Загрязнение городских территорий

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Почва является важнейшим элементом городской экосистемы и определяет многие ее особенности. Накопление тяжелых металлов в природной среде происходит высокими темпами, и они являются наиболее частыми компонентами антропогенных химических ассоциаций [1]. При оценке экологического состояния почв города рекомендуется использовать в качестве дополнительного критерия подвижность металлов. Учет распределения подвижных форм в почве крайне необходим. Они составляют запас химических элементов, способных переходить из твердых фаз в почвенные растворы и поглощаться живыми организмами, то есть являются наиболее активными компонентами питания и загрязнения [2]. Поэтому одним из критериев оценки степени техногенной трансформации окружающей среды является изучение содержания и миграции тяжелых металлов в системе «почва-растение» [4]. Чрезмерное накопление поллютантов может оказаться причиной новых техногенных аномалий. В почвенном покрове природной зоны, где расположен город Чита, встречаются черноземные, болотные, луговоболотные, кислые или слабокислые серые лесные почвы, иногда дерновые слабооподзоленные [3]. В городе сформирована устойчивая природно-антропогенная территория с определенным содержанием тяжелых металлов. В настоящее время достаточно изучен характер загрязнения городских территорий. Значительно меньше внимания уделялось проблеме накопления и миграции химических элементов.

В связи с этим, цель работы заключалась в определении степени загрязнения почв г. Читы, используя расчет коэффициентов техногенной концентрации Zn, Cd, Pb, Cu и их накопления в лекарственных растениях.

1. Материалы и методы

Пробы почв и растения отбирали согласно общепринятым методикам в июне 2015 - 2016 гг. [5]. Почвенные образцы были взяты из корнеобитаемого слоя (0-15 см). Для определения подвижных форм тяжелых металлов почву высушивали до воздушно-сухого состояния и извлекали вытяжки ацетатно-аммонийным буферным раствором с рН=4,8 (соотношение проба : раствор - 1:10).Полученные вытяжки выпаривали в камере печи при температуре 160-180 °С до сухого остатка. Перед анализом золу растворяли в концентрированной муравьиной кислоте.

Корневища растений высушивали на воздухе и мелко измельчали. Навеску пробы высушивали в выпариватели печи при температуре 150-350 °С, после чего озоляли с добавлением концентрированной азотной кислоты и перекиси водорода до получения однородной золы белого, серого или рыжеватого цвета без угольных включений. Перед анализом золу растворяли в концентрированной муравьиной кислоте.

Определение подвижных форм тяжелых металлов в почве и золе растений определяли методом инвесионной вольтамперометрии на анализаторе «ТА-Lab».

Для исследования были выбраны участки в окрестностях города Читы: пункт 1 - восточный склон горы Титовская сопка (урочище «Сухотино»), вблизи промзоны; пункт 2 - верхняя остепненная часть склона восточной экспозиции возле спортивной базы «Орбита»; пункт 3 - верхняя часть остепненного склона западной экспозиции возле спортивной базы «Орбита»; пункт 4 - мкр. Сосновый бор, вблизи объездной автомагистрали. Фоновым участком была выбрана территория дачного кооператива в поселке Александровка (Читинский район). Коэффициент накопления рассчитывался по содержанию тяжелых металлов в подземных органах (корнях и корневищах) следующих видов дикорастущих травянистых лекарственных растений: лапчатка пижмолистная - Potentilla tanacetifolia Willd. еx Schltdl. (Rosaceae), стеллера карликовая - Stellera chamaejasme L. (Thymelaeaceae), остролодочник тысячелистный - Oxytropis myriophylla (Pall.) DC. (Fabaceae) и полынь Гмелина - Artemisia gmelinii Weber ex Stechm. (Asteraceae).

Для оценки интенсивности и степени опасности загрязнения почвы химическими веществами, был рассчитан коэффициент техногенной концентрации элемента (К_с), полученный отношением концентрации элемента в исследуемой почве к концентрации элемента в фоновой почве, общая формула имеет вид:. Расчет суммарного показателя загрязнения (Z_c) проводили, согласно формуле:. Корневое поступление элементов из почвы определяли с помощью коэффициента накопления (К_н), который выражает отношение содержания элемента в корнях к таковому в почве:.

Полученные данные обрабатывались общепринятыми методами статистического анализа с использованием среднестатистической ошибки среднего в трехкратных повторностях.

2. Результаты и обсуждения

Важным показателем загрязнения почв тяжелыми металлами является содержание их подвижных форм. Коэффициенты техногенной концентрации (табл. 1) отражают особенности накопления тяжелых металлов в почвах. Опасность загрязнения тем выше, чем больше К_с превышает единицу [4]. Результаты исследований по содержанию ионов тяжелых металлов в почвенных образцах, собранных в июне 2015-2016 гг. были представлены в ранее опубликованных работах [6, 7]. Для выявления динамики накопления микроэлементов был проведен анализ показателей коэффициента накопления (К_с) и загрязнения (Z_c) за два года. Следует отметить, что на территории пункта № 2 коэффициент накопления не превышал единицу для всех исследуемых тяжелых металлов. В почве пункта № 3 суммарный показатель загрязнения (Z_с) максимален и составил 210,12. Пробы в этом пункте отбирались вблизи автомагистрали,в выбросах которого концентрируются многие тяжелые металлы [3]. На придорожной территории почва содержит кадмий и цинк в сотни и десятки раз больше, чем почвы пунктов № 1, № 2 и № 4, удаленных от автомагистралей.

Таблица 1.

Средние коэффициенты техногенной концентрации тяжелых металлов (К_с) и суммарный показатель загрязнения (Z_с) для почв г. Читы (июнь 2015 г.)

В 2016 г наблюдалось значительное уменьшение К_с по кадмию и по свинцу в пунктах 1, 3 и 4; по цинку - только в пункте 3; по меди показатель К_с снизился в почве пункта 1.Увеличение К_с по всем металлам было отмечено на территории пункта 2.На территории пункта 3 -только по меди от 1,62 до 4,32, в пункте 4 - по цинку и меди.

Суммарный показатель загрязнения в изучаемый период во всех почвах оставался высоким. В июне 2016 г. наблюдались изменения в сторону увеличения Z_c в почвах пункта 1 и 3, в почвах пункта 4, наоборот, произошло снижение показателя в 3,72 раза (табл. 1 и 2).

Таблица 2.

Средние коэффициенты техногенной концентрации тяжелых металлов (К_с) и суммарный показатель загрязнения (Z_с) для почв г. Читы (июнь 2016 г.)

Согласно полученным данным, почвы исследуемых территорий считаются непригодными для посадки растений, т.к. содержащиеся в них ионы тяжелых металлов легко попадают в подземные и надземные органы произрастающих на них растений. В большей степени это касается лекарственных растений, органы которых используются для приготовления отваров и настоек [8, 9].

С целью оценки риска попадания тяжелых металлов в надземные органы растений, был изучен коэффициент накопления (К_н), который характеризует корневое поступление элементов из почвы (табл. 3 и 4). В 2015 г. в пункте 4 коэффициент техногенной концентрации (К_с) по цинку составлял 0,37, при этом коэффициент накопления (К_н) у S. chamaejasme достигал 75,8, сходная тенденция наблюдалась и по свинцу: К_с - 16,57, тогда как К_н - 37,3. На этом же участке К_с в почве по свинцу был равен 193,8, значение же К_н у S. chamaejasme составил 37,3. Аналогичная зависимость по цинку и свинцу для участка № 4 была выявлена у видов O. myriophylla и P. tanacetifolia. Так, для O. myriophylla коэффициент накопления по цинку составлял 54,8, по свинцу - 35,4; у P. tanacetifolia по свинцу - 43,5, по меди - 74,7 (табл. 3).Ни по одному из микроэлементов больших показателей К_н не отмечено для A. gmelinii, что, вероятно, связано с особенностями биологии вида и условиями периода сбора материалов.

Таблица3.

Среднее значение коэффициента накопления (К_н) тяжелых металлов в травянистых растениях в условиях городской среды (2015 г)

В 2016 г. отмечены повышенные значения К_н по меди у A. gmelinii, собранной на территории пунктов № 2 и № 3(12,3 и 21,3 соответственно). Для P. tanacetifolia высокое значение К_н по свинцу для пункта № 4 - 30,4, а по меди в пунктах 2 и 3 - 11,9 и 10,2 соответственно. Для O. myriophylla по свинцу К_н достигал 67,7 (пункт 3) (табл. 4).

поллютант почва растение

Таблица4.

Среднее значение коэффициента накопления тяжелых металлов в травянистых растениях в условиях городской среды (2016 г)

Таким образом, полученные данные позволяют сделать выводы о том, что почвы исследуемых территорий характеризуются высоким значением суммарного показателя загрязнения (Z_с) тяжелыми металлами и могут быть отнесены к категории умеренно опасных [3]. Почва пункта 4 особенно отличалась высокими значениями коэффициента техногенной концентрации (К_с) по всем исследуемым металлам, но при этом коэффициент накопления, практически, у всех растений не превышал значения 3. Как показали исследования, поглощение поллютантов осуществляется, главным образом, корневой системой растений. Такое соотношение К_с и К_н, возможно, говорит о том, что у растений хорошо развиты защитные механизмы корневой системы, которые препятствуют избыточному поступлению и накоплению опасных микроэлементов в их тканях. Но следует отметить, что у P. tanacetifolia и O. myriophylla, произрастающих на территории пунктов 4 и 3, соотношение К_с и К_н по свинцу имеет другую зависимость. У этих видов, наоборот, коэффициент накопления в несколько раз превышал значения К_с. Почва пункта 4 испытывает высокую автотранспортную нагрузку. В условиях этой территории свинец является элементом интенсивного поглощения и активно накапливается в корнях P. tanacetifolia и O. myriophylla. Возможно, что поступающие в корни металлы могут прочно фиксироваться, полностью не проходя в надземную часть. Кроме того, в условиях длительного техногенного загрязнения, могут быть нарушены защитные механизмы корневой системы данных видов.

Библиографический список

1. Янин Е.П. Экологическая геохимия и проблемы биогенной миграции химических элементов 3-го рода / Е.П. Янин // Тр. Биогеохим. лаб «Техногенез и биогеохимическая эволюция таксонов биосферы». - Т. 24. - М.: Наука, 2003. - С. 45-47.

2. Ильин В.Б. Тяжелые металлы и неметаллы в системе почва-растение / В.Б. Ильин. - Рос.акад. наук, Сиб. отд-ние, Ин-т почвоведения и агрохимии. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2012. - С.120-122.

3. Багдасарян А.С. Эффективность использования тест-систем при оценке токсичности природных сред// Экология и промышленность России. - 2007. - С. 44-48.

4. Копылова Л.В. Содержание тяжелых металлов в почвах и растениях урбанизированных территорий (Восточное Забайкалье) / Л.В. Копылова, Е.А. Войтюк, О.А. Лескова, Е.П. Якимова.- Чита: ЗабГУ, 2013. - С. 53-57.

5. Воронкова И.П. Содержание токсичных микроэлементов в сопряженных средах / И.П. Воронкова, Л.А. Чеснокова // Гигиена и санитария, № 4, 2009. - С. 17 - 19.

6. Самойленко Г.Ю., Бондаревич Е.А., Коцюржинская Н.Н. Оценка загрязнения почв г. Читы // Матер. Всеросс. конфер. с междунар. участием «Эволюция биосферы и техногенез», посвященная 35-летию ФГБУН ИПРЭК СО РАН. - Чита, 2016. - С. 132-135.

7. Самойленко Г.Ю., Бондаревич Е.А., Коцюржинская Н.Н. Изучение содержания тяжёлых металлов в почвах и дикорастущих растениях инверсионно-вольтамперометрическим методом / Г.Ю. Самойленко, Е.А. Бондаревич, Н.Н. Коцюржинская // Ученые записки ЗабГУ. Серия Биологические науки. Т.12, №1, 2017. - С. 31-39.

8. Реутова Н.В. Определение мутагенного потенциала неорганических соединений ряда тяжелых металлов / Н.В. Реутова, Т.В. Реутова, Т.И. Воробьева // Гигиена и санитария, № 5, 2011. - С. 55-57.

9. Чупарина Е.В. Определение металлов Ca, Ti, Cr, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, Sr, Ba и Pb в лекарственных растениях методом рентгенофлуоресцентного анализа / Е.В. Чупарина, Т.С. Айсуева, О.И. Жапов, Т.П. Анцупова // Аналитика и контроль. - 2008. - Т. 12. - С. 2 -10.

Размещено на Allbest.ru