Содержание тяжелых элементов в почвенно-растительном покрове г. Гродно

В условиях интенсивного антропогенного и техногенного воздействия происходит резкий рост загрязнения урбоэкосистем в целом и почвенно-растительного покрова в частности. В последние десятилетия среди наиболее опасных загрязнителей одно из лидирующих мест по темпам и объемам поступления в окружающую среду занимают тяжелые металлы. Высокая концентрация промышленных предприятий и интенсивный автотранспортный поток на городских улицах являются основными причинами повышенного загрязнения городских ландшафтов тяжелыми металлами. Помимо этого почвенный покров урбанизированных территорий в большей степени представлен насыпными грунтами со значительной примесью строительного и бытового мусора (до 20-50%) [1], что также способствует увеличению содержания тяжелых металлов городской среде.

Цель данного исследования: оценить уровень загрязнения городской среды по содержанию тяжелых металлов в почвенно-растительном покрове.

Отбор проб для исследования проводился в 5 районах г. Гродно с различной степенью антропогенной нагрузки и разными видами техногенного воздействия. Данные о точках отбора проб представлены в таблице 1.

Таблица 1 –Характеристика точек отбора почвенных и растительных проб

Примечание – ТОП – точка отбора проб.

Индивидуальные пробы почвы отбирали из верхнего генетического горизонта на глубине 20 см. В качестве растительных образцов были выбраны береза повислая (Betula pendula Roth), подорожник большой (Plantago major L.), клевер луговой (Trifolium pratence L.). Отбор почвенных и растительных образцов производился в конце периода вегетации (начало сентября).

Валовое содержание тяжелых металлов в почвенных и растительных образцах определяли рентгенофлуоресцентным методом на спектрометре энергий рентгеновских излучений СЕР-01 [2]. Уровень химического загрязнения почв находили путем сопоставления валовых форм тяжелых металлов в городской почве с установленными в Республике Беларусь ПДК и ОДК [3]. Помимо этого нормативной базой для сравнения полученных концентраций являлись нормативы региональных кларков [4].

Оценка валового содержания тяжелых металлов в поверхностном слое почв города показала наличие полиэлементного загрязнения тяжелыми металлами. В городских почвах определены концентрации 13 элементов, представляющих наибольшую экологическую опасность (таблица 2).

Таблица 2 – Валовое содержание тяжелых металлов (мг/кг) в почвенных образцах г. Гродно

Примечание – n – количество образцов.

Согласно полученным результатам почвенные образцы, отобранные на территории г. Гродно, характеризуются аномально высокими концентрациями таких поллютантов, как кадмий, олово и никель. Превышение ПДК по Ni и Sn характерно для всей территории города и выше установленного ПДК в 1,6 – 2,4 и 3,5 – 5,3 раз соответственно.

Кадмий выступает как приоритетный загрязнитель городской среды (максимальное превышение ПДК в 81 раз). Аномально высокие концентрации элемента в верхнем почвенном горизонте свидетельствует об антропогенном происхождении. Поступление его в окружающую среду может быть связано с сжиганием дизельного топлива [5], разрушением автомобильных покрышек [6], а также с применением фосфорных удобрений.

Почвенные образцы характеризуются высоким накоплением Ni по сравнению с ПДК и региональным кларком, превышая установленные нормативы более чем в 2 раза. В настоящее время никель считается приоритетным поллютантом, поступающим в окружающую среду в больших количествах в связи с возрастающими темпами сжигания нефти.

Особое внимание следует обратить на содержание в почвенных образцах таких малоизученных тяжелых металлов, как Zr и Sn. При этом следует отметить, что концентрации Sn значительно превышают как региональный фон, так и установленные нормативы ПДК (более чем в 5 раз), что свидетельствует о постоянном поступлении поллютанта в почвенный покров городской среды.

В верхнем горизонте почвенного покрова также отмечено значительное накопление Sb, в некоторых пробах отмечалось превышение ПДК более чем в 15 раз. Сурьма используется для придания прочности другим металлам, в подшипниках, аккумуляторах, для защиты металлов от коррозии.

По сравнению со среднебелорусскими региональными кларками, исследованные почвы характеризуются также значительным накоплением Cr, Cu, V, Mn. Так концентрация Cr находилась в пределах 62,10-112,40 мг/кг, что выше средних показателей для Республики Беларусь в 2 раза. Главным источником поступления хрома в городскую среду являются некоторые промышленные отходы (гальванические осадки, отходы кожевенных производств и заводов). Большое количество хрома поступает в атмосферу при сжигании угля. Почвы г. Гродно характеризуются повышенными концентрациями Cu (15,77 – 47,28 мг/кг) в сравнении со среднереспубликанскими показателями, но не превышают установленные ПДК, что свидетельствует о незначительной антропогенной нагрузке на городскую среду. Загрязнение почв медью происходит при использовании медьсодержащих веществ: удобрений, сельскохозяйственных и коммунальных отходах, а также в результате ее поступления от индустриальных источников.

В результате исследования в пределах городской территории выявлено наличие точечных геохимических аномалии в районе точек отбора проб № 3 и 4, в которых содержание валового Zn существенно превышает кларк и ПДК. Поступление цинка в почвенный покров возможно за счет сжигания горючих веществ, эрозии оцинкованных поверхностей, износа шин, использования в моторных маслах присадок, содержащих этот металл.

Одним из наиболее сильных загрязнителей окружающей среды, связанных с выбросами автотранспорта, является свинец и его соединения. Сопоставление полученных данных с кларками для почв Беларуси в поверхностном горизонте городских почв не выявлено аномальных участков свинцового загрязнения. Вероятно это обусловлено прекращением использования с 2003 года свинецсодержащих присадок для топлива.

По результатам проведенных исследований установлено, что между выбранными участками наблюдаются достоверные (p<0,05; тест Краскела-Уолиса) различия по содержанию тяжелых металлов, за исключением Ni, Cr, Sn, V, что обусловлено различной хозяйственной деятельностью и наличием точечных источников загрязнения.

Анализ фотосинтезирующей массы растений, отобранных для исследования, показал, что самое высокое содержание таких элементов, как Cd, Cu, Sb и Sn отмечено для клевера. В листьях березы отмечено высокое содержание Cr, Mn, Ni, Pb и Zn, а в листьях подорожника – Fe, Ti, V и Zr. Подземные органы подорожника в высокой степени накапливают практически все проанализированные тяжелые металлы, за исключением Cd и V.

Известно, что даже при низких концентрациях Cd активно проявляет свою токсичность. Нормальное содержание кадмия в растениях 0,05-0,2 мг/кг воздушно-сухой массы, предположительно максимальное – 3 мг/кг. В наших исследованиях содержание кадмия в фитомассе растений колебалось не значительно от 0,54 мг/кг в фотосинтезирующих органах березы до 0,74 мг/кг в корне клевера.

Количество хрома в растениях городских фитоценозов колебалось от 2,20 до 8,51 мг/кг. Самым чувствительным к воздействию хрома оказался подорожник.

В обзоре В.Б. Ильина и Л.А. Юдановой приводятся сведения о нормальном содержании меди в растениях – 3-40 мг/кг воздушно-сухой массы, а предположительно максимальном – 150 мг/кг. По полученным данным накопление меди в растительных образцах колеблется 7,62-18,40 мг/кг. При этом распределение ее различно: так для клевера максимальные концентрации отмечены в фотосинтезирующих органах, а для подорожника – в подземных. 

Наибольшая концентрация железа (около 1138 мг/кг) обнаружена в корнях подорожника, что практически в 17 раз больше, чем в листьях березы (67,59 мг/кг).

Накопление никеля растениями имело разнонаправленный характер: высокие концентрации как в листьях (4,87 мr/кг), так и в корнях (8,51 мг/кг).

Практически все проанализированные растительные образцы характеризуются значительной степенью накопления свинца, причем наибольшие концентрации отмечены в подземных частях растений (5,0 мг/кг).

Анализ накопления сурьмы в растительном сырье выявил незначительные изменения в концентрации от 0,46 до 0,92 мг/кг. Сурьма не считается жизненно важным для растений элементом.

В растительных образцах отмечено значительное содержание титана (до 130 мг/кг). В избыточных концентрациях Ti накапливают преимущественно корни трав.

В результате проведенных исследований отмечено незначительное накопление растениям ванадия: в пределах 0,57-1,34 мг/кг.

Основные функции цинка в растениях связаны с метаболизмом углеводов, протеинов и фосфатов, а также с образованием ауксина, ДНК и рибосом. Растения содержат обычно 15-150 мг/кг сухой массы. Уровень содержания цинка в изученных растениях различных зон г. Гродно колеблется от 19,9 до 94,33 мг/кг. Высокие концентрации элемента присущи листьям березы, минимальные обнаружены в корнях клевера. Аналогичная картина накопления отмечена и для Mn: в листьях березы (83,21 мг/кг), в корнях клевера (25,51 мг/кг).

Для интегральной оценки загрязнения почв урбанизированной территории тяжелыми металлами был использован суммарный показатель загрязнения Zc, который рассчитывается по формуле:

где, K_с = K_i/ПДК, K_c – коэффициент концентрации химического элемента, K_i – валовое содержание химического элемента в почве, n – число суммируемых элементов, содержание которых в почве превышает ПДК. Степень опасности загрязнения почвы г. Гродно оценивалась по четырехступенчатой шкале [3].

Согласно показателю загрязнения Z_c почвенный покров жилых зон г. Гродно испытывает опасную степень загрязнения почв тяжелыми металлами по их валовому содержанию (77 и 89 ед.). Также высокая степень опасности отмечена для сельскохозяйственной (85 ед.) и транспортной (76 ед.) зон. Единственная зона города характеризующаяся умеренно опасной степенью загрязнения (18 ед.) является ТОП 2.Таким образом, городская среда испытывает значительную нагрузку по загрязнению тяжелыми металлами, поступающими от промышленного комплекса города и постоянного увеличения количества автомобильного транспорта.

Интенсивная антропогенная деятельность приводит к значительной геохимической трансформации почвенно-растительного покрова. Так почвенный покров г. Гродно характеризуется аномально высокими концентрациями кадмия, никеля и олова. Фитоаккумуляция тяжелых металлов в условиях г. Гродно характеризуется видовой специфичностью и в значительной степени связана с условиями произрастания растений. Так наибольшая аккумуляционная способность тяжелых металлов выявлена для подземных органов Plantago major. Почвенный покров г. Гродно является опасным по степени загрязнения тяжелыми металлами. К наиболее загрязненной территории в пределах города можно отнести ТОП 1 и ТОП 4.

Н.В.Ковальчук

Наука-2015 : сб. науч. ст. В 2 ч. Ч. 1 / ГрГУ им. Я. Купалы ; редкол.: Г. М. Третьяков (гл. ред.)  [и др.]. – Гродно : ГрГУ, 2015. – 291 с.

The article presents the results of determining the total content of heavy metals in the soil and vegetation cover, selected from different parts of the city of Grodno. Studies have shown that the concentration of Cd, Ni and Sn exceeds the maximum permissible concentration. It was found that the greatest storage capacity in relation to heavy metals have roots of Plantago major. The estimation of urban pollution Grodno on the content of heavy metals.