REACTION OF THE ENVIRONMENT AND CONTENT OF HEAVY METALS IN ALLUVIAL SOILS IN THE PLAIN OF THE RIVER BIG YUGAN

Abstract


The article deals with the regularities of accumulating of heavy metals and biologically active agents (photosynthesis pigments) in inundated types of meadow plants. Research was conducted in four plant communities: a mixed herbs-cereal shrubby meadow, a mixed-herbs-canary shrubby meadow, an aspen forest shrubby meadow, an osier-bed sedge in the neighborhood of the village of Yugan, Surgut District, Khanty-Mansiysk Autonomous Area - Yugra. Collection of plants was made for determination of the content of photosynthetic pigments (chlorophylls a, b , carotinoids) and heavy metals on the trial areas. 7 types of plants served as an object of our research: Calamagrostis purpurea (Trin.) Trin., Carex acuta L., Carex aquatilis Wahlenb., Carex vesicaria L., Carex rostrata Stokes., Elytrigia repens (L.) Desv. ex Nevski, Phalaroides arundinacea (L.) Rausch . In plant communities we conducted the sampling of the studied plants (roots, leaves) and also soil sampling was made. Roots of plants were cleared from soil and washed in flowing water. Samples were selected 5 times. Experiments were conducted on the dried-up raw materials. The freshly-gathered plants cleared and washed from soil were also sterilized in the laboratory from foreign impurities, they were dried up and weighed on electronic scales. The mobile form of elements in soil and vegetable samples were kept by an atomic and absorbing method. Determination of pigments of photosynthesis (chlorophyll and carotinoids) in solid of plants was carried out by spectral and photometric method. An electrometric method was applied for determination of рН in salt and water extract of the soil. During the working progress we revealed that the content of heavy metals in roots of meadow plants is 3 times more than in leaves. Specific features concerning absorption of heavy metals by plants and their adaptations to environmental factors appeared. Negative influence of a high concentration of lead and cadmium on the content of pigments of photosynthesis in leaves of sedge was revealed, whereas copper influence was generally positive. All the studied inundated meadow types of plants (Carex rostrata, Carex acuta, Elytrigia repens, Phalaroides arundinacea, Carex aquatilis, Calamagrostis purpurea, Carex vesicaria) showed the coefficient of absorption less than 1 in relation to copper and lead which demonstrates availability of a biochemical barrier, especially in relation to lead. However sedges actively absorb toxic cadmium, the coefficient of biological absorption is often more than 1. The acquired results can be used in bioindication of oil pollution, and also during the study of production processes of meadow plant communities.

Full Text

Нефтедобывающая отрасль в Западной Сибири является основным фактором, оказывающим разностороннее влияние на отдельные компоненты и ландшафты. Большое количество работ, выполненных на территории Ханты-Мансийского автономного округа, посвящено проблеме нефтяного загрязнения среды, однако вопросы накопления тяжелых металлов (ТМ) в растениях рассмотрены лишь в единичных работах (Шепелева, Филимонова 2008). Наши исследования выполнены на территории Сургутского района Ханты-Мансийского автономного округа - Югры. В ряде работ (Ильин, Степанова 1981; Борисков 2000; Кудряшова 2003) установлены закономерности распределения тяжелых металлов в различных органах растений. Так, максимальное накопление отмечается авторами в корнях, затем в вегетативных органах, наименьшей аккумуляцией металлов отличаются генеративные органы. По мнению Г. А. Евдокимовой, Е. Е. Кислых, Н. П. Мозгова (1984), корни растений до определенного предела обеспечивают защиту наземных органов, однако, несмотря на это, поллютант проникает в стебли и листья растения и само растение способно ограничить его поступление в репродуктивные органы. Н. А. Черных и Л. Л. Ефремова (1988) отметили, что по мере увеличения содержания тяжелых металлов в почве до очень высокого уровня концентрация их в различных органах возрастает, но при этом сохраняется соотношение между содержанием тяжелых металлов в корнях, стеблях, листьях и репродуктивных органах. Известно, что для большинства ТМ более кислая среда способствует увеличению подвижности (Головина и др. 1988; Обухов, Плеханова 1991), а при высоких значениях рН доступность ТМ снижается (Химия тяжелых металлов 1985). Органическое вещество почвы также играет большую роль в снижении доступности ТМ для растений (Добровольский 1997). Органическим веществом активнее закрепляются медь и свинец и значительно слабее цинк и кадмий (Рэуце, Кырстя 1986). Актуальность. Для территории Сургутского района ХМАО-Югры в настоящее время имеются лишь единичные работы, касающиеся изучения геохимического фона почв и донных отложений (Сорокина и др. 2006). Полученные нами результаты исследований накопления тяжелых металлов в почвах и пойменных луговых растениях представляют поэтому большой интерес. Цель исследования - изучение закономерностей накопления тяжелых металлов у пойменных видов луговых растений. В задачи исследования входило: определение содержания тяжелых металлов (Cu, Pb, Cd) в растениях и почве; изучение влияния реакции среды почв на поглощение тяжелых металлов растениями. Материалы и методы исследования Для изучения содержания тяжелых металлов почвенный и растительный материал был собран на территории Сургутского района в окрестностях деревни Юган (рис. 1). Рис. 1. Схема расположения мониторинговых участков: 1 - Усть-Балыкское месторождение; 2 - Южно-Сургутское месторождение, 3 - пойма р. Юган Объектом исследования послужили 7 видов растений: Calamagrostis purpurea (Trin.) Trin., Carex acuta L., Carex aquatilis Wahlenb., Carex vesicaria L., Carex rostrata Stokes., Elytrigia repens (L.) Desv. ex Nevski, Phalaroides arundinacea (L.) Rausch. В фитоценозах производился отбор образцов изучаемых растений (корни, листья), а также образцов почвы. Пробы отбирались в пяти повторностях. Корни растений очищали от почвы и отмывали в проточной воде. Эксперименты проводили на высушенном сырье. Содержание тяжелых металлов в почвенных и растительных образцах определялось методом атомно-абсорбционной спектрометрии в экстракте с 5М азотной кислотой (ГОСТ 30178-96 2010; Русак и др. 2012), на атомно-абсорбционном спектрометре МГА-915 МД. Для измерения водородного показателя (рН) в почвенных вытяжках использовали прибор «Экотест-2000» (ГОСТ 26483-85 1985). Определение хлорофиллов и каротиноидов в сухом веществе растений проводилось на спектрофотометре СФ-56 по методике А. Т. Мокроносова (1994). Исследование выполнено на базе научной лаборатории биохимии и комплексного мониторинга окружающей среды НИИ экологии Севера и на кафедре ботаники и экологии растений Сургутского государственного университета ХМАО-Югры. Статистическая обработка полученных результатов анализов проведена с помощью пакета Microsoft Office Excel. Рассчитывались следующие показатели: среднее (М), стандартное отклонение (s), стандартная ошибка (m), доверительный интервал p=0,95 (с погрешностью 0,05). Для оценки накопления тяжелых металлов растениями использовали показатель отношения их содержания в надземной части растений и в почве (Перельман 1961) - коэффициент поглощения биологического (КПБ,%). Как известно, если коэффициент биологического поглощения больше 1, тогда можно говорить о способности растения аккумулировать тот или иной элемент. Расчет производился исходя из содержания тяжелых металлов в корнях и надземной массе растений и в верхнем слое почв (0-20 см). На основе полученных данных был рассчитан также транслокационный коэффициент (ТК). Он отражает способность растений транспортировать те или иные элементы из корней в надземную часть и представляет собой отношение содержания элемента в надземной части растений к его содержанию в корнях. Чем он выше, тем в большей степени растение подходит для целей ремедиации, поскольку корни сложно извлечь из почвы. Результаты исследований и их обсуждение Показатель рН используется для выражения степени кислотности - щелочности почв. Его величина, как правило, колеблется от 3,5 до 8,5. При нейтральных значениях 6,5-7,0 ед. - тяжелые металлы находятся связанными в почве, и только лишь их крайне незначительная часть усваивается растениями и накапливается. Напротив, в кислых почвах с низкими значениями рН железо, марганец и алюминий находятся в подвижной форме в виде соединений, ядовитых для растений. Кислая среда является благоприятным условием для накопления в растениях тяжелых металлов. При возрастании pH почвы подвижность TM понижается. Концентрации TM в почвенных растворах в щелочных и нейтральных почвах ниже, чем в легких кислых почвах. B суглинистых почвах с pH более 6 ед. тяжелые металлы накапливаются в верхних горизонтах. При снижении pH ниже 6 подвижность кадмия повышается; если pH ниже 5, увеличивается подвижность цинка. Свинец и медь почти всегда остаются в верхних горизонтах почвы. С увеличением кислотности почвы миграционная способность почти всех тяжелых металлов возрастает (Стрнад, Золотарева 1988). Проведено определение pH солевой и pH водной вытяжки почв и содержания свинца, меди и кадмия в почвах (табл. 1). Выяснилось, что реакция среды почв (pHвв.) слабокислая, почвы характеризуются высокой обменной кислотностью (табл. 1), что означает увеличение подвижности тяжелых металлов, которые могут легко проникать в растения. В почве, взятой под ивняком осоковым, pH верхнего слоя почв (0-10 см) выше, чем в почвах из других фитоценозов. Почва накапливает больше свинца и меди, содержание кадмия характеризуется меньшими значениями. По данным Г. М. Иванова (1989), в почвах тяжелого гранулометрического состава, как правило, обнаруживаются более высокие концентрации ТМ. В наших почвенных образцах свинец накапливается преимущественно в суглинистых почвах, глеевом горизонте. Для меди и кадмия прослеживается связь накопления только с суглинистыми горизонтами. Таблица 1 Содержание тяжелых металлов (мкг/г) и реакция среды в почвенных образцах д. Юган Место сбора, № разреза Почва Название пробы Pb Cu Cd рHвв. рHсв. Разнотравно злаковый закустаренный луг (разрез 1) Аллювиальная дерново- суглинистая слоистая супесчаная А1 5-18 см песок 19,19 12,37 0,47 5,72 3,95 В 18-26 см песок 21,57 13,83 0,20 5,78 4,03 С 26-75 см легкий суглинок 18,09 13,73 1,15 5,83 3,9 С1 75-80 см средний суглинок 45,40 19,12 0,56 5,76 4,05 Разнотравно-канареечниковый закустаренный луг (разрез 2) Дерново- глеевая Aq 0-5 см легкий суглинок - 22,02 0,84 5,23 4,11 А1 5-12 см легкий суглинок 26,45 21,34 0,43 5,47 3,76 Глей 12-49 см 48,99 21,08 0,16 5,87 4,15 Осинник закустаренный разнотравный (разрез 3) Аллювиальная дерновая слоистая на песках А1 6-26 см легкий суглинок 20,47 9,17 0,30 5,57 3,62 В 26-59 см песок 14,67 10,85 0,32 5,66 3,93 Ивняк осоковый (разрез 4) Дерновая слоистая песчаная А1 0-1 см песок 10,08 8,36 0,13 6,04 5,7 В 1-10 см песок 17,87 11,60 0,27 5,94 5,28 Меньше всего тяжелых металлов обнаружено в почве, развитой под ивняком осоковым, расположенным уже в притеррасной части поймы, затапливаемой к тому же не ежегодно. Также и pH здесь максимально близка к нейтральной (табл. 1). Почва под ивняком имеет более высокие показатели pH, но более низкое содержание тяжелых металлов в сравнении с другими почвенными образцами. Было определено содержание тяжелых металлов (Pb, Cu, Cd) у растений поймы р. Юган (табл. 2), взятых из тех фитоценозов, где были отобраны образцы почв. Таблица 2 Содержание тяжелых металлов в растительных образцах поймы реки Юган, мкг/г Точки сбора Название растений Фракции Pb Cu Cd Разнотравно-злаковый закустаренный луг Carex rostrata листья 0,18 3,04 0,12 корни 0,75 3,67 0,27 Carex acuta листья 0,19 3,43 0,53 корни 0,34 3,85 1,38 Elytrigia repens листья 0,7 3,4 0,17 корни 1,11 3,26 0,38 Разнотравно-канареечниковый закустаренный луг Carex acuta листья 0,32 7,84 0,51 корни 0,67 6,2 0,66 Phalaroides arundinacea листья 1,65 1,2 0,04 корни 0,76 5,73 0,14 Осинник закустаренный Carex acuta листья 0,07 1,3 0,39 корни 0,57 7,29 0,81 Calamagrostis purpurea листья 0,44 2,31 0,04 корни 1,44 1,52 0,29 Ивняк осоковый Carex aquatilis листья 0,1 0,74 0,29 корни 0,16 6,33 0,63 Carex vesicaria листья 0,24 0,74 0,12 корни 0,32 0,43 0,98 Carex acuta листья 0,19 0,65 0,14 корни 0,48 0,92 0,72 Проведенный анализ свидетельствует, что растения в своих органах накапливают кадмия и свинца меньше чем меди. Практически у всех видов содержание ТМ больше в корнях, чем в листьях. Кроме того, согласно расчетам КПБ (табл. 3), у некоторых видов растений (Carex acuta, Carex aquatilis) отсутствует барьеры, препятствующие попаданию тяжелых металлов (Cd) в листья. Чтобы понять влияние реакции среды почв на накопление тяжелых металлов у растений, мы рассмотрели содержание тяжелых металлов в корнях и листьях осоки острой (Carex acuta), которая была взята из разных точек поймы р. Юган (табл. 2). В листьях Carex acuta разнотравно-канареечникового фитоценоза содержание меди и свинца выше, чем у этого вида из других сообществ. Вероятно, это связано с пониженным положением разнотравно-канареечникового закустаренного фитоценоза в мезорельефе поймы и, соответственно, более высоким содержанием тяжелых металлов в почве. Таблица 3 Коэффициент биологического поглощения тяжелых металлов растениями на различных точках поймы р. Юган Точки сбора Название растений Фракции Pb Cu Cd Разнотравно-злаковый закустаренный луг Carex rostrata листья 0,009 0,24 0,25 корни 0,04 0,30 0,57 Carex acuta листья 0,01 0,28 1,13 корни 0,02 0,31 2,94 Elytrigia repens листья 0,04 0,27 0,36 корни 0,06 0,26 0,81 Разнотравно-канареечниковый закустаренный луг Carex acuta листья 0,01 0,37 1,19 корни 0,03 0,29 1,54 Phalaroides arundinacea листья 0,06 0,06 0,09 корни 0,03 0,27 0,33 Осинник закустаренный Carex acuta листья 0,003 0,14 1,3 корни 0,03 0,79 2,7 Calamagrostis purpurea листья 0,02 0,25 0,13 корни 0,07 0,17 0,97 Ивняк осоковый Carex aquatilis листья 0,006 0,06 1,07 корни 0,009 0,55 2,33 Carex vesicaria листья 0,01 0,06 0,44 корни 0,02 0,04 3,63 Carex acuta листья 0,01 0,06 0,52 корни 0,03 0,08 2,67 В корнях Carex acuta содержание меди выше, чем кадмия и свинца. Возможно, медь лучше поглощается растениями, поскольку этот микроэлемент необходим для фотосинтеза, тогда как свинец и кадмий не входят в число необходимых для растений элементов. В корнях Carex acuta из осинника закустаренного присутствует больше меди, чем в образцах осоки из других точек поймы р. Юган, тогда как на разнотравно-злаковом лугу содержание кадмия в корнях осоки острой выше, чем на других точках. Корни растения Carex acuta, взятого из ивняка осокового, развитого на почвах с более высоким pH, имеют низкие показатели содержания тяжелых металлов. Так, в ивняке осоковом, где pHвв. почвы 5,94-6,04, pHсв. 5,28-5,7 (табл. 1), осока острая содержит всего 0,1 мкг/г меди, 0,08 мкг/г свинца и 0,01 мкг/г кадмия (табл. 2). Это, очевидно, связано с тем, что при возрастании pH подвижность многих тяжелых металлов в почве понижается, и они с меньшей интенсивностью проникают в растения. На других почвах с более низкой pH растения, как правило, имеют высокие значения содержания тяжелых металлов в своих корнях. Согласно анализу коэффициента КПБ (табл. 3) лучше всего пойменными растениями поглощается кадмий. Carex acuta и Carex vesicaria накапливают кадмий наиболее активно. Коэффициенты биологического поглощения других видов сравнительно низкие. У Carex vesicaria выявлен высокий КПБ кадмия для корней, тогда как для листьев этот показатель довольно низкий, что указывает на наличие биохимического барьера. В отличие от этого вида, для Carex acuta большие значения КПБ характерны и для корней, и для листьев, что свидетельствует об отсутствии такого барьера. Чтобы понять влияние тяжелых металлов на растения, мы рассмотрели коэффициенты транслокации осоки острой и связь между содержанием фотосинтетических пигментов и ТМ (рис. 2, 3). Что касается коэффициентов транслокации, выяснилось, что для осоки острой всех изученных фитоценозов они наиболее высокие для меди (табл. 4). Данный результат указывает на высокую потребность осоки острой в этом элементе. Таблица 4 Коэффициенты транслокации тяжелых металлов осоки острой на различных точках поймы р. Юган Место сбора Pb Cu Cd Разнотравно-злаковый закустаренный луг 0,5 0,8 0,4 Разнотравно-канареечниковый закустаренный луг 0,5 1,3 0,7 Осинник закустаренный разнотравный 0,1 0,2 0,5 Ивняк осоковый 0,40 0,70 0,19 Рис. 2. Содержание тяжелых металлов в листьях Carex acuta, мкг/г Рис. 3. Содержание пигментов фотосинтеза в листьях Carex acuta, мг/г Из рисунков 2, 3 видно, что в листьях осоки острой из осинника закустаренного более высока концентрация всех фотосинтетических пигментов, но меньше меди и свинца, чем в образцах, взятых в других фитоценозах. Также невелико значение содержания кадмия. В образцах осоки острой из других фитоценозов значения концентрации хлорофиллов и каротиноидов в листьях ниже, а содержание тяжелых металлов - выше. Вероятно, на понижение содержания фотосинтетических пигментов больше влияют кадмий и свинец, так как данные тяжелые металлы являются особо опасными и проявляют признаки токсичности даже при низком содержании в растении, а медь - важный элемент для растений, он стабилизирует хлорофилл, предохраняет его от разрушения, что подтверждают результаты нашего исследования. ВЫВОДЫ 1. В почве с реакцией среды, близкой к нейтральной, подвижность свинца, меди и кадмия снижается, вследствие чего растения не накапливают большие количества тяжелых металлов. В корнях луговых растений содержание тяжелых металлов больше, чем в листьях. 2. У всех изученных пойменных луговых видов растений (Carex rostrata, Carex acuta, Elytrigia repens, Phalaroides arundinacea, Carex aquatilis, Calamagrostis purpurea, Carex vesicaria) по отношению к меди и свинцу КБП меньше единицы, что свидетельствует о наличии биохимического барьера, особенно по отношению к свинцу. Однако осоки активно поглощают токсичный кадмий, КПБ осок часто больше единицы. 3. В естественных условиях поймы р. Юган проявляется видоспецифичность в отношении поглощения тяжелых металлов растениями и их адаптации к факторам среды. 4. На примере осоки острой установлено отрицательное влияние высоких концентраций свинца и кадмия на содержание пигментов фотосинтеза, тогда как влияние меди в целом является положительным. Список сокращений ТМ - тяжелые металлы КПБ - коэффициент поглощения биологического ТК - транслокационный коэффициент рНвв. - водная вытяжка рНсв. - солевая вытяжка

About the authors

L. F. Shepeleva

Institute of Natural and Technical sciences


Doctor of Biological Sciences (Grand PhD), Professor, Head of the Department of Botany and Plant Ecology

A. I. Shepelev

Scientific Research Institute of Ecology of the North, Surgut State University


Doctor of Biological Sciences (Grand PhD), Professor, leading researcher

I. V. Kravchenko

Scientific Research Institute of Ecology of the North, Surgut State University


Candidate of Biological Sciences (PhD), leading researcher

References

  1. Борисков Д. Е. 2000. Причины и закономерности техногенного загрязнения тяжелыми металлами системы почва-растение в условиях лесостепной зоны Зауралья: Дис. … канд с.-х. наук. Курган.
  2. Головина Л. П., Лысенко М. Н., Кисель Т. И., Матвеенко В. Б. 1988. Микроэлементы в почвах западной провинции Украинского полесья // Агрохимия и почвоведение. 51, 54-61.
  3. ГОСТ 26483-85. 1985. Почвы. Определение рН солевой вытяжки, обменной кислотности, обменных катионов, содержания нитратов, обменного аммония и подвижной серы методами ЦИНАО: сб. ГОСТов. М.: Издательство стандартов.
  4. ГОСТ 30178-96. 2010. Сырье и продукты пищевые. Атомно-абсорбционный метод определения токсичных элементов. М.: Стандартинформ.
  5. Добровольский В. В. 1997. Биосферные циклы тяжелых металлов и регуляторная роль почвы // Почвоведение. 4, 431-441.
  6. Евдокимова Г. А., Кислых Е. Е., Мозгова Н. П. 1984. Биологическая активность почв в условиях аэротехногенного загрязнения на Крайнем Севере. Л.: Наука, Ленингр. отд-ние.
  7. Иванов Г. М. 1989. Биогеохимия микроэлементов в ландшафтах Западного Забайкалья // Остроумов В. М. (отв. ред.). Почвенные ресурсы Забайкалья: сборник научных трудов. Новосибирск, 115-122.
  8. Ильин В. Б., Степанова М. Д. 1981. О фоновом содержании тяжелых металлов в растениях // Известия Сибирского отделения Академии наук СССР. Серия Биологические науки. 5/1, 26-32.
  9. Кудряшова В. И. 2003. Аккумуляция тяжелых металлов дикорастущими растениями: Дис. … канд. биол. наук. Саранск.
  10. Мокроносов А. Т. 1994. Малый практикум по физиологии растений : учеб. пособие. М.: Изд-во МГУ.
  11. Обухов А. И., Плеханова И. О. 1991. Атомно-абсорбционный анализ в почвенно-биологических исследованиях. М.: Изд-во Моск. ун-та.
  12. Перельман А. И. 1961. Геохимия ландшафта. М.: Географгиз.
  13. Русак С. Н., Кравченко И. В., Филимонова М. В., Башкатова Ю. В. 2012. Экологическая биохимия растений: химические и биохимические методы анализа: метод. рекомендации. Сургут: ИЦ СурГУ.
  14. Руэце К., Кырстя С. 1992. Борьба с загрязнениями почвы. М.: Агропромиздат.
  15. Сорокина Е. П., Батрак И. Е., Дмитриева Н. К. 2006. Характеристика геохимического фона природной среды при геоэкологических исследованиях в Сургутском районе // Кукуричкин Г. М. (ред.). Биологические ресурсы и природопользование: сборник науч. трудов. Вып. 9: Сургут: Дефис, 270-295.
  16. Стрнад В., Золотарева В. Н. 1988. Взаимодействие фульватных комплексов свинца, кадмия, меди и цинка с минералами и почвами // Экологическая кооперация. 1, 53-55.
  17. Химия тяжелых металлов, As и Mo в почвах. 1985 / Зырин Н. Г., Садовникова Л. К. (отв. ред.). М.: Изд-во Моск. ун-та.
  18. Черных H. A., Ефремова Л. Л. Защита почв и растений от загрязнения тяжелыми металлами // Тез. докл. всесоз. научно-техн. конференции «Проблемы повышения плодородия почв в условиях интенсивного земледелия». М., 1988. С. 28-29.
  19. Шепелева Л. Ф., Филимонова М. В. 2008. Биохимия растительного сырья в условиях техногенных ландшафтов ХМАО: синтез низкомолекулярных антиоксидантов и накопление микроэлементов. Томск: ТМЛ-Пресс.

Statistics

Views

Abstract - 0

Article Metrics

Metrics Loading ...

Refbacks

  • There are currently no refbacks.


This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies