Биомониторинг загрязнения химическими элементами рекреационных территорий города Ростова-на-Дону

Размещено на http://www.allbest.ru/

БИОМОНИТОРИНГ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ХИМИЧЕСКИМИ ЭЛЕМЕНТАМИ РЕКРЕАЦИОННЫХ ТЕРРИТОРИЙ Г. РОСТОВА-НА-ДОНУ

Загрязнению тяжелыми металлами в условиях городской среды подвергаются вода, почва, растения и животные, а также промышленные отходы, аккумулирующие их в концентрациях, превышающих предельно-допустимые уровни. Для оценки содержания тяжелых металлов в природных средах часто используются методы биологического мониторинга, включающего систему наблюдений за экологическим состоянием компонентов природных объектов и биологическую оценку окружающей среды. Для проведения биомониторинга в качестве индикаторов состояния окружающей среды чаще всего используются растения (Шаназарова, Ахматова, 2015; Baker, 1981).

Цель работы: оценка экологического состояния рекреационных территорий города Ростова-на-Дону.

Задачи, объекты и методы исследований

Для оценки экологического состояния рекреационных территорий города Ростова-на-Дону был проведен сопряженный анализ содержания химических элементов в почвах, листьях деревьев и талломах лишайников на территории трех скверов: Дортмундского (Советский район), Осеннего (Первомайский район), 1-го Пионерского слета (Ленинский и Октябрьский районы), находящихся в разных по антропогенной нагрузке районах города (рис. 1).

Рисунок 1 - Карта-схема г. Ростова-на-Дону с указанием расположения объектов исследования: 1 - сквер Дортмундский; 2 - сквер Осенний; 3 - сквер 1-го Пионерского слета

Для изучения загрязнения химическими элементами, были отобраны образцы листьев со средневозрастных экземпляров деревьев Acer platanoides L., Robinia pseudoacatia L., Ulmus pumila L., а также талломы лишайников Phаeophyscia orbicularis (Necker) Moberg, Physcia adscendens H. Olivier и Xanthoria parietina (L.) Belt., встречающихся на территории всех трех скверов.

Анализ валового содержания химических элементов в почвах, листьях и лишайниках проводили методом рентгенфлуоресцентного анализа с помощью аппарата рентгеновского для спектрального анализа «Спектроскан МАКС-GV». Пробы почв скверов отбирали в поверхностном слое методом конверта. Количество проб соответствует ГОСТ 17.4.3.01-83.

Для оценки загрязнения использовались такие показатели, как предельно допустимые концентрации (ПДК) содержания химических элементов в почве; коэффициент концентрации химического элемента (Кс), который определяется отношением его реального содержания в почве (С) к фоновому (Сф), коэффициент опасности (Ко) - содержание химического элемента в сравнении с ПДК (СанПиН 4266-87), суммарный показатель загрязнения Zc, предложенный Ю.Е. Саетом (Сает и др., 1990).

Так как в России нормативы ПДК хрома и кобальта в почвах не разработаны, применяли ПДК для почв приусадебных участков в Германии (Eikmann, Kloke, 1991). Нормативы ПДК стронция в почвах не установлены, поэтому для оценки воспользовались величиной 600 мг/кг, принятой в качестве верхней границы нормального содержания валового стронция в почвах (Ковальский, 1974). В качестве фоновых значений использованы данные, приведенные в работе В.В. Акимцева и др. (1962), для стронция - кларк валового стронция в почвах (Ковальский, 1974), а для марганца - кларк валового марганца в почвах (Виноградов, 1962).

Оценка степени поглощения химических элементов растениями и лишайниками производилась на основании расчета коэффициента биологического поглощения (КБП), как отношения содержания химического элемента в надземной части растения к общему содержанию элемента в почве (Перельман, Касимов, 1999).

Результаты исследований

В результате оценки содержания химических элементов установлено, что для почв обследованных скверов характерно повышенное содержание валового хрома, свинца, цинка и мышьяка, которое превышает не только фоновые значения, но и ПДК, что подтверждает исследования, проведенные ранее (Безуглова и др., 2000), и свидетельствует о накоплении под пологом деревьев в поверхностном слое почвы цинка, мышьяка и свинца.

Комплексную оценку токсикологической обстановки, отталкиваясь от фонового содержания химических элементов в почве, получили, рассчитав коэффициент концентрации (Кс) для ряда химических элементов, коэффициент опасности (Ко) и суммарный показатель загрязнения (Zc) (табл. 1).

Таблица 1 Валовое содержание химических элементов в почве и результаты раcчета показателей загрязнения почвы скверов г. Ростова-на-Дону

Результаты показали, что исследованные образцы почвы всех трех скверов имеют низкий (допустимый) уровень загрязнения (Zc колеблется от 4,4 в сквере 1-го Пионерского слета до 8,5 в сквере Осеннем).

Низкий показатель степени загрязнения почвы, характерный для сквера 1-го Пионерского слета, вероятно, обусловлен тем, что на его территории регулярно осуществляется полив зеленых насаждений, тогда как в сквере Дортмундском данный вид уходных работ выполняется гораздо реже, а в сквере Осеннем вообще не осуществляется. При этом сквер Осенний расположен в промышленном районе с достаточно высокой транспортной нагрузкой, поэтому более высокое значение Zc для данного объекта весьма ожидаемо.

Расчет коэффициента концентрации (Кс) показал, что в почве сквера Дортмундского концентрация таких химических элементов, как V, Cr, Pb, Cu, Zn, As, Sr превышает фоновые показатели; при этом больше всего - Pb (Кс= 2,9). В двух других скверах превышение отмечено для всех элементов, но в сквере Осеннем - больше всего для Pb (Кс=3,1), а в сквере 1-го Пионерского слета - для V (Кс=1,8) и Co (Кс=1,8).

По коэффициенту Ко ситуация на объектах складывается более благоприятная. К элементам, представляющим опасность загрязнения почвы, можно отнести Cr, Pb, Zn, As. При этом в сквере 1-го Пионерского слета Ко всех элементов, кроме Zn и As, не превышает 1.

Результаты определения содержания химических элементов в исследованных растительных образцах и расчета коэффициентов биологического поглощения представлены в таблице 2.

Анализируя данные таблицы 2 можно заключить, что сильное превышение содержания химических элементов в листьях деревьев, по сравнению с верхней границей их среднего содержания, характерно для всех трех скверов по таким элементам, как Cr (в 45,6 - 57,6 раз), Pb (в 11,5 - 12,4 раз), Ni (в 9 - 10,2 раз), As (в 15,2 - 16,2 раз).

Превышение показателей среднего содержания Cr в листьях растений всех скверов, по-видимому, связано с региональной особенностью почв Северного Приазовья, для которых характерно исходно повышенное содержание данного элемента, что также подтверждается в исследованиях В.А.Чаплыгина (2014).

Таблица 2 Содержание химических элементов в листьях деревьев и лишайниках скверов города Ростова-на-Дону

Для лишайников обследованных скверов, установлена такая же зависимость, как и для листьев деревьев. Так, по данным, указанным в работе В.А.Чаплыгина (2014), в лишайниках, собранных в городе, содержание Cr варьировало в пределах 5-10 мг/кг, тогда как лишайники скверов Дортмундского, Осеннего и 1-го Пионерского слета характеризуются концентрацией Cr в пределах от 36,8 до 39,1 мг/кг. По остальным элементам превышение средних значений в листьях деревьев обследованных скверов не выявлено, следовательно, они лежат в границах среднестатистических значений и не накапливаются в надземной части растений.

Коэффициенты биологического поглощения позволяют оценить индивидуальную значимость химических элементов для древесных растений и лишайников. Они свидетельствуют, что такие элементы как кобальт и ванадий не востребуются древесными растениями, лишайники также характеризуются отсутствием кобальта в талломе, а ванадий оценивается как элемент очень слабого захвата. К элементам слабого накопления и среднего захвата можно отнести хром, медь, марганец и стронций. В то же время свинец, цинк и мышьяк характеризуются как элементы сильного биологического накопления. почва лишайник мышьяк кобальт

Интересно, что в отношении цинка в древесных растениях, возможно, срабатывает барьерный механизм, так как в сквере Осеннем, где содержание цинка составило 1,6 ПДК и в сквере Дортмундском (1,4 ПДК) коэффициент биологического поглощения листьями деревьев оказался ниже 1, а лишайниками выше (КБП - 2,46), в то время как в относительно более благополучном по этому химическому элементу сквере 1-го Пионерского слета наблюдается сильное накопление цинка, как листьями деревьев (КБП - 1,24), так и особенно, лишайниками (КБП оказался равным 2,56). У большинства элементов, обнаруженных в листьях, коэффициент биологического поглощения меньше единицы, следовательно, загрязнение листьев деревьев, произрастающих на территории скверов, осуществляется из почвы. Такие элементы, как свинец и мышьяк накапливаются, в основном, из атмосферы.

Накопление химических элементов, таких, как никель, цинк, мышьяк, в поверхностном горизонте почвы, свидетельствует о поступлении их из антропогенных источников, с выхлопами автомобильного транспорта и за счет деятельности промышленных предприятий.

По интенсивности накопления тяжелые металлы и мышьяк располагаются следующим образом в порядке возрастания:

- сквер Дортмундский: почва Co>As>Ni>Cu>Pb>V>Cr>Zn>Sr>Mn, деревья Cr>Mn>Cu>Zn>Sr>Ni>As>Pb, лишайники V>Cr> Mn>Sr>Cu>Ni>As>Pb>Zn;

- сквер Осенний: почва Co>As>Cu>Ni>Pb>Cr>V>Zn>Sr>Mn, деревья Cr>Mn>Cu>Sr>Ni>Zn>As>Pb, лишайники V>Mn>Cu>Cr>Sr>Ni>Zn>As>Pb;

- сквер 1-го Пионерского слета: почва As>Co>Pb>Cu>Ni>Cr>Zn>V>Sr>Mn, деревья Mn>Cr >Cu>Sr>Ni>Zn>As>Pb, лишайники V>Mn>Cu>Cr>Sr>Ni>Zn>As> Pb.

Можно сделать вывод, что на всех обследованных объектах ряды накопления в листьях деревьев и талломах лишайников химических элементов, за исключением стронция, мышьяка, цинка и меди, выглядят одинаково. Это свидетельствует о том, что накопление определенных элементов происходит практически в одинаковых объемах. При этом кобальт отсутствует в лишайниках, хотя по данным Е.Ю. Меденец (2010) в лишайниках г. Новочеркасска данный элемент обнаруживался.

В исследованных образцах листовых пластинок древесных растений кобальт также отсутствует, хотя в почвах скверов города Ростова-на-Дону в рамках настоящего исследования он был обнаружен, а в сквере Осеннем и сквере 1-го Пионерского слета даже в концентрациях, превышающих фоновые (табл.1).

По мнению Е.Ю. Меденец (2010), содержание марганца относительно других элементов в лишайнике является определенным маркером, указывающим на перестройку механизма накопления тяжелых металлов под влиянием комплекса абиотических факторов. Содержание марганца в талломах лишайников скверов города Ростова-на-Дону колеблется от 178,1 мг/кг до 226,5 мг/кг. Cодержание марганца в лишайниках сквера Осеннего выше (226,5 мг/кг), чем в двух других. Это объясняется близким расположением автомобильной дороги и завода Ростсельмаш. При этом в талломах лишайников сквера 1-го Пионерского слета наблюдается повышенное содержание свинца, что обусловлено высоким транспортным потоком в центре города.

Выводы

1. Исследованные образцы почвы всех трех скверов имеют низкий (допустимый) уровень загрязнения (Zc колеблется от 4,4 в сквере 1-го Пионерского слета до 8,5 в сквере Осеннем).

2. Установлено, что Co и V практически не востребуются древесными растениями скверов, в талломе лишайников Co отсутствует, V оценивается как элемент очень слабого захвата. Cr, Cu, Mn и Sr можно отнести к элементам слабого накопления и среднего захвата. Pb, Zn и As характеризуются как элементы сильного биологического накопления.

3. Значительное превышение содержания химических элементов в листьях деревьев, по сравнению с верхней границей их среднего содержания, характерно для всех трех скверов по таким элементам, как Cr, Pb, Ni, As.

4. По интенсивности накопления тяжелые металлы и мышьяк располагаются следующим образом в порядке возрастания: - сквер Дортмундский: почва Co>As>Ni>Cu>Pb>V>Cr>Zn>Sr>Mn, деревья Cr>Mn>Cu>Zn>Sr>Ni>As>Pb, лишайники V>Cr> Mn>Sr>Cu>Ni>As>Pb>Zn; - сквер Осенний: почва Co>As>Cu>Ni>Pb>Cr>V>Zn>Sr>Mn, деревья Cr>Mn>Cu>Sr>Ni>Zn>As>Pb, лишайники V>Mn>Cu>Cr>Sr>Ni>Zn>As>Pb; - сквер 1-го Пионерского слета: почва As>Co>Pb>Cu>Ni>Cr>Zn>V>Sr>Mn, деревья Mn>Cr >Cu>Sr>Ni>Zn>As>Pb, лишайники V>Mn>Cu>Cr>Sr>Ni>Zn>As> Pb.

Библиографический список

1. Акимцев В.В., Болдырева А.В., Голубев С.Н. и др. Содержание микроэлементов в почвах Ростовской области // Микроэлементы и естественная радиоактивность. Ростов н/Д: Изд-во Рост. ун-та, 1962. С. 37-42.

2. Безуглова О.С., Горбов С.Н., Приваленко В.В. Формирование гумусового профиля и микроэлементного состава почв рекреационных территорий г. Ростов-на-Дону // Почвоведение, 2000. № 9. С. 1142-1148.

3. Виноградов А.П. Среднее содержание химических элементов в главных типах изверженных пород земной коры // Геохимия. 1962. № 7. С. 555-571.

4. ГОСТ 17.4.3.01-83 «Об охране природы. Почвы. Общие требования к отбору почв». - М.: Изд-во стандартов, 2004.

5. Ковальский В.В. Геохимическая экология. М.: Наука, 1974. 299 c.

6. Меденец Е.Ю. Лихеноиндикация атмосферного загрязнения городов Новочеркасска и Ростова-на-Дону. Автореф. дис. … канд. биол. наук. Ростов-на-Дону, 2010. 24 с.

7. Перельман А.И., Касимов Н.С. Геохимия ландшафта. М.: МГУ, 1999. 610 с.

8. Сает Ю.Е., Ревич Б.А., Янин Е.Л. Геохимия окружающей среды. М.: Недра, 1990. 335 с.

9. СанПиН 4266-87 «Методические указания по оценке степени опасности загрязнения почвы химическими веществами». - М., 1987.

10. Чаплыгин В.А. Накопление и распределение тяжелых металлов в травянистой растительности техногенных ландшафтов Нижнего Дона: Дисс. … канд. биол. наук. - Ростов н/Д, 2014. - 193 с.

11. Шаназарова А.С., Ахматова А.Т. Оценка содержания тяжелых металлов в растениях хвостохранилища п. Сумсар (Джалал-Абадская область) // Вестник КРСУ. 2015. Т. 15. № 1. С. 165-167.

12. Baker A.J.M. Accumulators and excluders strategies in the response of plants to heavy metals // J. Plant Nutr, 1981. V. 3. № 1/4. P. 643-654.

13. Eikmann Th., Kloke A. Nutzungs- und schutzgutbezogene Orientierungswerte fur (Schad) Stoff in Boden // UDLUFA-Mitteilungen, 1991. H. 1. Р. 19-26.

Аннотация

БИОМОНИТОРИНГ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ХИМИЧЕСКИМИ ЭЛЕМЕНТАМИ РЕКРЕАЦИОННЫХ ТЕРРИТОРИЙ Г. РОСТОВА-НА-ДОНУ

Гудзенко Евгения Олеговна Государственный музей-заповедник М.А. Шолохова, Вешенская, Россия

Безуглова Ольга Степановна д.б.н, профессор

Южный федеральный университет, Ростов-на-Дону, Россия

В статье приведены данные о содержании химических элементов в почвах, листьях растений и лишайниках трех скверов города Ростова-на-Дону. В результате расчета суммарного показателя загрязнения почв химическими элементами установлено, что для почв скверов характерна слабая степень загрязнения

Ключевые слова: ПОЧВА, ДЕРЕВЬЯ, ЛИШАЙНИКИ, ХИМИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ, ЗАГРЯЗНЕНИЕ

BIOMONITORING OF CHEMICAL ELEMENTS CONTAMINATION OF RECREATIONAL AREAS OF ROSTOV-ON-DON

Gudzenko Evgenia Olegovna State Sholokhov's Museum-Reserve,

Vyoshenskaya, Russia Bezuglova Olga Stepanovna

Dr.Sci.Bio., professor South Federal University, Rostov-on-Don, Russia

The article presents the data on the chemical elements content in soils, plant leaves and lichens of three squares in Rostov-on-Don. The calculation of the total index of soil contamination by chemical elements finds that soils of the square are characterized by a low degree of contamination

Keywords: SOIL, TREES, LICHENS, CHEMICAL ELEMENTS, POLLUTION