Оценка состояния окружающей среды по содержанию тяжелых металлов в почве и растительности города

Оценка состояния окружающей среды по содержанию тяжелых металлов в почве и растительности города

Проблема изучения экологического состояния городской среды жизни чрезвычайно актуальна, поскольку неотъемлемыми признаками современного мира являются концентрация населения в городах, увеличение площади урбанизированных территорий и усиление негативного воздействия на компоненты урбоэкосистем (5, 7, 8).

В атмосферу города в больших количествах попадают оксиды серы, азота, углеводороды, фториды, тяжелые металлы и другие опасные вещества (4, 5, 7, 8). Наиболее опасными, как для природы, так и для человека являются тяжелые металлы (2), которые негативно воздействуют на растения, входящие в фитоценоз города, вызывая их старение, преждевременное пожелтение и опадание листьев, при загрязнении почвы солями таких тяжелых металлов как медь, цинк, свинец нередко наблюдается полное отмирание растительности.

Вопросы экологии городской среды актуальны и для г. Йошкар-Олы (3, 8), поэтому целью работы была оценка состояния окружающей среды по содержанию тяжелых металлов в почве и растениях города. В работе решались такие задачи, как изучение содержания тяжелых металлов (меди, свинца, кадмия, цинка, никеля) в почве и листовом аппарате древесных, кустарниковых и травянистых растений придорожных полос; оценка состояния декоративных многолетников на газонах города; выявление и анализ связей между содержанием тяжелых металлов в почве и листьях растений.

Исследования проводились на основных магистралях г. Йошкар-Олы. В число обследуемых объектов вошли придорожные полосы 12 основных улиц и цветники из разных районов города. Контрольными объектами служили лесопарк «Сосновая роща» и Парк культуры и отдыха.

Для исследования были выбраны: в придорожных полосах — липа мелколистная (Tilia cordata), береза повислая (Betula pendula), пузыреплодник калинолистный (Physocarpus opulifolius), злаки (Gramineae); в цветниках — бадан толстолистный (Bergenia crassifolia (L.) Fritsch), гейхера кроваво-красная (Heuchera sanguinea Engelm), пион молочноцветковый (Paeonice lactiflora Pall.) и рудбекия волосистая (Rudbeckia hirta L.), как наиболее широко используемые в озеленении города. Для оценки состояния растений использованы анатомо-физиологические показатели: площадь листа (см²); количество устьиц (на 1 мм²); площадь устьиц (мкм²); процент поврежденных листьев на кусте; содержание общего хлорофилла в листьях. Сбор листьев у многолетников проводили на разных участках цветника, из средней части растения, в одно и то же время (с 13 до 14 часов дня), в сухую ясную погоду. Отбор листьев древесных и кустарниковых растений проводили на разных участках придорожной полосы с четырех сторон растения. Пробы почвы отбирали в соответствии с ГОСТ 17.4.3.01. Определение тяжелых металлов (валовых форм) в почве осуществлялось согласно Р.Д. 52.18.191 — 89(6). Определение содержания общего хлорофилла в листьях проводили по методу Годнева. Результаты исследования были статистически обработаны по программе STAT.

Содержание тяжелых металлов в почве придорожных полос представлено в табл. 1. Как видно из таблицы, содержание меди в почве варьировало от 21,750,032 до 104,930,96 мг/кг почвы и на всех обследованных улицах существенно превышало уровень контроля (р< 0,05). При этом на 33,3% улицах содержание меди в почве превышает ПДК в 1,5−1,9 раза. Содержание свинца в почве колебалось от 22,500,021 до 93,500,038 мг/кг и почти на всех объектах было выше, чем в контроле (различия статистически достоверны, (р < 0,05), на 25% улиц отмечается высокое содержание свинца, превышающее ПДК в 1,1−2,9 раза (табл.1). Содержание кадмия в почве в придорожной зоне города невысокое — от 0 до 2 мг/кг, что не превышает ПДК (табл.1), но на участке по ул. Пушкина его содержание превышает контроль в 2 раза; различие статистически достоверно (р < 0,05). Содержание цинка в почве придорожной полосы варьировало в пределах от 2,75 0,009 до 328,50 0,015 мг/кг и на 83% улиц было существенно выше, чем в контроле, показатели статистически достоверны по сравнению с контрольным результатом в Сосновой роще (р<0,05)). Особенно высокое содержание цинка, в 3,3 раза превышающее ПДК, выявлено в почве ул. Й. Кырля (табл. 1).

Таблица 1 — Содержание тяжелых металлов (валовые формы) в почве г. Йошкар-Олы

Примечание: * - данные статистически достоверны по сравнению с контролем;

¹ — данные статистически достоверны по сравнению с ПДК.

Исследование уровня содержания тяжелых металлов в почве цветников города показало, что концентрация меди в почве цветников на улицах составляет 55,98,57 мг/кг, в парке — 7,850,17 мг/кг, что не превышает ПДК. Содержание цинка в почве цветников парка равно 5,680,04 мг/кг, на цветниках улиц — 7,60,06 мг/кг. Содержание никеля в почвенных образцах парка составляет 2,040,01 мг/кг, в почве цветников с улиц — 3,350,0 мг/кг. Хотя содержание цинка и никеля в почве цветников, расположенных на улицах города, не превышает ПДК, наблюдается существенное увеличение этих показателей по сравнению с зоной отдыха: по цинку — в 1,3 раза, по никелю — в 1,6 раза. Наиболее сильное загрязнение почвы на цветниках городских улиц связано с медью.

Как показали исследования, содержание меди в листьях березы варьировало от 4,59±0,012 до31,47±0,012 мг/кг сухих листьев и во всех пробах было статистически достоверно выше по сравнению с контролем (3,490,015 мг/кг; р<0,05). В целом содержание меди в листьях березы на всех обследованных участках превышает контроль в 1,3−9,0 раз. Содержание свинца в листьях березы было в пределах 0,67±0,006−2,62±0,021 мг/кг и во всех местах отбора проб превышало таковое в Сосновой роще (0,38±0,003 мг/кг) в 1,7−6,9 раз, различия статистически достоверны (р<0,05). Содержание кадмия в листьях березы колебалось в пределах от 0,17±0,012 до 3,960,15 мг/кг и в 50% проб превышало контрольный показатель (р<0,05), а содержание цинка варьировало от 7,19±0,006 до 70,72±0,015 мг/кг и в 25% проб существенно превышало контроль (р<0,05). В листьях липы мелколистной содержание меди колебалось в пределах от 1,98±0,017 до 8,740,020 мг/кг, в 42,5% проб статистически достоверно выше по сравнению с контролем (3,770,012 мг/кг; р<0,05). Содержание свинца в листьях липы, произрастающей по ул. Димитрова, К. Маркса, Водопроводная, Машиностроителей, Ленинский проспект составило 1,250,006 мг/кг; 1,510,006 мг/кг; 1,990,012 мг/кг; 1,140,007 мг/кг; 1,510,009 мг/кг; соответственно, что превышает контроль (1,080,015 мг/кг) в 1,1−1,8 раз (различия статистически достоверны, р<0,05). На остальных участках содержание свинца в листьях липы находится в пределах контроля. Содержание кадмия в листья липы варьировало от 0,05±0,009 до 0,62±0,012 мг/кг, превышение контроля в 1,2−1,3 раза выявлено только на ул. Машиностроителей и Коммунистической. Высокое содержание цинка выявлено в листьях липы, произрастающей в придорожной зоне ул. Водопроводная (22,080,006 мг/кг), Пушкина (13,760,003 мг/кг), Димитрова (14,530,009 мг/кг), ул. Машиностроителей (12,790,010 мг/кг); различия по сравнению с контрольным результатом (5,020,026 мг/кг) статистически достоверны (р<0,05). Высокое содержание меди в листьях пузыреплодника выявлено на ул. Советской — 116,300,265 мг/кг, что существенно превышает контроль — 3,770,012 мг/кг (р<0,05), превышение в 32,4 раза. На этом же участке отмечается высокое содержание свинца (63,220,011 мг/кг), кадмия (10,350,009 мг/кг), цинка (13,760,009 мг/кг). Эти показатели превышают контрольные результаты в 102; 60,9; 1,2 раза соответственно. Различия по сравнению с контролем статистически достоверны (р<0,05). На других объектах обследования содержание цинка и кадмия в листьях пузыреплодника не превышает контроль. В злаковой растительности выявлено высокое содержание меди по ул. Советская (11,630,026 мг/кг) и Красноармейская (33,720,063 мг/кг), превышающее в 2,4 и 7,6 раз контроль (4,420,006 мг/кг), что статистически достоверно (р<0,05). На этих же участках в злаках отмечается высокое содержание свинца: 4,320,009; 1,580,014; 1,620,012 мг/кг соответственно. Данные превышают контроль (0,860,006 мг/кг) в 1,8−5,0 раз, что статистически достоверно (р<0,05). Высокое содержание кадмия и цинка выявлено в злаках, произрастающих в придорожной зоне ул. Красноармейской — 2,220,010 мг/кг и 43,580,006 мг/кг соответственно, что превышает контрольные показатели в 20,2 и 5 раз. Высокое содержание цинка выявлено в злаках, произрастающих по придорожным зонам улиц Советская (29,820,012 мг/кг), Машиностроителей (16,820,010 мг/кг), что статистически достоверно по сравнению с контролем (8,720,012 мг/кг; р<0,05).

Суммарное содержание меди, свинца, кадмия, цинка в листьях березы, произрастающей в Сосновой роще, составило 36,26 мг/кг, при этом на долю цинка приходится 88,60%, меди — 9,60%, свинца — около 1% и кадмия — 0,77%. При возрастании общего содержания ТМ в листьях березы в городской среде отмечено увеличение процентной доли свинца и меди и уменьшение доли цинка. Суммарное содержание исследованных ТМ в листьях липы мелколистной, произрастающей в Сосновой роще, составило 10,35 мг/кг, при этом на долю цинка пришлось 50%, меди — 36,5%, свинца — 10,7%, кадмия — 4,7%. В условиях города суммарное содержание ТМ в листьях липы превышало контроль в 1,5 — 2,5 раза, при этом отмечается увеличение процентной доли свинца и цинка и уменьшение доли кадмия и меди. Анализ суммарного содержания ТМ в листьях пузыреплодника калинолистного, произрастающего в Сосновой роще, выявил, что содержание меди, свинца, кадмия, цинка составило 15,47 мг/кг, в процентном соотношении преобладал цинк — 71,6%, на долю меди пришлось 23,6%, свинца — 4%, кадмия — 1,1%. В городской среде в листьях пузыреплодника концентрируется свинец (до 31%) и медь (до 50 — 85%). Наиболее высокое общее содержание ТМ в листьях пузыреплодника отмечено на ул. Советской (203,6 мг/кг). В злаках, произрастающих в Сосновой роще, суммарное содержание ТМ составило 14,11 мг/кг, в процентном соотношении преобладали цинк (62,29%) и медь (31,57%), доля свинца составила 6,14%, кадмия — 0,78%. В злаках придорожной полосы улиц увеличивалось содержание свинца до 24 — 25%, меди до 65 — 70%, при этом отмечалось снижение содержания цинка. Наиболее высокое содержание ТМ в злаках выявлено на ул. Красноармейской (в 5,9 раза выше, чем на контрольном объекте), и ул. Советской (в 3 раза выше, чем на контрольном объекте). Полученные данные согласуются с результатами подобных исследований, проведенных ранее на других объектах города Йошкар-Олы (3, 8) и в других городах (7). Так в г. Москве по результатам мониторинга почвенного покрова в 2008 г. установлено, что на отдельных территориях города концентрации тяжелых металлов 1−2 класса опасности превышают установленные санитарно-гигиенические нормативы: по цинку в 2 раза; меди и свинцу — в 1,5 раза; по кадмию отмечены максимальные превышения в 3,3 раза; по никелю превышений ПДК не выявлено.

Результаты исследования состояния многолетников, произрастающих на цветниках улиц города, представлены в таблице 2.

Таблица 2 — Анатомо-физиологические показатели многолетних цветочных растений

Примечание: * - статистически достоверно по сравнению аналогичным показателем зоны парка (Р? 0,05).

Исследованиями выявлено, что у бадана толстолистного и гейхеры кроваво-красной, произрастающих на газонах улиц города, существенно уменьшается площадь листьев, в то время как у пиона молочно-цветкового и рудбекии волосистой уменьшения площади листьев не происходит (табл.2). В зоне парка у всех изученных растений поврежденных листьев не выявлено, в то время как в зоне улиц было повреждено: у бадана толстолистного — 55,7% листьев, у гейхеры кроваво-красной — 11,3% листьев, у пиона молочно-цветкового — 57,9% листьев и рудбекии волосистой — 36% листьев. Исследования состояния устьичного аппарата показали, что на газонах улиц у гейхеры кроваво-красной, пиона молочно-цветкового и рудбекии волосистой количество устьиц значительно увеличивалось, но площадь их уменьшалась у гейхеры кроваво-красной и рудбекии волосистой на 17%, а у пиона молочно-цветкового на 8% (табл.2). У бадана толстолистного оба показателя практически не отличались от таковых у растений из парковой зоны. Выявлено существенное снижение содержания общего хлорофилла у всех исследованных видов растений (табл.2), что может свидетельствовать об угнетении фотосинтетической функции.

Исследования показали, что береза повислая, липа мелколистная, пузыреплодник калинолистный, широко используемые в озеленении города, а также злаки, произрастающие в придорожной зоне городских магистралей, содержат существенно более высокие концентрации меди, свинца, кадмия и цинка по сравнению с контрольной зоной — Сосновой рощей. В листьях липы мелколистной общее содержание ТМ в 3,5 раза меньше, чем в листьях березы повислой, но в листьях липы накапливается существенно больше свинца (в 5 раз), меди (в 3,5 раза) и кадмия (в 6 раз). Накопление ТМ в листьях пузыреплодника калинолистного и злаках в 2 раза ниже, чем у березы повислой, но они активнее концентрируют свинец и медь. По результатам исследования можно сделать вывод, что из всех изученных видов растительности в системе «почва — растение» наилучшим аккумулятором исследованных тяжелых металлов является береза повислая, но и другие растения, используемые в системе озеленения города, активно накапливают ТМ.

Сравнительный анализ содержания ТМ в почве и растительных объектах показал, что содержание тяжелых металлов в листьях исследованных древесных растений, пузыреплодника и наземной части злаковых растений в основном существенно ниже, чем в почве придорожной зоны мест их произрастания. Исключением являются высокие уровни содержания цинка в листьях березы, на отдельных участках превышающие содержание цинка в почве. Из обследованных растений наибольшей способностью накапливать тяжелые металлы из окружающей среды обладает береза повислая.

Обследованные многолетние декоративные растения, произрастающие на цветниках городских улиц, испытывают угнетение, наиболее выраженное у пиона молочно-цветкового и бадана толстолистного. Выявленное у изученных растений увеличение количества устьиц и уменьшение их размеров можно рассматривать как ответная реакция на неблагоприятные факторы среды магистральных улиц.

Таким образом, проведенные исследования показали, что в 20-сантиметровом слое почвы придорожных зон и газонов г. Йошкар-Олы содержатся такие тяжелые металлы как медь, свинец, кадмий, цинк, никель. При этом содержание меди в почве превышает ПДК в 1,5−1,9 раз на 33,3% обследованных улиц; содержание свинца — в 1,1−1,2 раза на 50,0% улиц; содержание цинка превышает ПДК в почве 16,6% объектов. Суммарное содержание валовых форм меди, свинца, кадмия и цинка в почве придорожных зон обследованных улиц превышает таковое в Сосновой роще в 1,7−15,6 раза. В целом почвы придорожных зон 75% обследованных улиц г. Йошкар-Олы загрязнены тяжелыми металлами.

Растения в городской среде проявляют способность к накоплению тяжелых металлов в количествах, существенно превышающих показатели растений, произрастающих в экологически чистой зоне. Декоративные многолетники, произрастающие на газонах городских улиц, проявляют признаки угнетения жизнедеятельности.

Высокий уровень содержания валовых форм тяжелых металлов в почве и растительности городских улиц, признаки угнетения жизнедеятельности у декоративных многолетников по сравнению с такими экологически чистыми зонами, как Сосновая роща и парк отдыха, свидетельствует о неблагоприятной экологической обстановке на основных магистралях города Йошкар-Олы.

экологический городской металл почва.

• 1. Артамонов В. И. Растения и чистота природной среды. М.: Наука, 1986. 172 с.
• 2. Давыдова С. Л. Тяжелые металлы как суперэкотоксиканты XXI века. М.: Издательство РУДН, 2002.140 с.
• 3. Иванова Р. Р., Корюкова Ю. О. Оценка содержания тяжелых металлов в почве и растительности города Йошкар — Олы в условиях автотранспортного загрязнения // Экология города Йошкар-Олы: научное издание. Йошкар-Ола: Мар.гос.ун-т, 2007, с. 159 — 166.
• 4. Корчагин В. А. Экологические аспекты автомобильного транспорта. М.: Изд-во МНЭПУ, 1997.100с.
• 5. Луканин В. Н., Буслаев А. П., Трофименко Ю. В. Автотранспортные потоки и окружающая среда. М.: ИНФРА, 1998. 407с.
• 6. Р.Д. 52,18,191−89. Методические указания. Методика измерения массовой доли кислоторастворимых форм металлов (меди, свинца, цинка, никеля, кадмия) в пробах почвы атомно-абсорбционным анализом (ОКСТУ 0017).
• 7. Экология города / Под ред. Н. С. Касимова. М.: Науч. мир, 2004. 624 с.
• 8. Экология города Йошкар-Олы: Научное издание/ Под ред. О. Л. Воскресенской. Мар.гос. ун-т. Йошкар-Ола, 2007. 300 с.