ACCUMULATION OF HEAVY METALS IN THE LEAVES OF SORBUS AUCUPARIA L. IN THE URBAN ENVIRONMENT (ON THE EXAMPIE OF ORENBURG)

Cover Page

Abstract


In urban areas, trees play an essential role to cleanse the airborne toxic pollution in the environment. The species Sorbus aucuparia L. was studied as a biological indicator of toxic heavy metals pollution in the city of Orenburg, Russia. The impact of airborne pollution was assessed by the evaluation of morphometric parameters and the chemical analysis of leaves. The rowan leaves were collected in Orenburg in areas exposed to anthropogenic intervention of various degree. The concentrations of Cd, Cu, Pb, Zn and Fe in leaf samples were compared. It was found that the concentration of heavy metals in plants growing in the city is higher than in the control samples and decreases in the order Cd ˃ Cu ˃ Pb ˃ Zn ˃ Fe. The biological monitoring can be used to study environmental pollution as an environmentally sustainable tool for environmental management in urban areas.

Full Text

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.

About the authors

D. G. Fedorova

Orenburg State University, Botanical garden, Orenburg state pedagogical University


Ph.D.

References

  1. Бессонова Н. В. Использование метода биоиндикации для оценки экологического состояния различных районов в г. Хаба-ровске // Леса России в XXI веке. 2009. С. 11-13.
  2. Горышина Т. К. Растение в городе. Л., 1991.
  3. Дорогань Л. В., Филиппов В. П. Экология. Воронеж, 1995.
  4. Елисеева М. В., Укенов Б. С. Фитотоксичность почв ботанического сада Оренбургского государственного универси-тета // Университетский комплекс как региональный центр образования, науки и культуры. 2016. С. 1316-1320.
  5. Зокиров Р. С., Неверова О. А. Оценка аккумулирующей способности древесных растений в отношении тяжелых ме-таллов в примагистральных зонах г. Худжанда // Современные проблемы науки и образования. 2012. № 5. С. 293-293.
  6. Мартынов А. П. Статистический ежегодник Оренбургской области. Оренбург, 2012.
  7. Титов А. Ф., Таланова В. В., Казнина Н. М. Физиологические основы устойчивости растений к тяжелым металлам. Петрозаводск, 2011.
  8. Турлибекова Д. М., Вельц Н. Ю. Аккумуляция тяжелых металлов в надземной части высших растений, произрас-тающих в г. Орске и его окрестностях // Вестник Оренбургского государственного университета. 2011. № 12(131). С. 378-380.
  9. Федорова Д. Г. К вопросу о биомониторинге окружающей среды в Оренбуржье // Сборник материалов международных научно-практических конференций. М., 2019. C. 199-210.
  10. Чибилев А. А. Природа Оренбургской области (Часть I. Физико географический и историко географический очерк). Оренбург, 1995.
  11. Mitchell R., Maher B. A., Kinnersley R. Rates of particulate pollution deposition onto leaf surfaces: temporal and inter-species magnetic analyses // Environmental Pollution. 2010. Vol. 158. № 5. P. 1472-1478. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2009.12.029
  12. Orlova D. G., Nazarova N. M. Phytoindication as a way to evaluate the level of environmental pollution in Orenburg // 8th International Scientific Conference" Applied Sciences in Europe: tendencies of contemporary development": Papers of the 8th Inter-national Scientific Conference. Stuttgart. 2014. P. 9.
  13. Petrova S., Yurukova L., Velcheva I. Possibilities of using deciduous tree species in trace element biomonitoring in an ur-ban area (Plovdiv, Bulgaria) // Atmospheric Pollution Research. 2014. Vol. 5. № 2. P. 196-202. https://doi.org/10.5094/APR.2014.024
  14. Serbula S. M., Kalinovic T. S., Ilic A. A., Kalinovic J. V., Steharnik M. M. Assessment of airborne heavy metal pollution us-ing Pinus spp. and Tilia spp // Aerosol Air Qual Res. 2013. Vol. 13. № 2. P. 563-573. https://doi.org/10.4209/aaqr.2012.06.0153

Statistics

Views

Abstract - 0

PDF (Russian) - 0

Article Metrics

Metrics Loading ...

Refbacks

  • There are currently no refbacks.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies