О влияние тяжелых металлов на состояние окружающей среды на примере хвои сосновых древостоев
Королёва Дарья Ивановна
2025-01-10
Введение
Загрязнение тяжелыми металлами окружающей среды становится все более серьезной проблемой и вызывает серьезную озабоченность из-за негативных последствий, которые оно вызывает во всем мире. Эти неорганические загрязнители воздействуют на все слои биосферы.
Так, в атмосферу попадают выбросы дыма и пыли, которые затем выпадают в виде кислотных дождей. Люди и животные дышат грязным воздухом, в их организм попадают тяжёлые металлы, вызывая патологии и недуги. Металлы загрязняют все акватории и источники воды. Это порождает проблему дефицита питьевой воды на планете.
Накапливаясь в земле, тяжёлые металлы отравляют растения, произрастающие в ней. Попадая в почву, металлы всасываются в корневую систему, а затем поступают в стебли и листья, корнеплоды и семена. Их избыток приводит к ухудшению роста флоры, токсикации, пожелтению и прочим негативным последствиям.
Растения играют важную для окружающей среды роль, поскольку обеспечивают среду обитания и источники пищи для широкого спектра организмов, поддерживая биоразнообразие и здоровье экосистемы. Однако избыточная концентрация тяжёлых металлов подавляет метаболические процессы в растениях, тормозит их развитие, снижает продуктивность. При действии тяжёлых металлов ингибируются многие фотосинтетические реакции, происходит нарушение интенсивности дыхания, изменяется водный обмен и минеральное питание.
Одним из основных источников загрязнения окружающей среды токсичными веществами, в том числе тяжёлыми металлами, является тяжелая промышленность.
Содержание тяжёлых металлов в хвое и листьях может служить индикатором загрязнения окружающей среды.
Цель данной работы изучить концентрацию тяжёлых металлов в хвое сосновых древостоев в районе действия аэротехногенных выбросов ПАО «Комбинат «Магнезит».
Задачи:
Рассмотреть хвойные растения как биоиндикаторы окружающей среды;
Проанализировать содержание тяжелых металлов в хвое сосновых древостоев и на основании полученных данных дать оценку загрязнения окружающей среды.
Хвойные растения как биоиндикаторы окружающей среды
Тяжёлые металлы – группа химических элементов со свойствами металлов (в том числе и полуметаллы) и значительным атомным весом либо плотностью.
Многие тяжелые металлы, такие как железо, медь, цинк, молибден участвуют в биологических процессах и в определенных количествах являются необходимыми для функционирования растений.
Некоторые тяжёлые металлы (Cu, Zn, Fe, Mn) необходимы в незначительных концентрациях для метаболизма растений, однако они становятся токсичными, если их содержание превышает определённый уровень.
С другой стороны, есть металлы, не участвующие в метаболизме растений (Pb, Cd, Hg). Они токсичны даже в очень низких концентрациях.
Для оценки уровня загрязнения окружающей среды могут быть использованы различные биоиндикаторы. Нами в качестве биоиндикатора была выбрана сосна обыкновенная.
Сосна обыкновенная (Pinus sylvestris L.) относится к основным биоиндикаторам воздуха, так как её хвоя является наиболее чувствительной к различным загрязнениям. Такая чувствительность хвои объясняется большим сроком её жизни и высокой степенью поглощения газов.
При загрязнении в коре, древесине и хвое сосны накапливаются загрязняющие вещества, которые влияют на рост и жизнедеятельность дерева. Например, в нормальных условиях хвоя сосны опадает через 3–4 года, а поблизости от источников загрязнения атмосферы — значительно раньше.
Древесная зелень сосны обыкновенной поглощает тяжёлые металлы, аккумулируя их значительное количество своей биомассой. В качестве отклика на загрязнение наблюдается изменение длины хвои и побегов, их влажности, содержания эфирного масла, а также увеличение зольности пробы при сжигании.
Накопление тяжёлых металлов, в хвое сосны, зависит от степени техногенного загрязнения. Хвоя способна накапливать тяжёлые металлы как из атмосферы, так и из почвы путём корневого поглощения.
Некоторые особенности накопления тяжёлых металлов в хвое сосны:
1.В импактной зоне (т.е. зоне техногенного воздействия) наблюдается резкое увеличение токсикантов (Cu, Zn, Pb, Cd) во второй год жизни хвои, а затем наблюдается либо отмирание хвои, либо снижение концентраций за счёт вымывания этих элементов при разрушении кутикулы.
2.Среднее содержание практически всех исследованных тяжёлых металлов имеет тенденцию снижения в хвое при удалении от источника загрязнения.
3.Отношение РЬ/Мп в хвое может быть показателем устойчивости растений к техногенному загрязнению. На фоновой территории величина РЬ/Мп — 0,002, в буферной зоне это отношение превышает фоновое значение в 1,5–5 раз, с увеличением техногенного загрязнения возрастает: в промышленной зоне в 8–19 раз, в дорожной — в 7–33 раза по сравнению с фоном.
4.Повышенные уровни аккумуляции металлов в ассимилирующих органах сосны (Ni > 100, Cu > 50 мг/кг) вызывают усыхание деревьев, разрушение древостоев и полную гибель лесных экосистем.
Методика проведения исследования
ПАО «Комбинат Магнезит» является крупным производителем магния и его соединений в России. Однако производство приводит к выбросам аэротехногенных загрязнений в атмосферу, что оказывает негативное воздействие на окружающую среду и здоровье населения.
При проведении исследования были заложены опытные участки, с которых были собраны образцы для анализа. Данные представлены в таблице 1.
Таблица 1 - Опытные участки
| Опытный участок | Расстояние |
|---|---|
| ОУ-2 | 1 км от комбината в зоне сильного воздействия |
| ОУ-5 | 3 км в зоне среднего воздействия |
| Сибирика (фон) | в 25 км к югу от комбината в районе населенного пункта Сибирка |
Отбор образцов хвои (1-2 года жизни) проводился в конце вегетационного периода (в августе).
В лабораторных условиях хвою сушили на воздухе, затем сухую хвою измельчали и сжигали в муфельной печи. Химический анализ проводили путём озоления растительного материала и растворения золы по ГОСТу 27995-88.
Анализ статистических данных
Концентрация основных металлов
Рассмотрим содержание основных загрязнителей (Ca, Mg, K, Fe) по удалению от источника загрязнения в разновозрастной хвое.
В магнезитовом производстве в условиях аэротехногенных выбросов основным элементом, который концентрируется в хвое, является магний. При анализе данных концентрация содержания рассматриваемых микроэлементов (Ca, Mg, Fe) в хвое с каждым годом увеличивается.
Максимальная концентрация калия наблюдаются в хвое 1-го года на всех исследуемых опытных участках. Однако на 2 год концентрация калия уменьшается. Данное явление можно объяснить тем, что либо происходит отмирание хвои, либо снижение концентраций за счёт вымывания этих элементов при разрушении кутикулы.
mean_values <- hvoya %>%
fill(Area, Year) %>%
group_by(Area, Year) %>%
summarise_all(mean) %>%
ungroup() %>%
mutate(across(where(is.numeric), ~ round(., 4)))
kable(mean_values, options = list(pageLength = 10),
caption = "Таблица 2 - Средние значение концентрации тяжеллых металлов в разновозростной хвое, мг/кг ")| Area | Year | Ca | Cd | Co | Cr | Cu | Fe | K | Mg | Mn | Na | Ni | Pb | Zn |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Sibirika | year_one | 755.7273 | 0.0864 | 0.6818 | 0.4697 | 3.4100 | 74.0727 | 3768.182 | 1228.545 | 87.0273 | 58.3455 | 4.0839 | 0.1480 | 30.8436 |
| Sibirika | year_two | 2537.3333 | 0.0188 | 0.8665 | 0.7550 | 2.4450 | 105.9500 | 2776.667 | 2433.333 | 114.2583 | 61.2083 | 10.3333 | 0.1874 | 50.3333 |
| area_five | year_one | 547.4167 | 0.2167 | 0.3392 | 0.2462 | 1.3302 | 16.0883 | 3809.167 | 3155.000 | 30.7500 | 95.1000 | 0.6775 | 0.2876 | 7.5167 |
| area_five | year_two | 2185.8333 | 0.1015 | 0.1016 | 0.8349 | 1.3806 | 101.5333 | 3537.500 | 4255.000 | 71.3750 | 99.9667 | 0.3433 | 0.7141 | 26.1317 |
| area_two | year_one | 472.6667 | 0.0237 | 0.1556 | 0.8028 | 0.8472 | 35.4667 | 3761.667 | 4876.667 | 32.9750 | 69.6333 | 0.3362 | 0.2362 | 7.1233 |
| area_two | year_two | 1202.9167 | 0.3933 | 0.2263 | 1.6547 | 1.3752 | 77.8000 | 2616.667 | 7005.833 | 53.9617 | 114.9500 | 0.8388 | 1.7512 | 5.8442 |
Концентрация металлов в разновозрастной хвое на ОУ-2
mean_values <- hvoya %>%
fill(Area, Year) %>%
group_by(Area, Year) %>%
summarise(
K = mean(K, na.rm = TRUE),
Mg = mean(Mg, na.rm = TRUE),
Ca = mean(Ca, na.rm = TRUE),
Fe = mean(Fe, na.rm = TRUE),
Zn = mean(Zn, na.rm = TRUE),
.groups = "drop"
) %>%
ungroup()
selected_area <- "area_two"
filtered_data <- mean_values %>%
filter(Area == selected_area)
long_data <- filtered_data %>%
pivot_longer(cols = c(K, Mg, Ca,Fe,Zn),
names_to = "Metal",
values_to = "Concentration")
ggplot(long_data, aes(x = Metal, y = Concentration, fill = Year)) +
geom_bar(stat = "identity", position = position_dodge()) +
labs(title = "Концентрация металлов в разновозрастной хвое (ОУ-2)",
x = "Металл",
y = "Концентрация металлов, мг/кг") +
theme_minimal() +
scale_fill_brewer(palette = "Set1")
Концентрация металлов в разновозрастной хвое на ОУ-5
selected_area <- "area_five"
filtered_data <- mean_values %>%
filter(Area == selected_area)
long_data <- filtered_data %>%
pivot_longer(cols = c(K, Mg, Ca, Fe, Zn),
names_to = "Metal",
values_to = "Concentration")
ggplot(long_data, aes(x = Metal, y = Concentration, fill = Year)) +
geom_bar(stat = "identity", position = position_dodge()) +
labs(title = "Концентрация металлов в разновозрастной хвое (ОУ-5)",
x = "Металл",
y = "Концентрация металлов, мг/кг") +
theme_minimal() +
scale_fill_brewer(palette = "Set1") 
Концентрация металлов в разновозрастной хвое на ОУ-Сибирика
selected_area <- "Sibirika"
filtered_data <- mean_values %>%
filter(Area == selected_area)
long_data <- filtered_data %>%
pivot_longer(cols = c(K, Mg, Ca, Fe, Zn),
names_to = "Metal",
values_to = "Concentration")
ggplot(long_data, aes(x = Metal, y = Concentration, fill = Year)) +
geom_bar(stat = "identity", position = position_dodge()) +
labs(title = "Концентрация металлов в разновозрастной хвое (Sibirika)",
x = "Металл",
y = "Концентрация металлов, мг/кг") +
theme_minimal() +
scale_fill_brewer(palette = "Set1")
Концентрация токсичных металлов
- Рассматрим содержание концентраций свинца и кадмия.
Свинец и кадмий не участвую в метаболизме растений. Они токсичны даже в очень низких концентрациях.
Концентрация свинца увеличивается на всех исследуемых участках.При этом концентрация кадмия на 2-ой год, по мере отдаления от зоны техногенного воздействия – уменьшается. Это может быть связанно с нескольками факторами: во-первыы, известно, что при старении хвои содержание кадмия в ней снижается, а свинца увеличивается. Во-вторых, это может быть объяснено усилением техногенного воздействия и как следствие уменьшением числа смоляных ходов, что указывает на ослабление защиты ассимиляционного аппарата.
- Рассмотрим содержание концентрации меди и никеля.
Медь и никель токсичны для хвои сосны, потому что способны к биоаккумуляции.
Избыточное поступление меди нарушает целый ряд биохимических процессов: происходит снижение темпов роста и развития, нарушается метаболизм, возрастает индукция окислительного повреждения, изменяется каталитическая эффективность ферментов, падает антиоксидантная активность.
Увеличение содержания никеля и меди в хвое с приближением к источнику загрязнения связано с ростом содержания доступных для растений соединений этих металлов в корнеобитаемых горизонтах почв, в первую очередь в подстилках.
Анализируя данные можно сказать, что в зоне загрязнения хвоя сосны накапливает больше меди, чем никиля.
Содержание меди в хвое возрастает с удалением от источника выбросов. Это связано с уменьшением доли железа в хвое.
В то же время содержание никеля в хвое вблизи загрязнителя активно увеличивается, но с удалением от источника его количество снижается.
Распределение концентрации в одно- и двухлетней хвое на опытных участках разная.
Увелечение концентрации данных металлов в зоне среднего воздействия и фоновой зоне можно объяснить биогенной миграцей элементов и как следствием загрязнением окружающей среды.
Концентрация токсичных металлов в разновозрастной хвое на ОУ-2
mean_values <- hvoya %>%
fill(Area, Year) %>%
group_by(Area, Year) %>%
summarise(
Pb = mean(Pb, na.rm = TRUE),
Cd = mean(Cd, na.rm = TRUE),
Ni = mean(Ni, na.rm = TRUE),
Cu = mean(Cu, na.rm = TRUE),
.groups = "drop"
) %>%
ungroup()
selected_area <- "area_two"
filtered_data <- mean_values %>%
filter(Area == selected_area)
long_data <- filtered_data %>%
pivot_longer(cols = c(Pb, Cd, Ni, Cu),
names_to = "Metal",
values_to = "Concentration")
ggplot(long_data, aes(x = Metal, y = Concentration, fill = Year)) +
geom_bar(stat = "identity", position = position_dodge()) +
labs(title = "Концентрация металлов в разновозрастной хвое (ОУ-2)",
x = "Металл",
y = "Концентрация металлов, мг/кг") +
theme_minimal() +
scale_fill_brewer(palette = "Set1")
Концентрация токсичных металлов в разновозрастной хвое на ОУ-5
selected_area <- "area_five"
filtered_data <- mean_values %>%
filter(Area == selected_area)
long_data <- filtered_data %>%
pivot_longer(cols = c(Pb, Cd, Ni, Cu),
names_to = "Metal",
values_to = "Concentration")
ggplot(long_data, aes(x = Metal, y = Concentration, fill = Year)) +
geom_bar(stat = "identity", position = position_dodge()) +
labs(title = "Концентрация металлов в разновозрастной хвое (ОУ-5)",
x = "Металл",
y = "Концентрация металлов, мг/кг") +
theme_minimal() +
scale_fill_brewer(palette = "Set1")
Концентрация токсичных металлов в разновозрастной хвое на ОУ-Сибирика
selected_area <- "Sibirika"
filtered_data <- mean_values %>%
filter(Area == selected_area)
long_data <- filtered_data %>%
pivot_longer(cols = c(Pb, Cd, Ni, Cu),
names_to = "Metal",
values_to = "Concentration")
ggplot(long_data, aes(x = Metal, y = Concentration, fill = Year)) +
geom_bar(stat = "identity", position = position_dodge()) +
labs(title = "Концентрация металлов в разновозрастной хвое (Sibirika)",
x = "Металл",
y = "Концентрация металлов, мг/кг") +
theme_minimal() +
scale_fill_brewer(palette = "Set1")
Оценка состояния окружающей среды
Древесные растения, в том числе хвойные, выступают в роли биоиндикаторов для изучения атмосферного загрязнения тяжёлыми металлами.
Отношение Рb/Мn в хвое является показателем устойчивости растений к техногенному загрязнению.
На фоновой территории величина Рb/Мn в норме составляет 0,002.Однако как показывают результаты, величина Рb/Мn в районе населеного пункта Сибирика превышает в 7-8,5 раз.
С увеличением техногенного загрязнения отношение Рb/Мn возрастает: в промышленной зоне — в 3–16 раз, в зоне среднего воздействия — в 4,5-5,5 раза по сравнению с установленной нормой.
Среднее содержание практически всех исследованных тяжёлых металлов имеет тенденцию снижения в хвое при удалении от источника загрязнения. В импактной зоне (т.е. зоне техногенного воздействия) наблюдается резкое увеличение токсикантов (Cu,Ni, Pb, Cd) во второй год жизни хвои.
Под влиянием техногенного пресса изменяется элементный состав хвои, происходит накопление загрезнителей в ассимиляционных органах, снижается концентрация биофильных элементов.
Обобщая данные можно сказать, что даже при удаление от источника загрезнения в атмосфере содержится достаточно большое количество загрязняющих веществ. Основным загрязняющимся веществом являетя магний.
Отношение содержания свинца (Pb) к содержанию марганца (Mn) для ОУ-2
mean_values <- hvoya %>%
fill(Area, Year) %>%
group_by(Area, Year) %>%
summarise(
Pb = mean(Pb, na.rm = TRUE),
Mn = mean(Mn, na.rm = TRUE),
.groups = "drop"
) %>%
ungroup()
selected_area <- "area_two"
filtered_data <- mean_values %>%
filter(Area == selected_area)
ratio_values <- filtered_data %>%
mutate(Pb_Mn_Ratio = ifelse(Mn != 0, Pb / Mn, NA)) %>%
mutate(across(where(is.numeric), ~ round(., 3)))
kable(ratio_values, caption = "Отношение свинца к марганцу для ОУ-2")| Area | Year | Pb | Mn | Pb_Mn_Ratio |
|---|---|---|---|---|
| area_two | year_one | 0.236 | 32.975 | 0.007 |
| area_two | year_two | 1.751 | 53.962 | 0.032 |
Отношение содержания свинца (Pb) к содержанию марганца (Mn) для ОУ-5
selected_area <- "area_five"
filtered_data <- mean_values %>%
filter(Area == selected_area)
ratio_values <- filtered_data %>%
mutate(Pb_Mn_Ratio = ifelse(Mn != 0, Pb / Mn, NA)) %>%
mutate(across(where(is.numeric), ~ round(., 3)))
kable(ratio_values, caption = "Отношение свинца к марганцу для ОУ-5")| Area | Year | Pb | Mn | Pb_Mn_Ratio |
|---|---|---|---|---|
| area_five | year_one | 0.288 | 30.750 | 0.009 |
| area_five | year_two | 0.714 | 71.375 | 0.010 |
Отношение содержания свинца (Pb) к содержанию марганца (Mn) для ОУ-Сибирика
selected_area <- "Sibirika"
filtered_data <- mean_values %>%
filter(Area == selected_area)
ratio_values <- filtered_data %>%
mutate(Pb_Mn_Ratio = ifelse(Mn != 0, Pb / Mn, NA)) %>%
mutate(across(where(is.numeric), ~ round(., 3)))
kable(ratio_values, caption = "Отношение свинца к марганцу для ОУ-Сибирика")| Area | Year | Pb | Mn | Pb_Mn_Ratio |
|---|---|---|---|---|
| Sibirika | year_one | 0.148 | 87.027 | 0.002 |
| Sibirika | year_two | 0.187 | 114.258 | 0.002 |
Заключение
В условиях аэротехногенного загрязнения природной среды отходами магнезитового производства к наиболее отрицательным факторам относится изменения содержания металлов в хвое.
В условиях аэротехногенных выбросов в атмосферу магнезитового производства основным элементом, концентрирующимся в хвое является магний. Его максимальные концентрации в хвое 1-го и 2-го года жизни в зоне сильного загрязнения примерно в 3-4 раза выше относительно фоновых.
При этом по мере удаления от источника выбросов в одно- и двухлетней хвое увеличивается содержание кальция.
Калий при этом по мере удаления от источника выбросов в одно- и двухлетней хвое уменьшается. Накопление никеля, меди, кадмия и свинца разница. Это может быть объяснено биогенной миграций элементов.
Дисбаланс в микроэлементном составе хвои может быть объяснён адаптивной реакцией на повышенное содержание антропогенных микроэлементов-токсикантов.
Список использованных источников
1.Бородина Нина Александровна Аккумуляция тяжелых металлов хвоей сосны в урбоэкосистеме города Благовещенска // Известия Самарского научного центра РАН. 2012. №1-8. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/akkumulyatsiya-tyazhelyh-metallov-hvoey-sosny-v-urboekosisteme-goroda-blagoveschenska (дата обращения: 10.01.2025).
2.Менщиков, С. Л. Аккумуляция металлов в хвое сосны обыкновенной (Pinus Sylvеstris L.), в почве и снеговой воде в условиях техногенного загрязнения / С. Л. Менщиков, Н. А. Кузьмина, П. Е. Мохначев // Лесной вестник. Forestry bulletin. — 2020. — №3. — С. 94–102. (дата обращения: 10.01.2025).
3.Титов, Александр Фёдорович. Тяжёлые металлы и растения [Текст] : [монография] / А. Ф. Титов, Н, М. Казнина, В. В. Таланова ; Карельский науч. центр Российской акад. наук, Ин-т биологии. — Петрозаводск : Карельский науч. центр РАН, Ин-т биологии КарНЦ РАН, 2014. — 192, с. : ил., табл. : 21 см.; ISBN 978-5-9274-0641-8.(дата обращения: 10.01.2025).
4.Тяжелые металлы — загрязнители природной среды [Электронный ресурс]. URL:https://umeteco.ru/novosti/news_post/tyazhelye-metally-zagryazniteli-prirodnoj-sredy (дата обращения: 10.01.2025).