Сайт журнала "Экологический Вестник России"

Оценка способности городских тюльпанов к ремедиации тяжелых металлов из почвы

В статье приводятся результаты экспериментальных исследований по изучению ремедеационной способности декоративных тюльпанов (Tulipa) к биологическому поглощению тяжелых металлов из почвы. В качестве критериев оценки рассматривались коэффициент биологического поглощения (Ах) и наличие «барьера» на границе «луковица – надземная фитомасса» для четырёх металлов: свинец, цинк, медь, кадмий.

Научные исследования были проведены в рамках реализации проекта, поддержанного грантом РФФИ № 15-05-04554 «Фиторемедиация городских почв, загрязненных тяжелыми металлами, декоративными цветочными культурами и злаками газонов».

Введение

Одной из наиболее важных экологических проблем современности является загрязнение всех компонентов окружающей среды, в том числе и почв, такими опасными токсикантами, как тяжелые металлы, что особенно актуально для крупных промышленных городов [7,8,10].

В последние годы многие российские и зарубежные авторы указывают на перспективность применения методов фиторемедиации для оздоровления почв, загрязненных тяжёлыми металлами. Фиторемедиация представляет собой комплекс методов очистки почв с использованием зеленых растений, в основе которого лежит их способность в той или иной степени «вытягивать» загрязнители из почвы. Результаты проведенных раннее научных исследований, полученные с применением указанного метода оздоровления почв, ориентированы, в основном, на улучшение экологического состояния сельскохозяйственных земель. Авторы предлагают использовать в качестве растений-ремедиаторов тысячелистник обыкновенный (Achillea millefolium L.), одуванчик лекарственный (Taraxacum officinale Wigg.), полынь горькую (Artemisia absihthium L.), бодяк полевой (Cirsium arvense (L.) Scop.), клевер луговой (Trifolium pratense L.), мятлик луговой (Poa pratensis L.) и некоторые другие [1,2,5,6,12]. На урбанизированных территориях, где в городских почвах часто формируются целые геохимические аномалии по содержанию тяжелых металлов, использовать предлагаемые растения для оздоровления почв не представляется возможным. В то же время, городские декоративные цветочные культуры, применяемые для создания клумб и цветников, практически не рассматриваются с точки зрения ремедиации почв, а лишь учитываются их декоративные качества [8].

Одной из наиболее распространенных раннецветущих декоративных цветочных культур, используемых при озеленении и благоустройстве городов Российской Федерации, являются тюльпаны (Tulipa), которые характеризуются относительно непродолжительным периодом цветения (от нескольких недель до месяца) по сравнению с другими декоративными растениями. Целью нашего исследования являлось изучение способности тюльпанов (Tulipa) к биологическому поглощению тяжелых металлов из почвы, и оценка их ремедеционного использования.

Методы исследований

При проведении натурных исследований были заложены мониторинговые площадки во всех функциональных зонах города: в селитебной – внутри жилого микрорайона, в транспортной – вдоль автомагистрали, в промышленной – в зоне воздействия юго-восточного промузла, в рекреационной – на территории Центрального городского парка.

С каждой площадки наблюдений были отобраны пробы надземной и подземной фитомассы тюльпанов, а также почвы на которой они произрастали. Во всех почвенных и растительных образцах в аккредитованной лаборатории атомно-адсорбционным методом определялось валовое содержание тяжелых металлов – свинца, меди, цинка и кадмия, как наиболее приоритетных загрязнителей окружающей среды.

В качестве критерия оценки ремедеационной способности у представителей Tulipa по отношению к тяжёлым металлам использовался коэффициент биологического поглощения (Ах), расчет и интерпретация которого осуществлялись по формуле и шкале, предложенной А.И. Перельманом [11]:

Ах = Кр / Кп, где

Кр – содержание тяжёлых металлов в фитомассе;

Кп – содержание тяжёлых металлов в почве.

Определение концентрации исследуемых загрязнителей в надземной фитомассе и в луковицах Tulipa позволило установить наличие биологического барьера (G), который характеризует направление миграции химических элементов по растению:

G = Сн /Сп,

где Сн – концентрация тяжелого металла в надземной фитомассе;

Сп – концентрация тяжелого металла в подземной фитомассе.

Результаты и их обсуждение

На начальном этапе исследований была проведена оценка содержания свинца, меди, цинка и кадмия в почвах мониторинговых площадок. Установлено, что во всех анализируемых функциональных зонах отмечается превышение фоновых концентраций всех тяжёлых металлов за исключением меди, содержание которой ниже регионального фона (таблица 1).

Таблица 1. Содержание тяжёлых металлов в почвах разных функциональных зон города Рязани, мг/кг

* По данным Министерства природопользования и экологии Рязанской области

Превышений ПДК (ОДК) анализируемых тяжелых металлов в пробах почв не выявлено. То есть тюльпаны, как объект исследований, не испытывали техногенный стресс со стороны почвы.

Расчет и оценка значений коэффициента биологического поглощения (Ах) тяжелых металлов Tulipa показывает их избирательность в накоплении того или иного металла (рисунок 1).

Рис. 1. Значение коэффициента биологического поглощения (Ах) тяжелых металлов Tulipa

Проанализировав полученные значения Ах в соответствии с классификацией рядов биологического поглощения, предложенной А.И. Перельманом [11], можно сделать вывод, что для тюльпанов цинк и медь относятся к элементам слабого накопления и среднего захвата (Ах = 0,1-1,0), а свинец и кадмий к элементам слабого захвата (Ах = 0,01-0,1). Так, максимальные значения Ах для тюльпанов отмечаются в отношении цинка и меди, преимущественность поглощения которых по сравнению с другими тяжелыми металлами характерна для многих видов растений и объясняется их высокой биофильностью и физиологической ролью (участие в биосинтезе ферментов, витаминов, ростовых веществ и т.д.) [3,4]. Минимальные значения Ах характерны для кадмия и свинца. По нашему мнению, это обусловлено тем фактом, что свинец и кадмий не играют существенной физиологической роли и лишь захватываются растительными организмами наряду с другими рассеянными металлами. На основании вышеизложенного можно предположить, что в процессах поглощения тюльпанами тяжелых металлов из почвы ведущую роль играет именно физиологическое значение элемента.

Кроме того, необходимо отметить, что содержание поглощенных растениями из почвы тяжелых металлов коррелируют с их содержанием в почве. Следовательно, при увеличении концентрации цинка и меди в городской почве будет наблюдаться их более активный «вынос».

Таким образом, для тюльпанов биогеохимический ряд накопления тяжелых металлов выглядит следующим образом: Zn2+ > Cu2+ > Pb2+ > Cd2+.

Известно, что для большинства растений распределение загрязнителей в разных органах неравномерно, зависит от видовой принадлежности растений и их физиологических особенностей. Поступая в клетки, тяжелые металлы реагируют с функциональными группами белков и других соединений, что приводит к многочисленным нарушениям метаболизма и лежит в основе высокой токсичности тяжелых металлов по отношению к растениям. Первым барьерным уровнем при миграции тяжелых металлов внутри растений является граница между их надземными и подземными органами. На биологических барьерах может происходить резкое уменьшение интенсивности миграции химических элементов под воздействием внутренних физиологических процессов, происходящих в организме растения.

С целью оценки интенсивности миграции и распределения каждого из исследуемых тяжелых металлов между надземными и подземными органами у декоративных тюльпанов, нами были проведены расчеты «биологического барьера». Установлено, что исследуемые тяжелые металлы не одинаково распределяются по организму растения. Так, цинк преимущественно накапливается в луковицах тюльпанов (G = 0,8), а медь, напротив, – в их надземной фитомассе (G = 1,3). Свинец более-менее равномерно распределен между надземной и подземной частью растения (G = 1,0). Что касается кадмия, то достоверных результатов получить не удалось из-за слишком низкой концентрации данного загрязнителя в органах тюльпанов.

Таким образом, проведённые исследования позволили установить, что тюльпаны, используемые для создания клумб и цветников во многих городах, обладают низкими ремедиационными свойствами, накапливают в своих органах в основном биофильные тяжелые металлы такие как цинк и медь. Тем не менее, свинец и кадмий также поступают в растения. Но, так как тюльпаны находятся весьма непродолжительный период в городской почве, то полученные данные имеют скорее теоретический интерес. Все исследуемые загрязнители по-разному распределяются между надземными и подземными органами растения.

Литература

1. Андреева, И.В. Фиторемедиация почв, загрязненных тяжелыми металлами [Текст]/ И.В. Андреева, Р.Ф. Байбеков, М.В. Злобина // Мелиорация и рекультивация. – 2009. – №5. – С. 5-11.

2. Анилова, Л.В. Перспективы фиторемедиации почвенного покрова урбанизированных территорий (на примере г. Оренбурга) [Текст]/ Л.В. Анилова, Е.В. Сальникова, О.В. Примак, М.В. Шарыгина// Вестник ОГУ. – 2012. – №6 (142). – С. 82-85.

3. Безуглова, О.С. Биогеохимия [Текст]: Учеб. для студ. высш. учеб. заведений / О.С. Безуглова, Д.С. Орлов – Ростов-на-Дону: «Феникс», 2000. – 320 с.

4. Битюцкий, Н.П. Микроэлементы высших растений [Текст]: моногр./ Н.П. Битюцкий – СПб.: Изд-во СПб. ун-та, 2011. – 368 с.

5. Васильева, Т.Н. Фиторемедиаторы территории городской агломерации [Текст]/ Т.Н. Васильева // Бюллетень оренбургского научного центра УрО РАН. – 2014.– №2. – С. 8-12.

6. Галактионова, Л.В. Сравнительный анализ способности представителей флоры урбанизированных территорий к аккумуляции тяжелых металлов [Текст]/ Л.В. Галактионова, М.А. Степанова, А.В. Тесля, А.А. Ануфриенко// Вестник ОГУ. – 2013. – №10 (159). – С. 186-189.

7. Гальченко, С.В. Оценка уровня и степени опасности загрязнения тяжелыми металлами поверхностного слоя почв города Рязани [Текст]/ С.В. Гальченко, А.А. Ляпкало, А.В. Федоренко, А.М. Цурган // Российский медико-биологический вестник им. Академика И.П. Павлова. – 2001. – № 3-4. – С. 138-143.

8. Гальченко, С.В. Оценка влияния техногенных выбросов на экологическое состояние урбанизированных систем (на примере города Рязани) [Текст]: диc. … канд. биол. наук / С.В. Гальченко; РГСХА имени профессора П.А. Костычева – Рязань, 2002. – 160 с.

9. Добровольский, В.В. Основы биогеохимии [Текст]: Учеб. для студ. высш. учеб. заведений / В.В. Добровольский – М.: Издательский центр «Академия», 2003. – 400 с.

10. Ляпкало, А.А. Эколого-гигиенические аспекты загрязнения почвы г. Рязани тяжелыми металлами [Текст]/ А.А. Ляпкало, С.В. Гальченко// Гигиена и санитария. – 2005. – №1. – С. 8.

11. Перельман, А.И. Геохимия [Текст]: Учеб. для геол. спец. вузов. –2-е изд., перераб. и доп. / А.И. Перельман – М.: Высш.шк., 1989. – 528 с.

12. Поцепай, Ю.Г. Накопление тяжелых растений адвентивными видами растений синантропных сообществ [Текст]/ Ю.Г. Поцепай, Л.Н. Анищенко // Проблемы агрохимии и экологии. – 2013. – №1. – С. 35-40.

С.В. Гальченко, к.б.н., доцент,
Ю.А. Мажайский, д.с.-х.н., профессор,
А.С. Чердакова, старший лаборант,
кафедра экологии и природопользования,
Рязанский государственный университет им. С.А. Есенина,
г. Рязань.