Содержание к диссертации
Введение
1. Микроэлементы в окружающей среде и в жизни растений (Обзор литературы)
1.1. Общая характеристика микроэлементов 8
1.2. Источники поступления микроэлементов в объекты окружающей среды 9
1.3. Физиологическая роль микроэлементов в растениях 18
1.4. Фитотоксичность микроэлементов и возможности их детоксикации в растительных организмах 32
2. Объекты и методики исследований
2.1. Характеристика природно-климатических условий района исследования 39
2.2. Характеристика объектов и методики исследований 40
3. Результаты и обсуждение
3.1. Характер и закономерности распределения свинца в объектах придорожной экосистемы 48
3.1.1. Особенности и закономерности распределения свинца в почве придорожной зоны 48
3.1.2. Особенности и закономерности распределения свинца в фотосинтезирующих органах хвойных растений придорожной зоны 53
3.1.3. Особенности и закономерности распределения свинца в фотосинтезирующих органах лиственных пород придорожной зоны 62
3.1.4. Особенности и закономерности распределения свинца в травянистых растениях придорожной зоны 64
3.1.5 Сравнительная оценка аккумуляции свинца фотосинтезирующими органами растений придорожной зоны 70
3.2. Характер и закономерности распределения микроэлементов в объектах придорожной экосистемы 73
3.2.1. Распределение микроэлементов в почве придорожной зоны 73
3.2.2. Особенности микроэлементного состава и сезонный характер аккумуляции микроэлементов в хвое текущего года 77
3.2.3. Особенности микроэлементного состава и сезонный характер аккумуляции микроэлементов в хвое второго и третьего годов вегетации 87
3.2.4. Распределение и сезонный характер аккумуляции микроэлементов в фотосинтезирующих органах березы повислой и осины 96
3.2.5. Сравнительная оценка содержания микроэлементов в фотосинтезирующих органах древесных растений придорожной зоны. 98
3.2.6. Особенности микроэлементного состава и сезонный характер аккумуляции микроэлементов в фотосинтезирующих органах копытня европейского и сныти обыкновенной 101
3.2.7. Расчет суммарного показателя загрязнения тест-объектов придорожной экосистемы 105
3.3. Зависимость биологического поглощения микроэлементов от, параметров электронного строения атомов и ионов 106
Выводы 116
Список литературы 118
Приложения 135
- Источники поступления микроэлементов в объекты окружающей среды
- Характеристика объектов и методики исследований
- Особенности и закономерности распределения свинца в фотосинтезирующих органах хвойных растений придорожной зоны
Введение к работе
Актуальность работы. Проблема охраны окружающей среды в связи с
возрастанием объема техногенных выбросов в атмосферу с каждым годом
становится все более актуальной. Среди многочисленных источников
атмосферного загрязнения выделяют стационарные (предприятия
энергетики, металлургии, химической и нефтеперерабатывающей промышленности и др.) и мобильные, главным из которых является автомобильный транспорт. К началу XXI в численность мирового парка автомобилей достигла 500 млн.
С выхлопными газами в атмосферный воздух поступают токсичные оксид углерода (II), оксиды азота и серы, углеводороды и их производные, тяжелые металлы (Pb, Cd, Ni, Cr и др.). Эмиссия РЬ от автотранспорта в России резко сократилась в 2003 г., когда был установлен запрет на использование бензина, содержащего тетраалкилсвинец. Однако на протяжении длительного времени РЬ, обладающий низкой мигрирующей способностью и большим периодом полуудаления, аккумулировался в почве и растительности вдоль автострад. В настоящее время он остается одним из главных загрязняющих компонентов придорожных экосистем.
Для защиты окружающей среды от выбросов автотранспорта наряду с техническими средствами и законодательными мерами все шире применяется метод, основанный на создании лесозащитных зон вблизи автомагистралей, вдоль которых образуются своеобразные биогеохимические аномалии. Установлено, что максимум загрязнения находится на высоте 1-2 м над уровнем земли. Накапливаясь преимущественно в вегетативных органах растений, свинец оказывает существенное влияние на их микроэлементный состав, ингибируя поступление в растения одних элементов, и в то же время стимулируя накопление других, поскольку большинство микроэлементов являются биокатализаторами и регуляторами наиболее важных физиологических процессов.
5 Лесные экосистемы, обладая значительными поглотительными
возможностями, во многих случаях могут противостоять высоким уровням
антропогенной нагрузки. При отсутствии внешних признаков угнетения
индикацию состояния экосистемы можно проводить по содержанию
микроэлементов в тканях растений, прежде всего в фотосинтезирующих
4 органах, которые являются их активными накопителями.
Целью данной работы является установление закономерностей
накопления и особенностей распределения микроэлементов в компонентах
придорожной лесной экосистемы и выявление информативных параметров
электронного строения атомов химических элементов для прогноза
интенсивности их поглощения фотосинтезирующими органами растений в
условиях высокого остаточного содержания РЬ.
/> Задачи исследования:
1. Определить содержание микроэлементов (Ag, As, В, Ва, Be, Cd,
Со, Сг, Си, Mn, Mo, Ni, РЬ, V, Zn) в почве и фотосинтезирующих органах основных древесных и травянистых растений придорожной экосистемы.
2. Выявить закономерности распределения микроэлементов в
объектах придорожной экосистемы, установить индикационно значимые
виды и органы растений для оценки уровня полиметаллического загрязнения.
3. Изучить особенности сезонной и возрастной динамики
(О поглощения микроэлементов в системе почва - растение в условиях
придорожной зоны и высокого остаточного содержания РЬ.
4. Охарактеризовать интенсивность поглощения микроэлементов
фотосинтезирующими органами растительных объектов в зависимости от
параметров электронного строения атомов химических элементов.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Общая характеристика закономерностей распределения и
особенностей возрастной и сезонной динамики поглощения РЬ и микроэлементов
v фотосинтезирующими органами растительных компонентов придорожной
лесной экосистемы в условиях высокого остаточного содержания РЬ.
2. Взаимосвязь биологического поглощения микроэлементов фотосинтезирующими органами растений придорожной зоны с параметрами ^электронного строения атомов и ионов соответствующих химических элементов.
Научная новизна. Впервые в условиях Республики Марий Эл на основе
* анализа микроэлементного состава проведена оценка уровня
автотранспортного загрязнения придорожной экосистемы, выявлены особенности биоаккумуляции основных микроэлементов почвой и растениями в условиях преимущественного загрязнения свинцом. Проведена оценка информативности некоторых параметров электронного строения атомов химических элементов для прогнозирования их поглощения фотосинтезирующими органами растений придорожной зоны.
а Практическая значимость. Выявленный характер поглощения
микроэлементов в почвенных и растительных объектах лесных придорожных экосистем позволит на практике проводить оценку их экологического состояния, а также использовать полученные данные при создании лесозащитных придорожных полос, при проектировании лесопитомников и сельхозугодий.
Отдельные разделы диссертационной работы используются при чтении общепрофессиональных и специальных курсов для студентов факультета
& лесного хозяйства и экологии и факультета природных и водных ресурсов
МарГТУ.
Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на Всероссийских междисциплинарных научных конференциях «Глобализация и проблемы национальной безопасности России в XXI веке» (Йошкар-Ола 2003); «Мировоззрение современного общества в фокусе научного знания и практики» (Йошкар-Ола, 2004); «Химия и лес» (Йошкар-Ола, 2004, 2005); Межрегиональной научно-практической конференции для студентов и
\ аспирантов «Исследования молодежи - экономике, производству,
образованию» (Сыктывкар, 2004); Всероссийской научно-практической
7 конференции «Современные проблемы аграрной науки и пути их решения»
(Ижевск, 2005); научных конференциях профессорско-преподавательского
состава МарГТУ (Йошкар-Ола, 2004-2006); заседании кафедры химии
МарГТУ (10.05.2006 г.), заседании кафедры прикладной экологии КГУ
(05.06.2006 г.).
Публикации. Основное содержание диссертационной работы и ее результатов отражено в 10 научных работах автора.
Личное участие автора заключается в составлении программы исследований, отборе, обработке и спектральном анализе проб растительных и почвенных образцов, обобщении и обсуждении результатов и формулировании выводов.
Объем и структура работы. Диссертация изложена на 146 страницах машинописного текста, состоит из введения, трех глав, выводов, приложений, содержит 41 таблицу и 21 рисунок. Список цитированной литературы включает 175 наименований (из них 32 - иностранных авторов).
Автор приносит глубокую благодарность научному руководителю зав. кафедрой химии МарГТУ д.б.н., проф. Р.И. Винокуровой, завкафедрой прикладной экологии КГУ В.З. Латыповой, всем сотрудникам кафедры химии МарГТУ и кафедры прикладной экологии КГУ за помощь и поддержку при выполнении работы.
Микроэлементы в окружающей среде и в жизни растений
(Обзор литературы)
Источники поступления микроэлементов в объекты окружающей среды
В настоящее время все крупные естественные источники поступления металлов в атмосферу отступили на задний план по сравнению с антропогенными. Выброс свинца от техногенных источников в 18,3 раза больше по сравнению с природными, кадмия - в 8,8 раза, цинка - в 7,2 раза (Артамонов, 1989; Добровольский, 1998). Характер вертикального распределения ТМ в почве естественных и техногенных ландшафтов существенно различается. Для техногенных территорий независимо от типа почвы характерен регрессивно-аккумулятивный путь распределения, проявляющийся в накоплении металлов в верхнем гумусовом горизонте почвы и резком понижении их содержания в нижележащих горизонтах. Тяжелые металлы способны образовывать сложные координационные соединения с поверхностными ОН-группами алюмосиликатов или гидроксида алюминия, а также с органическим веществом -почвы, поэтому в почвах с высоким содержанием гумуса они менее доступны для поглощения (Глазовская, 1989; Лозановская, 1998; Wollan, 1979).
ТМ принадлежат к группе элементов, обладающих высокой способностью к многообразным химическим и физико-химическим реакциям. Многие из них имеют переменную валентность и участвуют в окислительно-восстановительных процессах. Поэтому большое значение в трансформации поступающих в почвы тяжелых металлов имеют окислительно-восстановительные условия в верхних почвенных горизонтах и характер изменения их с глубиной. Столь же большое значение в миграции и аккумуляции тяжелых металлов в почвах играют кислотно-основные условия. Из антропогенных загрязнений ТМ поступают в почву в основном в виде оксидов и гидроксидов. При этом большая часть металлов может закрепляться в твердой фазе почвы, особенно при нейтральном и щелочном рН. В результате токсическое действие тяжелых металлов не проявляется в полной мере. Кислая среда техногенных почв способствует формированию большей доли дисперсных подвижных соединений (Колесников, 1999; Распределение форм..., 2001).
Техногенное поступление химических элементов на поверхность кормовых трав и пищевых растений в ряде случаев более опасно, чем кумуляция растений из почв (Биогеохимические основы..., 1993). Предельные в отношении фитотоксичности значения суммарных концентраций микроэлементов в поверхностном слое почв приведены в таблице 1.2. (Кабата-Пендиас, 1989).
Широко распространена метилизация соединений ТМ в почве, протекающая в условиях дефицита кислорода под влиянием анаэробных микробиологических процессов и приводящая к образованию метил-, диметил- металлических соединений, которые , обладая высокой летучестью, имеют большое значение для аэральной миграции ТМ. Процессы включения ТМ в атмосферную миграцию не ограничиваются деятельностью микроорганизмов и простейших фотосинтетиков. В конденсатах транспирационных испарений высших растений обнаружены не только соли щелочных и щелочно-земельных элементов, но также летучие комплексные органические соединения тяжелых металлов (Добровольский, 1998).
В работе СП. Голенецкого с соавторами (1981) исследованы корреляционные зависимости между микроэлементным составом почв, наземных растений и атмосферных выпадений. ТМ, поступающие на поверхность почвы, медленно удаляются при выщелачивании, потреблении растениями, эрозии дефляции. Первый период полуудаления значительно варьирует для различных металлов: для Zn - от 70 до 510 лет; для Cd - от 13 до 110 лет; для Си - от 310 до 1500 лет; для РЬ - от 740 до 5900 лет (Кабата-Пендиас, 1989).
Известно, что почва является особой формой биосферы, она не только накапливает все загрязнения, в том числе и металлические, но и выступает как природный переносчик химических элементов и в атмосферу, и в гидросферу, и в живое вещество. Металлы сравнительно легко накапливаются в почвах, но трудно и медленно из нее удаляются. В.Н. Второвой (1993, 1994) установлено, что при усилении засоления почв наблюдается нарушение соотношения концентраций микроэлементов в листьях, что указывает на возможность использования этого параметра для оценки состояния древостоя.
Местами аккумуляции тяжелых металлов в почве являются различные типы геохимических барьеров. В соответствии с классификацией геохимических барьеров А.И. Перельмана (1979), в почвах выделяются механические, физико-химические и термодинамические барьеры.
Характеристика объектов и методики исследований
Объектом исследования выбраны придорожные лесные экосистемы, представленные естественными елово-пихтовыми фитоценозами вдоль линейного источника загрязнения на примере автомагистрали Йошкар-Ола -Казань.
Полевые исследования и отбор образцов для анализа проводили на заложенных в 2003 году пробных площадях. Почва придорожной зоны может быть отнесена к дерново-подзолистым, которым присущ интенсивный дерновый процесс, сопровождаемый накоплением в верхних горизонтах гумуса и элементов питания (Сабиров, 1999-а).
В качестве тест-объектов экологического мониторинга придорожной экосистемы выбраны преобладающие виды растений различных ярусов (табл. 2.1):
Для контроля и оценки масштаба загрязнения во многих случаях важно знать естественное (фоновое) содержание микроэлементов. В практике экологического мониторинга в настоящее время вместо ПДК предлагаются новые нормирующие показатели - местные фоновые содержания химических элементов в почвах, основных видах дикорастущих растений в конкретных геохимических ландшафтах. Результаты химического анализа объектов придорожной экосистемы сравнивались с данными по фоновым уровням содержания микроэлементов в почвах и растениях РМЭ, определенными сотрудниками кафедры химии МарГТУ ранее (Роль растений елово-пихтовых..., 2002).
Для сравнительной оценки уровня загрязнения придорожной зоны проведен отбор и анализ проб соответствующих видов растительных образцов на условно фоновой территории - пробной площади, заложенной в 1999 году сотрудниками кафедры химии МарГТУ в 129 квартале Кортинского лесничества Учебно-опытного лесхоза МарГТУ. Тип леса -ельник припойменный липово-кисличный, состав древостоя 4Е4П2Лп ед Д, Ос, возраст 65 лет, полнота 0,7, класс бонитета II, ТЛУ -Д2.3. Подрост из пихты сибирской (Abies sibirica L.), ели обыкновенной (Picea abies L.), липы мелколистной (Tilia cordata Mill.) средней густоты. Подлесок редкий из крушины ломкой (Frangula alnus L.) и бересклета бородавчатого (Euonymus verrucosa Scop.). Степень покрытия живым напочвенным покровом (ЖНП) -90% (Рольрастений елово-пихтовых ..., 2002).
Пихта сибирская - относится к роду однодомных вечнозеленых деревьев рода Abies семейства Pinaseae. Крона узкопирамидальная, низкоопущенная, иногда начинающаяся у самой поверхности земли. Почки шаровидные, зеленовато-бурые, засмоленные. Хвоя плоская, сверху темно-зеленая, снизу более светлая. В верхней части кроны хвоя мягкая, длиной до 3,5 см, в нижней - более жесткая и короткая (Пихта, 1986).
Пихта сибирская - самая теневыносливая древесная порода. Исключительная теневыносливость обеспечивает ей существование в условиях такой освещенности, когда другие породы погибают, либо доживают до значительно меньшего возраста. По этой причине пихта - сибирская хорошо возобновляется под пологом других древесных пород, которые она может постепенно вытеснить. Подрост пихты растет медленно; высоты 1 м он достигает не ранее 12-20 лет. Затем величина текущего прироста в высоту и по диаметру резко возрастает. Оптимальные климатические условия для пихты сибирской характеризуются следующими показателями: продолжительность вегетационного периода 120 дней, средняя температура за вегетационный период 12С, сумма осадков за вегетационный период не менее 700 мм Q (Протопопов, 1975). По территории Республики Марий Эл проходит южная граница ареала распространения пихты сибирской. Ель обыкновенная - одна из основных лесообразующих пород РМЭ. Для видов Picea характерно явление гибридного смешивания. По данным В.И. Пчелина (1998) в естественных насаждениях Среднего Поволжья преобладает ель гибридного происхождения с доминированием признаков Picea abies, на долю которой приходится 57,6 %. Ель обыкновенная - стройное дерево с прямым стволом и " конусовидной кроной. Ель морозостойка, имеет поверхностную корневую систему, поэтому требовательна к увлажнению почвы. Но подрост ели страдает от поздних весенних заморозков Хвоя четырехгранная, острая, длиной 10-30 мм и толщиной 1-2 мм, жесткая, темно-зеленая, блестящая, держится на побегах 5-Ю лет (Казимиров, 1983). Обладая высокой теневыносливостью, эта порода успешно возобновляется естественным путем и сохраняет свой ареал и занятые ею площади. Береза повислая - широко распространенное по всей территории республики дерево с гладкой белой корой семейства березовых. Относится к группе светолюбивых деревьев. Часто поселяется на вырубках и пожарищах, в виде значительной примеси нередко присутствует в хвойных древостоях. Из биологических особенностей березы повислой М.Д. Данилов (1956) выделяет малую требовательность к плодородию почвы, устойчивость к неблагоприятным метеорологическим условиям, обилие и легкую распространяемость семян. В естественных условиях через березняки осуществляется восстановление сосновых и еловых насаждений.
Особенности и закономерности распределения свинца в фотосинтезирующих органах хвойных растений придорожной зоны
Основные статистические характеристики содержания РЬ в хвое разных лет растений подроста пихты сибирской, подроста и деревьев ели обыкновенной приведены в таблице 3.4.
Содержание РЬ (СРь) в хвое 1-го года растений подроста пихты сибирской находится в пределах 0,156-1,007 мг/кг абсолютно сухой массы, 2-го года - от 0,191 до 3,878, 3-го - от 0,117 до 5,981 мг/кг. В хвое текущего года растений подроста ели обыкновенной Срь в течение сезона вегетации изменяется от 0,116 до 0,772 мг/кг, в хвое второго года - 0,520 мг/кг, третьего - 0,726 мг/кг в абсолютно сухой массе хвои; в хвое текущего года деревьев ели обыкновенной - от 0,472 до 1,100 мг/кг, второго года в пределах 0,435-1,900 мг/кг, в хвое третьего года вегетации - от 0,586 до 2,853 мг/кг абс. сух.
Содержание РЬ в исследованных пробах хвои многократно превышает известные фоновые уровни для РМЭ. В хвое подроста пихты сибирской - от 3-х до 6 раз (в отдельных пробах имеет место 25-кратное превышение фоновых параметров), в хвое растений подроста ели обыкновенной - от 1,5 до 2,5 раз (в отдельных пробах до 15 раз) в хвое деревьев - от 2 до 7 раз (в отдельных пробах-до 12,5 раз).
Большое количество исследований по сравнению содержания свинца в фотосинтезирующих органах растений на загрязненных и контрольных территориях проводилось в крупных городах. Например, в хвое текущего года деревьев вида ель обыкновенная на городских автомагистралях г. Ленинграда (Санкт-Петербург) найдено 6,11 мг/кг свинца в сухом веществе, в то время, как на контрольных загородных территориях оно составляло 0,77 мг/кг, т.е. выявлено 8-кратное превышение содержания РЬ в хвое городских деревьев по сравнению его содержанием в хвое растений лесопарковых пригородных зон. Содержание свинца в двухлетней хвое ели обыкновенной (22,4 мг/кг сухой хвои) в 16 выше раз, чем на территориях, признанных условно «чистыми» (Накопление свинца. ..,1981).
Уровень изменчивости содержания РЬ в хвое текущего года изученных нами растений существенно ниже по сравнению с изменчивостью хвои второго и третьего годов вегетации. Хвоя текущего года вегетации подроста пихты сибирской, тем не менее, характеризуется очень высоким уровнем варьирования (Cv=41,20%) (Лакин, 1990), подроста и деревьев ели обыкновенной - повышенным (Cv=20,62 и 27,56% соответственно). Изменчивость содержания РЬ в хвое второго и третьего годов всех видов очень высокая (Cv 40%), содержание РЬ в хвое деревьев ели обыкновенной в среднем в 1,3 раза выше, чем в хвое растений подроста данного вида.
Следовательно, при выборе тест-объекта для оценки уровня свинцового загрязнения фотосинтезирующих органов хвойных растений предпочтительным является использование многолетней хвои, поскольку известно, что наибольший эффект в выборе объектов мониторинга дают наблюдения за теми химическими элементами, концентрации которых не отвечают требованиям «нормы» содержания или статистическому стандарту и в наибольшей степени варьируют в связи с условиями произрастания, т.е. определяются геохимическим фоном (Второва, 1992).
Согласно данным однофакторного дисперсионного анализа, различия в содержании РЬ в хвое разных лет подроста пихты сибирской, подроста и деревьев ели обыкновенной в придорожной зоне являются достоверными при уровне значимости 0,05 (F3KC„= 8,23 FTa6;i= 3,07 - для пихты и Рфакт=8,62 РТабл= 3,07 - ДЛЯ ЄЛИ.).
Хвоя третьего года жизни растений подроста пихты сибирской аккумулирует свинец в 1,6 раза активнее по сравнению с хвоей второго года и в 4 раза по сравнению с хвоей первого года (рис. 3.3-а). Поглощение РЬ хвоей третьего года растений подроста ели обыкновенной - в 1,4 раза интенсивнее по сравнению с хвоей текущего и второго годов вегетации, хвоей третьего года деревьев ели в 1,2 и 1,7 раза по сравнению с хвоей второго и третьего годов соответственно
