Введение к работе
Актуальность темы.
Химический состав почв и грунтов в крупных городах продолжает оставаться функцией совокупного воздействия различных факторов, ключевым из которых является антропогенный. Проблема загрязнения почв в последние десятилетия приобрела статус одной из важнейших экологических проблем урбанизации и стимулировала развитие новых ремедиационных технологий (Чибилев А.А.,1998; Рябинина З.Н., 1996, 2005; Русанов А. М., 2006; Юрина С.В., 2000; Грошев И.В., 2004; Ложкин И.В., 2005; Боев В.М., Воляник М.Н., 1995). Среди последних методы фиторемедиации признаются наиболее адекватными способами очистки почв от различных загрязнений, как с точки зрения эффективности, так и с позиций экономических затрат (Baker A.J.M., 2000). Фиторемедиационные технологии основаны на применении растений-гипераккумуляторов и специальных агротехнических приемов, являются относительно недорогими способами очистки почв, реализуемыми in situ. Одной из главных задач при разработке фиторемедиационных технологий является поиск местных видов растений, способных произрастать на загрязненных почвах и аккумулировать значительные количества поллютантов (Рябинина З.Н., 2005; Русанов А. М., 2006).
Применительно к Южно-Уральскому региону следует отметить, что выполнен ряд исследований, посвященных изучению как особенностей загрязнения урбанизированных и неурбанизированных степных и лесостепных почв (Ложкин И.В., 2005; Грошев И.В., 2004; Русанов А. М., 2006), так и взаимосвязи загрязненных почв с некоторыми видами растений (Рябинина З.Н., 1996). При этом системного анализа взаимосвязей концентраций металлов-поллютантов в почве и, как следствие, их накопления в надземных частях растений до сих пор проведено не было.
В этой связи представляется актуальным изучение типичных для региона представителей травянистой флоры с точки зрения накопления металлов-поллютантов с загрязнением урбанизированных почв, на которых эти растения произрастают.
Целью работы является разработка рекомендаций по выбору растений-ремедиаторов из числа типичных представителей местной флоры на основе анализа взаимосвязей уровней загрязнений урбанизированных почв и произрастающих на них травянистых растений.
Задачи исследования:
1.Определение содержания тяжелых металлов (ТМ) в надземных частях травянистых растений – представителей типичной региональной флоры, произрастающих на территории г. Оренбурга.
2.Анализ уровней загрязнения урбанизированных почв г. Оренбурга металлами-поллютантами и изучение динамики их накопления в почвах.
3.Сопоставление уровней накопления ТМ в почвах и растениях. Определение таксономических различий растений по степени взаимосвязи концентраций металлов в почвах и исследуемых растениях.
4.Выработка рекомендаций по выбору растений-ремедиаторов из числа изученных представителей флоры региона.
Научная новизна исследования.
В рамках региональных комплексных программ «Мониторинг земель Оренбургской области на 1993–2000 годы» и «Экологический мониторинг земель Оренбургской области на 2001–2005 годы», в том числе и г. Оренбурга, а также в рамках инициативного исследования уровня загрязнения растений, произрастающих на реперных участках города, впервые определены уровни загрязнения почв и растений следующими металлами: Cd, Co, Cr, Cu, Mn, Ni, Pb, Zn. На протяжении 5-летнего наблюдения впервые изучены уровни загрязнения и динамика содержания ТМ в слоях почв 0-10 см и 30-40 см. Сделаны выводы о мозаичности загрязнения ТМ почв, об отсутствии доминирующих металлов-поллютантов на территории г. Оренбурга, а также об отрицательной динамике накопления металлов в период наблюдения с 1996 г. по 2005 г.
Так же впервые проведено систематизированное сопоставление концентраций металлов-поллютантов в почвах с уровнями накопления этих же металлов у 30 видов травянистых растений. Аналогичные сведения получены для представителей 9 видов травянистых растений – представителей типичной региональной флоры. Показано, что независимо от видовой принадлежности, наблюдается положительная корреляционная связь, носящая линейный характер, между концентрациями металлов-поллютантов в почве и их концентрациями в надземных частях представителей флоры региона.
Анализ полученных результатов позволил впервые для Южно-Уральского региона выделить наиболее предпочтительные виды растений – потенциальных фиторемедиаторов. При этом наибольшая эффективность в отношении накопления наиболее опасных металлов-поллютантов (Pb и Cd) показана для таких растений как лопух большой (Arctium lappa L.), одуванчик лекарственный (Taraxacum officinale Wigg.), полынь обыкновенная (Artemisia vulgaris L.), полынь горькая (Artemisia absinthium L.), птичий горец (Polygonum aviculare L.), тысячелистник обыкновенный (Achillea millefolium L.).
Полученные новые сведения стали основой для разработки рекомендаций по выбору растений потенциальных ремедиаторов тех или иных металлов-поллютантов, наиболее предпочтительных для дальнейшей экспериментальной разработки фиторемедиационных технологий в регионе исследования, основанных на применении представителей местной флоры.
Положения выносимые на защиту:
-
На основе сопоставления концентраций тяжелых металлов в почве и надземных частях растений применительно к Южно-Уральскому региону проведен системный анализ и отбор растений, наиболее предпочтительных в отношении аккумуляции тех или иных металлов-поллютантов, т.е. растений потенциальных ремедиаторов при разработке фиторемедиационных технологий.
-
В отношении наиболее опасных металлов Pb и Cd эффективными потенциальными фитоаккамуляторами с точки зрения их накопления в надземных частях растений являются следующие виды: одуванчик лекарственный (Taraxacum officinale Wigg.), лопух большой (Arctium lappa L.), полынь обыкновенная (Artemisia vulgaris L.), полынь горькая (Artemisia absinthium L.), птичий горец (Polygonum aviculare L.), тысячелистник обыкновенный (Achillea millefolium L.). Для других металлов (Co, Cr, Cu, Mn, Ni, Zn), относящихся к менее токсичным загрязнителям, определены потенциально наиболее эффективные фиторемедиаторы: цикорий обыкновенный (Cichorium intybus L.), подорожник средний (Plantago media L.), тысячелистник обыкновенный (Achillea millefolium L.).
-
Загрязнение почв г. Оренбурга металлами-поллютантами (Cd, Co, Cr, Cu, Mn, Ni, Pb, Zn) не носит характер аномального по уровню загрязнения, имеет за последние годы тенденцию к отрицательной динамике и характеризуется мозаичностью, что связано с наличием тех или иных промышленных предприятий или транспортных магистралей. Схожий характер и динамику проявляют показатели загрязнения растений, произрастающих на реперных участках.
Практическая значимость
Полученные новые сведения о взаимосвязи накопления металлов-поллютантов в надземных частях растений представителей типичной флоры Оренбургского региона с уровнем накопления этих металлов в почвах на реперных участках позволяют расширить теоретические представления о накоплении токсичных металлов в растениях в связи с загрязнением почв, что явилось основанием для разработки практических рекомендаций по выбору растений-ремедиаторов из числа типичных представителей региональной фитофлоры для последующей разработки фиторемедиационных технологий, основанных на применении специальных агротехнических приемов с целью повышения эффективности фиторемедиации. Полученные данные реализуют начальный этап разработки фиторемедиационных технологий, адаптированных к региону исследования (Оренбургской области).
Полученные результаты внедрены в практику преподавания экологических дисциплин в Оренбургском Государственном Университете и других образовательных учреждениях, в том числе в учебных курсах «Экологический мониторинг» и «Экологическое проектирование и экспертиза». Материалы научно-исследовательской работы используются при чтении цикла лекций и проведении семинарских занятий дисциплины «Промышленная гигиена» в областном центре повышения квалификации работников со средним медицинским и фармацевтическим образованием.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы обсуждались на II Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы геоэкологии Южного Урала» (Оренбург, 2005), Всероссийской молодежной школе-семинаре «Теоретические и прикладные вопросы современной географии» (Томск, 2005), IV Международном симпозиуме «Степи Северной Евразии» (Оренбург, 2006), Всероссийской научно-практической конференции «Вызовы ХХI века и образование» (Оренбург, 2006), Всероссийской научно-практической конференции «Многопрофильный университет как региональный центр образования и науки» (Оренбург, 2009, 2010).
Публикации по теме диссертации
По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе 2 работы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, и 1 монография (в соавторстве).
Структура и объем работы
