 2010; Русак и др. 2012), на атомно-абсорбционном спектрометре МГА-915 МД. Для измерения водородного показателя (рН) в почвенных вытяжках использовали прибор «Экотест-2000» (ГОСТ 26483-85 1985). Определение хлорофиллов и каротиноидов в сухом веществе растений проводилось на спектрофотометре СФ-56 по методике А. Т. Мокроносова (1994). Исследование выполнено на базе научной лаборатории биохимии и комплексного мониторинга окружающей среды НИИ экологии Севера и на кафедре ботаники и экологии растений Сургутского государственного университета ХМАО-Югры. Статистическая обработка полученных результатов анализов проведена с помощью пакета Microsoft Office Excel. Рассчитывались следующие показатели: среднее (М), стандартное отклонение (s), стандартная ошибка (m), доверительный интервал p=0,95 (с погрешностью 0,05). Для оценки накопления тяжелых металлов растениями использовали показатель отношения их содержания в надземной части растений и в почве (Перельман 1961) - коэффициент поглощения биологического (КПБ,%). Как известно, если коэффициент биологического поглощения больше 1, тогда можно говорить о способности растения аккумулировать тот или иной элемент. Расчет производился исходя из содержания тяжелых металлов в корнях и надземной массе растений и в верхнем слое почв (0-20 см). На основе полученных данных был рассчитан также транслокационный коэффициент (ТК). Он отражает способность растений транспортировать те или иные элементы из корней в надземную часть и представляет собой отношение содержания элемента в надземной части растений к его содержанию в корнях. Чем он выше, тем в большей степени растение подходит для целей ремедиации, поскольку корни сложно извлечь из почвы. Результаты исследований и их обсуждение Показатель рН используется для выражения степени кислотности - щелочности почв. Его величина, как правило, колеблется от 3,5 до 8,5. При нейтральных значениях 6,5-7,0 ед. - тяжелые металлы находятся связанными в почве, и только лишь их крайне незначительная часть усваивается растениями и накапливается. Напротив, в кислых почвах с низкими значениями рН железо, марганец и алюминий находятся в подвижной форме в виде соединений, ядовитых для растений. Кислая среда является благоприятным условием для накопления в растениях тяжелых металлов. При возрастании pH почвы подвижность TM понижается. Концентрации TM в почвенных растворах в щелочных и нейтральных почвах ниже, чем в легких кислых почвах. B суглинистых почвах с pH более 6 ед. тяжелые металлы накапливаются в верхних горизонтах. При снижении pH ниже 6 подвижность кадмия повышается; если pH ниже 5, увеличивается подвижность цинка. Свинец и медь почти всегда остаются в верхних горизонтах почвы. С увеличением кислотности почвы миграционная способность почти всех тяжелых металлов возрастает (Стрнад, Золотарева 1988). Проведено определение pH солевой и pH водной вытяжки почв и содержания свинца, меди и кадмия в почвах (табл. 1). Выяснилось, что реакция среды почв (pHвв.) слабокислая, почвы характеризуются высокой обменной кислотностью (табл. 1), что означает увеличение подвижности тяжелых металлов, которые могут легко проникать в растения. В почве, взятой под ивняком осоковым, pH верхнего слоя почв (0-10 см) выше, чем в почвах из других фитоценозов. Почва накапливает больше свинца и меди, содержание кадмия характеризуется меньшими значениями. По данным Г. М. Иванова (1989), в почвах тяжелого гранулометрического состава, как правило, обнаруживаются более высокие концентрации ТМ. В наших почвенных образцах свинец накапливается преимущественно в суглинистых почвах, глеевом горизонте. Для меди и кадмия прослеживается связь накопления только с суглинистыми горизонтами. Таблица 1 Содержание тяжелых металлов (мкг/г) и реакция среды в почвенных образцах д. Юган Место сбора, № разреза Почва Название пробы Pb Cu Cd рHвв. рHсв. Разнотравно злаковый закустаренный луг (разрез 1) Аллювиальная дерново- суглинистая слоистая супесчаная А1 5-18 см песок 19,19 12,37 0,47 5,72 3,95 В 18-26 см песок 21,57 13,83 0,20 5,78 4,03 С 26-75 см легкий суглинок 18,09 13,73 1,15 5,83 3,9 С1 75-80 см средний суглинок 45,40 19,12 0,56 5,76 4,05 Разнотравно-канареечниковый закустаренный луг (разрез 2) Дерново- глеевая Aq 0-5 см легкий суглинок - 22,02 0,84 5,23 4,11 А1 5-12 см легкий суглинок 26,45 21,34 0,43 5,47 3,76 Глей 12-49 см 48,99 21,08 0,16 5,87 4,15 Осинник закустаренный разнотравный (разрез 3) Аллювиальная дерновая слоистая на песках А1 6-26 см легкий суглинок 20,47 9,17 0,30 5,57 3,62 В 26-59 см песок 14,67 10,85 0,32 5,66 3,93 Ивняк осоковый (разрез 4) Дерновая слоистая песчаная А1 0-1 см песок 10,08 8,36 0,13 6,04 5,7 В 1-10 см песок 17,87 11,60 0,27 5,94 5,28 Меньше всего тяжелых металлов обнаружено в почве, развитой под ивняком осоковым, расположенным уже в притеррасной части поймы, затапливаемой к тому же не ежегодно. Также и pH здесь максимально близка к нейтральной (табл. 1). Почва под ивняком имеет более высокие показатели pH, но более низкое содержание тяжелых металлов в сравнении с другими почвенными образцами. Было определено содержание тяжелых металлов (Pb, Cu, Cd) у растений поймы р. Юган (табл. 2), взятых из тех фитоценозов, где были отобраны образцы почв. Таблица 2 Содержание тяжелых металлов в растительных образцах поймы реки Юган, мкг/г Точки сбора Название растений Фракции Pb Cu Cd Разнотравно-злаковый закустаренный луг Carex rostrata листья 0,18 3,04 0,12 корни 0,75 3,67 0,27 Carex acuta листья 0,19 3,43 0,53 корни 0,34 3,85 1,38 Elytrigia repens листья 0,7 3,4 0,17 корни 1,11 3,26 0,38 Разнотравно-канареечниковый закустаренный луг Carex acuta листья 0,32 7,84 0,51 корни 0,67 6,2 0,66 Phalaroides arundinacea листья 1,65 1,2 0,04 корни 0,76 5,73 0,14 Осинник закустаренный Carex acuta листья 0,07 1,3 0,39 корни 0,57 7,29 0,81 Calamagrostis purpurea листья 0,44 2,31 0,04 корни 1,44 1,52 0,29 Ивняк осоковый Carex aquatilis листья 0,1 0,74 0,29 корни 0,16 6,33 0,63 Carex vesicaria листья 0,24 0,74 0,12 корни 0,32 0,43 0,98 Carex acuta листья 0,19 0,65 0,14 корни 0,48 0,92 0,72 Проведенный анализ свидетельствует, что растения в своих органах накапливают кадмия и свинца меньше чем меди. Практически у всех видов содержание ТМ больше в корнях, чем в листьях. Кроме того, согласно расчетам КПБ (табл. 3), у некоторых видов растений (Carex acuta, Carex aquatilis) отсутствует барьеры, препятствующие попаданию тяжелых металлов (Cd) в листья. Чтобы понять влияние реакции среды почв на накопление тяжелых металлов у растений, мы рассмотрели содержание тяжелых металлов в корнях и листьях осоки острой (Carex acuta), которая была взята из разных точек поймы р. Юган (табл. 2). В листьях Carex acuta разнотравно-канареечникового фитоценоза содержание меди и свинца выше, чем у этого вида из других сообществ. Вероятно, это связано с пониженным положением разнотравно-канареечникового закустаренного фитоценоза в мезорельефе поймы и, соответственно, более высоким содержанием тяжелых металлов в почве. Таблица 3 Коэффициент биологического поглощения тяжелых металлов растениями на различных точках поймы р. Юган Точки сбора Название растений Фракции Pb Cu Cd Разнотравно-злаковый закустаренный луг Carex rostrata листья 0,009 0,24 0,25 корни 0,04 0,30 0,57 Carex acuta листья 0,01 0,28 1,13 корни 0,02 0,31 2,94 Elytrigia repens листья 0,04 0,27 0,36 корни 0,06 0,26 0,81 Разнотравно-канареечниковый закустаренный луг Carex acuta листья 0,01 0,37 1,19 корни 0,03 0,29 1,54 Phalaroides arundinacea листья 0,06 0,06 0,09 корни 0,03 0,27 0,33 Осинник закустаренный Carex acuta листья 0,003 0,14 1,3 корни 0,03 0,79 2,7 Calamagrostis purpurea листья 0,02 0,25 0,13 корни 0,07 0,17 0,97 Ивняк осоковый Carex aquatilis листья 0,006 0,06 1,07 корни 0,009 0,55 2,33 Carex vesicaria листья 0,01 0,06 0,44 корни 0,02 0,04 3,63 Carex acuta листья 0,01 0,06 0,52 корни 0,03 0,08 2,67 В корнях Carex acuta содержание меди выше, чем кадмия и свинца. Возможно, медь лучше поглощается растениями, поскольку этот микроэлемент необходим для фотосинтеза, тогда как свинец и кадмий не входят в число необходимых для растений элементов. В корнях Carex acuta из осинника закустаренного присутствует больше меди, чем в образцах осоки из других точек поймы р. Юган, тогда как на разнотравно-злаковом лугу содержание кадмия в корнях осоки острой выше, чем на других точках. Корни растения Carex acuta, взятого из ивняка осокового, развитого на почвах с более высоким pH, имеют низкие показатели содержания тяжелых металлов. Так, в ивняке осоковом, где pHвв. почвы 5,94-6,04, pHсв. 5,28-5,7 (табл. 1), осока острая содержит всего 0,1 мкг/г меди, 0,08 мкг/г свинца и 0,01 мкг/г кадмия (табл. 2). Это, очевидно, связано с тем, что при возрастании pH подвижность многих тяжелых металлов в почве понижается, и они с меньшей интенсивностью проникают в растения. На других почвах с более низкой pH растения, как правило, имеют высокие значения содержания тяжелых металлов в своих корнях. Согласно анализу коэффициента КПБ (табл. 3) лучше всего пойменными растениями поглощается кадмий. Carex acuta и Carex vesicaria накапливают кадмий наиболее активно. Коэффициенты биологического поглощения других видов сравнительно низкие. У Carex vesicaria выявлен высокий КПБ кадмия для корней, тогда как для листьев этот показатель довольно низкий, что указывает на наличие биохимического барьера. В отличие от этого вида, для Carex acuta большие значения КПБ характерны и для корней, и для листьев, что свидетельствует об отсутствии такого барьера. Чтобы понять влияние тяжелых металлов на растения, мы рассмотрели коэффициенты транслокации осоки острой и связь между содержанием фотосинтетических пигментов и ТМ (рис. 2, 3). Что касается коэффициентов транслокации, выяснилось, что для осоки острой всех изученных фитоценозов они наиболее высокие для меди (табл. 4). Данный результат указывает на высокую потребность осоки острой в этом элементе. Таблица 4 Коэффициенты транслокации тяжелых металлов осоки острой на различных точках поймы р. Юган Место сбора Pb Cu Cd Разнотравно-злаковый закустаренный луг 0,5 0,8 0,4 Разнотравно-канареечниковый закустаренный луг 0,5 1,3 0,7 Осинник закустаренный разнотравный 0,1 0,2 0,5 Ивняк осоковый 0,40 0,70 0,19 Рис. 2. Содержание тяжелых металлов в листьях Carex acuta, мкг/г Рис. 3. Содержание пигментов фотосинтеза в листьях Carex acuta, мг/г Из рисунков 2, 3 видно, что в листьях осоки острой из осинника закустаренного более высока концентрация всех фотосинтетических пигментов, но меньше меди и свинца, чем в образцах, взятых в других фитоценозах. Также невелико значение содержания кадмия. В образцах осоки острой из других фитоценозов значения концентрации хлорофиллов и каротиноидов в листьях ниже, а содержание тяжелых металлов - выше. Вероятно, на понижение содержания фотосинтетических пигментов больше влияют кадмий и свинец, так как данные тяжелые металлы являются особо опасными и проявляют признаки токсичности даже при низком содержании в растении, а медь - важный элемент для растений, он стабилизирует хлорофилл, предохраняет его от разрушения, что подтверждают результаты нашего исследования. ВЫВОДЫ 1. В почве с реакцией среды, близкой к нейтральной, подвижность свинца, меди и кадмия снижается, вследствие чего растения не накапливают большие количества тяжелых металлов. В корнях луговых растений содержание тяжелых металлов больше, чем в листьях. 2. У всех изученных пойменных луговых видов растений (Carex rostrata, Carex acuta, Elytrigia repens, Phalaroides arundinacea, Carex aquatilis, Calamagrostis purpurea, Carex vesicaria) по отношению к меди и свинцу КБП меньше единицы, что свидетельствует о наличии биохимического барьера, особенно по отношению к свинцу. Однако осоки активно поглощают токсичный кадмий, КПБ осок часто больше единицы. 3. В естественных условиях поймы р. Юган проявляется видоспецифичность в отношении поглощения тяжелых металлов растениями и их адаптации к факторам среды. 4. На примере осоки острой установлено отрицательное влияние высоких концентраций свинца и кадмия на содержание пигментов фотосинтеза, тогда как влияние меди в целом является положительным. Список сокращений ТМ - тяжелые металлы КПБ - коэффициент поглощения биологического ТК - транслокационный коэффициент рНвв. - водная вытяжка рНсв. - солевая вытяжка

About the authors

L. F. Shepeleva

Institute of Natural and Technical sciences

Doctor of Biological Sciences (Grand PhD), Professor, Head of the Department of Botany and Plant Ecology

A. I. Shepelev

Scientific Research Institute of Ecology of the North, Surgut State University

Doctor of Biological Sciences (Grand PhD), Professor, leading researcher

I. V. Kravchenko

Scientific Research Institute of Ecology of the North, Surgut State University

Candidate of Biological Sciences (PhD), leading researcher

References

Supplementary files