«ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ДРЕВЕСНЫХ ВИДАХ Абжанов Талгат Сагидоллаевич PhD, старший преподаватель кафедры «Лесных ресурсов и лесного хозяйства» АО Казахского агротехнического университета ...»

УДК 630*165.51:632.937.(045)

ВЫЯВИТЬ ЭКОЛОГО-БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ НАКОПЛЕНИЯ

ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ДРЕВЕСНЫХ ВИДАХ

Абжанов Талгат Сагидоллаевич

PhD, старший преподаватель кафедры «Лесных ресурсов и лесного

хозяйства» АО Казахского агротехнического университета им.С.Сейфуллина

(г. Астаны, Казахстан)

abzh_777@mail.ru

Аннотация: Деятельность человека всегда сопровождается образованием

многочисленных объемов отходов, в т.ч. и токсичных. Промышленные предприятия и большое количество автотранспорта - обязательное сопровождение урбанизированной среды являются основными и постоянными «поставщиками» токсичных отходов в атмосферу. В нормальных условиях тяжелые металлы содержатся в почве в незначительных количествах и не являются вредными. Однако их концентрация может увеличиваться за счет выхлопных газов транспортных средств, отходов, остатков и выбросов, во время эксплуатации промышленных предприятий, внесения удобрений и т.д .

Ключевые слова: АЭС, тяжелые метал, СанПиН, ТЭЦ Тяжелые металлы, которые вошли в научную литературу в середине прошлого столетия под таким негативным названием, на современном этапе занимают уже второе место по степени опасности. В прогнозе они могут стать самыми опасными и даже более опасными, чем отходы АЭС и твердые отходы. Загрязнение тяжелыми металлами связано с их широким использованием в промышленном производстве, в результате чего они попадают в окружающую среду, нанося огромный ущерб .

Тяжелые металлы, имеющие плотность более 5 г/см3 с относительной атомной массой более 50 относятся к приоритетным загрязняющим веществам, наблюдения за которыми обязательны во всех средах. На Земле насчитывается 78 тяжелых металлов, а их общая масса не превышает 1.2 % общей массы литосферы. Чаще всего почва загрязняется такими тяжелыми металлами как железо, марганец, медь, цинк, молибден, кобальт, ртуть, свинец, кадмий и др., которые известны и под названием микроэлементов, поскольку необходимы растениям в небольших количествах. Накопление в почве токсикантов и продуктов их взаимодействия с минеральными и органическими компонентами приводит к изменению ее химического состава и физико-механических свойств, в результате почва сама может стать токсичной средой для роста и развития растений. Излишек этих элементов или наличие некоторых особо токсичных элементов даже в очень незначительных количествах может вызывать угнетение и гибель растений .

Тяжелые металлы в почве через трофическую цепь поступают в растения. В круговороте тяжелых металлов участвуют различные биологические барьеры, вследствие чего происходит выборочное бионакопление, защищающее живые организмы от избытка этих элементов. Все же деятельность биологических барьеров ограничена, и чаще всего тяжелые металлы концентрируются в почве. Устойчивость почв к загрязнению ими различна в зависимости от буферности. Среди наиболее опасных токсичных элементов следует выделить свинец, кадмий, ртуть, цинк, относящиеся к первому классу опасности (ГОСТ 17.4.1.02-83). Согласно СанПиН 2.3.2.1078-01, регламентирующих содержание токсических элементов (свинец, мышьяк, кадмий и ртуть) в БАДах на растительной основе (чаи), предельно допустимый уровень свинца составляет 6.0 мкг/г. Для цинка и предельнодопустимые уровни в лекарственном растительном сырье отсутствуют, по обобщенным литературным данным ПДК цинка для растений составляет 50 мкг/г, данные показатели носят ориентировочный характер .

Таким образом, из характеристик, изучаемых тяжелых металлов можно говорить, что основная их часть накапливается в органах растений и, конечно же, максимально в почве .

Химический состав растений, как известно, отражает элементный состав почв. Поэтому избыточное накопление тяжелых металлов (ТМ) растениями обусловлено, прежде всего, их высокими концентрациями в почвах. В своей жизнедеятельности растения контактируют только с доступными формами ТМ, количество которых, в свою очередь, тесно связано с буферностью почв. Как известно способность почв связывать и инактивировать тяжелые металлы имеет свои пределы, и в случае, когда количество токсикантов превышает необходимый предел, то в единоборство вступают сами растения с наличием физиологобиохимических механизмов, препятствующих их поступлению. Механизмы устойчивости растений к избытку ТМ могут проявляться по разным направлениям: одни виды способны накапливать высокие концентрации ТМ, но проявлять к ним толерантность; другие стремятся снизить их поступление путем максимального использования своих барьерных функций. Для большинства растений первым барьерным уровнем являются корни, где задерживается наибольшее количество ТМ, следующий - стебли и листья, и, наконец, последний - органы и части растений, отвечающие за воспроизводительные функции (чаще всего семена и плоды) .

В системе взаимодействия микроэлементов следует рассматривать каждый элемент отдельно и в комбинации, если мы хотим оценить его роль в поражении растительности. Все растения обнаруживают способность избирательно извлекать химические элементы .

Растения в условиях окружающей среды сложного геохимического состава выработали механизмы активного извлечения элементов, участвующих в жизненных процессах, и удаления токсичных избытков других элементов. Реакции растений на химические стрессы, вызванные недостатком или избытком микроэлементов, нельзя рассматривать как постоянные. У древесных растений в ходе эволюции и течении жизни (онтогенез и филогенез) вырабатываются механизмы, приводящие к адаптации, поэтому реакции растений на микроэлементы в почве и окружающем воздухе должны всегда использоваться для конкретной системы «почва-растение» .

Наибольшей подвижностью тяжелые металлы обладают в кислых почвах, поскольку в кислой среде слаборастворимые окислы металлов и фосфаты переходят в ионную форму, легко усваиваемую растениями. Увеличение кислотности почвы на 1.8-2 единицы (диапазон изменения рН для почвы составляет 4-6.5) приводит к увеличению подвижности ионов свинца в 3-6 раз, кадмия - в 4-8 раз, что в свою очередь ускоряет проникновение ионов тяжелых металлов в клетки растений .

Усугубляют загрязнение растений тяжелыми металлами «кислотные дожди», частенько выпадающие вблизи крупных индустриальных городов. Одно взрослое дерево за вегетационный период обезвреживает, содержащееся в 130 л этилированного бензина количество свинца. Пыль может сдержать до 1 % свинца .

Как почва, так и растения загрязняются в результате работы транспорта (автомобильного, железнодорожного, авиационного), а также предприятий машиностроительной, металлообрабатывающей, химической и энергетической промышленности. Так, свинец поступает в атмосферу и почву из выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания. Кадмий, свинец - в результате истирания автопокрышек .

Зеленые насаждения являются обязательной составляющей современной урбосреды, но при этом испытывают на себе повышенное антропогенное воздействие. В природе не существует растений, концентрирующих все тяжелые металлы, каждое растение аккумулирует определенные элементы. Надземные части растений - это коллекторы, накопители всех атмосферных загрязнителей. Степень поглощения микроэлементов листьями в большинстве своем определяется внешними факторами, возрастом и видом растения. В природных условиях аэрозоли микроэлементов могут удаляться с поверхности листьев дождем, ветром или вместе со слоем кутикулярного воска .

Кроме того, удаление происходит за счет адсорбции микроэлементов листьями с последующей транслокацией. При выпадении дождей, испарении и транспирации растений концентрации микроэлементов в органах растений и почвенных растворах могут изменяться в несколько раз. Удаление микроэлементов с листьев дождем зависит от характера поверхности листа и характеристик микроэлементов. На основании проведенных исследований выявлена зависимость содержания тяжелых металлов от морфологоанатомических особенностей обследованных растений. Опушенные листья с крупными листовыми пластинками накапливают больше тяжелых металлов по сравнению с менее опушенными, но эта теория не всегда верна .

При выпадении дождей, испарении и транспирации растений концентрации микроэлементов в почвенных растворах могут изменяться более чем в 10 раз. По усредненным результатам отмывок 8 химических элементов в листьях деревьев и кустарников, произрастающих в городе, содержание свинца уменьшалось на 50-60 %, a кадмия оставалось без изменения. Скорее всего, малая доля кадмия, оставшаяся на листьях, указывает на значительное проникновение этих металлов в сам орган, т.е. листья и естественно затем он легко перемещается по органам, но следует заметить, что кадмий, попавший в растение через корневую систему более токсичен. Различия в эффективности вымывания разных элементов сопоставимы с их функциями и метаболическими связями .

Отбор листьев для эколого-биологических исследований определения тяжелых металлов проводился методом средней пробы в конце вегетации с каждого вида на каждом участке. Отбиралось не менее 10 листьев с каждого дерева. Содержание тяжелых металлов в листьях определялось способом сухой минерализации, основанным на полном разложении органических веществ путем сжигания проб растений в муфельной печи при контролируемом температурном режиме .

Итак, содержание свинца в листовых пластинках в границах первого участка изменяется в следующих пределах 2,3458 мкг/г у Сaragana arborescens (f. pendula) и до 5,2743 у Juglans mandshurica (предел изменчивости - 2.9285 мкг/г), содержание кадмия - 0.6895 мкг/г у Мahonia aquifolia и до 1,7959 мкг/г у Juglans mandshurica (предел изменчивости – 1,1100 мкг/г). Свинец остается в основном как поверхностное отложение, в то время как кадмий проникает в лист. Более легкое удаление свинца при смывании объясняется тем, что этот элемент присутствует, в основном, в виде осадка на поверхности листьев. Напротив, следует подчеркнуть, что при продолжительной промывке металлы удаляются не только с поверхности, но и из тканей листа. В фоновых условиях все древесные растения характеризуются интенсивным накоплением кадмия и свинца за счет биологического поглощения из почв .

Считается, что концентрация свинца выше 10 мкг/г сухого вещества является токсичной для большинства культурных растений .

Содержание свинца в листовых пластинках в растений второго участка варьирует в следующих пределах минимум 1,8775 мкг/г у Fraxinus excelsior L. и максимум 4,8527 мкг/г у Juglans mandshurica (предел изменчивости - 2.98 мкг/г), кадмий – 0,5324 мкг/г у Мahonia aquifolia и до 1,5767 у Juglans mandshurica (предел изменчивости – 1,0500 мкг/г) .

По третьему участку следующая картина: минимум 2,7547 мкг/г у Phellodendron amurense и максимум 6,1976 у Juglans mandshurica (предел вариьирования – 3,4500 мкг/г), кадмий – 0,8426 мкг/г у Мahonia aquifolia и до 1,8284 мкг/г у Juglans mandshurica (предел изменчивости – 0,9900 мкг/г) Если рассматривать все испытуемые растения первого участка по содержанию свинца, то среднее значение по всем 13 ипытуемым видам равно – 3,2300 мкг/г, по кадмию среднее арифметическое составляет 1,0100 мкг/г. По второму участку среднее содержание свинца в листовых пласчтинках – 2,700 мкг/г, кадмия – 0,8900 мкг/г, по третьему участку свинец – 3,7400 мкг/г, кадмий – 1,300 мкг/г .

Таблица 1.- Содержание тяжелых металлов в листьях интродуцированных древесных видов (мкг/г) 1 - участок 2 - участок 3 - участок № Наименования древесных видов пп свинец кадмий свинец кадмий свинец кадмий 1 Акация желтая (ф .

плакучая) – Сaragana arborescens (f. pendula) 2,3458 0,8910 1,9868 0,7614 2,9041 1,3756

–  –  –

1,8775 0,7802 2,8248 0,8860 13 Ясень (ф.шаровидная)- Fraxinus excelsior L. - 0,8904 Кадмия в выхлопных газах, основном источнике поступления его в растения меньше, чем свинца, но зато кадмий во много раз опаснее. Если свинец может все-таки выводиться из организма, то кадмий нет, он постепенно накапливается внутри органов растений, особенно аккумулируется в корнях. А основным источником кадмия на дорогах выступают машины, работающие на дизельном топливе. ПДК кадмия в почве в разных странах колеблется от 2 до 5 мг/кг, в кормах - 1 мг/кг. Итак, можно сделать неоднозначный вывод по приведенным выше максимальным и минимальным значениям участков: среднеее арифметическое по максимальному накоплению тяжелых металлов приходится на третий участок, затем идет первый и минимальное среднее суммарного количества свинца и меди в листьях по всем 13 видам приходится на второй участок. Кроме того следует отметить, что максимум накопления и свинца, и кадмия приходится на листовые пластики Juglans mandshurica, минимум в 50 % случаев Мahonia aquifolia на всех трех участках .

Накопление кадмия в листьях растений немаловажный показатель поражения растения .

Кадмий, попавший в листья, легко перемещается. На первых двух экоучастках содержание кадмия можно зафиксировать как повышенное. Известно, что кадмий аккумулируется почвами и накапливается в органах растений. Итак, кадмия по всем трем участкам содержится от 0,6895 мкг/г (первый участок - Мahonia aquifolia) и до 1,8284 мкг/г (третий участок - Juglans mandshurica) .

Качественная характеристика угнетения древесных растений тяжелыми металлами по внешним признакам представляется недостаточной, что связано с наличием у них эволюционно выработанных механизмов адаптации к неблагоприятным условиям окружающей среды. Большую роль в локализации тяжелых металлов играют зеленые насаждения. Например, посадка вдоль автомагистралей сплошной полосы из боярышника и клена полевого снижает содержание свинца в зоне влияния автострад, на 30-50% .

На основании приведенного выше фактического материала по обследованию листовых пластинок высаженных на накопление токсикантов, произрастающих в г.Астаны на трех участках можно сделать ряд заключений. Астана не является промышленным центром, а та доля загрязнения атмосферного воздуха, которая на данный момент является довольно критической и отражается на атмосферном воздухе, почве и всех живых организмах следствие ТЭЦ и автотранспорта. Наиболее загрязненными оказались растения с третьего участка. Максимум накопления и свинца, и кадмия приходится на листовые пластики Juglans mandshurica, минимум в 50 % случаев Мahonia aquifolia .

Таким образом, по совокупности сказанного следует сделать неоднозначные выводы:

Древесные растения в различной степени аккумулируют тяжелые металлы в своих органах .

При выравненности условий произрастания выявляются виды с меньшей способностью накопления токсикантов, но тем не менее можно достоверно говорить о достаточной устойчивости испытуемых растений к достаточно загрязненным условиям г.Астаны .

Список использованных источников:

1. Медведев А.Н. Лесные питомники в Казахстане. Изд. Казгосагру,Алтаты, 1997, 176с .

2. Медведев А.Н., Марковин А.П. Опыт организации научных исследований на принципах самофинансирования (на примереагрофирмы «Клон») // Науч. журнал Казгосагру «Исследования,результаты» №4, Алтаты, 1999, С. 38-41 .

3. Сахаров В.И. Применение методов изучения стационарных случайныхпроцессов в системах растений для оценки их реакции на изменениеусловий среды // Ботанические исследования в Казахстане. Алма-Ата,Наука, 1988, С. 19 .

4. Бессчётнов П.П. Гибридные тополя и их роль в повышениипродуктивности лесов Казахстана // Науч. журнал Казгосагру«Исследования, результаты» №4, Алтаты, 1999, С. 25- 28 .