АККУМУЛЯЦИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ЛИСТЬЯХ SORBUS AUCUPARIA L. В УСЛОВИЯХ ГОРОДСКОЙ СРЕДЫ (НА ПРИМЕРЕ г. ОРЕНБУРГА)

Полный текст

Введение Экологические факторы урбанизированных территорий имеют существенные отличия от тех, которые оказывают влияние на растительные организмы в естественной среде. Вследствие большой площади контакта с окружающей средой растения становятся особо уязвимы по отношению к раз-личным воздействиям, в том числе и к загрязнителям, так как через контактирующую поверхность кроме жизненно важных веществ поглощаются и всевозможные токсиканты. Особо велика поглоти-тельная способность листовых пластинок: на поверхности может оседать большое количество пыле-вых частиц, а через устьица поллютанты проникают внутрь самого листа [2; 11-14]. Поглощенные растением из окружающей среды загрязнители, аккумулируясь в клетках и тка-нях, существенно влияют на физиологическое состояние, а также на морфологию растительного ор-ганизма. Наиболее уязвимы в этом отношении многолетние растения, так как токсические вещества накапливаются в организме непрерывно на протяжении нескольких лет. Накопление вредных для растительного организма веществ влияет и на фенологию, смещая наступление фенофаз в ту или иную сторону. В частности, у листопадных растений наблюдается раннее пожелтение и опадание ли-стьев вследствие накопления в них токсических веществ. В итоге вегетационный период растений заметно укорачивается. Нарушается и водный режим растений, так как под действием поллютантов нарушается целостная организация устьичного аппарата - наступает так называемый «паралич» усть-ичных клеток, т. е. клетки теряют способность регулировать ширину устьичной щели. Вследствие этого устьица постоянно широко открыты, что в свою очередь способствует увеличению расхода воды при транспирации. Особую группу загрязнителей, оказывающих негативное влияние на растительный организм, представляют тяжелые металлы (ТМ). Те или иные ТМ присутствуют в растительном организме в определенном количестве, тем самым обеспечивая им нормальную жизнедеятельность [8]. Однако постепенное увеличение концентрации ТМ приводит к тому, что они из категории полезных перехо-дят в группу токсичных для организма веществ. Превышение допустимых концентраций металлов в растениях приводит не только к отклонению в их развитии, но и к гибели растительного организма [12]. Разные группы металлов оказывают особое воздействие на различные процессы жизнедеятель-ности растений. Например, повышенное содержание цинка и кадмия снижает рост клеток, а накоп-ление свинца приводит к аномалиям митотических процессов, что также угнетает рост растительного организма. Кроме того, некоторые металлы, являясь химическими аналогами других веществ, попа-дая в растение, замещают жизненно необходимые для растения элементы ферментативной системы, тем самым нарушая их работу (например, кадмий является химическим аналогом цинка) [7]. Одним из главных источников загрязнения в городах является автомобильный транспорт. ТМ могут поступать в окружающую среду как в результате работы самого транспорта, так и в результате истирания дорожного покрытия. Как следствие в окружающую среду поступают такие металлы как цинк, никель, свинец, алюминий, кадмий, железо и другие. Наиболее токсичными веществами этой группы считаются свинец и кадмий [7]. В настоящее время проводится большое количество научных мероприятий мониторинга эколо-гического состояния окружающей среды, среди которых важное место принадлежит фитотестирова-нию - биологическому контролю с использованием в качестве индикатора высших растений [4; 9]. Целью исследования было выявление изменчивости в накоплении ТМ растениями вида Sorbus aucuparia L., произрастающими вдоль автомобильных дорог на территории г. Оренбурга в сравнении с контрольным образцом. Условия, объект и методика исследования Исследования проводились на территории г. Оренбурга. Оренбург - крупный административ-ный центр Оренбургской области, расположенный в Южном Предуралье. Для климата характерна резкая выраженность климатических сезонов, которые различны по изменению режима тепла и вла-ги. Низкая влажность воздуха обусловлена высокими летними температурами в сочетании с неболь-шим количеством атмосферных осадков, что ведет к неблагоприятным периодам засухи на террито-рии города. Характерны для климата и низкие зимние температуры, а также поздневесенние и ран-неосенние заморозки [14]. Оренбургская область находится в числе лидеров среди субъектов ПФО по степени загрязнен-ности окружающей среды. За последнее десятилетие уровень загрязнения атмосферного воздуха в Оренбурге характеризуется как «высокий», при этом показатель индекса загрязнения варьирует от 5,1 ед. до 8,8 ед. Огромную роль в загрязнении играет автомобильный транспорт, количество которого увеличивается ежегодно. Так, например, число легковых автомобилей в период с 2000 по 2017 гг. увеличилось более чем в два раза (табл. 1.) [6]. Таблица 1 Наличие транспортных средств в Оренбургской области 2000 2005 2010 2015 2016 2017 Грузовые транспортные средства: грузовые автомобили (включая пикапы и легковые фургоны) - всего 48 806 51 461 87 706 131 485 133 675 134 214 в том числе в организациях всех видов экономической деятельности 28 091 18 162 12 442 9 614 7 509 7 313 пассажирские транспортные средства: автобусы общего пользования 2 344 1 100 1 174 907 1 018 942 легковые автомобили - всего 301 844 379 347 526 615 678 400 710 981 740 990 Объект исследования - Sorbus aucuparia L. - дерево, характеризующееся как достаточно декора-тивное и экологически пластичное, вследствие чего часто используется в озеленении г. Оренбурга (как одиночные, так и групповые посадки). В качестве условного контроля использовались растения рябины, произрастающей на территории Ботанического сада Оренбургского государственного уни-верситета. Выбор контроля обусловлен нахождением Ботанического сада на значительном удалении от крупных автодорог города. Сбор листьев осуществлялся в конце вегетационного периода, с растений, произрастающих вдоль автодорог на улицах с интенсивным потоком транспорта: ул. Чичерина, Шевченко, Туркестан-ская, Монтажников, Хабаровская, Постникова, Пролетарская, Терешковой. Данные улицы принадле-жать к четырем административным районам города: Центральный (№ 1), Промышленный (№ 2), Ле-нинский (№ 3), Дзержинский (№ 4). Исследования по выявлению содержания ТМ проводились на базе испытательной лаборатории Государственного центра агрохимической службы «Оренбургский» посредством испытания на спектрофотометре ААS-4. При этом определяли содержание 5 металлов (Cu, Zn, Pb, Fe, Cd), два из которых (Pb, Cd) обладают высокой токсичностью. Площадь листовых пластинок определяли с использованием весового метода в модификации Л. В. Дорогань (1994). Для более точной и наглядной оценки накопления в листьях ТМ использовался показатель концентрации (показатель загрязнения) тяжелого металла (ПК): ПК = (Со-Ск)/С, а также суммарный показатель концентрации (СПК): СПК = Σ(Со-Ск)/Ск, где Ск - содержание химического элемента в листьях контрольной зоны (Ботанический сад), Со - содержание химического элемента в листьях рас-тений придорожных зон [5]. Статистическую обработку данных проводили с применением програм-мы Microsoft Excel и Statistica 6.0. Результаты исследований Sorbus aucuparia L. - листопадное дерево. Листья рябины обыкновенной непарноперистослож-ные, состоящие в среднем из 13 зубчатых по краю листочков. Листья слегка опушенные, сверху окраска матово-зеленая, снизу - чуть светлее. При сборе биоматериала было отмечено наличие большого количества поврежденных листовых пластинок. Для них было характерно присутствие хлоротичных участков и желтоватого оттенка, т. е. у деревьев наблюдалась так называемая «пестролистность». У многих деревьев кроме хлороза отмеча-лись участки отмершей ткани в различных местах листовой пластинки (на верхушке, по краям и между жилками). По мере увеличения участков отмершей и высохшей ткани растение принимает вид пораженного ржавчиной. В связи с этим сбор был достаточно затруднен и занимал значительное время, так как для проведения морфометрических измерений, а также биохимического анализа необ-ходимо производить сбор неповрежденных листьев с целой листовой пластинкой. Анализируя данные, полученные в результате биохимического анализа, нельзя прийти к одно-значному выводу о том, что контрольные образцы обладают лучшими показателями по накоплению ТМ, так как ряд значений содержания металлов в контрольном образце превышает таковые в образ-цах городской среды. И поэтому невозможно однозначно сделать вывод об экологической «успешно-сти» контроля. Так, например, содержание свинца в контрольном образце превышает содержание в образцах, собранных на территории города. Однако, необходимо обратить внимание на показатели площадей листовых пластинок (табл. 2). Как известно [1], загрязнение окружающей среды, угнетая растение, негативно влияет на его морфометрические показатели. Как следствие, под воздействием поллютантов снижается площадь листовых пластинок. Исходя из вышесказанного, можно проследить четкое различие в показателях площадей у исследуемых образцов. Наибольшая площадь характерна для контрольных образцов - 118,3 см2, в экологических условиях города этот показатель в два раза меньше, и в среднем составляет 56,1 см2. Поскольку имеется такое сильное различие по показателю площадей листовых пластинок, целесообразно рассчитать отношение накопленных металлов к этому показателю и сравнить уже полученные числовые данные. Условно назовем эти значения как «со-держание ТМ на 1 см2 площади листа» (рис. 1). Исходя из полученных значений, очевидно, что в контрольных образцах накоплено значительно меньше ТМ по сравнению со всеми остальными об-разцами. Таблица 2 Содержание тяжелых металлов в листьях Sorbus aucuparia L. Район исследования S листовой пла-стинки, см2 Содержание ТМ, мг/кг Cu Zn Pb Fe Cd № 1 51,99±3,1 2,05±0,5 7,44±1,5 0,06±0,02 55,8±12,0 0,034±0,011 № 2 54,29±5,47 2,5±0,7 12,4±2,5 0,06±0,02 95,7±21,5 0,025±0,008 № 3 53,32±3,0 1,85±0,5 6,5±1,3 0,08±0,03 100,5±24,2 0,03±0,01 № 4 65,79±1,8 3,0±0,8 14,5±3,0 0,07±0,02 118,7±27,8 0,04±0,014 Ср. показатель 56,11±3,3 2,35±0,5 10,23±3,2 0,06±0,008 91,95±18,1 0,03±0,005 Контроль 118,3±6,35 2,1±0,5 12,5±2,6 0,08±0,03 98,5±22,7 0,012±0,004 Рис. 1. Содержание тяжелых металлов в листьях Sorbus aucuparia L. на 1 см2: № 1 - Центральный район, № 2 - Промышленный, № 3 - Ленинский, № 4 - Дзержинский, К - контроль Суммарный показатель загрязнения ТМ у растений города варьирует в пределах от 0,67 до 5,8. Наиболее высокий суммарный показатель загрязнения ТМ отмечается у растений рябины обыкновен-ной на ул. Монтажников (5,8). Следующие по уровню СПК - растения с ул. Хабаровской (1,4) и Пролетарской (1,11). Показатели СПК в данных случаях достаточно высокие за счет большого содер-жания в листьях этих растений кадмия по сравнению с контрольным образцом. У растений, произрастающих на ул. Чичерина и Туркестанской, отмечается отрицательное зна-чение СПК: 0,36 и 0,67 соответственно. Такой низкий показатель содержания ТМ в первую очередь связан с обеднением листьев данных растений железом, цинком и медью. По показателю СПК все исследуемые растения можно расположить в следующий убывающий ряд: - по улицам: Монтажников ˃ Хабаровская ˃ Пролетарская ˃ Терешковой ˃ Шевченко ˃ Пост-никова ˃ Чичерина ˃ Туркестанская; - по административным районам: Дзержинский ˃ Промышленный ˃ Ленинский ˃ Централь-ный. Если рассматривать показатель загрязнения по каждому металлу в среднем по городу (по срав-нению с контрольным образцом), то исследуемые ТМ по степени интенсивности накопления их ли-стьями Sorbus aucuparia L. в условиях Оренбурга можно расположить в следующий убывающий ряд: Cd ˃ Cu ˃ Pb ˃ Zn ˃ Fe. Практически во всех районах (кроме центрального) у исследуемых организмов наблюдается высокое содержание железа в листьях. Вероятнее всего это связано с важной ролью данного вещества в процессах дыхания и фотосинтеза у растений. Таким образом, накапливая его в большом количе-стве, растения пытаются усилить процессы метаболизма, тем самым нормализовать процессы жизне-деятельности в условиях интенсивной техногенной нагрузки. Выводы В ходе исследований в отношении фитоиндикационной способности растений рябины обык-новенной были проведены анализ морфометрических показателей листовых пластинок и биохимиче-ский анализ содержания ТМ в листьях данных образцов. Морфометрический анализ - определение площади листовой пластинки - показал сильное отличие площади у контрольных образцов от пло-щади у образцов, произрастающих в черте города. Прослеживается уменьшение площади листьев у растений города, что связано с увеличением техногенной нагрузки и ухудшением экологических условий урбосреды в сравнении с ботаническим садом. Степень содержания ТМ в листьях города значительно выше, чем у контрольных образцов, что доказывает проведенный биохимический анализ. В первую очередь негативное влияние на растение в данном случае оказывают выбросы от автотранспорта. Наиболее загрязненной территорией города согласно полученным данным является Дзержинский район, а улицей - улица Монтажников. Кадмий - наиболее аккумулируемый металл для данного растения, что естественно пагубно сказывается на жизнедеятельности данного вида в условиях техногенной нагрузки. Итак, согласно проведенным исследованиям, подтверждается возможность использования вида рябина обыкновенная в качестве вида-индикатора экологического состояния урбанизированных тер-риторий. Планируется расширение спектра исследуемых химических загрязнителей, а также поиск новых видов-индикаторов.

Об авторах

Д. Г. Федорова

Оренбургский государственный университет, Ботанический сад

канд. биол. наук

Список литературы

Дополнительные файлы