Накопление цинка, меди и свинца лишайником в районе

ВЕСТНИК ТОМСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА
Сентябрь
№ 314
2008
НАУКИ О ЗЕМЛЕ
УДК 549.25/.28:582.29(574.41)
Е.П. Евлампиева, М.С. Панин
НАКОПЛЕНИЕ ЦИНКА, МЕДИ И СВИНЦА ЛИШАЙНИКОМ В РАЙОНЕ
УГЛЕДОБЫВАЮЩЕГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ «КАРАЖЫРА»
Изучены особенности накопления цинка, меди и свинца лишайником Parmelia vagans, произрастающим в районе угледобывающего производства «Каражыра». Выявлены направления и расстояния с максимальным и минимальным накоплением химических элементов в растении. Установлена тесная корреляционная связь между содержанием тяжелых металлов в почвенном покрове исследуемого месторождения и их накоплением в лишайнике.
млн м3, млн.т
Исследователи всего мира довольно давно изучают
химический состав низших растений – мхов и лишайников, у которых отсутствуют корни [1]. Чувствительность лишайников к атмосферному загрязнению отмечена еще в прошлом веке Гриндоном и Ниландером.
Лишайниковый симбиоз – это система, в которой совместное существование гриба и водоросли приводит к
возникновению целого ряда уникальных морфологических, физиолого-биохимических, адаптационных особенностей. Эти организмы поселяются в труднодоступных для других растений местах и отличаются высокой степенью выносливости в неблагоприятных условиях внешней среды.
Лишайники, будучи одними из самых чувствительных к загрязнению организмов, могут быть использованы в качестве аккумуляторов компонентов загрязнения, в частности тератогенов, поскольку характеризуются довольно высокими коэффициентами накопления
различных веществ. У лишайников нет восковой кутикулы, и вся их поверхность круглосуточно открыта для
диффузии любого химического вещества, находящегося в воздухе или на субстрате, они способны фотосинтезировать (и накапливать) различные соединения в
течение всего года даже при пониженных температурах, при этом способны поглощать воду в капельножидком состоянии даже из атмосферного воздуха и
накапливать токсичные вещества из сильно разбавленных растворов [2, 3].
Помимо изучения теоретических аспектов минерального обмена этих уникальных растений, повышенный интерес к ним вызван возможностью использования последних для фитоиндикации техногенного за-
грязнения среды тяжелыми металлами (ТМ), в том
числе и территорий, подверженных воздействию угледобывающего производства [4]. При добыче и переработке угольной породы происходит загрязнение прилегающих территорий, возникают эрозионные очаги, почвенный слой подвергается физическому, механическому и химическому воздействию. За пределы карьера
распространяются миграционные геохимические потоки, характеризующиеся повышенными концентрациями химических элементов [5].
Цель научного исследования – оценить влияние угледобывающего производства «Каражыра» на накопление цинка, меди и свинца лишайником Parmelia
vagans в зависимости от расстояния и направления от
источника загрязнения [7].
Материал и методы исследования
Месторождение угля «Каражыра», расположенное в
130 км к юго-западу от г. Семипалатинска ВосточноКазахстанской области Республики Казахстан на землях бывшего Семипалатинского испытательного ядерного полигона, основано в 1991 г. и занимает площадь
21,4 км 2. В непосредственной близости от карьера находятся скважины бывших ядерных испытаний. С
1996 г. на месторождении начато строительство опытно-промышленного разреза «Каратас». Производительность разреза по вскрыше составляет 7,0 млн м3. Год
освоения проектной мощности разреза – 1998.
В среднем добывается 3,6 млн т угля/год. График выполненных объемов горных работ на разрезе «Каражыра» представлен на рис. 1.
12
10
8
6
4
2
0
1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005
годы
Добыча угля, млн. т
Вскрыша, млн. м3
Горная масса, млн. м3
Рис. 1. График выполненных объемов горных работ на разрезе «Каражыра»
196
Источники загрязнения окружающей природной
среды разнообразны. К ним относятся добычные и
вскрышные работы, которые ведутся в разрезе; прибортовой породный отвал, размещенный севернее разреза на расстоянии 1 км; прибортовые склады угля
(расходный и резервный), расположенные юговосточнее существующего разреза у выездной траншеи; склад угля на железнодорожной станции на расстоянии 45 км северо-западнее разреза и котельная,
обслуживающая вахтовый поселок.
Технологические операции, связанные с добычей и
переработкой добываемого угля на разрезе «Каражыра», сопровождаются загрязнением окружающей среды. Как показывают результаты исследования (2001–
2005 г.), в атмосферу выбрасываются: пыль угольная,
пыль породная, газовые компоненты и др. В среднем в
год в атмосферу разреза выбрасывается 592,63 т загрязняющих веществ при предельно допустимом выбросе 665,4 т/год.
Исследуемый участок представлен следующими
почвами:
Светло-каштановые маломощные
Светло-каштановые среднемощные
Солонцы светло-каштановые
мелкие
Лугово-светло-каштановые
Луговые светло-каштановые
Площадь, га
1122,1
2815,1
%
17,1
42,9
1876,7
28,6
564,3
190,3
8,6
2,9
По агрохимическим показателям почвы (в среднем) характеризуются низким содержанием гумуса – 1,45%, высоким содержанием физической глины – 15,2%, рН почв
близка к нейтральной – 6,6. Показатель буферной емкости
почв, рассчитанный по системе В.Б. Ильина [7], средний.
Напочвенный лишайник вида Пармелия блуждающая
(Parmelia vagans) является доминантным видом растительности угольного разреза «Каражыра» и именно поэтому служит объектом экологического мониторинга.
Лишайник Parmelia vagans характеризуется листоватым талломом, не прикрепленным к субстрату. Лопасти 2–
4 мм ширины, раздельные, ветвистые, приподнимающиеся
над субстратом, часто заворачивающиеся в трубочку.
Верхняя сторона таллома желтовато- или сероватозеленоватая, гладкая, слегка блестящая; нижняя – темнокоричневая. Поселившись на поверхности породы или
почвы, лишайники Parmelia vagans опутывают их частицы
гифами и втягивают в свое тело [8]. Поглощенные химические элементы сохраняются в организме лишайника на
протяжении всей «жизни» и даже после «смерти» [9].
Для проведения эксперимента и достижения поставленной цели были отобраны лишайниковые пробы
в зависимости от удаления от угольного разреза в соответствии с розой ветров радиально по 8 маршрутным
направлениям: север (делили на два направления: 1 и
01, т.к. здесь находится отвал вскрыши и проводятся
погрузочные работы), юг, запад, восток, северо-запад,
юго-запад, северо-восток, юго-восток на расстоянии от
250 до 5000 м от источника загрязнения. В отдельных
направлениях произведен неполный отбор растительных образцов, что обусловлено техническими параметрами (железнодорожная сетка, автодорога и т.п.) и изреженным произрастанием исследуемого лишайника.
Фоновые пробы отобраны с противоположной стороны
от розы ветров (восток) на расстоянии 60 км от контура
разреза. Пробные площадки закладывались в соответствии
с методиками, принятыми в фитоценологии, модифицированными для биогеохимических исследований [10].
Для детального изучения выбраны цинк, медь и
свинец, являющиеся тяжелыми металлами и относящиеся к числу наиболее приоритетных загрязнителей
Восточно-Казахстанской области. Цинк и медь относятся к истинным биоэлементам, они всегда присутствуют в почвах, растениях, тканях живых организмов и
участвуют в разнообразных метаболических реакциях.
Свинец является известными токсикантом, канцерагеном и мутагеном.
Содержание ТМ в растительных образцах определяли фотоколориметрическим химическим дитизоновым
методом Г.Я. Ринькиса, основанным на измерении оптической плотности окрашенного экстракта при помощи
фотоэлектроколориметра КФК-3 [11, 12]. Данный метод
характеризуется высокой чувствительностью, достаточной точностью, простотой и доступностью и широко
используется в массовых анализах объектов окружающей среды. Весь экспериментальный материал был обработан вариационно-статистическими методами, описанными в руководстве Н.А. Плохинского [13].
Результаты исследования и их обсуждение
Проведенный анализ позволяет судить о высокой
аккумулирующей способности исследуемого вида лишайника, что объясняется прежде всего биологическими особенностями растений и активным влиянием техногенной нагрузки. Данный факт подтверждается и
многими исследователями [4, 8, 14]. Установлено, что
содержание (мг/кг) цинка в Parmelia vagans, произрастающей в пределах санитарно-защитной зоны (СЗЗ –
от 250 до 750 м) с учетом всех направлений и расстояний варьирует от 57,0 до 113,5, меди – от 14,8 до 64,8,
свинца – от 2,3 до 5,4 (табл. 1). Средняя концентрация
цинка в лишайнике в этих же пределах составляла
80,0 мг/кг, что в 2,0 раза превышает фоновый показатель; средняя концентрация меди – 37,8 мг/кг, что выше фона в 3,0 раза; свинца – 2,9 мг/кг, что соответствует 2,8 фоновым уровням.
Накопление исследуемых ТМ в лишайнике вида Parmelia vagans (мг/кг), произрастающего на почвах от контура разреза (250 м) до 5000 м с учетом всех направлений,
находится в следующих пределах: цинк – от 39,1 до 113,5,
а среднее его содержание (69,3) превышает фон в 1,7 раза;
медь – от 12,0 до 64,8, со средним содержанием 32,7, которое превышает фоновый уровень в 2,6 раза; свинец – от
1,3 до 5,4, среднее 3,3 – в 2,4 раза.
Со сменой концентраций и расстояния меняется и коэффициент варьирования (Cv). Так, Cv цинка уменьшается в 4,0 раза, а Cv свинца – в 2,1 раза по мере уменьшения
их содержания в лишайнике и соответствующего удаления от угольного разреза, но у свинца наблюдается подъем Cv на расстоянии 1000 м. Cv меди увеличивается от
контура разреза до 1500 м в 1,6 раза, затем отмечается
резкое снижение вдвое (табл. 1). Такой характер варьирования элементов обусловливается процессами конвенции
воздушных потоков. В научной литературе широкой известностью пользуются кларки химических элементов в
растениях, рассчитанные А.П. Виноградовым (1935),
197
Д.П. Малюгой (1963), Х. Боуэном (1966) и В.В. Добровольским (1983). Проведенный различными авторами
сравнительный анализ кларков растительности выявил
общие закономерности накопления и распределения хи-
мических элементов в наземной растительности континентов. Отличия заключаются в уровне концентраций
отдельных элементов. Большинство же элементов имеет
небольшие различия в величинах кларков.
Таблица 1
Содержание цинка, меди и свинца в лишайнике Parmelia vagans в зависимости от расстояния от угольного месторождения
Элемент
Zn
Cu
Pb
500
57,0–100,8
75,5±5,6 (85,6)
14,8–61,3
31,2±6,3 (21,6)
Расстояние от контура разреза, м
750
1000
1500
67,3–101,2
52,3–93,2
56,4–82,3
80,8±6,8 (32,0)
66,1±9,4 (47,1)
62,9±4,9 (21,8)
30,8–64,0
13,1–44,2
18,4–59,1
44,3±6,3 (27,8)
32,0±6,7 (33,6)
31,9±7,9 (35,1)
3000
41,8–61,6
48,7±4,6 (22,9)
12,9–29,7
20,3±3,5 (17,3)
2,3–5,2
3,8±0,3 (27,4)
2,8–4,6
3,9±0,3 (17,9)
1,5–2,1
1,9±0,1 (13,2)
2,6–4,9
3,5±0,5 (28,7)
2,1–3,2
2,7±0,2 (15,9)
Фон,
мг/кг
40,2
12,8
1,4
Примечание. Над чертой – пределы колебаний, мг/кг; под чертой – среднее арифметическое и его ошибка, мг/кг; в скобках – коэффициент
варьирования (Cv), %.
В нашей работе в качестве эталонного биогеохимического спектра предпочтение было отдано кларкам,
предложенным В.В. Добровольским как более обоснованным [15]. При их расчете В.В. Добровольским были
использованы большая база аналитических данных и
более чувствительные методы анализа. Установлено,
что средняя концентрация цинка в Parmelia vagans в
2,3 раза превышает кларковые значения цинка в растительности суши (30 мг/кг – по В.В. Добровольскому),
меди – в 4,1 (8 мг/кг) и свинца – в 2,6 раза (1,25 мг/кг).
Содержание цинка в растительных пробах, взятых от
контура разреза до 5000 м с учетом всех направлений,
уменьшается в своих значениях на 34,5%, меди – на 18,5
и свинца – на 24,1%. Максимальное содержание ТМ в
лишайнике обнаружено на расстоянии 250 м от контура
разреза в северном направлении. Преимущественное
загрязнение почв на севере объясняется расположением
здесь погрузочного пандуса угля и северного отвала
вскрыши. По мере удаления от угольной разработки
«Каражыра» накопление элементов в изучаемом растении закономерно снижается и на расстоянии 5000 м на
юго-западе достигает фоновых значений (рис. 2). Приведенные в литературе факты [8, 9] о способности напочвенных лишайников отражать состав почвы подтверждаются нашими данными о распределении ТМ в
растении согласно размеченной розе ветров.
Концентрация,
мг/кг
150
100
свинец
медь
цинк
50
0
С-1
СЗ
З
С-01
СВ
ЮЗ
Ю
ЮВ
В
Направление
Рис. 2. Содержание цинка, меди и свинца в лишайнике Parmelia vagans в зависимости от направления
от угольного месторождения «Каражыра» с учетом всех расстояний
Была рассчитана зольность исследуемого вида лишайника, представляющая собой важный биогеохимический показатель, характеризующий соотношение
минеральных и органических веществ в растении. Ее
значения более чем в 2 раза выше на расстоянии 250 м
(10,8%) от источника загрязнения, т.е. в зоне интенсивной антропогенной нагрузки, чем на расстоянии 5000 м
(8,4%). Выявлено колебание зольности в зависимости
от направления от источника загрязнения от 4,5 до
8,6% (рис. 3).
По полученным данным были вычислены коэффициенты биологического поглощения (КБП) – отношение содержания элемента в золе растений к содержанию этого элемента в литосфере. При расчетах КБП мы
использовали среднее содержание элементов в лито198
сфере, а не содержание их в данной почве потому, что
химический состав растений в первую очередь определяется не составом субстрата, а систематическим положением: семейством, родом и видом, к которому относится данное растение. За время формирования вида
отдельные особи произрастали на разных субстратах, в
связи с чем химический состав золы отражает не
столько состав почвы, на которой теперь произрастает
это растение, сколько средний состав всех тех почв, на
которых произрастали предыдущие поколения представителей данного вида. Таким образом, согласно установленной А.Н. Перельманом классификации, цинк
по величине КБП в лишайнике относится к элементам
энергичного накопления, медь и свинец – сильного
[16]. Это нашло отражение и в наших расчетах:
Zn
Cu
Pb
,
⟩
⟩
5,6 − 12,7 3,0 − 12,8 1,0 − 3,1
10,5
9,5
2,8
где над чертой – пределы колебаний КБП, под чертой –
средняя величина.
Способность лишайников к концентрации ТМ, обладающих высокой токсичностью по отношению к растениям, еще раз подтверждает мысль некоторых исследователей о существовании у этих растений адаптационных механизмов, обусловливающих перевод этих
элементов в связанные (хелатированные) формы, перенос и локализацию их на поверхности талломов [9, 17].
низма и его формирования, в почве они содержатся в
качестве микроэлементов. Свинец является чужеродным элементом и попадает в почву как техногенный
загрязнитель. По рассчитанным значениям Кн из почв
ТМ лишайник вида Parmelia vagans характеризовался
повышенным накоплением цинка. Активное концентрирование растением цинка можно объяснить тем, что
данный металл является элементом накопления почв
района угольного месторождения. По отношению к
формам соединений ТМ в почвах Кн их характеризуется следующим рядом:
С
Так как у всех элементов Кн > 1, за исключением
свинца по отношению к кислоторастворимой форме, то
загрязнение растительной продукции осуществляется в
большей мере из атмосферы.
Территория угольного месторождения «Каражыра»
по содержанию цинка, меди, свинца в лишайнике согласно «Критериям оценки экологической обстановки
территорий…» (М., 1992) относится к территориям с
относительно удовлетворительной ситуацией.
Изучая влияние валового содержания в почве химических элементов и их подвижных форм на накопление
их в лишайнике, мы рассчитали величину коэффициентов корреляции (табл. 2). Между всеми коррелируемыми парами прослеживается статистически значимая
достоверно-положительная связь. Обобщение данных
корреляционных связей между парами ТМ позволило
выявить общие тенденции и закономерности явления
синергизма, т.е. при увеличении концентраций определенного элемента в почвенной среде происходит его
увеличение в растительных организмах, что свойственно изученным металлам. Полученные данные имеют
важное практическое значение в диагностике почвенно-растительного покрова.
Также между ТМ, содержащимися в лишайнике, рассчитаны регрессионные уравнения прямолинейной функции (рис. 4). Выведенные уравнения показали, что между
исследованными химическими элементами обнаружена
прямая взаимозависимость, что подтверждается в уравнениях регрессии достоверными линиями тренда.
Очень высокая взаимосвязь, характерная для указанных пар ТМ в лишайнике, может быть связана в первую
очередь с природой загрязнения растений данными элементами из постоянных источников с одинаковым пропорциональным содержанием данных металлов.
На основании вышеизложенного можно сделать
следующие выводы:
1. Среднее содержание цинка (69,3 мг/кг) в лишайнике вида Parmelia vagans, произрастающего на почвах
от контура разреза (250 м) до 5000 м с учетом всех направлений превышает фон в 1,7 раза; меди
(32,7 мг/кг) – в 2,6; свинца (3,3 мг/кг) – в 2,4 раза.
2. Установлено, что максимум цинка, меди и свинца
концентрируется в лишайниковом покрове, взятом на
расстоянии 250 м от контура разреза (в пределах СЗЗ) в
северном направлении, минимум – на расстояниях 3000 и
5000 м в направлении юго-запада. Происходит уменьшение количества цинка в Parmelia vagans от 250 до 5000 м
на 34,5%, меди – на 18,5, свинца – на 24,1%.
10
СЗ
8
СВ
6
4
2
З
В
0
ЮЗ
ЮВ
Ю
Рис. 3. Зольность лишайника Parmelia vagans
угольного месторождения «Каражыра», %
Свинец не является типичным элементомбиофилом, хотя сведения о его повышенном накоплении растительностью суши имеются в литературе [18].
В связи с этим, также как и другие исследователи [1, 7,
9], мы склонны предполагать пассивный характер поступления этого элемента в талломы лишайников. Очевидно, что способность к накоплению металла будет
определяться в большей степени химическим составом
почвенных растворов, являющихся интегральным показателем общего содержания элемента в почве и физико-химических факторов его миграции.
Количественным показателем перехода химических
элементов из почвы в растение, т.е. отношением концентрации ТМ в воздушно-сухой массе лишайника
(мг/кг) к концентрации подвижных форм соединений
ТМ в почве (мг/кг), является коэффициент накопления
(Кн), или аккумулятивный индекс. Кн близок к КБП, но
поглощение является физиологическим процессом, а
накопление – результат как поглощения, так и внутреннего перераспределения химических элементов.
Если Кн меньше 1, то превалирует загрязнение растений из почвы, если больше 1, то, кроме поступления
в растительную продукцию металлов из почвы, имеет
место загрязнение из атмосферы. В силу биологических особенностей растения по-разному относятся к
накоплению ТМ. Так как цинк и медь являются необходимыми для жизнедеятельности растительного орга-
кислоторастворимая
Zn Cu Pb
⟩
⟩
26,4 3,4 0,7
⟨
обменная
Zn Cu Pb
⟩
⟩
64,5 9,1 1,5
⟨
водорастворимая
Zn Cu Pb
⟩
⟩
108,0 13,7 9,0
199
Таблица 2
Корреляционная зависимость между содержаниями цинка, меди и свинца в лишайнике Parmelia vagans и почве
Ккорреляции, рассчитанный по отношению к
Металл
валовому содержанию
кислоторастворимой форме
обменной форме
водорастворимой форме
0,95±0,06
0,94±0,07
0,95±0,06
Zn
15,8
13,4
12,8
0,89±0,08
0,81±0,11
0,78±0,12
Cu
11,1
7,4
6,5
0,89±0,08
0,87±0,09
0,70±0,14
Pb
11,1
9,6
5,0
Примечание. Над чертой – коэффициент корреляции и его ошибка, под чертой – критерий достоверности.
40
30
20
6
y = 0,0537x - 0,4298
R2 = 0,842
5
с винец
50
мед ь
6
y = 0,7016x - 15,957
R2 = 0,635
60
4
5
свинец
70
3
2
1
10
0
20
40
60
цинк
80
100
120
4
3
2
y = 0,0479x + 1,7308
R2 = 0,5186
1
0
0
0,94±0,07
13,4
0,80±0,11
7,4
0,89±0,08
11,1
0
20
40
60
80
цинк
100
120
0
0
20
40
медь
60
80
Рис. 4. Регрессионная зависимость между цинком, медью и свинцом, содержащимися в лишайнике Parmelia vagans
3. Среднее значение зольности 6,8% изученного
растения превышает в несколько раз естественное количество золы в лишайниках рода Parmelia, которое
находится в пределах 1–2%.
4. Рассчитанные корреляционная и регрессионная
зависимости между цинком, медью и свинцом в исследуемом виде лишайника подтверждают высокую тесную связь взаимовлияния исследуемых элементов. Вы-
явленная связь имеет важное практическое значение
при диагностировании природных сред региона.
5. Лишайник вида Parmelia vagans практически
отражает количественный состав элементов почвенного покрова и может выступать в роли индикатора современного состояния окружающей среды в
районе действия угольного месторождения «Каражыра».
ЛИТЕРАТУРА
1. Мартин Ю.Л. Биогеохимическая индикация загрязнения среды при помощи споровых растений // Изд. АН ЭССР. Сер. Биология. 1985.
Т. 34, № 1. С. 1–15.
2. Lindsay W.L. Chemical Egulibria in Soils, Wiley – Interscience. N.Y., 1979. 449 р.
3. Свирко Е.В., Страховенко В.Д. Тяжелые металлы и радионуклиды в слоевищах лишайников в Новосибирской области, Алтайском крае и
Республике Алтай // Сибирский экологический журнал. 2006. № 3. С. 385–390.
4. Pannewitz S., Schlensog M., Green T.G.A. et al. // Oecologia. 2003. № 135. Р. 30–38.
5. Сергейчик С.А. Растения и экология. Мн.: Ураджай, 1997. 224 с.
6. Панин М.С. Эколого-биогеохимическая оценка техногенных ландшафтов Восточного Казахстана. Алматы, 2000. 338 с.
7. Гарибова Л.В. и др. Водоросли, лишайники и мохообразные СССР. М., 1978. 368 с.
8. Ильин В.Б., Сысо А.И. Микроэлементы и тяжелые металлы в почвах и растениях Новосибирской области. Новосибирск, 2001. 229 с.
9. Золотарева Б.Н. и др. Лишайники – индикаторы загрязнения среды тяжелыми металлами // Природа. 1981. № 1. С. 86.
10. Методические рекомендации по проведению полевых и лабораторных исследований почв и растений при контроле загрязнения окружающей среды металлами. М., 1981. 108 с.
11. Ринькис Г.Я. Методы ускоренного колориметрического определения микроэлементов в биологических объектах. Рига, 1963. 160 с.
12. Ринькис Г.Я., Куницкая Т.А. Колориметрический метод определения свинца в почвах и растениях // Изв. Акад. наук Латвийской ССР. 1989.
№ 8. С. 505.
13. Плохинский Н.А. Биометрия. М., 1970. 367 с.
14. Панин М.С., Евлампиева Е.П. Особенности распределения свинца и кадмия в лишайнике, произрастающего в зоне влияния угольного месторождения «Каражыра» // Материалы 4-й Междунар. науч.-практ. конф. «Тяжелые металлы и радионуклиды в окружающей среде». Семипалатинск, 2006. С. 462–466.
15. Добровольский В.В. География микроэлементов. Глобальное рассеяние. М., 1983. 272 с.
16. Перельман А.И. Геохимия. М., 1989. 407 с.
17. Панин М.С. Аккумуляция тяжелых металлов растениями Семипалатинского Прииртышья. Семипалатинск, 1999. 309 с.
18. Ильин В.Б. Элементный химический состав растений: факторы, его определяющие // Известия СО АН СССР. Сер. биол. наук. 1977. № 10,
вып. 2. С. 3–15.
Статья представлена научной редакцией «Науки о Земле» 1 июля 2008 г.
200