Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Основные аспекты биоиндикации урбанизированных территорий (обзор литературы)
1.1. Краткие сведения о роли фитоиндикации в оценке загрязнения урбанизированной среды 11
1.2. Индикаторная роль древесных и кустарниковых растений на техногенное воздействие в урбанизированной среде 16
1.3. Особенности поступления и накопления тяжелых металлов древесными и кустарниковыми растениями как биоиндикационный показатель загрязнения городской среды 22
Глава 2. Природно-климатические условия и уровень техногенного загрязнения городов Восточного, Северного и Центрального Казахстана
2.1. Краткая характеристика городов Восточного Казахстана (г. Семей и г. Усть-Каменогорск) 32
2.2. Краткая характеристика городов Северного Казахстана (г. Павлодар и г. Астана) 37
2.3. Краткая характеристика городов Центрального Казахстана (г. Караганда и г. Темиртау) 42
Глава 3. Объекты и методы исследования
3.1. Объекты исследований 46
3.2. Методика исследований 51
Глава 4. Исследование биоиндикационного потенциала листьев древесных и кустарниковых растений городов Восточного, Северного и Центрального Казахстана (результаты исследований)
4.1. Биоиндикация загрязнения окружающей среды городов Восточного Казахстана по аккумуляции тяжелых металлов листьями древесных и кустарниковых растений
4.1.1. Биоиндикация загрязнения окружающей среды города Семей по аккумуляции тяжелых металлов листьями древесных и кустарниковых растений 55
4.1.2. Биоиндикация загрязнения окружающей среды города Усть Каменогорск по аккумуляции тяжелых металлов листьями древесных и кустарниковых растений 73
4.2. Биоиндикация загрязнения окружающей среды городов Северного Казахстана по аккумуляции тяжелых металлов листьями древесных и кустарниковых растений
4.2.1. Биоиндикация загрязнения окружающей среды города Павлодар по аккумуляции тяжелых металлов листьями древесных и кустарниковых растений 89
4.2.2. Биоиндикация загрязнения окружающей среды города Астана по аккумуляции тяжелых металлов листьями древесных и кустарниковых растений 102
4.3. Биоиндикация загрязнения окружающей среды городов Центрального Казахстана по аккумуляции тяжелых металлов листьями древесных и кустарниковых растений
4.3.1. Биоиндикация загрязнения окружающей среды города Караганда по аккумуляции тяжелых металлов листьями древесных и кустарниковых растений 114
4.3.2. Биоиндикация загрязнения окружающей среды города Темиртау по аккумуляции тяжелых металлов листьями древесных и кустарниковых растений 126
4.4. Элементный состав листьев древесных и кустарниковых растений, подвергающихся воздействию техногенных эмиссий крупных промышленных центров 138
Заключение 145
Выводы 146
Научно-практические рекомендации 148
Список сокращений и условных обозначений 149
Список литературы 150
- Индикаторная роль древесных и кустарниковых растений на техногенное воздействие в урбанизированной среде
- Биоиндикация загрязнения окружающей среды города Семей по аккумуляции тяжелых металлов листьями древесных и кустарниковых растений
- Биоиндикация загрязнения окружающей среды города Павлодар по аккумуляции тяжелых металлов листьями древесных и кустарниковых растений
- Элементный состав листьев древесных и кустарниковых растений, подвергающихся воздействию техногенных эмиссий крупных промышленных центров
Введение к работе
Актуальность темы. Высокий уровень техногенной нагрузки в современных городах предполагает разработку и внедрение объективных методов контроля загрязнения для оценки текущего состояния и тенденций развития экологической ситуации в будущем. Одним из таких методов получения объективной информации о загрязнении городской среды может быть биоиндикация, а конкретно – фитоиндикация.
Несмотря на значительный прогресс развития инструментальных методов определения загрязняющих веществ в абиотических компонентах окружающей среды (атмосферный воздух, вода, снег, почва), реакция растительного организма позволяет оценить антропогенное воздействие на среду обитания в показателях, имеющих биологический смысл, которые зачастую можно перенести и на человека (Барановская, 2011; Ковалевский, 1969).
Среди широкого спектра природных компонентов городской среды необходимо уделить внимание листьям древесных и кустарниковых насаждений. С их помощью можно различать степень загрязнения воздуха, почв, выделять источники загрязнения, определять зоны их действия, идентифицировать загрязняющие ингредиенты. «Листовой анализ» является одним из информативных показателей состояния окружающей среды городов (Горелова, 2010; Илькун, 1978; Кулагин, 1985; Михайлова и др., 2006; Неверова, 2005; Уфимцева, Терехина, 2005; European Network for the Assessment of Air Quality..., 2004; Vollenweider, Gunthardt-Goerg, 2005; 2006).
Тяжелые металлы (ТМ) являются одними из наиболее опасных и актуальных загрязнителей городской среды. Исследователями указывается тот факт, что листья растений занимают одно из ведущих позиций в поглощении выбросов промышленности и автотранспорта, а также способны адекватно отражать загрязнение среды ТМ, по сравнению с другими частями растений – древесиной, ветками и др. (Гиниятуллин, 1995; Кулагин, Шагиева, 2005; Парибок, 1989; Петрунина, Ермаков, 2006; 2012).
Несмотря на достаточное число работ по содержанию ТМ в растениях и в почвах исследованного региона (Асылбекова, 2010; Аталикова, 2009; Галямова, 2013; Дузбаева, 2010; Панин, 1999; 2003; Рихванов и др., 2012; Шаймарданова, 2011; и др.), недостаточно изучались особенности аккумуляции ТМ спектром видов древесных и кустарниковых растений в условиях специализированного загрязнения городской среды.
Целью настоящей работы является оценка степени загрязнения окружающей среды городов Восточного, Северного и Центрального Казахстана ТМ методом фитоиндикации с использованием листьев древесных и кустарниковых растений.
В соответствии с целью были поставлены следующие задачи:
-
Оценить степень загрязнения техногенных почв городов Восточного, Северного и Центрального Казахстана по уровню содержания ТМ и токсических элементов и определить подвижность приоритетных токсикантов (формы соединений ТМ).
-
Изучить элементный состав листьев древесных и кустарниковых растений городов Восточного, Северного и Центрального Казахстана.
-
Исследовать особенности накопления ТМ листьями древесных и кустарниковых растений в различных урбогеосистемах в зависимости от таксономической принадлежности растений, уровня техногенной нагрузки и промышленной специализации города.
-
Выявить виды древесных и кустарниковых растений, листья которых можно использовать как биоиндикаторы состояния урбоэкосистем Казахстана.
Научная новизна работы. Новизна исследования заключается в подходе к изучению биоиндикационного потенциала листьев древесной и кустарниковой растительности по отношению к ТМ и токсичным элементам – анализировали широкий спектр видов растений в условиях урбоэкосистем с различным градиентом антропогенной нагрузки и отличающихся специализацией металлотоксикантов. Получены оригинальные данные о накоплении химических элементов листьями растений и в почвенном покрове городов. Изучены зависимости содержания в листьях растений приоритетных загрязнителей городской среды от различных факторов – промышленной специализации, функциональной зональности и таксономической принадлежности. Оценена информативность биологического ответа листьев древесных и кустарниковых растений посредством изучения элементного состава и расчета интегральных показателей для объективного отражения биогеохимического профиля урбоэкосистем и промышленных объектов.
Теоретическая и практическая значимость работы. Изучение аккумуляции ТМ и токсичных элементов листьями древесных и кустарниковых пород в условиях техногенной нагрузки промышленных городов является вкладом в развитие общей теории устойчивости растений к неблагоприятным факторам окружающей среды. Вывлены виды-концентраторы по отношению к основным загрязнителям природной среды городов Восточного, Северного и Центрального Казахстана. Установлена биогеохимическая специализация изученных городов в отношении приоритетных ТМ для почвенного покрова и листьев растений.
Результаты работы используются в учебном процессе Государственного университета имени Шакарима города Семей, а также переданы в региональные департаменты по охране окружающей среды. Данные могут быть использованы природоохранными органами для оценки качества городской среды и принятия мер по ее улучшению.
Защищаемые положения:
-
Валовое содержание химических элементов и их подвижных форм в почвах исследованных городов объективно отражают интенсивность загрязнения городской среды и ее функциональную зональность.
-
Использование листьев древесных и кустарниковых растений является информативным способом оценки состояния окружающей среды изученных городов. При этом применимо использование как прямых показателей (аккумуляция ТМ), так и интегральных биогеохимических коэффициентов.
-
Биогеохимический профиль абиотического (почва) и биотического (листья растений) компонентов городской среды объективно отражает градиент техногенной нагрузки и степень влияния промышленных объектов на урбоэкосистему в целом.
Апробация работы. Основные положения диссертации были представлены на 14-17 Международных Пущинских школах-конференциях молодых ученых «Биология – наука ХХI века» (Пущино, 2010-2013), IV и V Международных конференциях студентов и молодых ученых «Мир науки» (Алматы, 2010-2011), VII Международной научной конференции студентов, магистрантов и молодых ученых «Ломоносов 2011» (Астана, 2011), III чтениях памяти профессора О.А. Зауралова (Саранск, 2011), Х Международной научно-практической конференции «Химия и жизнь» (Новосибирск, 2011), III (8-й) Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (Прокопьевск, 2011), VII Международной научно-практической конференции «Тяжелые металлы и радионуклиды в окружающей среде» (Семей, 2012).
Публикации результатов исследования. По теме диссертации опубликовано 24 работы, в том числе 4 статьи в научных журналах, включенных в «Перечень …» ВАК РФ.
Личный вклад. Автором с учетом рекомендаций руководителя самостоятельно сформулированы цель и задачи исследований, выбраны и уточнены методологические подходы к их решению. Личный вклад состоит в теоретическом и экспериментальном решении поставленных задач, анализе и обобщении полученных результатов.
Благодарности. Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю, доктору биологических наук, профессору Михаилу Семеновичу Панину за оказанную помощь и всемерную поддержку и доброжелательность. Автор благодарит заместителя генерального директора по радиоэкологии Национального ядерного центра РК (г. Курчатов) С.Н. Лукашенко за возможность использования приборного оснащения организации для выполнения элементного анализа. За выполнение части аналитических работ автор благодарит Андросову Н.В., сотрудника аналитического центра Института геологии и минералогии им. В.С. Соболева СО РАН (г. Новосибирск). Автор признательна А.С. Торопову за участие в экспедиционных работах, помощь в подготовке проб к анализу и обсуждению разных аспектов исследования, соавторам научных работ Г.М. Есильканову, Д.С. Жилкишиновой за плодотворное сотрудничество; а также родным и близким, создавшим благоприятную атмосферу для научного творчества.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 170 страницах, содержит 51 таблицу, 27 рисунков. Состоит из введения, четырех глав основной части, выводов, научно-практических рекомендаций и списка использованных источников (184 наименования).
Индикаторная роль древесных и кустарниковых растений на техногенное воздействие в урбанизированной среде
Ответная реакция древесных и кустарниковых насаждений на поступление в окружающую среду токсикантов проявляется на всех уровнях организации, от клеточного до экосистемного. В растительном организме происходит нарушение физиологических процессов и биохимических реакций, в частности: интенсивность фотосинтеза и дыхания, содержания пигментов, активности ферментов, синтеза белков, углеводов, элементного состава органов [3, 17, 22, 58, 60, 102, 105, 115, 121, 153]. Существенно нарушается репродуктивный процесс, изменяются морфоструктурные параметры деревьев, снижается прирост стволов в высоту и по диаметру и в итоге, падает продуктивность древостоев [14, 25, 45, 53, 80, 92, 94, 129, 135, 140]. Ниже представлены данные различных исследований, показывающие основные характеристики воздействия токсических элементов на разных уровнях организации растений.
Клеточный и субклеточный уровень. При исследовании ассимиляционного аппарата некоторых видов древесных растений в условиях городской среды [146]было выявлено изменение в строении и функционировании некоторых пигментов и пластид в целом. Так, поверхность хлоропластов у деревьев городских посадок была в 1,5-2 раза меньше, чем у тех же видов в лесу, а единица листовой поверхности содержала меньше хлорофилла. Содержание каротиноидов, наоборот, было выше по сравнению с содержанием аналогичного пигмента в листьях деревьев в чистых местообитаниях леса. Полученные М.М. Рачковской с соавт. [123] экспериментальные данные свидетельствуют о том, что падение величины отношения зеленых пигментов к желтым является симптомом неудовлетворительного состояния растений.
Под действием выбросов автотранспорта наблюдалось резкое увеличение частоты хромосомных аберраций в растениях, растущих вблизи дорожного полотна [102]. Э.Ю. Слепяном [133] было показано, что избыточные количества соединений свинца, цинка, меди, кобальта, мышьяка вызывают нарушения строения и последующее разрушение клеток.
В условиях техногенной среды у деревьев снижена ассимиляционная активность, наблюдается уменьшение содержания хлорофилла, изменяется строение хлоропластов, кислотность клеточного сока; под влиянием токсичных веществ снижается содержание аскорбиновой кислоты, нуклеиновых кислот, белков, клетчатки, слабеет способность выделять фитонциды, изменяется активность ферментов, нарушается водный режим растений, снижается фертильность пыльцы [64, 94, 99,118,166, 167].
Физиологические параметры проходят как бы три стадии: раздражение, повреждение и адаптацию. Во время этих стадий происходит нарушение метаболических функций. Так, ответом на неблагоприятные условия является снижение рН цитоплазмы, ведущее к нарушению многих ферментативных реакций. В результате повышается концентрация фитогормонов, увеличивается содержание пролина, который в нормальных условиях содержится в , ( незначительных количествах. t Накапливаясь в тканях растения, пролин уУ, выполняет роль защитного буфера. Таким образом, содержание пролина в растениях может служить надежным биоиндикатором загрязнения почв ТМ [82]. Биохимические и физиологические реакции растений, происходящие в разных функционально - структурных подсистемах, обладают избирательным свойством при индикации тех или иных видов воздействующих факторов окружающей среды на растение. Однако, все эти подсистемы взаимосвязаны [14, 15,18,44,82].
На уровне тканей и органов растений отклонения от нормы развития при воздействии загрязняющих веществ оказываются большей частью результатом дисфункции системы нормальной регуляции онтогенеза, патологических отклонений в процессах транспорта веществ, нарушений межорганных и межтканевых взаимодействий [148]. В целом в городах наблюдается тенденция ксерофитизации: деревья имеют редкую крону, мелкие листья, у них изменен рост побегов, появляются некрозы листьев [97, 129, 137, 144]. Для многих видов характерно появление в промышленной зоне ряда признаков, которые принято считать индикаторами ксероморфизма: мелкоклеточность мезофилла, уменьшение размеров устьиц при увеличении их числа на единицу площади и т.п., что Ю.З. Кулагин [76] объясняет предадаптивной устойчивостью растений в изменившихся условиях местообитания.
Тератологические изменения у древесных растений проявляеются чаще всего в характере роста кроны. При обследовании городских зеленых насаждений в первую очередь определяется общее состояние растений, отмечается количество здоровых стволов, также учитывается разная интенсивность хлорозов (преждевременное пожелтение листьев) и некрозов (побурение отмерших участков листьев). При длительной и высокой техногенной нагрузке хлороз достигает максимальной степени выраженности и переходит в некроз. Очень часто в целях биоиндикации используются различные аномалии роста и развития растения — отклонения от общих закономерностей. Ученые систематизировали их в три основные группы, связанные: (1) с торможением или стимулированием нормального роста (карликовость и гигантизм); (2) с деформациями стеблей, листьев, корней, плодов, цветков и соцветий; (3) с возникновением новообразований (к этой группе аномалий роста относятся также опухоли) [80, 93,129, 153].
В урбаноэкосистемах происходит нарушение феноритмов роста и развития древесных растений: ускоряются начальные фазы распускания почек, облиствления побегов, начало цветения, начало листопада, сокращаются сроки и глубина покоя [44, 53, 87, 97, 99, 131, 144]. Дефолиация - преждевременное опадение листьев в период вегетации, не имеющее ничего общего с осеним листопадом, приводит к прекращению процессов ассимиляции.
Генеративный аппарат растений также подвержен различным видоизменениям в условиях загрязнения. Такие показатели, как прорастание пыльцы и рост пыльцевых трубок, проявляют чувствительность к кислотности среды. В частности, по данным [163] наиболее заметными эти эффекты были у пыльцы Abiesalba, Quercusrobur при кислотности рН 3,0.
Токсическое действие кадмия и диоксида серы было отмечено при наблюдении за прорастанием пыльцы двух видов сосны, орешника черного, тюльпанового дерева [164]. В зоне действия медеплавильного комбината на Урале было зафиксировано уменьшение длины шишек сосны в среднем на 16-19%, их веса — на 37-50%, а веса семян - на 12-15% [87]. Сокращение числа и размеров женских соцветий под влиянием загрязнения зафиксировано у березы и клена [9] с одновременным возникновением уродств.
Ослабленность городских древесных растений способствует развитию вредителей и болезней, что усугубляет их состояние, а иногда является причиной преждевременной гибели [126, 157, 159]. Комплекс негативных факторов урбанизированной среды приводит к снижению в 2-3 раза продолжительности жизни городских растений [93, 99, 137]. Степень повреждения растения зависит в основном от двух факторов - концентрации токсичного вещества и длительности его воздействия [25, 71, 72].
Биоиндикация загрязнения окружающей среды города Семей по аккумуляции тяжелых металлов листьями древесных и кустарниковых растений
Был изучен элементный состав почв г. Семей. Геохимическая специализация по коэффициенту концентрации Кс определяется следующей формулой:
Zn3,7M03,oCd2 9C02i6Ba2,5Cr2f3Cui2Pb2,lVi 6Niif6Ui 5Sr1 5Lii,4
Видно, что по сравнению с фоновым содержанием таких химических элементов как цинк, молибден, кобальт, кадмий, барий, хром, медь и свинец, их содержание в городских почвах превышено более чем в 2 раза.
Геохимическая специализация почв г. Семей относительно кларка концентрации Кк определяется следующей формулой:
Pb4 2Cd2,8Zn2,7Cu2,oMOo,8Lio 7Uo,7Sro,3Bao,iVo,l
Установлено, что элементами-поллютантами, содержание которых превышает кларк элемента в почве, являются свинец, кадмий, цинк и медь. Данные элементы являются приоритетными загрязнителями окружающей среды города, поэтому их поведение в почве было изучено более детально.
В литературе уже многократно отмечалось, что оценка экологического состояния загрязненных ТМ почв сводится не столько к изучению общего (валового) содержания, сколько к установлению содержания в них подвижных форм соединений[81, 101]. Ведь именно в техногенных почвах значительная часть поллютантов оказывается в составе подвижных соединений. Следовательно, исключительно важное экологическое значение при изучении содержания химических элементов в почве приобретают сведения об их подвижности, то есть способности переходить из твердой почвенной фазы в жидкую. При переходе ТМ в жидкую фазу (почвенный раствор) возрастает вероятность поступления металлов в растения [63, 71, 101, 103, 105].
Валовое содержание и формы соединений приоритетных ТМ в почвах г. Семей представлены в табл.13.
Согласно данным, приведенным в таблице 13, среднее содержание ТМ в почве превышает ПДК, утвержденные в Казахстане [134], кларк элемента в почве и литосфере, но не превышает ПДК по Kloke [168], содержание меди ниже кларка в литосфере.
Так, концентрация цинка в почве г. Семей превышает ПДК в почве [134] в 5,7 раза, меди - 1,2, кадмия - 2,8, свинца - 1,3 раза. Содержание цинка в почве превышает кларк в литосфере и в почве в 1,6 и 2,6 раза; меди-1,9 (кларк в почве); кадмия-10,7 и 2,8; свинца-2,6 и 4,1 раза соответственно. В почвах г. Семей от 71 до 100% проб превышают ПДК принятые, в Казахстане по содержанию указанных ТМ, одна проба (промышленная зона) превышает ПДК цинка по Kloke в 1,4 раза.
Содержание ТМ в почвах г. Семей выше фоновых концентраций по цинку в 3,7 раза, меди - 2,2, кадмию - 2,8, свинцу - 2,0 раза.
Уровень концентрации химических элементов в почвах различных функциональных зон г. Семей неодинаков (рис. 3), что отражает специфику разнопрофильных производств, их неодинаковую техногенную нагрузку, степень очистки выбросов и т.д.
Наибольшая концентрация ТМ характерна для почвы промышленной и транспортной зоны, а наименьшая - для селитебной зоны. В целом,; различие между средними этих зон составляет 2-3 раза.
Исходя из данных таблицы 13, по величине среднего содержания и по процентному содержанию от валового, исследуемые формы соединений ТМ в почвах г. Семей, располагаются в следующем убывающем ряду: кислоторастворимая обменная водорастворимая
Такое распределение характерно для приоритетных металлов в почвах всех изученных городов. При этом, цинк и медь являются более подвижными элементами, чем свинец и кадмий. Концентрации подвижных форм ТМ не превышают ПДК для подвижных форм [94], кроме незначительных превышений кислоторастворимой формы по цинку в 1,1 раза, и по меди кислоторастворимой и обменной формы соответственно в 1,1 и 1,8 раза.
Для выявления специализации техногенного загрязнения окружающей среды г. Семей и оценки биоиндикационного потенциала, древесных и кустарниковых растений было изучено содержание ряда металлов в листьях древесных и кустарниковых растений. На рисунке 4 представлены данные по сравнению среднего содержания ТМ в листьях древесных и кустарниковых растений г. Семей с кларком в растительности суши и местным фоном.
Видно, что накопление металлов в листьях древесных и кустарниковых растений г. Семей значительно превышает фоновые значения. Содержание некоторых элементов выше фона в 4-8 раз, а для свинца, урана, кадмия - отличие почти на порядок. Это говорит о значительном техногенном воздействии на листья в условиях городской среды. Относительно кларка металлов в растительности суши заметны превышения по таким элементам, как хром, медь, цинк, стронций, кадмий, свинец и уран. Данные исследования хорошо согласуются с работами прошлых лет [105, 106].
Формула специализации металлотоксикантов по коэффициенту аккумуляции Ка определяется следующим рядом:
Pb6,5Cd5,5U5,oCU4f9Cr4 oNi3,8Li3,5V3,5Ba3,4Zn3,iC02,4Srii6MOi 4
Содержание таких химических элементов как свинец, кадмий, уран, медь, хром и никель в листьях древесных и кустарниковых растений превышает фоновое в 4-6 раз.
Наиболее подробно и полно изучались содержание в листьях четырех химических элементов (цинк, медь, свинец и кадмий), которые в болынинствеисследованных городов являются приоритетными поллютантами.
Цинк и медь относятя к истинным биоэлементам, они всегда присутствуют в почвах, растениях, тканях живых организмов и участвуют в разнообразных метаболических реакциях. Свинец и кадмий являются известными токсикантами, канцерогенами и мутагенами [50, 51].
Содержание цинка, меди, свинца и кадмия в растительных образцах варьировало в широких пределах (табл.14), что объясняется влиянием физико-химических свойств элементов, их физиологической ролью в метаболических процессах, биологическими особенностями растения и, что наиболее важно, непосредственным влиянием техногенной нагрузки.
Биоиндикация загрязнения окружающей среды города Павлодар по аккумуляции тяжелых металлов листьями древесных и кустарниковых растений
Наиболее значимыми источниками загрязнения окружающей среды города являются аэрогенные выбросы зольных частиц от предприятий электроэнергетики (ЭГРЭС-1,2 и Аксуская ГРЭС), угледобывающей промышленности (разрезы Северный, Восточный и Богатырь) и металлургии (Аксуский завод ферросплавов), а также зола угля и мазута трех ТЭЦ, завода «Алюминий Казахстан», расположенных в северной и восточной промзонах г. Павлодар; выбросы Павлодарского нефтеперерабатывающего завода (ПНХЗ), предприятия «Каустик», «Казэнергокабель» - предельные, непредельные и ароматические углеводороды, бенз(а)пирен, метан, бензол, оксиды алюминия, углерода, азота, серы и др., пары азотной и соляной кислот и др.
Установленная геохимическая специализация почв г. Павлодар по коэффициенту концентрации Кс определяется следующей формулой:
Ni5j4Cu3joBa3,oCd3JoPb3,oCr3)oZn2,4Mo2,oLi2 oSr2(oVj 8Coi)7Ui,5
Установлено, что все изученные элементы превышают фоновые значения от 1,5 до 5,4 раз.
Специализация почв г. Павлодар относительно кларка концентрации Кк определяется следующей формулой:
Pb3,5Cd3,oCu1 5Zn1)5MOo 8Uo;55Lio)3oSro,24Vo,2oBa0)2oCro,lNio,i4
Содержание таких элементов, как свинец, кадмий, цинк и медь превышает кларк элемента в почве.
В таблице 25 представлены данные по распределению приоритетных ТМ в почвах г. Павлодар, их подвижности и проведена оценка их содержания отностительно различных показателей нормирования.
Изученные элементы по их средней концентрации в почве образует следующий ряд, мг/кг: Zn Pb Си Cd
Согласно данным, приведенным в таблице 25, среднее валовое содержание ТМ в изученной почве превышает ПДК, утвержденные в Казахстане [134], кларк элементов в почве и литосфере, кроме меди, но превышает по ПДК Kloke [168]. Так, концентрация цинка в почве г. Павлодар превышает ПДК в почве [134] в 3,2 раза, кадмия - 2,6, свинца - 1,1 раза. Содержание цинка в почве превышает кларк в литосфере и в почве в 1,6 и 2,6 раза; меди-1,9 (кларк в почве); кадмия-10,7 и 2,8; свинца-2,6 и 4,1 раза соответственно. Содержание ТМ в почвах г. Павлодар выше фоновых концентраций по цинку в 2,4 раза, меди - 2,9, кадмию - 2,6, свинцу - 2,5 раза.
В распределении ТМ в почвах города отмечена четкая зональность (рис. 11), выражающаяся в снижении их концентраций по мере удаления от основных источников загрязнения. Наибольшему загрязнению ТМ подвергаются, так же как и листья растений, почвы в промышленной зоне, а наименьшему - селитебной зоны, различие составляет 2,3 раза. В почвах г. Павлодар 31% проб по содержанию меди, 46% - свинца и 100% - цинка и кадмия, превышают ПДК,принятые в Казахстане.
Подвижные формы ТМ не превышают разработанные для них нормативы ПДК, кроме незначительных превышений по кислоторастворимой меди (в 1,7 раза).
Исходя из данных таблицы 25, по величине среднего содержания и по процентному содержанию от валового, исследуемые мобильные формы соединений ТМ в почвах г. Павлодар располагаются в следующем убывающем ряду: кислоторастворимая обменная водорастворимая
На рисунке 12 представлены данные по сравнению среднего содержания ряда токсичных металлов в листьях древесных и кустарниковых растений г. Павлодар с кларком в растительности суши и местным фоном.
Формула специализации металло-токсикантов по коэффициенту аккумуляции Ка определяется следующим рядом:
Pb8ioCr5,5CU5,5Cd4 Ni4,oZn3,4Ba3f2V2 6C02,5Sr2,oLiii7Ui 5MOi,3
Видно, что все исследованные элементы превышают фоновые значения, максимальные значения Ка характерны для свинца, хрома, меди, кадмия и никеля.
По величине средней концентрации Zn в листьях исследуемые виды древесных и кустарниковых растений располагаются в следующем убывающем ряду: В. pendula Roth. P. pyramidalis Rozier. P. tremula L. P. alba L. P. nigra L. S.alba L A.negundo L. E. argentea Pursch. /. minor L. M sylvestris Mill. S. vulgaris L. U. laevis L. /. glabra L. S. aucuparidL R. canina L.;
Cu - 5. pendula Roth. = Я argentea Vursch. A. negundo L. P. nigra L=U. minor L. S.vulgaris L. P. alba L. = M. sylvestris Mill. P. pyramidalis Rozier. P. tremula L. U. laevis L. U. glabra L. S. alba L. R. canina L. S. aucuparia L.;
Cd S. alba L. P. pyramidalis Rozier. P. tremula L.=P. alba L. P. nigra L. B. pendula Roth . argentea Pursch. A negundo L.= S. vulgaris L. U. laevis L. S. aucuparia h. U. minor L.= R. canina L. M. sylvestris Mill. I/, glabra L.;
Pb - S. vulgaris L. E. argentea Pursch. . pendula Roth. P. pyramidalis Rozier. P. alba L. = A.negundo L. P. tremula L. P. nigra L. R. canina L. U. glabra L. U. laevis L. S. aucuparia L. S. alba L. U. minor L. M sylvestris Mill.
В листьях древесных и кустарниковых растений г. Павлодар кадмий проявился как наиболее варьируемый элемент, изменение его содержания было около 66 раз; наименьшее варьирование выявлено у меди - 14,6; промежуточное место занимают цинк и свинец - 20,6 и 36,5 раза соответственно.
По величине среднего содержания в листьях всех древесных и кустарниковых растений, исследуемые ТМ располагаются в следующем убывающем порядке, мг/кг: Zn Cu Pb Cd
Среднее содержание ТМ в листьях древесных и кустарниковых растений было выше фоновых концентраций. Содержание цинка в листьях растений превышало фоновый уровень в 3,4 раза, меди - 5,5, кадмия - 4,3, свинца - 7,6 раз. Превышение относительно кларка растительности суши в листьях растений г. Павлодар было менее незначительным, для цинка - 1,1 раза, кадмия - 3,7, свинца - 1,2 раза, для меди превышений не было. Согласно классификации содержания химических элементов в зрелых тканях листьев, предложенных Кабата-Пендиас А., Пендиас X., концентрация ТМ в листьях растений г. Павлодар находится в достаточной или нормальной концентрации.
Средняя концентрация ТМ в листьях растений, произрастающих в промышленной и транспортной зонах в 2,1 раза выше концентрации этих металлов в селитебной зоне города (рис.13). Так, содержание цинка в транспортной зоне превышает таковое в селитебной зоне в 1,5 раза, меди - 1,8, кадмия - в 2,6, свинца - 2,4 раза.
Данную закономерность можно объяснить тем, что промышленная зона представляет собой центр скопления предприятий различной специализации, где сырье и процесс производства, как правило, является причиной загрязнения группой ТМ окружающей среды. Здесь расположены такие крупные предприятия, как АО "Алюминий Казахстан" (около 18 тыс. т выбросов в год), АО «Павлодарский нефтехимический завод» (25 тыс.), ТЭЦ (56 тыс.) и др., которыми выбрасывается более 50% от общего количества загрязняющих веществ в год от стационарных источников [55].
Элементный состав листьев древесных и кустарниковых растений, подвергающихся воздействию техногенных эмиссий крупных промышленных центров
Чаще всего экологическую ситуацию в городах рассматривают чисто с геохимической позиции, анализируя количество выбросов, стоков, уровни загрязнения, природные особенности, химический состав депонирующих сред — почвы, снега и др. [114]. Каждый промышленный город имеет свою геохимическую специализацию, которая определяется деятельностью крупных предприятий города. И перед тем, как говорить о биогеохимической специализации городов, необходимо обратить внимание на особенности аккумуляции спектра ТМ и токсичных элементов в листьях растений, подвергающихся воздействию техногенных эмиссий крупнейших промышленных центров городов.
Величина индекса суммарного загрязнения (Zc) почв ТМ и токсичными элементами гг. Семей, Астана и Караганда (18), Павлодар(23) и Темиртау (25) соответствует среднему (умеренно опасному) уровню загрязнения почв (Zc =16-32), г. Усть-Каменогорск (57) - высокому (опасному) уровню (Zc =32-64).
Суммарное загрязнение элементами-поллютантами листьев древесных и кустарниковых растений в городах Казахстана соответствует высокому уровню загрязнения, в городах Астана, Караганда, Темиртау, Семей, Павлодар и этот показатель варьирует от 32 до 36, а в г. Усть-Каменогорске он равен 86.
На рисунке 27 представлены данные по содержанию спектра химических элементов в листьях древесных и кустарниковых растений, произрастающих в зоне воздействия крупных промышленных центров.
Усть-Каменогорский промышленный комплекс ТОО «Казцинк», введенный в строй в 1954 году, состоит из цинкового, свинцового завода и аффинажного производства. По количеству и составу веществ, выбрасываемых в атмосферу, ТОО «Казцинк» отнесено к предприятиям 1 категории опасности.Основным загрязнителем производства является сернистый ангидрид. Второй компонент выбросов - твердые частицы, которые содержат в своем составе остротоксичные компоненты - ТМ (Zn, Pb, Си, Cd и др.) Так, по данным М.С. Панина [111] с пылевыми выбросами свинцово-цинкого комбината в атмосферу г. Усть-Каменогорск ежегодно поступает около 31,4 т. химических элементов, среди них цинка - 12,6, меди - 3,3, кадмия - 10,2, свинца - 4,4 т/год. Данные металлы рекомендуют включать в группу элементов, подлежащих обязательному контролю на территориях, подверженных техногенному воздействию горнорудного производства, так как известно, что загрязнение ТМ в сочетании с диоксидом серы вызывает значительную техногенную нагрузку на окружающую среду и возможный для здоровья людей экологический риск [107].
Средняя концентрация в листьях древесных и кустарниковых растений, произрастающих в зоне воздействия ТОО «Казцинк», превышает кларк растительности суши, для таких элементов, как кадмий в 268 раз, свинец в 78,4, уран - 51,5, кобальт - 14,2, цинк - 11,8, стронций - 3, медь - 2,5, хром - 2, барий -1,5 раза.
Согласно классификации содержания химических элементов в зрелых тканях листьев, предложенных [66] элементы кадмий, свинец, цинк и никель находятся в избыточной или токсической концентрации, остальные элементы не превысили верхнего предела нормальных концентраций. Видовая разница в накоплении элементов, как проявление способности отражать степень техногенной нагрузки, весьма значительна (табл. 50). Активными аккумуляторами всех элементов, в частности приоритетных » элементов-токсикантов для цветной промышленности (кадмий, медь, цинк и свинец) являются листья P. nigra L. Во многих источниках его рекомендуют как элемент фитофильтра по отношению к меди, цинку и кадмию в условиях загрязнения окружающей среды предприятиями цветной металлургии [35, 38, 152]. Так же высокая концентрация элементов-токсикантов объясняется близким расположением других крупных предприятий - АО «Ульбинский металлургический завод», АО «Усть-Каменогорский титано-магниевый комбинат» и других.
АО «Арселор Миттал Темиртау» является одним из крупнейших в мире металлургическим производством стали полного цикла. Установлено, что средняя концентрация в листьях древесных и кустарниковых растений, произрастающих около АО «Арселор Миттал Темиртау», превышает кларк растительности суши для свинца в 19,2 раз, никеля - 10,4, кадмия, кобальта, стронция и меди более чем в 4 раза, урана - 3,5, цинка, лития и хрома - более чем в 2 раза. Согласно приводимой выше классификации Кабата-Пендиас, медь и никель в листьях древесных растений находятся в избыточной или токсической концентрации, другие элементы не превышали верхнего предела нормальных концентраций. Учитывая различную способность накапливать ТМ и токсичные элементы отдельными видами, было установлено, чтодля большинства исследованных элементов характерно повышенное накопление в листьях В. pendula Roth, и Р. nigra L.
Преобладание труднодоступных форм металлов в атмосферных выбросах не способствует формированию техногенных биогеохимических аномалий, адекватных по контрастности и мощности выбросов,вызывая таким образом определенный биогеохимический диссонанс в таких центрах черной мет аллургии,как АО «Арселор Миттал Темиртау».
ТОО «Цементный завод Семей» специализируется на выпуске цемента. Средняя концентрация в листьях древесных растений, произрастающих в зоне воздействия ТОО «Цементный завод Семей», превышает кларк растительности суши для таких элементов, как свинец в 21,6 раз, кадмий - 15, уран - 9, кобальт и никель - более чем в 4 раза, цинк - 3, медь, стронций, барий и литий - более чем в 2 раза. По классификации А. Кабата-Пендиас[66] все изученные элементы не превышают верхнего предела нормальных концентраций. Максимальные концентрации изученных элементов характерны для листьев P. nigra L., А. negundo L. и В. pendula Roth.TaK, например листья данных растений в сравнении с другими видами аккумулируют в 2 и более раза выше кадмия (P. nigra L.), свинца (A. negundo L.), цинка (В. pendula Roth.). На ТОО «Цементный завод Семей» основным источником приоритетных элементов-токсикантов (кадмий, свинец, цинк и др.) являются используемые при производстве минерально-сырьевые добавки: пиритные огарки и нефелиновый шлам, содержащие данные элементы.
АО «Алюминий Казахстана» входит в число десяти ведущих производителей глинозема в мире, а также добычи, переработки и реализации бокситов, известняка, огнеупорных глин, щебня, предприятий производства и реализации галлия, сульфата алюминия и других товаров и услуг.Средняя концентрация в листьях древесных и кустарниковых растений, произрастающих около АО «Алюминий Казахстана», превышает кларк растительности суши для свинца в 16,8 раза, кобальта - 8,4, кадмия - 7,7, хрома и стронция - в 4 раза, урана и никеля - 3, бария и цинка - 2, меди, лития, молибдена в 1,2-1,4 раза. Согласно і,і і градации содержания химических элементов в зрелых тканях листьев,хром находится в избыточной или токсической концентрации. Наибольшая аккумулирующая способность почти ко всем изученным элементам проявляют листья В. pendula Roth., U. minor L. и E. argentea Pursch. Известно, что производство алюминия является одним из наиболее безопасных. Источником основного экологического риска данного производства можно отнестивыделение значительного количества вредных газов с примесями фтористых и сернистых соединений, пыли, оксида углерода, смолистых веществ.
Исходя из поставленных задач, учитывая экспериментальные данные, представленные в подглавах 4.1-4.3, в таблице 51 показана металлическая специализация абиотических и биотических компонентов окружающей среды городов Казахстана с целью определить информационную значимость интегральных показателей, использованных для установления видов-биоиндикаторов экологического состояния урбоэкосистем.
