Экологические последствия загрязнения тяжелыми металлами фитоценозов Центральной России

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

03.00.16 - Экология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора сельскохозяйственных наук

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПОСЛЕДСТВИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ТЯЖЁЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ ФИТОЦЕНОЗОВ ЦЕНТРАЛЬНОЙ РОССИИ

КУЗНЕЦОВ М.Н.

Брянск - 2009

Работа выполнена в Государственном научном учреждении «Всероссийский научно-исследовательский институт селекции плодовых культур Российской Академии сельскохозяйственных наук»

Научный консультант:

Заслуженный деятель науки Российской

Федерации, доктор сельскохозяйственных наук, профессор Лобков Василий Тихонович

Официальные оппоненты:

доктор сельскохозяйственных наук, профессор Васильев Михаил Емельянович

доктор сельскохозяйственных наук, профессор Стифеев Анатолий Иванович

доктор биологических наук, профессор Иванов Валерий Павлович

Ведущая организация: ФГОУ ВПО «Воронежский государственный аграрный университет им. К. Д. Глинки»

Защита состоится «29» октября 2009 года в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 220.005.01 при ФГОУ ВПО «Брянская государственная сельскохозяйственная академия» по адресу: 243365 с. Кокино Выгоничского района Брянской области.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Брянской государственной сельскохозяйственной академии.

Автореферат разослан «..........» ............................ 2009 года и размещен на официальном сайте ВАК РФ www.vak.ed.gov.ru

Просим принять участие в работе совета или прислать свой отзыв в двух экземплярах, заверенных печатью.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор сельскохозяйственных наук А. В. Дронов

1. Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. В современном мире антропогенные изменения затронули практически все экосистемы планеты. Во многих регионах превышены адаптационные возможности природы, нарушено её динамическое равновесие. Внимание научной общественности приковано к острейшим проблемам экологии.

Повышенное внимание уделяется вопросам загрязнения почвы и окружающей среды тяжёлыми металлами. Они представляют большую опасность, как для человека, так и для природных и сельскохозяйственных экосистем. Это связано с тем, что данные элементы достаточно быстро накапливаются в почве, но очень долго из неё удаляются.

Источники поступления тяжёлых металлов в почву и окружающую среду различны: это промышленные отвалы, удобрения, химические средства защиты растений, выбросы транспорта и др. Действие этих источников в перспективе будет только усиливаться. Промышленное развитие нашей страны, богатой сырьевыми ресурсами, будет приводить к увеличению площадей земель, занятых промышленными отвалами. По нашим подсчётам в небольшой по размерам Орловской области площади для складирования отходов уже сейчас составляют более 1000 га. По данным Р. М. Алексахина в России площади почв, загрязненных тяжёлыми металлами составляют 3,6 млн. га. Также неизбежно увеличение внесения минеральных удобрений, применения средств защиты растений, выбросов промышленности и транспорта и т.п.

Для регионов Центральной России эта проблема имеет особое значение. Это связано с важной ролью данных территорий в обеспечении страны продукцией сельского хозяйства. Кроме того, возникающие неблагоприятные экологические последствия приводят к усугублению и без того непростой демографической ситуации из-за увеличения заболеваний и смертности населения.

К настоящему времени различные аспекты загрязнения окружающей среды тяжёлыми металлами освещены в работах Алексеева Ю. В., Николаевского В. С., Трунова И. А., Дубовика В. А., Степановой Л.П., Матвеева Н. М., Неверовой О. А., Говоровой А. Ф., Васенёва И. И., Стифеева А. И., Иванова В. П., Серёгина И. В., Лихачева Б. С. и др. Однако недостаточно исследованными остаются вопросы изменения комплекса фитоценозов на территориях, подвергшихся длительному и интенсивному техногенному загрязнению. Между тем, растения являются начальным элементом в цепи биосферных изменений, происходящих под влиянием загрязнения окружающей среды тяжёлыми металлами, и именно экологические последствия загрязнения фитоценозов могут привести к сдвигу экологического равновесия в ландшафтных системах.

В связи с этим, научный поиск в избранном нами направлении имеет особую актуальность и важное значение для решения проблемы организации рационального природопользования и охраны окружающей среды.

Целью исследований было установление закономерностей и параметров изменения состояния естественных растительных сообществ и агрофитоценозов под влиянием длительного и интенсивного загрязнения окружающей среды тяжёлыми металлами и агроэкологическая оценка их действия в системе почва - растение.

В задачи исследований входило:

оценить масштабы длительного агро- и техногенного загрязнения почв тяжёлыми металлами;

изучить изменения морфогенетических, физиологических и биохимических процессов в растениях под влиянием тяжёлых металлов, и выявить адаптивную реакцию растений;

определить комплекс структурно-функциональных параметров высших растений на разных уровнях их организации для диагностики состояния в условиях техногенного и агрогенного воздействий;

разработать способы оценки экологического благополучия загрязнённых территорий по показателям флуктуирующей асимметрии;

провести оценку состояния естественных фитоценозов на территориях, загрязнённых тяжёлыми металлами;

осуществить зонирование территорий по степени загрязнения тяжёлыми металлами;

дать эколого-экономическую оценку приемам повышения экологической безопасности ягодных культур при возделывании на загрязнённых территориях.

Научная новизна результатов исследований

Впервые проведено масштабное комплексное исследование фитоценотических изменений, происходящих в результате длительного техно- и агрогенного загрязнения территорий сельскохозяйственного использования.

В приоритетном порядке:

представлены результаты комплексного исследования дифференцирующего воздействия техногенных и агрогенных источников загрязнения системы почва - растение тяжёлыми металлами и разработаны приёмы снижения их фитотоксичности;

разработан и применён на практике интегральный метод оценки состояния растительных организмов и окружающей среды в зоне антропогенного загрязнения (ФА-анализ), впервые разработана специфическая шкала оценки стабильности развития яблони в зонах антропогенного загрязнения;

проведено экологическое зонирование территории с использованием различных фитоиндикаторов;

для серой лесной почвы садового агроценоза установлены закономерности миграции Pb, Ni, Zn и Cu в системе почва - ягодные растения и использован нанопористый природный минерал (цеолит Хотынецкого месторождения) для снижения их токсичности и поступления в плоды ягодных культур;

определены оптимальные для каждой культуры дозы цеолита, обеспечивающие экологическую безопасность плодов смородины чёрной, крыжовника и малины;

получены данные о влиянии тяжёлых металлов на развитие корней проростков плодовых культур с использованием электронной сканирующей микроскопии;

дана оценка сукцессионным изменениям в лесном фитоценозе в связи с действием тяжёлых металлов.

Положения, выносимые на защиту

1. Особенности экологической напряжённости территории в связи с загрязнением тяжёлыми металлами почв различных типов и режимом их использования.

2. Изменение морфологических, физиологических и биохимических показателей культурных и дикорастущих растений под влиянием загрязнения территорий тяжёлыми металлами.

3. Учёт индивидуальных особенностей растений к произрастанию на загрязнённых территориях.

4. Зонирование территорий по показателям радиального прироста древесных растений, видового разнообразия и обилия травянистой растительности, лихеноиндикации и флуктуирующей асимметрии.

5. Использование нанопористого природного минерала для снижения поступления тяжёлых металлов в плодовые и ягодные растения.

Практическая значимость работы и реализация её результатов

Научно обоснованы экологические риски размещения в отвалах токсичных отходов промышленного производства, их негативное влияние на фитоценозы.

Разработаны:

приёмы снижения поступления тяжёлых металлов в ягодную продукцию на основе использования природного нанопористого минерала;

интегральный метод оценки состояния окружающей среды с использованием растений-индикаторов;

методические рекомендации по определению свинца и никеля в органах растений и подвижных форм меди в почве, которые могут быть использованы в аналитических лабораториях и образовательном процессе.

Результаты исследований использованы при разработке экологического каркаса на территории Орловской области, при осуществлении государственной экологической экспертизы проектов строительства и реконструкции объектов экономики области, разработке областной программы «Отходы», проектировании национального парка «Орловское Полесье», закладке промышленной плантации смородины чёрной на площади 23 га в ООО «Садовод» Сызранского района Самарской области - опорном пункте ГНУ ВНИИСПК.

Организация исследований и личный вклад автора

Автором разработаны методики экспериментов, ему принадлежит: постановка и организация проведения полевых и лабораторных опытов, получение основной части экспериментального материала (90%), анализ и интерпретация эмпирических результатов, проведение статистической и экономической оценки результатов исследований, формулирование новых закономерностей, выводов и рекомендаций производству

Апробация работы

Результаты исследований докладывались и получили положительную оценку на Российской научно-практической конференции «Достижения аграрной науки в решении экологических проблем Центральной России» (Орёл, 1999 г.), конференциях профессорско-преподавательского состава ОрёлГАУ (1997; 1999 гг.), на всероссийских научно-методических конференциях «Состояние и перспективы развития ягодоводства в России» (Орёл, 2006 г.), «Актуальные проблемы садоводства России и пути их решения» (Орёл, 2007 г.), на 41 международной научной конференции «Агрохимические приёмы рационального применения средств химизации как основа повышения плодородия почв и продуктивности сельскохозяйственных культур» (Тула, 2007 г.), на международной конференции «XI Царскосельские чтения: Вузовская наука качества жизни человека, (Санкт-Петербург, 2007 г.), «Проблемы агроэкологии и адаптивность сортов в современном садоводстве России» (Орёл, 2008 г.), на научно-практической конференции памяти доктора сельскохозяйственных наук С. Ф. Неговелова к 105-летию со дня рождения «Проблемы почвенного мониторинга в аграрном секторе» (Краснодар, 2008 г.), «Оптимизация технолого-экономических параметров и структуры агроценозов при возделывании плодовых культур и винограда» (Краснодар, 2008 г.), на «Дне садовода» (Мичуринск, 2008 г.).

Отдельные материалы диссертации докладывались и обсуждались на заседаниях отдела агроэкологических исследований и Ученого совета ГНУ ВНИИСПК (2005, 2006, 2007, 2008, 2009 гг.).

Объём и структура работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, результатов собственных исследований, выводов и предложений производству, списка литературы. Работа изложена на 323 страницах машинописного текста, содержит 80 таблиц, 91 рисунок. Список литературы включает 405 источников, в том числе 83 иностранных.

Автор выражает глубокую признательность сотрудникам лаборатории агроэкологических исследований: кандидату сельскохозяйственных наук Мотылёвой С. М., кандидату биологических наук Голышкину Л. В., кандидату биологических наук Леоничевой Е. В., чьи добрые советы и пожелания сыграли неоценимую роль в подготовке данной работы.

Особая благодарность научному консультанту, Заслуженному деятелю науки РФ, доктору сельскохозяйственных наук, профессору Лобкову В. Т. за многолетнее плодотворное научное сотрудничество.

2. Содержание работы

Проблема загрязнения окружающей среды тяжёлыми металлами, их накопление в почве и действие на растения (краткий аналитический обзор)

На основе анализа научной литературы и статистических источников показано состояние исследований по данной проблеме. Сделан вывод о недостаточности проработки фитоценотических аспектов последствий загрязнения окружающей среды тяжёлыми металлами. Обоснованы актуальность и новизна проведённых исследований.

Условия, методика и объекты проведения исследований

Исследования проводились в 1992…2008 годах.

Для изучения нами была избрана наиболее типичная для промышленных предприятий зона техногенного воздействия - Думчинский отвал, а также территории, подвергающиеся многолетней интенсивной обработке пестицидами и воздействию минеральных удобрений - плодовые и ягодные насаждения.

Исследования проводились на территории Орловской области, условия которой типичны для многих областей Центрального региона России. Шлаковый отвал АООТ «Цветные металлы и сплавы» (АООТ ЦМиС) расположен вблизи насёленного пункта Большое Думчино (1 км). С северо-восточной и восточной сторон к отвалу примыкает лесной массив, а с остальных его окружает пашня.

Также проводились исследования в районе памятника природы - балки Непрец, во ВНИИЗБК, на территории Орловской области. Данные объекты рассматривались в качестве контроля.

Климат Орловской области формируется под влиянием атлантических и континентальных воздушных масс и является умеренно-континентальным.

В местах проведения опытов климатические условия различаются незначительно. Средняя годовая температура воздуха +4,5С, абсолютный максимум +38С. Сумма положительных температур выше 10С равна 2250С. Среднее число дней со снежным покровом - 126. Самый тёплый месяц - июль, самый холодный - январь. Среднегодовое количество осадков составляет 560 мм, в том числе за апрель...октябрь - 350...400 мм. В направлении с северо-запада на юго-восток оно уменьшается примерно на 50...120 мм. Наибольшее количество осадков выпадает в июне...июле. Среднее значение гидротермического коэффициента (ГТК) составляет 1,4. Вегетационный период продолжается 175…185 дней, период активной вегетации с температурой выше 10С составляет 135…140 дней.

Для определения регионально-фонового содержания тяжёлых металлов в почвах выбирались участки, расположенные на дерново-подзолистых, тёмно-серых и серых лесных почвах.

Для изучения влияния зон активного техногенного загрязнения на состояние дикорастущей и культурной флоры проводились исследования на территории, прилегающей к Думчинскому отвалу шлаков АООТ «Цветные металлы и сплавы» (АООТ ЦМиС). Состав шлака в отвале: Al2O3 - 52,3%; SiO2 - 10,9%; Fe (мех.) - 7,0%; MgO - 6,2%; KCl - 5,9%; MgCl2 - 3,0%; Fe2O3 - 3,5%; CaCl2 - 1,2%; CuO - 1,2%; NaCl - 1,0%; CaO - 0,75%; ZnO - 0,7%; MnO - 0,5; TiO2 - 0,13%; Cr2O3 - 0,1%; SnO2 - 0,05%; PbO - 0,032%; NiCl2 - 0,06% сажа - 1,0%; прочие примеси - 4,54%.

Химический анализ почв выполнялся по следующим ингредиентам: реакция почвенной среды (рН), сульфат-ионы (в пересчёте на элементарную серу), аммонийный азот, валовые формы тяжёлых металлов (свинец, медь, никель, кобальт, марганец, хром, кадмий). Исследование массовых концентраций валовых и подвижных форм металлов в почвах осуществлялось соответственно методическим указаниям Государственного комитета по гидрометеорологии (1990). Контроль загрязнения почв металлами проводили отбором и анализом проб в соответствии с ГОСТ 17.4.3.01. (Методические рекомендации, 1981, Временные методические рекомендации, 1983).

Содержание валовых форм тяжёлых металлов определяли методом рентгенофлуоресцентного анализа. Измерение массовой доли подвижных форм металлов (меди, свинца, цинка, никеля, кадмия, кобальта, хрома, марганца) в пробах почвы проводилось атомно-абсорбционным методом.

Все измерения выполнялись в соответствии с разделом «Анализ» «Руководства пользователя» к «Программному комплексу для проведения количественного анализа» на «Спектроскан» (МВИ-05-97) НПО «Спектрон» С.-Петербург, 1997).

Пероксидазную и О-дифенолоксидазную (полифенолоксидазную) активность определяли колориметрическим методом А. Н. Бояркина (Методы современной биохимии, 1975; Методы биохимических исследований, 1987), определение хлорофилла проводили по А. А. Шлыку (1968). Анализы проводили в трёхкратной повторности, статистическую обработку проводили по Б. А. Доспехову (1985).

Для изучения влияния загрязнения территории тяжёлыми металлами на рост и развитие сельскохозяйственных культур в растильнях на образцах почвы, взятых в районе Думчинского отвала, выращивались следующие сельскохозяйственные культуры: горох (сорт Орловчанин), пшеница (сорт Памяти Федина), овёс (сорт Скакун), гречиха (сорт Баллада), просо (сорт Крупноскорая), сахарная свекла (сорт Рамонская). Определение всхожести и энергии прорастания проводили по ГОСТ 12038-84, оценку проростков - по Д. Веллингтону (1973).

С целью изучения влияния тяжёлых металлов на рост и развитие корневой системы яблони был проведён лабораторный опыт, в котором использовали стратифицированные, наклюнувшиеся семена яблони. Их промывали в дистиллированной воде и выдерживали 15 минут в слабом растворе перманганата калия с целью дезинфекции. Семена проращивали на смоченной дистиллированной водой фильтровальной бумаге в течение 24...48 часов в термостате при Т= +26С. Отбирали проростки с длиной корня 1,5...2 см и пересаживали в чашки Петри диаметром 150 мм на фильтровальную бумагу, пропитанную 2•10-5 М и 4•10-5 М растворами Pb(NO3)2 и Ni(NO3)2 , рН = 5,6. Используемые концентрации солей металлов соответствуют 1 и 2 ПДК содержания ионов в почвенном растворе, величина рН соответствует среднему значению рН почвы. Чашки Петри помещали в термостат при Т= +26С и наблюдали характер роста корней через 24 и 48 часов. Опыт проведён в трёхкратной повторности по 5 семян в каждой чашке Петри.

Влияние ионов Pb и Ni на микроструктуру поверхности зародышевого корня изучали на сканирующем электронном микроскопе JSM-6390 (Япония) в десятикратной повторности.

С целью изучения влияния удалённости растений яблони от источника техногенного загрязнения (Думчинский шлакоотвал Мценского района Орловской области) на активность антиоксидантного фермента и процессы липопероксидации биомембран на фоне нарушения баланса фитогормонов нами был проведён опыт, объектом исследования служили листья яблони сорта Осеннее полосатое. Экстракцию фитогормонов проводили из одной навески, предварительно зафиксированной в парах этанола комплексным методом, разработанным в лаборатории В. И. Кефели. Анализы проводили в пятикратной биологической повторности. Достоверность результатов оценивали по стандартным методикам с использованием программы BIOSTAT и MSExcel.

Рекогносцировочное обследование лесонасаждений проводилось с целью подбора участков для детального изучения биогеоценозов. Временные пробные площади закладывали для характеристики состояния насаждения в зависимости от удалённости от шлакоотвала, для определения причины ослабления роста древостоя. Количество постоянных пробных площадей было достаточным для достоверных выводов о закономерностях процессов деградации насаждений. Использовалась шкала категорий состояния лиственных деревьев, выделенных при характеристике ослабленных и усыхающих насаждений (Инструкция по экспедиционному …, 1983)

Обследование эпифитных лишайников проводили путём перечёта на пробных площадках 25 деревьев главной породы с указанием ступени толщины, категории состояния, высоты расположения и степени покрытия накипными, листоватыми и кустистыми лишайниками. Степень покрытия лишайниками определяли у корневой шейки и на высоте 1,3 м. Данные учётов обрабатывали по программе «Покров» с расчётом средней встречаемости вида на пробной площади, общего количества видов, среднего количества видов на 1 м2, коэффициента общности, коэффициента разнообразия Шеннона-Винера.

На 20...25 площадках размером 1 1 м учитывался видовой состав травянистой растительности, проективное покрытие общее и покрытие мхов.

Для изучения динамики радиального прироста в связи с климатическими факторами использовали дендрохронологический метод Битвинскаса (1974).

Показатели флуктуирующей асимметрии листьев яблони определялись в соответствии с разработанными нами методическими указаниями (Кузнецов, Голышкин, Долматов, 2009).

Исследования проводились также на опытах, заложенных в 2004 году на территории ВНИИ селекции плодовых культур. В результате длительного интенсивного применения средств защиты растений валовое содержание ТМ в почве опытного участка превысило регионально-фоновую концентрацию. Цель данного опыта - изучение влияния мелиорантов на содержание тяжёлых металлов в вегетативной части и плодах ягодных культур: смородины чёрной, крыжовника и малины. Схемы опытов включали варианты с различными дозами минеральных удобрений, извести, цеолита и сочетаниями данных факторов. Опыты заложены в четырёхкратной повторности. Расположение вариантов по делянкам рендомизированное. Анализ почвы и растений проводился по общепринятым методикам.

С целью изучения возможности повышения экологической безопасности ягод путём применения физиологически активных веществ был проведён вегетационный опыт. Растения земляники выращивались в сосудах, наполненных 5 кг почвы. Варианты опыта включали в себя: контроль - растения, возделываемые на почве без внесения меди; циркон - растения, обработанные цирконом и растущие на почве без меди; 2 ПДК меди - внесение в почву двух предельно допустимых концентраций элемента; 2 ПДК меди + циркон - растения, обработанные цирконом и произрастающие на почве с 2 ПДК меди. Обработку растений цирконом проводили путём опрыскивания раствором препарата, содержащего 10 мкг/л (1•10-6 %) гидроксикоричных кислот. Содержание малонового диальдегида (МДА) - конечного продукта ПОЛ - определяли по цветной реакции с тиобарбитуровой кислотой (Стальная, Гаришвили, 1977), гидроперекиси - по цветной реакции с роданидом аммония (Романова, Стальная, 1977), активность пероксидазы - методом Бояркина (Ермаков, 1987), количество ионов меди - высокоэффективной жидкостной хроматографией (ВЭЖХ).

3. Результаты исследований

Особенности загрязнения тяжёлыми металлами почв

Центральной России (на примере Орловской области)

Небольшая по территории Орловская область имеет ярко выраженную почвенную зональность. Так, почвенный покров юго-востока региона представлен в большей степени чернозёмами, центральных регионов - тёмно-серыми лесными почвами. На северо-западе преобладают серые лесные и дерново-подзолистые почвы. Это дало основание известному ученому - почвоведу И. К. Фрейбергу заявить, что…«Орловщина представляет собой как бы нарочно созданный почвенный музей».

По результатам наших исследований содержание микроэлементов в почвах Орловской области ниже ПДК за исключением территорий, имеющих локальные загрязнители в виде промышленных предприятий, хранилищ, отвалов, автомагистралей и т.п. При этом, содержание свинца в большей степени наблюдается в серой лесной почве: оно колебалось в пахотном слое от 13 до 89 мг/кг со средним значением 41,48 мг/кг. В дерново-подзолистой почве содержание этого микроэлемента было наименьшим - на уровне 11,5 мг/кг. В чернозёмных почвах (чернозём выщелоченный и чернозём оподзоленный) содержание свинца составляло 26…28 мг/кг, в тёмно-серой лесной - около 40 мг/кг.

Соединения цинка наиболее распространены в выщелоченном чернозёме (до 114 мг/кг), затем идут чернозём оподзоленный и тёмно серая лесная почва (46,5 мг/кг). Меньше всего содержание этого металла в дерново-подзолистой и серой лесной почве. Таким образом, содержание цинка в почве самым непосредственным образом оказалось связанным с её плодородием: в более плодородных почвах содержание этого элемента оказалось выше.

Близко к указанной была и закономерность содержания меди в почвах. Больше всего этого элемента наблюдалось в чернозёмных почвах (43…53 мг/кг), затем шли тёмно-серая и серая лесная, а также дерново-подзолистая почва.

Содержание никеля было наибольшим в выщелоченном чернозёме (42,6 мг/кг), затем в серой лесной (40 мг/кг) почве. Меньше всего содержалось этого микроэлемента в дерново-подзолистой почве, чернозём оподзоленный и тёмно-серая лесная почвы занимали промежуточное положение.

Содержание кобальта в почвах исследуемых разностей изменялось в соответствии с уровнем их плодородия. В более плодородных почвах оно оказалось более высоким. В частности, наибольшее содержание данного микроэлемента, как правило, отмечалось в выщелоченном чернозёме. В чернозёме оподзоленном оно оказалось несколько меньшим, но превышающим этот показатель в тёмно-серых и серых лесных почвах. Наиболее низкое его содержание, как правило, в 1,5…5,0 раз меньше, чем в выщелоченном чернозёме, было в дерново-подзолистой почве.

В отношении содержания марганца в различных почвах следует отметить, что различия по данному показателю были не столь значительными, как по другим микроэлементам. При этом отмечалась тенденция к повышению его содержания в менее плодородных почвах: дерново-подзолистой и серой лесной. В чернозёмных почвах оно было, как правило, меньшим.

Чернозём выщелоченный и тёмно-серые лесные почвы отличались большим содержанием хрома. Оно почти в два раза превышало соответствующий показатель в дерново-подзолистых и почти в 1,5 раза в серых лесных почвах.

Таким образом, следует отметить положительную связь между плодородием почвы и содержанием в ней таких микроэлементов, как цинк, медь, кобальт. В то же время между содержанием марганца и уровнем плодородия почвы отмечается обратная связь.

Содержание в почве почти всех микроэлементов было существенно ниже ПДК. Ближе всего к ПДК находится содержание в почве никеля: отмечается значительное количество точек с содержанием данного микроэлемента, превышающем ПДК.

С целью оценки взаимосвязи содержания исследуемых микроэлементов с концентрацией других тяжёлых металлов в почвенной среде, а также с содержанием аммония и нефтепродуктов был проведён корреляционный анализ.

Данные исследований показали отсутствие тесной взаимозависимости между содержанием основных тяжёлых металлов. О достаточно тесной положительной взаимосвязи можно говорить лишь в отношении Pb и Cu (r = 0,76), Zn и Ni (r = 0,72), Ni и Cr (r = 0,77), а также кобальта и меди (r = 0,65). Применительно к другим парам нельзя говорить о наличии тесной взаимосвязи.

Следует отметить, что содержание микроэлементов в почвах носит загрязняющий характер в районах с более интенсивным промышленным производством: в серых лесных почвах на территории Мценского и Болховского, в тёмно-серых - Орловского, Мценского, на чернозёмных - Ливенского и других районов.

Наблюдая географию загрязнённых точек можно определенно говорить о том, что факторами распространения загрязняющих воздействий являются сеть автомобильных дорог, промышленное производство и другие сопутствующие антропогенные воздействия. В частности, увеличенное содержание многих микроэлементов в более плодородных чернозёмных почвах вполне может быть связано с повышенным внесением здесь минеральных удобрений и применением химических средство защиты растений, сопутствующими компонентами которых неизбежно являются тяжёлые металлы.

Подтверждение этому мы получили в результате исследований на землях опытного хозяйства ВНИИСПК, территория которого используется в садоводстве более 50 лет. В результате длительного интенсивного применения средств защиты растений валовое содержание ТМ в почве опытного участка превысило регионально-фоновую концентрацию: Pb и Ni - в 2 раза, Zn - в 3 раза, Cu - в 6 раз. Валовое содержание Cu превысило ОДК (доп. №1 к пер. ПДК и ОДК № 6229-91). Содержание подвижных форм ТМ составило: Pb 0,08 ± 0,01; Ni 0,28 ±0 ,03; Cu 0,56 ± 0,09; Zn 15,03 ± 1,9. На 10% опытных делянок содержание подвижных форм Zn было выше ПДКподв.

С целью изучения воздействия промышленного отвала на загрязнение территорий тяжёлыми металлами нами было проведено определение содержания тяжёлых металлов в серой лесной почве на трех объектах: вблизи промышленного отвала (в населенном пункте Думчино), природоохранной зоне (балка Непрец) и в районе с обычной антропогенной нагрузкой (ВНИИ зернобобовых и крупяных культур).

Эти исследования подтвердили, что приоритетным загрязнителем является свинец (таблица 1). Опасно высокие концентрации никеля (2…3 ПДК), свинца (3…7 ПДК), меди (1…4 ПДК) наблюдались в почвах, прилегающих к отвалу шлаков у насёленного пункта Большое Думчино. Невысокое фоновое содержание тяжёлых металлов (менее 0,5 ПДК) отмечено на территории памятника природы Непрец и ВНИИЗБК, за исключением повышенного содержания свинца (3 ПДК) в почвах последнего.

Сравнение данных по балке Непрец с данными по отвалу показывает относительную чистоту почв памятника природы. Однако следует отметить, что воздействию загрязнителей подвержены почвы даже таких территорий. Это еще раз подчеркивает актуальность изучаемой проблемы.

В 2004...2008 гг. нами был проведён опыт с целью определения влияния минеральных удобрений и мелиорантов на содержание тяжёлых элементов в почве под смородиной чёрной, крыжовником и малиной. Валовое содержание ТМ в почве опытного участка превышает регионально-фоновую концентрацию в 2 раза для Pb и Ni, в 3 раза для Zn, в 6 раз для Cu. Валовое содержание Cu превысило ОДК.

Таблица 1 - Валовое содержание тяжёлых металлов в почве на территориях с различной антропогенной нагрузкой

Тип почвы	Пункт отбора проб	Содержание тяжёлых металлов в слое 0…20 см, мг/кг (размах варьирования/среднее)
		Zn	Ni	Co	Cr	Pb	Cu
Светло-серая лесная	н.п. Большое Думчино	89...127 108	235...258 241	25...40 33	62...69 65	161...283 222	208...279 244
Тёмно-серая лесная	Балка Непрец	23...32 27	7...33 20	н/о...11 5	47...65 56	н/о...17 8	н/о
Тёмно-серая лесная	ВНИИЗБК	35...52 41	15...30 19	0,7...15 5	43...70 53	н/о...128 76	н/о...129 64

Примечание - здесь и далее н/о - не обнаружено

Содержание в почве подвижных форм ТМ уменьшилось под действием цеолита (таблица 2). Причиной уменьшения содержания подвижных ТМ может быть как адсорбция катионов металлов непосредственно цеолитом, так и усиление адсорбционных и катионообменных процессов в результате увеличения суммарной поверхности мелких структурных отдельностей, под влиянием пептизации.

Снижение ТМ в почве отмечено как в слое 0...20 см, так и в слое 20...40 см. Это может быть связано с вертикальным перемещением подвижных соединений ТМ в почвенном профиле, при восходящем движении почвенной воды за счет капиллярных сил.

Уровень снижения ТМ зависит от природы металла, исходного содержания ТМ в почве и от наличия или отсутствия минеральных удобрений.

Таблица 2 - Изменение содержания подвижных форм свинца в почве под крыжовником (мг/кг почвы)

Варианты (А)	До внесения цеолита	Годы исследований (В)	Среднее по фактору А НСР05=0,03
		2005	2006
слой 0...20 см
Контроль	0,14	0,15	0,19	0,17
N90Р90К90	0,24	0,27	0,26	0,26
N90Р90К90+Цеолит 8 т/га	0,13	0,07	0,06	0,06
N90Р90К90+Цеолит 16 т/га	0,25	0,10	0,08	0,09
N90Р90К90+Цеолит 24 т/га	0,16	0,08	0,08	0,08
Среднее по фактору В НСР05=0,03		0,13	0,13
слой 20...40 см	Среднее по фактору А НСР05=0,02
Контроль	0,25	0,23	0,23	0,23
N90Р90К90	0,19	0,22	0,21	0,21
N90Р90К90+Цеолит 8 т/га	0,22	0,20	0,19	0,19
N90Р90К90+Цеолит 16 т/га	0,26	0,22	0,17	0,19
N90Р90К90+Цеолит 24 т/га	0,23	0,21	0,17	0,19
Среднее по фактору В НСР05=0,03		0,21	0,19	0,20

Аналогичные результаты получены и под другими ягодными кустарниками: смородиной чёрной и малиной.

Таким образом, цеолит способствовал снижению содержания подвижных форм Pb, Cu, Ni, Zn в почве, как в слое 0...20 см, так и в слое 20...40 см. Действие цеолита на содержание подвижных форм ТМ зависело от исходного содержания подвижных форм ТМ в почве, вида металла и внесения минеральных удобрений. Увеличение дозы цеолита свыше 8 т/га не обеспечивало дальнейшего значительного снижения подвижности Pb, Ni, Zn и Cu в почве. На серой лесной почве с высоким содержанием фосфора и калия и слабокислой реакцией среды действие цеолита на подвижность микроэлементов в почве было эффективнее действия извести.

Влияние тяжёлых металлов на рост и развитие изучаемых растений

С целью выявления реакции различных групп растений на загрязнения нами были проведены лабораторные опыты. Данные по энергии прорастания семян сельскохозяйственных культур, выращиваемых на загрязнённых почвах, взятых в районе отвала, показали, что по устойчивости растений к загрязнению они располагаются в следующем порядке: гречиха просо пшеница овёс горох сахарная свекла. Следовательно, самыми устойчивыми к загрязнению оказались крупяные и зерновые сельскохозяйственные культуры. Горох относится к среднеустойчивым, а сахарная свекла - к наиболее восприимчивым.

Наши исследования показывают, что реакция растений на загрязнение почв тяжёлыми металлами связана, вероятнее всего, не с общим валовым их содержанием, а определяется наличием подвижных форм и их взаимодействием. Так, например, свинец и цинк, никель и цинк являются антагонистами по отношению друг к другу, и их совместное присутствие может снизить негативное воздействие на растения. Вместе с тем, медь и марганец, медь и никель, никель и марганец являются синергистами и могут усиливать негативное воздействие на растение.

Кроме полевых культур, исследования проводились и на плодовых культурах. На стадии формирования корневой системы семена яблони инкубировали на растворах нитратов Pb и Ni в концентрациях 2•10-5 М и 4•10-5 М, что соответствует 1 и 2 ПДК металлов в почвенном растворе. Наблюдали за развитием корня и исследовали микрорельеф поверхности методом сканирующей электронной микроскопии. Свинец и никель оказывают разное токсическое действие на формирующиеся корни яблони. Визуально ионы Pb2+ не задерживают рост корня, ионы Ni2+ в концентрации 2•10-5 М задерживают рост корней, а в концентрации 4•10-5 М вызывают их гибель (рисунок 1).

Рисунок 1 - Действие различных концентраций тяжёлых металлов на проростки яблони

Детальное исследование различных зон поверхности корня в зоне деления, в зоне роста и в зоне поглощения и начала дифференциации постоянных тканей (з.п.д.) показало существенное изменение микроструктуры поверхности. В з.п.д. на контроле выявлено множественное образование корневых волосков, при концентрации Pb 1 ПДК количество корневых волосков снижается, обнаруживаются выросты, количество которых возрастает с увеличением концентрации Pb до 2 ПДК, при этом единичные корневые волоски истончаются. Содержание ионов Ni в концентрации 1 ПДК вызывает деформацию корневых волосков и образование многочисленных выростов (рисунок 2). Рассмотрение под бульшим увеличением позволяет предположить, что выросты являются деформированными корневыми волосками, развитие которых нарушилось под действием тяжёлых металлов.

Рисунок 2 - Изменение ультраструктуры поверхности корней проростков яблони в з.п.д. под влиянием различных концентраций тяжёлых металлов

В лабораторном опыте по влиянию тяжёлых металлов на метаболитические процессы в клетках проростков полевых культур получены следующие результаты. Активность пероксидазы у гречихи под влиянием загрязнения снижается в 2…4 раза, а у гороха, имеющего значительно более активную пероксидазу, её активность изменяется в сторону снижения или повышения, независимо от места отбора проб. О-дифенолоксидаза гречихи, напротив, более стабильна, чем у гороха, где наиболее резкое снижение её активности по сравнению с контролем (40,0) наблюдается в районе, ближайшем к отвалу. Повреждение зародыша гороха, выращенного на загрязнённых почвах, связано с тем, что кадмий, медь, свинец приводят к неразвитию первичного корня и вторичных корней или к их недоразвитию, отсутствию эпикотиля или эпикотиля без верхушечной почки, а кадмий ведет также к загниванию семядолей и точки прикрепления оси проростка к семядоли.

К настоящему времени недостаточно исследованными остаются вопросы, связанные с морфологическими изменениями диких видов растений под влиянием тяжёлых металлов, и изменением в них физиологических процессов. Нами было проведено сравнительное изучение морфофизиологических показателей диких растений, произрастающих в зоне действия Думчинского шлакоотвала и на экологически более чистых территориях - балке Непрец и парке ВНИИЗБК - в качестве контроля.

Визуальное наблюдение вблизи отвала показало сильные изменения растительности в дубраве и непосредственной близости от неё. В дубраве у липы сильно редуцированы листья, на молодых деревьях наблюдается отшелушивание коры, отмечается суховершинность дубов, на деревьях отсутствуют лишайники и мох. Листья берёзы мелкие, с сильно изрезанными краями с бурыми пятнами, серым налетом, стволы деревьев искривлены.

В 800 м от отвала к югу в дальней лесополосе видимых нарушений нет, отсутствует суховершинность.

Установлено, что наиболее значительно повреждена берёза, являющая индикаторным видом, негативно реагирующая на вредные выбросы. Анатомическая характеристика листьев берёзы и дубов, произрастающих в районе Думчинского отвала, резко отличается от контрольных растений ВНИИЗБК

Площадь листовой пластинки дуба и берёзы в направлении приближения территории отвала снижается, при этом у дуба в большей степени, чем у берёзы.

Толщина листовой пластинки древесных растений, растущих в непосредственной близости к отвалу, снизилась у берёзы на 40,0% и у дуба на 44,0% по сравнению с растениями на железнодорожной станции и на 53% - по сравнению с контролем - ВНИИЗБК.

Наибольшие разрушения в синтезе или разрушении хлорофиллов отмечены в растениях берёзы и дуба, растущих в непосредственной близости к отвалу. Так, содержание хлорофилла в листьях берёзы, растущей в 50 м от отвала по хлорофиллу «а» - 2,88 мг/г, по хлорофиллу «в» - 0,56 мг/г по сравнению с данными, полученными с берёзы, растущей в районе балки Непрец (по хлорофиллу «а» - 6,84 мг/г, по хлорофиллу «в» - 2,12 мг/г). В листьях дуба тех же вариантов: в 50 м от отвала по хлорофиллу «а» - 3,49 мг/г, по хлорофиллу «в» - 1,23 мг/г в сравнении с контролем Непрец (по хлорофиллу «а» - 5,43 мг/г, по хлорофиллу «в» - 3,21 мг/г).

С удалением на юг от отвала количество хлорофиллов в листьях берёзы увеличивается на 50 мг/г, в листьях дуба - на 0,2…0,9 мг/г. Растения берёзы и дуба, растущие на значительном удалении от отвала, по содержанию хлорофиллов приближаются к контрольным растениям.

В контрольных листьях берёзы и дуба, растущих в лесопарке ВНИИЗБК, активность пероксидазы очень высокая (51,4…25,0 усл. ед.), что свидетельствует о высоком уровне метаболических процессов.

В районе отвала уровень активности пероксидазы в листьях берёзы зависит от места произрастания. Повреждения заметно сказываются на патологическом возрастании её активности от 4,0 в районе железнодорожной станции до 13,3…20,0 усл.ед. в зависимости от расстояния от отвала. Чем ближе к отвалу, тем больше возрастает активность пероксидазы.

У дуба реакция пероксидазы на воздействие среды не столь заметна и прямо противоположна. Наиболее резкое снижение активности пероксидазы отмечено в непосредственной близости к отвалу (до 2,1…3,5 усл. ед.). Видимо, защитные механизмы у дуба связаны с пероксидазой в меньшей степени, чем у берёзы.

По данным сравнительных исследований интенсивности дыхания листьев яблони, наибольшее снижение выделения листьями углекислого газа отмечено в точках с удалением от источника загрязнения: 0,8 и 1,6 км (соответственно, что в 4 и в 1,5 раза выше по сравнению с вариантом удалённости 6 км). Полученные данные по снижению интенсивности дыхания в зависимости от уровня техногенного загрязнения согласуются с установленным фактом ингибирования тяжёлыми металлами активности ферментных систем цикла Кребса (Кузнецов, Дмитриева, 2005). Оптимальным удалением от Думчинского отвала, достоверно не влияющим на процесс дыхания, оказалась точка - 3 км. Снижение интенсивности дыхания листьев на 24,6% в точке 6 км, возможно, связано с близким расположением автотрассы Москва - Симферополь - значительного источника загазованности и загрязнения ТМ.

Таким образом, можно полагать, что растения яблони, близко расположенные к источнику загрязнения, будут испытывать недостаток энергетических и пластических эквивалентов в результате ингибирования процесса дыхания.

В условиях действия неблагоприятных факторов среды в кислородпотребляющих биологических системах, как правило, усиливается образование свободных радикалов, что приводит к интенсификации процессов перекисного окисления липидов (ПОЛ) мембран и нарушению целостности структурно-функционального состояния клеток. Поэтому нами был проведён опыт с целью выявления специфики изменений гормональной и антиоксидантной системы листьев яблони в ответ на действие техногенного загрязнения.

Проведённые исследования показали, что под воздействием техногенного загрязнения в точке, удалённой от источника интоксикации на 100 м, резко (в 7,6 раза относительно контроля) снижается содержание ИУК в листьях яблони и в 3,5 раза возрастает количество АБК (рисунок 3). При удалении от источника загрязнения на 3000 м содержание ИУК в листьях снизилось в 3,3 раза относительно контроля, и в 2 раза возрос уровень абсцизовой кислоты, что свидетельствует о снижении техногенной нагрузки на исследуемые растения.

Рисунок 3 - Содержание индолилуксусной и абсцизовой кислот в листьях яблони в зависимости от удаления от источника техногенного загрязнения

На фоне резкого возрастания АБК и значительного снижения ИУК в листьях яблони в точке 100 м активность суммарной пероксидазы на 50,7% была ниже контроля. Однако резкий дисбаланс исследуемых нами фитогормонов, вероятно, приводит к ингибированию антиокислительных процессов. Поэтому на фоне снижения разбалансировки между ИУК и АБК в точке, удалённой от источника загрязнения на 3000 м, активность пероксидазы была ниже контроля на 19%.

Изменения в гормональном статусе и активности антиоксидантного фермента пероксидазы, вызванные разной интоксикационной нагрузкой техногенного загрязнения, в конечном итоге, сказались и на интенсивности перекисного окисления липидов мембран.

В 100 м от шлакоотвала содержание МДА в листьях растений на 73% было выше контроля (рисунок 4). При удалении на 3000 м, интенсивность процессов ПОЛ превысила этот показатель у контрольных растений на 48% на фоне увеличения активности пероксидазы (по сравнению с точкой 100 м) и меньшего дисбаланса между ИУК и АБК.



Рисунок 4 - Содержание малонового диальдегида в листьях яблони в зависимости от удаления от источника техногенного загрязнения

Таким образом, в результате проведённых исследований было показано, что в зависимости от разной степени удалённости растений яблони от источника техногенного загрязнения наблюдается изменение активности антиоксидантного фермента и интенсификации процессов липопероксидации биомембран на фоне нарушения баланса фитогормонов.

Оценка стабильности развития растений по показателям флуктуирующей асимметрии в условиях длительного загрязнения почв тяжёлыми металлами

Ухудшение экологической ситуации стимулирует исследователей к поиску методик, способных дать надёжную интегральную оценку качественного состояния окружающей природной среды.

Стабильность развития живых организмов является одним из перспективных показателей для оценки состояния окружающей природной среды. При этом в качестве изучаемого параметра выступает величина флуктуирующей асимметрии морфометрических признаков (доступных измерению) живых организмов.

Для определения показателей стабильности развития берёзы повислой сбор листьев выполняли в период завершения формирования листовой пластинки в десяти пунктах, на расстоянии от 10 до 2880 м от шлакоотвала. Пункты отбора проб привязывались на местности при помощи спутникового навигатора GPS Magellan eXplorist 100 в системе координат WGS-84.

Приведённые в таблице 3 сводные данные свидетельствуют о том, что по мере удаления от отвала наблюдалась тенденция повышения стабильности развития берёзы повислой по показателям флуктуирующей асимметрии.

Таблица 3 - Сводные результаты статистической обработки величины флуктуирующей асимметрии листьев берёзы повислой (со 100 учётных деревьев в районе шлакоотвала Думчинский)

№ пункта	N*, шт.	Mx ± mMx	уx	Cx, %	Px, %
1	160	0,0495 ± 0,0019	0,0242	48,87	3,86
2	159	0,0451 ± 0,0016	0,0206	45,75	3,63
3	160	0,0452 ± 0,0017	0,0210	46,52	3,68
4	160	0,0444 ± 0,0016	0,0203	45,82	3,62
5	160	0,0500 ± 0,0018	0,0227	45,36	3,59
6	160	0,0478 ± 0,0018	0,0222	46,46	3,67
7	160	0,0447 ± 0,0017	0,0211	47,08	3,72
8	160	0,0495 ± 0,0019	0,0242	48,82	3,86
9	160	0,0435 ± 0,0016	0,0201	46,19	3,65
10	157	0,0448 ± 0,0016	0,0200	44,67	3,56
Все	1596	0,0464 ± 0,0005	0,0218	46,84	1,17

*Здесь и далее: N - количество листьев в выборках; Mx ± mMx - среднеарифметическая величина с основной ошибкой; уx ± mу - стандартное отклонение; Cx - коэффициент изменчивости; Px - точность опыта.

Регрессионный анализ влияния на величину флуктуирующей асимметрии листьев берёзы повислой содержания в них металлов выполнен средствами MSExcel. В результате анализа переменных регрессионной модели установлено, что содержание свинца возрастает по мере удаления от отвала - по направлению к автомобильной трассе Орёл - Болхов (явное влияние автодороги), поэтому данный фактор исключен из модели. Исключены также следующие факторы: содержание в листьях цинка, меди и кобальта (значения коэффициентов указанных факторов в регрессионной модели оказались меньше стандартных ошибок их определения).

Установлена «весьма высокая» (по Чеддоку) тесная связь между величиной показателя стабильности развития берёзы повислой в районе шлакоотвала Думчинский и содержанием в листьях никеля, железа, мышьяка, марганца и хрома (в мг/100 г листьев). Показатель множественного коэффициента корреляции близок к единице (R = 0,99); коэффициент детерминации R2 = 0,98. Это свидетельствует, что более 98% общей вариации результативного признака (величины показателя стабильности развития берёзы повислой) объясняется вариацией факторных признаков (содержание в листьях указанных металлов). Можно предположить, что анализируемые факторы существенно влияют на величину показателя стабильности развития берёзы повислой, что подтверждает правильность их включения в построенную модель.

Рассчитанный уровень значимости F = 0,0017 < 0,05 подтверждает значимость полученного коэффициента детерминации.

Другим подходом к проверке значимости коэффициента детерминации является попадание расчётного критерия Фишера (F) в критическую область (F+?). В нашем случае левая граница правостороннего критического значения Fсоставляет 6,3 для 95%-го уровня значимости и 15,5 для 99%-го уровня значимости. Так как F = 39,3 попадает в критический интервал (15,5; +?), то нулевая гипотеза (Н0: R2 = 0) отвергается, то есть коэффициент детерминации R2 признается значимым при б = 0,01.

Получено следующее уравнение регрессии:

где: ФА - показатель стабильности развития берёзы повислой (рассчитан по величине флуктуирующей асимметрии листьев); Ni, Fe, As, Mn и Cr, соответственно, содержание указанных металлов в мг/100 г листьев.

Основная (стандартная) ошибка полученного уравнения регрессии составляет 0,0005 - что на два порядка меньше критических значений оценочной шкалы. Визуальное сравнение фактических и эмпирических данных (рисунок 5) свидетельствует о достаточной адекватности модели.

Рисунок 5 - Сравнение наблюдаемых и теоретических значений показателей стабильности развития берёзы повислой в районе шлакоотвала

Анализ изменений величины показателя стабильности развития берёзы повислой по мере удаления от отвала (рисунок 6) выявил тенденцию улучшения экологического состояния окружающей природной среды (наиболее заметны изменения на расстоянии до 0,5 км). Вероятно, по мере дальнейшего удаления от шлакоотвала постепенно увеличивается влияние других факторов (например, автотрассы).

Таким образом, установлена весьма высокая тесная связь между величиной показателя стабильности развития берёзы повислой в районе шлакоотвала Думчинский и содержанием в листьях никеля, железа, мышьяка, марганца и хрома (в мг/100 г листьев). Определены параметры регрессионной модели.



Рисунок 6 - Тенденция улучшения экологического состояния окружающей природной среды по мере удаления от шлакоотвала

Полученные значения показателей стабильности развития берёзы повислой позволили выполнить зонирование территорий, прилегающих к шлакоотвалу: «предкризисное» состояние экосистем отмечается на расстоянии до 500 м; «удовлетворительное» состояние сменяется «хорошим» на расстоянии более 1 км от отвала.

Кроме деревьев, расположенных в зоне особо сильного техногенного загрязнения, каким является Думчинский отвал, нами проводились исследования листьев берёзы повислой на территории ВНИИСПК. При этом данный тур исследований включал также и яблоню, произрастающую в окрестности Думчино, а также во ВНИИСПК

По абсолютным величинам показатель ФА у яблони оказался выше, чем у берёзы (таблица 4).

Таблица 4 - Распределение коэффициентов флуктуирующей асимметрии листьев яблони в зависимости от сорта (садовый массив ВНИИСПК)

...