Аккумуляция тяжелых металлов растениями
Работа по анализу аккумулятивной способности растений и лишайников по отношению к тяжелым металлам в условиях урбоэкосистем выполнялась в рамках международной программы использования растительных биоиндикаторов для диагностики состояния сред обитания. На основе результатов анализа 311 образцов фитомассы, а также коры деревьев, почвы рассчитывались коэффициенты накопления (Кн), позволяющие выделить виды-накопители (индикаторы, чувствительные). Среди зеленых мхов индикаторы (Кн > 2) по отношению к стронцию все эпигейные виды Bryum argenteum, Dicranum scoparium, Abietinella abietina, к цинку – Bryum argenteum, марганцу – Amblystegium serpens, Bryum argenteum, Abietinella abietina, железу – Orthotrichum obtusifolium и Abietinella abietina. Чувствительный вид (биоиндикатор) с наибольшими Кн – Chelidonium majus – по отношению к свинцу, цинку и меди, Tanacetum vulgare – по отношению к цинку, Plantago major – по отношению к свинцу. Лихеноиндикаторы (Кн > 2) по отношению к стронцию – Parmeliopsis ambigua, Parmelia sulcata, к свинцу – Parmelia sulcata, меди – Hypogymnia physodes, Parmelia sulcata, железу и марганцу – все виды лихенобиоты. Установлены признаки для ведения аналитико-химических исследований биоиндикаторов – зеленых мхов: сочетание в паре элементов «цинк – медь». Подтверждено использование сочетанной концентрации «железо – марганец» в биомассе фоновых эпифитных видов как диагностических для атмосферного загрязнения.
3. ГОСТ 17.4.3.07-2001. Охрана природы. Почвы. Требования к свойствам осадков сточных вод при использовании их в качестве удобрений. – М., 2001. – 3 с.
4. Егорова И.Н. Содержание тяжелых металлов и радионуклидов в сырьевых лекарственных растениях Кемеровской области: автореф. дис. … канд. биол. наук. – Томск, 2010. – 21 с.
6. Лес. Человек. Чернобыль. Лесные экосистемы после аварии на Чернобыльской АЭС: состояние, прогноз, реакция населения, пути реабилитации / В.А. Ипатьев, В.Ф. Багинский, И.М. Булавик и др.; под ред. В.А. Ипатьева. – Гомель: Ин-т леса НАН Беларуси, 1999. – 396 с.
7. Методика выполнения измерений массовой доли металлов и оксидов металлов в порошкообразных пробах почв методом рентгенофлуоресцентного анализа. М 049-П/04. – СПб.: ООО НПО «Спектрон», 2004. – 20 с.
8. Поцепай Ю.Г., Анищенко Л.Н. Накопление тяжелых металлов адвентивными растениями синантропных сообществ // Проблемы экологии и агрохимии. – 2013. – № 1. – С. 35–40.
12. Шарунова И.П. Межвидовая и внутривидовая изменчивость накопления тяжёлых металлов эпифитными лишайниками в градиенте токсической нагрузки: дис. . канд. биол. наук. – Екатеринбург, 2008. – 119 c.
14. Ignatov M.S., Afonina O.M., Ignatova E.A. and others. The check-list of mosses of East Europe and North Asia. Arctoa. – T. 15. – 2006. 1-130 p.
Аккумуляционные свойства фитомассы видов в урбоэкосистемах по отношению к элементам группы тяжелых металлов (ТМ) – перспективное направление прикладных экологических изысканий, позволяющее установить индивидуальную поглотительную способность растений, лишайников [1, 4, 5]. В рамках Конвенции о трансграничном загрязнении воздуха на большие расстояния реализуется международная система мониторинга ТМ как трансграничных загрязнителей сред обитания, осуществляемой на 65 станциях [13]. Оценка степени загрязнения сред ТМ эффективно проводится и согласно международной совместной программе по воздействию загрязнения воздуха на естественную растительность и сельскохозяйственные культуры – ICP-Vegetation, в том числе и с использованием различных субстратных групп лишайников, мохообразных, сосудистых растений [15]. Представленные результаты исследования накопительной способности растений и лишайников по отношению к ТМ позволят в дальнейшем во временном разрезе оценить уровень загрязнения трансграничными поллютантами, а в настоящее время выявить чувствительные (индикаторные) виды.
Цель работы – выявить накопительные возможности растений и лишайников по отношению к элементам группы тяжелых металлов на основе коэффициентов накопления в условиях урбоэкосистем южного Нечерноземья России.
Материалы и методы исследований
Полевые исследования проводились на территории крупных городов Брянска и Орла, в условиях промышленного, транспортного и рекреационного воздействия на биосистемы. Для анализа собирались фоновые виды эпифитных и эпигейных мхов и лишайников, лекарственных растений в рудеральных и селитебных местообитаниях, кора деревьев-форофитов, почва корневой сферы и субстрата для мхов. При отборе проб придерживались рекомендаций Руководства ЕМЕП [9], анализируя содержание ТМ в биомассе фоновых (наиболее распространенных) эпифитных лишайников: Hypogymnia physodes (L.) Nyl., Hypogymnia tubulosa (Sсhаеr.) Нav., Parmeliopsis ambigua (Wulf.) Nуl., Xanthoria parietina (L.) Belt., Phaeophyscia orbicularis (Neck.) Moberg, Melanohalea olivacea (L.) O. Blanco et al., Parmelia sulcata Taylor; зеленых мхов: Amblystegium serpens (Hedw.) G. Roth B.S.G., Orthotrichum speciosum Nees. in Sturm., Orthotrichum obtusifolium Brid., Pylaisia polyantha (Hedw.) B.S.G. (эпифитные виды), Bryum argenteum Hedw., Dicranum scoparium Hedw., Abietinella abietina (Hedw.) M. Fleisch. (эпигейные виды); лекарственных сосудистых растений: Achillea millefolium L., Artemisia absinthium L., Urtica dioica L., Cichorium intybus L., Plantago major L., Tanacetum vulgare L., Tussilago farfara L., Chelidonium majus L., Rumex confertus Willd. (многолетние), Matricaria recutita L. (однолетний). Все эпифитные виды лишайников и мхов отбирались на Tilia cordata Mill. с субнейтральной корой.
Образцы почв (коры и субстратов) отбирались в момент сбора растительного материала в соответствии с методическими документами [2, 3] с глубины 2–20 см от поверхности. Отбор почвы производился с пробных площадок в 1 м2 методом конверта, затем готовилась смешанная проба, число точечных проб соответствовало ГОСТ 17.4.3.01-83 [2]. Воздушно-сухие пробы хранили в стеклянной таре.
Собранные образцы подвергались общепринятой камеральной обработке для пробоподготовки к работе на спектрометре «Спектроскан-Макс» фирмы Spectron [7]. Подготовку проб к анализу валового содержания ТМ осуществляли в соответствии с ОСТ 10259–2000, высушивание проб до сухого состояния проводили при температуре 105 °С. Проанализировано 311 образцов биомассы и столько же субстратов: коры, почвы.
Рассчитывались коэффициенты накопления (Кн) – как отношение концентрации элемента (ТМ) в биомассе растений (лишайников) к концентрации его в почве (в коре форофита) [6]. Видовые названия растений указаны по С.К. Черепанову (1995), мхов – по M.S. Ignatov et all. (2006), лишайников – по Списку лихенофлоры России [10, 11, 14].
Результаты исследований и их обсуждение
Данные о коэффициентах накопления (Кн) эпифитных лишайников представлены в табл. 1.
Коэффициенты накопления ТМ фитомассой лекарственных растений в условиях урбоэкосистем
Тяжелые металлы и их влияние на растения Текст научной статьи по специальности «Экологические биотехнологии»
Аннотация научной статьи по экологическим биотехнологиям, автор научной работы — Узаков З.З.
Постоянный рост народонаселения и быстрое развитие производства привели в конце XX-го века ситуацию с состоянием окружающей среды во многих странах и регионах мира на грань экологического кризиса. К числу основных факторов деградации природной среды относится ее загрязнение различными поллютантами, среди которых одно из главных мест занимают тяжелые металлы . В силу сказанного становится понятной актуальность исследований, посвященных влиянию тяжелых металлов на растения. В настоящее время они активно ведутся во многих странах мира.
Похожие темы научных работ по экологическим биотехнологиям , автор научной работы — Узаков З.З.
Текст научной работы на тему «Тяжелые металлы и их влияние на растения»
МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» № 1-2/2018 ISSN 2410-700Х
преподаватель, Каршинский государственный университет,
ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА РАСТЕНИЯ
Постоянный рост народонаселения и быстрое развитие производства привели в конце XX-го века ситуацию с состоянием окружающей среды во многих странах и регионах мира на грань экологического кризиса. К числу основных факторов деградации природной среды относится ее загрязнение различными поллютантами, среди которых одно из главных мест занимают тяжелые металлы. В силу сказанного становится понятной актуальность исследований, посвященных влиянию тяжелых металлов на растения. В настоящее время они активно ведутся во многих странах мира.
Тяжелые металлы, природная, техногенная, почва, экология, химические элементы, ртуть,
свинец, кадмий, цинк, медь, мышьяк.
Термин «тяжелые металлы» был впервые употреблен еще в 1817 году немецким химиком Леопольдом Гмелиным (Leopold Gmelin), который разделил известные в то время химические элементы на три группы: неметаллы, легкие металлы и тяжелые металлы (Habashi, 2009).
Однако до сих пор не существует единого понимания, что же такое «тяжелые металлы». Более того, в техническом отчете IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry - Международный союз теоретической и прикладной химии) за 2002 год отмечено, что термин «тяжелый металл» имеет неверное толкование из-за противоречивых определений. На сегодняшний день выделены лишь критерии, по которым определяется принадлежность того или иного химического элемента к данной группе. Среди них: плотность, атомный вес и атомное число. Словосочетание «тяжелые металлы» часто рассматривается с природоохранной точки зрения (Duffus, 2002), и тогда при включении элемента в эту группу учитываются не столько его физические и химические свойства, сколько биологическая активность, токсичность для живых организмов, распространенность в природной среде, степень вовлеченности в природные и техногенные циклы [1, с. 7].
Тяжелые металлы относятся преимущественно к рассеянным химическим элементам, поэтому загрязнению ими подвергается земная поверхность, в частности, почвенный покров и гидросфера, а также атмосфера (Добровольский, 1983, 2004). В силу этого повышение их концентрации в окружающей среде вследствие естественного или антропогенного поступления может носить глобальный характер. К естественным источникам тяжелых металлов относятся горные породы (из продуктов, выветривания которых сформировался почвенный покров), вулканы, космическая пыль, эрозия почв, испарение с поверхности морей и океанов, выделение их растительностью (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989; Добровольский, 1992; Богдановский, 1994) [1, с. 9].
Тяжелые металлы (ртуть, свинец, кадмий, цинк, медь, мышьяк) относятся к числу распространенных и весьма токсичных загрязняющих веществ. Они широко применяются в различных промышленных производствах, поэтому, несмотря на очистные мероприятия, содержание соединения тяжелых металлов в промышленных сточных водах довольно высокое. Прежде всего, представляют интерес те металлы, которые наиболее широко и в значительных объемах используются в производственной деятельности и в результате накопления во внешней среде представляют серьезную опасность с точки зрения их биологической активности и токсических свойств. К таким тяжелым металлам относятся свинец, ртуть,
МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» № 1-2/2018 ISSN 2410-700Х кадмий, цинк, висмут, кобальт, никель, медь, олово, сурьма, ванадий, марганец, хром, молибден и мышьяк.
Многие тяжелые металлы относятся к микроэлементам. То есть химическим элементам, присутствующим в организмах в низких концентрациях (обычно тысячные доли процента и ниже).
Значительное количество химических элементов, постоянно обнаруживаемых в организмах, оказывает определенное влияние на течение процессов обмена веществ и на ряд физиологических функций. Количественное содержание биоэлементов, входящих в состав организмов, сильно варьирует в зависимости от среды обитания, способа питания, видовой принадлежности и т. п. Помимо общего благоприятного влияния на процессы роста и развития, установлено специфическое воздействие ряда микроэлементов на важнейшие физиологические процессы — например, фотосинтез у растений. [2, с. 13]
При увеличении содержания металлов в почве снижается её общая биологическая активность, и это резко отражается на росте и развитии растений, причём разные растения реагируют на избыток металлов по-разному. Металлы распределяются по органам растений неравномерно. В наибольшей степени металлы накапливаются в листьях. Это обусловлено многими причинами, одна из которых - локальное накопление металлов в результате перехода их в малоподвижную форму. Например, в случае медной интоксикации окраска некоторых листьев у растений изменяется до красной и буро-коричневой, что свидетельствовало о разрушении хлорофилла.
Токсичность тяжелых металлов связана с их физико-химическими свойствами, со способностью к образованию прочных соединений с рядом функциональных группировок на поверхности и внутри клеток. Симптомы "отравления" растений тяжелыми металлами внешне проявляются в замедлении их роста и развития, изменении цвета и увядании листьев, уродливости и недоразвитости корневой системы.
Реакция растений на повышенные концентрации тяжёлых металлов (концентрация в почве, мг/кг):
Pb (100-500). Ингибирование дыхания и подавление процесса фотосинтеза, иногда увеличение содержания кадмия и снижение поступления цинка, кальция, фосфора, серы, снижение урожайности, ухудшение качества растениеводческой продукции. Внешние симптомы - появление темно-зеленых листьев, скручивание старых листьев, чахлая листва.
Cd (1-13). Нарушение активности ферментов, процессов транспирации и фиксации СО2, торможение фотосинтеза, ингибирование биологического восстановления NO2 до NO, затруднение поступления и метаболизма в растениях ряда элементов питания. Внешние симптомы - задержка роста, повреждение корневой системы, хлороз листьев.
Zn (140-250). Хлороз молодых листьев.
Cr (200-500).Ухудшение роста и развития растений, увядание надземной части, повреждение корневой системы, хлороз молодых листьев, резкое снижение содержания в растениях большинства незаменимых макро и микроэлементов (К, Р, Fe, Mn, Cu, B и др.).
Ni (30-100). Подавление процессов фотосинтеза и транспирации. При этом наблюдаются явления эндемического заболевания растений, например уродливые формы. Типичные симптомы повреждающего токсического действия никеля: хлороз, появление желтого окрашивания с последующим некрозом, остановка роста корней и появления молодых побегов или ростков, деформация частей растения, необычная пятнистость, в некоторых случаях — гибель всего растения. [2, с. 33].
Список использованной литературы:
1. Титов А.Ф., Казнина Н.М., Таланова В.В. Тяжелые металлы и растения. Петрозаводск: Карельский научный центр РАН, 2014. 194 с.
2. СЛ. Давыдова, В.И. Тагасов Тяжелые металлы как супертоксиканты XXI века: Учеб. пособие. - М.: Изд-во РУДН, 2002. - 140 с.
Аккумуляция тяжелых металлов в почве и растениях в условиях городской среды: на примере г. Чита тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.02.08, кандидат биологических наук Войтюк, Екатерина Александровна
Оглавление диссертации кандидат биологических наук Войтюк, Екатерина Александровна
Глава 1. Тяжелые металлы в почвах и растениях, их биологическая роль
1.1. Понятие о тяжелых металлах, их классификация
1.2. Значение тяжелых металлов и их влияние на живые организмы
1.3. Аккумуляция тяжелых металлов в почвах и растениях
Глава 2. Объекты, методы исследования
2.1. Физико-географическая характеристика района исследования
2.2. Объекты исследования
2.3. Методы исследования
Глава 3. Содержание тяжелых металлов в почве
3.1.Уровень загрязнения почвы тяжелыми металлами в условиях г. Чита
3.2. Взаимосвязь содержания тяжелых металлов в почве и растениях
Глава 4. Содержание тяжелых металлов в древесных растениях
4.1. Годовая динамика аккумуляции тяжелых металлов в листьях древесных растений
4.2. Сезонная динамика накопления тяжелых металлов в листьях древесных растений
4.3. Особенности накопления тяжелых металлов в органах древесных растений
Глава 5. Накопление тяжелых металлов в травянистых растениях
5.1. Годовая динамика накопления тяжелых металлов в листьях травянистых растений
5.2. Сезонная и годовая динамика накопления тяжелых металлов в органах травянистых растений
Рекомендованный список диссертаций по специальности «Экология (по отраслям)», 03.02.08 шифр ВАК
Накопление тяжелых металлов в древесных растениях на урбанизированных территориях Восточного Забайкалья 2012 год, кандидат биологических наук Копылова, Любовь Викторовна
Влияние урбанизации на трансформацию почвенного покрова и условия функционирования древесных растений городов Среднего Предуралья: на примере г. Сарапула и г. Камбарки 2007 год, кандидат биологических наук Никитенко, Мария Анатольевна
Металлы и древесные растения: экологические аспекты взаимовлияния 2006 год, доктор сельскохозяйственных наук Автухович, Ирина Евгеньевна
Экологические особенности древесных растений в урбанизированной среде 2011 год, кандидат биологических наук Воскресенский, Владимир Станиславович
Экологическое состояние урбанизированных территорий Балашовского района и их защита от негативного влияния автотранспорта 2006 год, кандидат биологических наук Назаров, Юрий Викторович
Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Аккумуляция тяжелых металлов в почве и растениях в условиях городской среды: на примере г. Чита»
Актуальность. С ростом урбанизации происходит изменение городской среды, которая во многих отношениях отличается от природной. Основной причиной является загрязнение тяжелыми металлами в силу их цитотоксического и мутагенного действия на все живые организмы, в том числе и на растения. Тяжелые металлы занимают особое положение среди других техногенных загрязняющих веществ, поскольку, не подвергаясь физико-химической или биологической деградации, накапливаются в поверхностном слое почв и изменяют их свойства, в течение длительного времени остаются доступными для корневого поглощения растениями и активно включаются в процессы миграции по трофическим цепям. В их числе находятся как элементы с хорошо известными биологическими функциями и жизненно необходимые для живых систем, но переходящие в разряд токсичных при повышении некоторых пределов их содержания в биологических объектах, так и элементы, физиологическая роль которых выяснена недостаточно или неизвестна и проявляющие токсический эффект уже при относительно низких концентрациях.
В настоящее время для удаления тяжелых металлов с загрязненных территорий используют различные методы (Корте, 1997; Фелленберг, 1997; Протасов, 2005). Известно, что технологические методы недостаточно эффективны и экономически невыгодны. Восстановление окружающей среды при помощи растений вызывает широкий интерес во всем мире благодаря возможностям, которые открывает технология фиторемедиации для очистки атмосферы и верхних слоев загрязненных почв (Salt D.E. et al., 1995; 1998; Экология., 2004; Прасад, 2005; Буравцев, Крылова, 2005; Холодова и др., 2005; Маджугина и др., 2008). Известно, что растительные организмы чувствительны к составу окружающей среды и активно реагируют на изменение ее состояния. Разные виды растений обладают неодинаковой способностью накапливать загрязнители, в том числе и тяжелые металлы, что может широко применяться для снижения антропогенного воздействия на урбанизированных территориях и использовать их в качестве перспективных аккумулянтов-фиторемедиантов.
Цель и задачи исследования.
Цель исследования - изучить содержание и особенности накопления некоторых тяжелых металлов в почвах и растениях в условиях городской среды (г. Чита).
1. Определить валовое содержание железа, меди, цинка, никеля, ртути в почвах городской среды и уровень их загрязнения. Провести корреляционный анализ для выявления взаимосвязи между содержанием тяжелых металлов в почве, в древесных и травянистых растениях.
2. Установить годовую и сезонную динамику в накоплении некоторых тяжелых металлов в древесных и травянистых растениях.
3. Изучить характер накопления тяжелых металлов в органах древесных и травянистых растений.
4. Выявить видовую специфику среди древесных и травянистых растений к аккумуляции железа, меди, цинка, никеля, ртути.
Научная новизна. Впервые проведены комплексные эколого-биологические исследования содержания некоторых тяжелых металлов в почвах и растениях в условиях г. Чита. Определен уровень загрязнения железом, медью, цинком, никелем, ртутью почв в условиях городской среды. Показана корреляционная зависимость между валовым содержанием металлов в почве и растениях. Получены сведения о годовой и сезонной динамики в накоплении некоторых тяжелых металлов в древесных и травянистых растениях. Выявлены виды-аккумуляторы Рори\иБ ЪаЬатг/ега и Caragana агЪогеясет по содержанию железа и цинка соответственно. Получены достоверные данные о накоплении ртути в листьях древесных и травянистых растений.
Теоретическая и практическая значимость. Полученные в работе результаты существенно расширяют и дополняют современные представления о накоплении тяжелых металлов в древесных и травянистых растениях в условиях городской среды (г. Чита). Данные по аккумуляции некоторых тяжелых металлов могут быть использованы в биоиндикации экологического состояния почв и растений, а также могут быть учтены при составлении карт геохимического загрязнения почв и растительного покрова г. Чита. Результаты исследований позволяют рекомендовать некоторые виды растений в целях фиторемедиации и для озеленения города Читы, и населенных пунктов в Забайкальском крае. Материалы исследований используются в учебном процессе при изучении дисциплин: «Экологической биохимии и физиологии растений», «Экологической химии», «Химии окружающей среды» на естественно-географическом факультете Забайкальского государственного гуманитарно-педагогического университета им. Н.Г. Чернышевского.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Антропогенная деятельность оказывает негативное влияние на состояние почв в городской среде. Почвы в условиях г. Чита загрязнены железом, медью, цинком, никелем, ртутью. Однако содержание их относятся к категории допустимых.
2. Поглощение некоторых тяжелых металлов видо - и элементоспецифично. Железо, медь, цинк, никель накапливаются преимущественно в корнях, ртуть аккумулируется в листьях у исследованных видов растений. Целесообразно создание разновидовых насаждений на урбанизированных территориях для наиболее полного очищения атмосферы и почвы от тяжелых металлов.
Апробация работы. Материалы диссертации были представлены и обсуждены на конференциях: «Экология Южной Сибири и сопредельных территорий» (Абакан, 2008), «Молодая наука Забайкалья» (Чита, 2008),
Проблемы озеленения городов Сибири и сопредельных территорий: международная научно-практическая конференция» (Чита, 2009).
Объем работы. Работа изложена на 143 страницах машинописного текста и состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы и приложения. Библиографический список состоит из 196 источников. Текст иллюстрирован 12 рисунками и 24 таблицами.
Работа выполнена на кафедре биологии и методики обучения биологии ГОУ ВПО «Забайкальский государственный гуманитарно-педагогический университет им. Н.Г. Чернышевского». Исследования проводились в период 2007-2009 гг. в соответствии с планом научно-исследовательской работы кафедры биологии и методики обучения биологии. 7
Фитотоксичное действие тяжелых металлов при техногенном загрязнении окружающей среды
В работе описаны загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами, распространение и аккумуляция металлов в природной среде и их негативные воздействия на растения.
The pollution plumbum producing plant is influence on heavy metals accumulation processing of plants. Theheavymetalswillbechangedofplantsgename.
Основными источниками антропогенного поступления тяжелых металлов в окружающую среду являются металлургические предприятия, тепловые электростанции, карьеры и шахты по добыче полиметаллических руд, транспорт, химические средства защиты сельскохозяйственных культур от болезней и вредителей, сжигание нефти и различных отходов и пр. Наиболее мощные ореолы тяжелых металлов возникают вокруг предприятий черной и особенно цветной металлургии в результате атмосферных выбросов. Действие загрязняющих веществ распространяется на десятки километров от источника поступления элементов в атмосферу. По приведенным ниже данным можно судить о размерах антропогенной деятельности человека: вклад техногенного свинца составляет 94–97 %(остальное природные источники)., кадмия-84–89 %процентов, меди-56–87 %, никеля-66–75 %, ртути -58 % [1,2].
Заметное загрязнение атмосферного воздуха и почвы происходит за счет транспорта, в том числе авиационного. Большинство тяжелых металлов, содержащихся в пылегазовых выбросах промышленных предприятий, как правило, более растворимы, чем природные соединения [3].
Тяжелые металлы - это группа химических элементов с относительной атомной массой более 40. Появление в литературе термина «Тяжелые металлы» было связано с проявлением токсичности некоторых металлов и опасности их для живых организмов. Однако в эту группу вошли и некоторые микроэлементы, жизненная необходимость и широкий спектр биологического действия которых неопровержимо доказаны. Влияние микроэлементов на жизнедеятельность животных и человека активно изучается и в медицинских целях. В настоящее время выявлено, что многие заболевания, синдромы и патологические состояние вызваны дефицитом, избытком и дисбалансом микроэлементов в живом организме и имеют общее название «микроэлементы».
Фитотоксичное действие тяжелых металлов проявляется, как правило, при высоком уровне техногенного загрязнения ими почв и во многом зависит от свойсв и особенностей поведения конкретного металла. Однако в природе ионы металлов редко встречаются изолированно друг от друга. Поэтому разнообразные комбинативные сочетания и концентрации разных металлов в среде приводят к изменениям свойств отдельных элементов в результате их антогонического воздействия на живые организмы [4].
Растительная пища является основным источником поступления ТМ организм человека и животных. По данным с ней поступают 40–80 % тяжелых металлов, и только 20–40 %. — с воздухом и водой. Поэтому от уровня накопления тяжелых металлов в растениях, используемых в пищу, в значительной степени зависит здоровье населения. Химический состав растений, как известно, отражает элементный состав почв. Поэтому избыточное накопление тяжелых металлов растениями обусловлено, прежде всего, их высокими концентрациями в почвах.
Несмотря на существенную изменчивость различных растений к накоплению тяжелых металлов, биоаккумуляция элементов имеет определенную тенденцию, позволяющую упорядочить их в несколько групп: 1) Cd,Cs, Rb — элементы интенсивного поглощения; 2) Zn, Mo, Cu, Pb, Co, As –средней степени поглощения; 3) Mn, Ni, Cr –слабого поглощения; 4) Se, Fe, Ba, Te — элементы труднодоступные растениям.
Другой путь поступления тяжелых металлов в растения — некорневое поглощение из воздушных потоков. Поступление элементов в растения через листья (или фолиярное поглощение) происходит, главным образом, путем неметаболического проникновения через кутикулу. Тяжелые металлы, поглощенные листьями могут переносится в другие органы и ткани и включаться в обмен веществ.
Свинец и кадмий относятся высокотоксичным металлам. В придорожных растениях количество свинца резко повышено, оно в 10–100 раз выше по сравнению с растениями, растущими вдали от дорог. Между содержанием свинца в растениях и расстоянием дерева от дороги существует доказуемая обратная зависимость. Свинец в достаточно высокой концентрации тормозит прорастание семян растений, замедляет рост корней в длину, а также образование корневых волосков. Листья отравленных свинцом растений становятся хлоротичными в межжилковых зонах. Особенно сильно поражаются молодые листья. Высокое содержание свинца в растениях негативно влияет на рост и развитие:
- снижается активность фотосистемы І и ІІ, причем фотосистема-ІІ более чувствительная к действию этого фитотоксиканта.
- оказывает ингибирующее влияние на реакцию Хилла, т. е. на способность изолированных хлоропластов на свету выделять кислород.
- в хлорпластах растений наблюдается подавление образования АТФ;
- вызывает потерю тургора клетками растений;
- прекращается деление клеток корня;
- подавляется образования корнеплодов, урожайность культурных растений;
- снижается количество каротина и аскорбиновой кислоты;
Некоторые травянистые растения, чувствительны по отношению к свинцу: ячмень, овес, пшеница, картофель. Среди дикорастущих следует отметить смолевку, которая от высокого содержания свинца приобретает карликовую форму, листья и стебли становятся темно-красными, а цветки мелкими и невзрачными [5].
Главным загрязнителем окружающей среды кадмием является цветная металлургия и обработка цветных металлов. Кроме того кадмий поступает в атмосферу при сгорании мусора и отходов. Большое количество кадмия обнаруживается в растения, произрастающих поблизости от автодорог. Так, например в хвое ели обыкновенной, растущей поблизости автодорог количество кадмия возрастает в 11–17 раз. Симптомы избыточного поступления в растения кадмия проявляются в постепенном изменении окраски кончиков листьев и черешков до красновато-бурой и пурпурной. При этом листья скручиваются и опадают. Кадмий замедляет темпы роста растений. При внесении его в количестве 20 мг на 1 кг почвы урожай растения снижался на 50 %. По силе своего действия кадмий превосходит многие другие тяжелые металлы. Гибель растений отмечается при концентрации кадмия в почве в количестве 30 мг/кг и выше. Большое количество кадмия поступает в почву при разработке и добыче цинковых руд. На таких почвах нельзя выращивать растения, ибо этот токсикант аккумулируется в тканях растений и может затем поступать в организм человека. Накопления кадмия происходит главным организм человека. Одна из причин торможения роста растений, произрастающих в присутствии кадмия — резкое ослабление интенсивности фотосинтеза. Присутствие в 1 кг листьев 96 мг этого элемента снижает интенсивность фотосинтеза на 50 % [6].
Поступление тяжелых металлов в растения может происходить непосредственно из воздуха с оседающей на листья и хвою пылью и транслокации из почвы: доля тяжелых металлов в составе пыли на поверхности листьев вблизи источника составляет в среднем 30 проц. от общего содержания в них тяжелых металлов. В понижениях и с наветренной стороны это доля может доходить до 60 %. По мере удаления от источника роль атмосферного загрязнения заметно уменьшается.
Главным загрязнителем атмосферы кадмием является цветная металлургия и обработка цветных металлов. Кроме того, кадмий поступает в окружающую среду при сгорании некоторых видов топлива и особенно при сжигании мусора и отходов. Из атмосферы кадмий поступает в почву. Загрязнение ее этим элементом носит устойчивый характер, поскольку из почвы он вымывается медленно. Большое количество кадмия обнаруживается в растения, произрастающих поблизости от автомобильных дорог. Так, например в хвое ели обыкновенной, растущей поблизости от автострад, количество кадмия возрастает в 11–17 раз. Симптомы избыточного поступления в растения кадмия проявляются в постепенном изменении окраски кончиков листьев и черешков до красновато-бурой и пурпурной. При этом листья скручиваются и становятся хлоратичными и опадают. По силе своего действия на растения кадмий превосходит многие другие тяжелые металлы. Гибель растений отмечается при концентрации этого элемента в почве в количестве 30 мг/кг. Вблизи предприятий, выбрасывающих в атмосферу кадмий наблюдается резкое снижение урожайности и даже гибель культурных растений. Накопление кадмия происходит главным образом в корнях растений (риса, пшеницы), однако часть его достигает органов. Одна из причин торможения роста растений, произрастающих в присутствии кадмия, резкое ослабление интенсивности фотосинтеза. Присутствие в 1 кг листьев 96 мг этого элемента снижает интенсивность фотосинтеза на 50 %. Существует прямая зависимость между содержанием кадмия в почве и поступлением его в растения.
Токсическое влияние оказывают на растения и другие металлы, загрязняющие природную среду, например бериллий, марганец, медь, хром, ванадий, цинк и др.
1. Кузнецов А. В. Контроль техногенного загрязнения почв и растений // Агрохимический вестник. –1997г. -№ 5, -С. 7–9
2. Минеев В. Г. Проблема тяжелых металлов в современном земледелии // Тяжелые металлы и радионуклиды. –М., 1994г. –С. 42–48
3. Бутовский Р. О. Тяжелые металлы как техногенные химические загрязнители и их токсичность для почвенных беспозвоночных животных //Агрохимия.-2005 г. -№ 4, -С 73–91.
4. Алексеев Ю. В. Тяжелые металлы в почвах и растениях. –Ленинград, 1987 г. –С. 141–144.
5. Зырин Н. Г. Тяжелые металлы в почвах и растениях в районе медеплавильного завода. –м., 1986г. –С. 81
6. Артомонов В. И. Растения и чистота природной среды. –М., 1986 г. –С. 27–31.
Основные термины (генерируются автоматически): металл, растение, кадмий, окружающая среда, почва, лист, организм человека, цветная металлургия, элемент, главный образ.
Накопление тяжелых металлов в растениях в зависимости от уровня загрязнения почв
В статье рассматриваются проблемы загрязнения окружающей среды от деятельности металлургической промышленности. Приведены основные загрязняющие вещества металлургического производства. Даны содержания тяжелых металлов в почве и растениях.
In the article it is considered a problem of environmental pollutioncaused by mining industry. The main polluters of thi mining and metallurgical complex are given by stages of regeneration cycle. Recommendations on refining the ecologicalcondition
Одним из основных принципов концепции устойчивого развития является: право на развитие должно быть реализовано таким образом, чтобы удовлетворять потребности в развитии сохранении окружающей среды нынешнего и будущих поколений. Так как особенность многих видов природных ресурсов проявляется в том, что их использование ограничено во времени. Уровень их потребления сегодня должен жестко предопределять возможность удовлетворения потребности в них в будущем. Именно с этой проблемой природопользования связан вопрос рационального использования природных ресурсов, так как предприятия перерабатывающей промышленности в основной своей части являются эколого-опасными. Поэтому решение данных проблем предопределяет необходимость поиска оптимального, рационального обеспечения текущих и будущих потребностей и выработки обоснованной политики недропользования и охраны окружающей среды [1]. В настоящее время воздействие человека на окружающую среду по своим масштабам превосходит способности природы к самовосстанавлению. Опасны мигрирующие отходы не полностью протекающих технологических процессов: газовые выбросы, сточные воды промышленных предприятий, содержащие токсичные соединения и попадающие в почву и водоемы [2].
Наиболее крупные загрязнители окружающей среды в Южно-Казахстанской области сосредоточены в городе Шымкент. Среди них АО ПК «Южполиметалл» расположен в территории города и оказывает существенное влияние на загрязнение окружающей среды, а неблагоприятная экологическая обстановка в районе свинцового производства складывалась годами. АО ПК “Южполиметалл” оказывает существенное влияние на накопление тяжелых металлов в почве и растениях.
Мы изучили закономерности распространения и аккумуляции тяжелых металлов растениями в зависимости от содержания их в почве и определили содержание тяжелых металлов в почве и растениях распространенных участках территории города
Для исследования использованы были следующие методы: атомно-адсорбционным метод определения содержания тяжелых металлов в почве и растениях (свинец, кадмйя, цинк и медь).
Для оценки пространственного распределения тяжелых металлов в г.Шымкент были выбраны 4 пункта исследования.
Пункт № 1 расположен в 200 м от АО ПК “Южполиметалл”. Пункт № 2 расположен на расстоянии 3 км от свинцового производства, в центре города. Пункт № 3 расположен на расстоянии 5 км в северо-восточном направлении города. Пункт № 4 — контрольный пункт, расположенный в 80 км от города. Из выше перечисленных пунктов отбирались пробы почвы и растения, как подорожник ланцетолистный (Plantago lanceolata), мятлик луговой (Paa protensis) и ячмень заячий (Hordeum leporinum), клен ясенелистный (acer negundo), тополь черный (Populus nigra), карагач (Ulmus pumila), ива Вавилонская (Salix babilonica), акация белая (Robinia pseudoacacia)
Данные о содержании тяжелых металлов в почве представлен в рисунке 1.
Как видно из таблицы, содержание свинца в почве показало, что максимальная концентрация данного элемента характерна для района металлургического производства. Содержание свинца в пункте № 1 составило 946,11 ± 5,04 мг/кг, что превышает ПДК в 27 раз, а контрольный показатель в 45 раз. Это объясняется тем, что 30–35 % промышленных выбросов оседают на территории производства. Высокотоксичный свинец является основным выбросом свинцового производства, так как происходит накопление его в почве. В других пунктах исследования по мере удаления от свинцового производства наблюдается снижение содержания свинца в почве.
Содержание цинка в почве составляет в пункте № 1 171,30±4,64 мг/кг, то-есть по сравнению с контрольным пунктом в 14 раз превышает контрольный показатель, а ПДК в 2 раза. Высокое содержание цинка так-же отмечаны в пункте № 2, оно составляет 20,65±2,14 мг/кг, что превышает контрольный показатель в 10 раз, но не превышает ПДК. В других пунктах содержание цинка не превышает показатель контрольного пункта. Наиболее высокие содержания меди и кадмия так-же были установлены в производственном пункте. Во всех других пунктах содержание меди не превышает ПДК, но по сравнению с контрольным пунктом превышает контрольный показатель. Содержание кадмия во всех пунктах превышает ПДК.
Высокие содержания выше указанных тяжелых металлов установлены в районе АО ПК “Южполиметалл” (пункт № 1). В других пунктах по мере удаления от производства содержание тяжелых металлов в почве снижается.
Рис. 1. Содержание тяжелых металлов в почве (мг/кг)
Почва является важнейшим объектом окружающей среды. В отличие от других объектов окружающей среды (воздух, вода), где протекают процессы самоочищения, почва обладает этим свойствам в незначительной мере. Более того для некоторых веществ, в частности для тяжелых металлов почва является едким акцептором.
Тяжелые металлы прочно сорбируются и взаимодейтвуют с почвенным гумусом, образуя труднорастворимые соединения. Таким образом идет их накопление в почве. Наряду с этим в почве под воздействием различных факторов происходит постоянная миграция поподающих в нее веществ и перенос их на большие расстояния [3].Тяжелые металлы попадающие в почву с выбросами предприятий, прочно связываются уже в верхнем слое. Максимальное содержание металлов в почвах наблюдается на расстояниях 1–3 км от источников загрязнения [4].
Данные о содержании тяжелых металлов в растениях представлены на рисунке 2,3.
Как видно из рисунка, акация белая, тополь черный и мятлик луговой аккумулирует свинец в высокой степени. Его содержание в пункте № 1 составило в акаций белой 292,9 мг/кг, что превышает ПДК 58 раз, а контрольный показатель в 15 раз. Содерание свинца в тополе 91,42 мг/кг (18 ПДК), контрольный показатель превышает в 5 раз, в мятлике луговой — 67,14 мг/кг, что превышает контрольный показатель в 27 раза, а ПДК — в 13 раз. Содержание свинца в ячмене тоже высокое, оно составило 42,14±2,32 мг/кг, что превышает контрольный показатель в 21 раз, а ПДК — в 8 раз. У подорожника ланцетолистного содержание свинца составляет 31,07±2,65 мг/кг, что превышает контрольный показатель в 15 раз, а ПДК — в 6 раз. Анализ результатов определения содержания цинка в изучаемых видов растениий также показал различную аккумулятивную способность.
Рис. 2. Содержание тяжелых металлов в растениях (Пункт № 1- район ЗАО «Южполиметалл»), (мг/кг)
Рис. 3 Содержание тяжелых металлов (Пункт № 4 — контрольный пункт), (мг/кг) ПДК: Свинец–5мг/кг; цинк–30мг/кг; кадмий–0,3мг/кг.
Максимальное содержание цинка в растениях так-же было отмечано в пункте № 1, у мятлика лугового оно составляет 48,57±3,46 мг/кг, что превышает ПДК 1,6 раза, а контрольный показатель в 12 раз. У подорожника ланцетолистного и ячменя заячего содержание цинка не превышает ПДК, но намного выше по сравнению с контрольным пунктом. Содержание кадмия во всех растениях значительно выше ПДК.
Результаты проведенных исследований показали, что с увеличением поступления в почву тяжелых металлов, соответственно повышается уровень поглощения тяжелых металлов растениями.Таким образом, результаты исследований свидетельствуют о загрязнении почв и растений тяжелыми металлами металлургического производства.
1. Окружающая среда и устойчивое развитие в Казахстане. Обзор ПРООН. Алматы, 2004г. 210 с.
2. Гринь А. В., Ли С. К. Поступление тяжелых металлов в растения в зависимости от их содержания по миграции // Тезисы докладов II — Всемирного совещания по миграции загрязненных веществ в почвах и определенных сферах. Ленинград, 1980г. — С. 46–48.
3. Микшевич Н. В., Ковальчук Л. А. Тяжелые металлы в системе “почва — растения — животные” в зоне действия медеплавильного предприятия // Материалы 2 — Всесоюзной Международной Конференции по ТМ в окружающей среде и охраны природы. 1988г. — С. 127–129.
4. Садовников Л. К. Влияние промышленных предприятий на окружающую среду// Тезисы доклодов. Мониторинг содержания ТМ в почвах естественных и техногенных ландшафтов. г. Пущино, 1984г. –С.163
Основные термины (генерируются автоматически): контрольный показатель, окружающая среда, почва, контрольный пункт, металл, пункт, раз, свинцовое производство, содержание свинца, содержание цинка.
Читайте также: