Экология/6. Экологический мониторинг

К.т.н. Григорьева И.Я.

Государственный университет имени Шакарима города Семей

 

Особенности аккумуляции тяжёлых металлов растениями

 

С помощью растений можно проводить биоиндикацию природных сред. Индикаторные растения используются при оценке механического и кислотного состава почв, их плодородия, увлажнения и засоления, степени минерализации грунтовых вод и степени загрязнения атмосферного воздуха газообразными соединениями, а также при выявлении трофических свойств водоемов и степени их загрязнения поллютантами. Процессы сорбции, перераспределения и аккумуляции загрязняющих веществ семенными растениями достаточно сложны и зависят от множества факторов, число которых гораздо больше, чем в случае грибов, водорослей, лишайников, мхов. Известно несколько путей поступления химических элементов и соединений в растение, основными из которых являются корневое питание, газообмен, обменная адсорбция на поверхности листовой пластинки. Развитие таких эволюционно обусловленных систем, как проводящие ткани, защитный каникулярный слой, приспособления физиолого- морфологического плана, определяют сложную и опосредованную зависимость химического состава тканей сосудистых растений от изменения химического качества окружающей среды.

Исследования пыле задерживающих свойств растений были впервые проведены Ярославцевым Г.Д. и Ефимовым М.Ф.. Последним на основе всесторонних наблюдений были установлены различия в запылении листьев в зависимости от их положения в кроне, характера текстуры и возраста листовых пластин, их видовой принадлежности. При этом сосна обыкновенная обладала наивысшей степенью пыле задерживающей способности, превышающей в 10-15 раз другие древесные породы (осину, березу, черемуху, вяз, клен и др.). Установлено, что на участках с густой растительностью перемещение взвешенных в воздухе частиц пыли уменьшалось на 75% по сравнению с открытыми участками. Максимальное отложение пыли было зарегистрировано на листьях Nyctanthes acrbortristic (5,21 мг/см2), а минимальное — на листьях Tabernaemontana coronaria (0,30 мг/см2). Листья первого вида имеют большие размеры пластинок с крупными железистыми волосками, выделяющими клейкую жидкость, и рельефное плотное жилкование, тогда как листья второго вида обладают твердой кутикулой, делающей их поверхность гладкой и скользкой.

В работах Фирсовой В.П. с соавторами изучены закономерности накопления пяти видов металлов в сельскохозяйственных растениях в зависимости от содержания их в почве. Ряд накопления выглядит так: Zn > Сu > Рb > Сr > Сd. При этом кадмий в основном поглощается корневой системой и в меньшей степени остальными органами. Расчет суммарных запасов металлов показал, что в зеленой массе кукурузы их в 4 раза больше, чем в корнях. Вид культуры также сказывается на специфике аккумуляции: травами, например, больше поглощается кадмий и свинец, картофелем — медь и цинк. Всеми растениями наименее интенсивно поглощается хром. Зерновые культуры (пшеница и ячмень) в надземной части, отчуждаемой с урожаем, накапливают в 2 раза больше металлов, чем корни. Травы в отличие от других растений характеризуются более высокими запасами тяжелых металлов в подземной массе. Тарчевский В.В и Тарабарин В.П установили, что в ряде случаев пылинки покрывают замыкающие клетки устьиц и устричные щели. Таким образом, поглощение металлов листьями из воздуха зависит как от свойств самих растений, так и от условий и характера загрязнений. Дальнейшее проникновение атмосферных загрязнений в листья определяется градиентом концентрации токсиканта между атмосферой и листом и ограничивается устьичным сопротивлением, шириной и целостностью кутикулы, гигроскопичностью и растворимостью токсикантов, избирательной проницаемостью протоплазмы для ионов загрязнения и скоростью их связывания в клетке.

Илькун Г.М. описывает три основные фазы поступления токсических газов в клетку: сорбция каникулярным слоем и клетками эпидермиса — диффузия через устьичные щели внутрь листа и растворение в воде, насыщающей оболочки листа, — передвижение от места поглощения к соединительным тканям и накопление внутри клеток. Проникновение токсических веществ из почвы через корневую систему зависит от защитных свойств растений. Поглощение тяжёлых металлов (ТМ) корнями положительно коррелирует с их доступным запасом в почве, контактирующим с корневой системой. Пассивное поглощение ТМ происходит путем диффузии ионов из почвенного раствора в эндодерму корней. При активном поглощении ТМ необходима энергия. При обычных концентрациях в почвенном растворе поглощение ТМ контролируется метаболическими процессами внутри самих корней. В зависимости от концентрации ионов металлов в почве соотношение между этими механизмами и относительная роль каждого из них может меняться.

Небольшие количества ТМ благодаря буферным свойствам почвы, приводящим к инактивации токсикантов, практически не будут оказывать неблагоприятного воздействия на растения. Однако защитные возможности почвы небезграничны. При повышении уровня загрязнения инактивация становится неполной, и поток вредных ионов начинает атаковать корни. Часть ионов растения способны перевести в менее активное состояние еще до проникновения их в корни.

Таким образом, в корнях часть ионов задерживается в свободном пространстве или в вакуолях, другая часть используется в процессах метаболизма, третья – с ксилемным соком поднимается в надземные органы. Вторым фактором регулирования аккумуляции микроэлементов служит физиологический барьер поглощения. Если эти защитные механизмы не срабатывают, то приток токсикантов происходит в наименее физиологически активные органы, часто ими являются клубни и луковицы сельскохозяйственных растений [1].

Ковальский Р.Р. и Петрунина Н.С. выделили две группы растений: адаптированные к изменению концентраций химических элементов и неадаптированные к нему. В пределах первой группы выделена подгруппа растений, сильно концентрирующих химические элементы даже при нормальном содержании микроэлементов в окружающей среде (привычные концентраторы), и подгруппа растений, уровень содержания элементов в которых соответствует концентрации их в окружающей среде (непривычные концентраторы).

Москаленко Н.Н. и Смирнова Р.С. определяли уровень загрязнения растительности по величине суммарного показателя накопления (СПК) с выделением следующих уровней: минимальный (10-20), средний (20-30), высокий (30-40), очень высокий (40-60), чрезвычайно высокий (60-80) и более. В древесной растительности г. Москвы отмечено накопление широкого круга химических элементов – Ag, Zn, Pb, Cu, Mo, Cr, Fe, Sn, W, Zr, Ga, Ti, Sr, Y [2]. СПК микроэлементов в листьях древесных пород г. Москвы возрастает в следующем ряду: ясень пенсильванский (средний СПК 9), рябина обыкновенная, тополь бальзамический (20-24), клен остролистный, липа мелко- и крупнолистная, береза пушистая и бородавчатая (31-43), вяз гладкий и шершавый (93). В среднем степень отклонения микроэлементного состава от листьев фоновых деревьев возрастает от лесопарков к бульварам и магистралям и от периферии к средней зоне города [3].

Исследованиями Афанасьевой Л.В. выявлено, что на водосборной территории озера Байкал на расстоянии до 20 км от промышленных узлов у сосны обыкновенной отмечается увеличение в 2-5 раз содержания кремния, свинца, железа, кадмия и снижение концентраций калия, марганца, фосфора. На основе коэффициентов концентрации химических элементов в хвое сосны составлены ряды их накопления, отражающие вклад отдельных элементов в результирующий фитотоксический эффект многокомпонентного загрязнения атмосферы.

В условиях г. Кемерово отмечена аккумуляция тяжелых металлов древесными породами. Из лиственных деревьев наиболее широкий спектр ТМ накапливает рябина (Pb, Cd, Cu, Zn, Ni, Co, Cr), чуть меньше липа (Pb, Cd, Cu, Zn, Fe, Cr) и сосна (Pb, Cu, Zn, Ni, Co, Fe). Максимальной контрастностью в отношении ТМ характеризуется рябина сибирская, следовательно ее можно использовать в качестве индикаторного вида. Установлено, что комплексное влияние техногенных факторов в городе вызывает трансформацию соотношений биофильных и техногенных элементов – отмечено увеличение коэффициентов Fe/Mn (в 1,5 - 6 раз) и значительное снижение соотношений Mn/Pb, Mn/Cu, Mn/Cr. Вместе с тем, у лиственных деревьев в большинстве случаев максимальные отклонения в соотношениях исследуемых элементов отмечаются в примагистральных посадках, у хвойных – в зимний период [4].

На территории с повышенным радиационным фоном у березовых наблюдается повышение коэффициентов биологического поглощения  для тория (КБН для  228Th – 70,5; для 227Th – 51,2), на основании чего Шуктомова И.И. рекомендует использовать берёзу пушистую и берёзу карликовую в качестве индикаторов присутствия  изотопов тория в почвах.

Исследованиями Неверовой О.А., проведенными в г. Кемерово, установлено, что не наблюдается прямой корреляции между содержанием химического элемента в почве и его поглощением растением. Несмотря на то, что содержание ТМ более существенно повышается в почвах, расположенных вдоль магистралей, в большинстве случаев коэффициенты биологического поглощения древесных пород увеличиваются в скверах города по сравнению с фоном. Это указывает на то, что почва, будучи основным источником минерального питания растений, влияет на элементный состав последних опосредованно из-за наличия у растений защитно-приспособительных свойств, проявляющихся в избирательном поглощении элементов из питающих сред и регуляции внутренней среды. Следовательно, в условиях города обогащение листьев и хвои древесных растений ТМ происходит в основном атмосферным путем. На примере свинца показано, что соотношение путей его поступления в древесные растения – через атмосферу или почву определяется уровнем накопления данного элемента почвами. Очевидно, что основным источником техногенных элементов в системе растение-почва является аэрозольное их осаждение из воздуха [5].

Таким образом, коэффициенты биологического поглощения соответствующих химических элементов растений не совсем подходят для индикации степени загрязнения почв в условиях техногенной нагрузки, хотя они позволяют определить присутствие конкретного элемента в почве.

 

Литература:

1. Илькун Г.М. Загрязнители атмосферы и растения. Киев, 1987. №7. С. 36-39.

2. Состояние зеленых насаждений и городских лесов в Москве: аналит. доклад. – М.: Прима Пресс –М., 2000. – 276 с.

3. Башаркевич И. Л., Самаев С. Б. Состояние древесной растительности в Москве и особенно­сти микроэлементного состава // Проблемы управления качеством окружающей среды: Сборник докладов IV Международной. конференции. – М. Прима-Пресс, 1999. – С. 215 –217.

4. Неверова О. А. (б) Химический состав хвои ели сибирской в условиях техногенного загрязнения г. Кемерово // Сибирский. экол. журн. – 2002. – Т. 9, № 1. – С.59 –65.

5. Неверова О. А. Экологическая оценка состояния древесных растений и загрязнения окружающей среды промышленного города (на примере г. Кемерово): автореф. дисс. . д-ра биол. наук. – М., 2004. – 37 с.