5.2.3 Накопление тяжелых металлов в растениях
и сельскохозяйственной продукции
Накопление растениями тяжелых металлов осуществляется корнями из почвы и непосредственно из атмосферы. Например, загрязнение растений атмосферным кадмием составляет 20 – 60% от всего его содержания в растениях. Свинец в основном поступает через корни, тем не менее, и он способен поглощаться через листья. Накопление атмосферного свинца у растений вблизи автомобильных дорог может достигать до 40% от его общего количества в растениях. Основное количество свинца сосредоточено в вегетативных органах, а в репродуктивных накапливается до 7% от общего количества. Кинетика поглощения тяжелых металлов определяется двумя последовательными процессами, заключающимися в проникновении в свободное пространство и поступлении их внутрь клетки. Соотношение между количеством ионов в свободном пространстве и внутри клеток зависит как от продолжительности поглощения, так и от вида ионов. Поглощение тяжелых металлов растениями является энергетически независимым процессом, в то время как их транспорт в растительной клетке – энергетически зависимым. Поглощение корнями осуществляется через преодоление мембраны клеточной оболочки и прохождение через плазмалемму, цитоплазму и тонопласт аноплазматическим и симплазматическим методами.
В живых организмах тяжелые металлы играют двоякую роль. В малых количествах они входят в состав биологически активных веществ, регулирующих нормальный ход жизнедеятельности организмов. Нарушение концентраций, в результате техногенного загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами, приводит к отрицательным последствиям для живых организмов. Тяжелые металлы условно делятся на фитотоксичные и токсичные для человека и животных. К фитотоксичным относятся, прежде всего, медь, никель и цинк. Одни и те же металлы оказывают неодинаковое действие на различные виды растений. По способности аккумуляции тяжелых металлов различными культурами установлены следующие ряды:
овес - Ni > Cu > Co > Cr > Zn > Mn; пшеница - Cd > Ni > Cu > Zn; рожь - Zn > Cd > Pb > Cu; картофель - Cd > Cu > Zn > Cr > Ni > Mn.
Поступление и накопление тяжелых металлов в растениях определяется способностью вида поглощать и накапливать металлы и наличием физиолого-биохимических защитных механизмов. В растениях ячменя, например, количество свинца возрастает с увеличением содержания его в почве. При его высоком уровне в почве свинец накапливается в больших количествах в вегетативных органах и на порядок меньше – в репродуктивных. В значительной мере токсичность свинца проявляется на кислых почвах и заметно снижается при их известковании, применении органических и минеральных удобрений. Наибольшее количество меди поглощают картофель, гречиха и морковь. Большая часть кадмия в зерновых культурах сосредоточена в корнях и значительно меньше – в зерне. Повышенное содержание этого элемента в растениях сопровождается покраснением и хлорозом листьев. Содержание хрома в растениях невелико и обычно составляет около 0,0005 мг/кг. Основное его количество содержится в корневой системе. Обычно многолетние растения содержат ртути значительно больше, чем однолетние культуры. Однако, например, надземные органы картофеля и подсолнечника, содержат этого металла в два – три раза больше, чем зерновые культуры. Кислотно-основные свойства и содержание гумуса является главными показателями, определяющими характер поведения тяжелых металлов в почве, их доступность растениям. Токсичные для растений концентрации тяжелых металлов, в зависимости от свойств почв, могут варьировать в значительных пределах. К сожалению, сегодня не достаточно накоплено фактического материала по тяжелым металлам, их токсичности, предельно допустимым концентрациям и так далее. Задачей наших исследований было получение достоверной информации о накоплении тяжелых металлов в почве и растениях в местах интенсивного движения автотранспорта. Выявить влияние интенсивности движения автотранспорта на количественное и качественное содержание тяжелых металлов в почве, растениях и сельскохозяйственной продукции. Получить достоверную информацию о степени загрязнения окружающей среды в городе Балашове и поселках Балашовского района.
Для сравнения и оценки качественного и количественного содержания тяжелых металлов в растениях в качестве объекта исследований было взято одно из самых распространенных растений, произрастающих на всех пробных площадках города Балашова и поселках Балашовского района – клевер луговой (TrifoliumpratenseL.). Опытные образцыT.pratenseL. отбирались на тех же пробных площадях, где и образцы почв для определения количественного и качественного состава тяжелых металлов в различных районах города Балашова, на территории Балашовского лесхоза и в поселках Барки, Пады, Рассказань и Красная Кудрявка, расположенных в Балашовском районе. А также в районе организации ООО «Балашов-зерно», являющейся одним из основных поставщиков сельскохозяйственной продукции для города и района.
Результаты исследований отражены в приложении, табл. П.18. Накопление тяжелых металлов в TrifoliumpratenseL. с 2001 г. по 2005 г. в городе Балашове и поселках Балашовского района отражено в табл. 5.23 и на рис. 5.13.
Таблица 5.23 -Содержание тяжелых металлов в Trifolium pratense L.,мг/кг сухого вещества, среднее значение в 2001г. и 2005 г.
|
Район взятия образцов и интенсивность движения автотранспорта, машин в час |
Hg |
Pb |
Mn |
Zn |
Cu |
Co |
Cd |
2001 г.
|
ПП 1- Автовокзал, 452±14 шт. |
0,01 |
1,35
|
7,4 |
17,8 |
3,21 |
0,12 |
0,11 |
|
ПП 2 –КПТ – район бани, 203±9 шт. |
0,004 |
1,17 |
6,7 |
10,9 |
2,77 |
0,073 |
0,055 |
Продолжение табл. 5.23
|
ПП 3 -АЗС – раб. городок, 411±12 шт. |
0,006 |
1,25 |
7,2 |
18,0 |
3,26 |
0,095 |
0,079 |
|
ПП 4 –КПТ – район ЖБК, 69±3 шт. |
0,005 |
0,54 |
6,1 |
9,8 |
2,38 |
0,05 |
0,042 |
|
ПП- 5 –пер. Макаренко, 374±12 шт. |
0,006 |
1,0 |
7,0 |
11,5 |
2,52 |
0,06 |
0,047 |
|
ПП 6 – ст. юннатов |
0,004 |
0,45 |
6,2 |
9,2 |
2,48 |
0,055 |
0,049 |
|
ПП 7 – Парк им. Куйбышева |
0,004 |
0,47 |
6,2 |
9,3 |
2,49 |
0,055 |
0,05 |
|
ПП 8 –территория лесхоза |
0,004 |
0,43 |
4,6 |
9,4 |
2,29 |
0,042 |
0,04 |
|
ПП 9-ООО «Балашов-зерно» 38± 4 шт. |
0,006 |
1,0 |
7,0 |
11,5 |
2,52 |
0,06 |
0,047 |
|
ПП 10 – п. Барки, 342±10 шт. |
0,006 |
1,23 |
7,0 |
15,0 |
3,21 |
0,095 |
0,078 |
|
ПП 11 – п. Пады, 70±6 шт. |
0,004 |
0,46 |
6,0 |
9,3 |
2,49 |
0,054 |
0,051 |
|
ПП 12 – п. Красная Кудрявка, 35±3 шт. |
0,005 |
0,43 |
4,6 |
9,4 |
2,29 |
0,042 |
0,041 |
|
ПП 13 – п. Рассказань, 64±3 шт. |
0,004 |
0,49 |
5,9 |
9,1 |
2,5 |
0,053 |
0,049 |
2005 г.
|
ПП 1- Автовокзал, 452±14 шт. |
0,016 |
1,48
|
7,7 |
25,6 |
3,8 |
0,17 |
0,17 |
|
ПП 2 –КПТ – район бани, 203±9 шт. |
0,009 |
1,25 |
7,2 |
12,4 |
3,1 |
0,12 |
0,07 |
|
ПП 3 -АЗС – раб. городок, 411±12 шт. |
0,012 |
1,4 |
7,5 |
23,5 |
3,5 |
0,14 |
0,1 |
|
ПП 4 –КПТ – район ЖБК, 69±3 шт. |
0,009 |
0,70 |
6,9 |
12,1 |
2,9 |
0,07 |
0,05 |
|
ПП- 5 –пер. Макаренко, 374±12 шт. |
0,01 |
1,36 |
7,4 |
15,7 |
2,9 |
0,09 |
0,06 |
|
ПП 6 – ст. юннатов |
0,008 |
0,60 |
6,8 |
9,8 |
2,6 |
0,07 |
0,05 |
|
ПП 7 – Парк им. Куйбышева |
0,008 |
0,62 |
6,7 |
8,6 |
2,6 |
0,07 |
0,05 |
|
ПП 8 –территория лесхоза |
0,007 |
0,48 |
4,7 |
7,7 |
2,4 |
0,05 |
0,035 |
|
ПДК в растениях |
0,02 |
0,5 |
4,5 |
10,0 |
10,0 |
0,1 |
0,03 |
|
ПП 9-ООО «Балашов-зерно» 38± 4 шт. |
0,008 |
0,59 |
5,7 |
7,9 |
2,8 |
0,06 |
0,055 |
|
ПП 10 – п. Барки, 342±10 шт |
0,01 |
1,2 |
7,3 |
20,5 |
3,2 |
0,12 |
0,11 |
|
ПП 11 – п. Пады, 70±6 шт. |
0,006 |
0,45 |
4,4 |
7,3 |
2,5 |
0,053 |
0,037 |
|
ПП 12 – п. Красная Кудрявка, 35±3 шт. |
0,007 |
0,46 |
4,7 |
7,8 |
2,7 |
0,049 |
0,045 |
|
ПП 13 – п. Рассказань, 64±3 |
0,008 |
0,6 |
6,2 |
8,4 |
2,5 |
0,07 |
0,05 |
Как видим из табл. 5. 23 и рис. 5. 13, содержание ртути и других тяжелых металлов в T. pratense L. к 2005 г. повысилось по сравнению с 2001 г. Однако содержание, например, ртути на всех пробных площадях остается ниже значения ПДК. Вместе с тем, в растениях, произрастающих на пробных площадях автовокзала и АЗС, то есть, в местах с интенсивным движением автотранспорта и относительно значительным содержанием ртути в почве, содержание этого токсичного металла составляет, соответственно, 0,012 и 0,016 мг/кг, то есть приближается к ПДК. Превышение ПДК зарегистрировано в растениях практически на всех пробных площадях по содержанию кадмия и марганца, по кобальту - только на трех пробных площадях (автовокзал, КПТ и АЗС). Получены аналогичные результате и по содержанию, и по динамики роста количества тяжелых металлов в растениях с пробных площадей №9 -№13, то есть с растений произрастающих на пробных площадях в поселках Балашовского района и ООО «Балашов – зерно»
Превышение ПДК по цинку отмечается в районе Автовокзала, КПТ, АЗС, ЖБК и на проспекте Макаренко, по свинцу отмечено в растениях на всех пробных площадях, за исключением условно-фоновой территории – территории в районе лесхоза. Для сравнения на рис. 5.14 приведено содержание тяжелых металлов в растениях, произрастающих на территории автовокзала (интенсивное движение автотранспорта) и территории лесхоза (условно-фоновая зона), а также приведено значение ПДК.
В приложении, табл. П.19 –П.25 и табл.5.24 приведены вычисленные значения коэффициентов корреляции, показывающих степень тесноты связи между содержанием металла в почве пробных площадей города Балашова и его содержанием в растениях T. pratense L.
.
Таблица 5.24 – Коэффициенты корреляции между содержанием тяжелых металлов в почве и растениях T. pratense L., мг/кг сухого вещества, среднее значение (2005 г.)
-
Тяжелый металл
Коэффициент корреляции вычислен по формуле
Кобальт
0,87
Медь
0,94
Цинк
0,91
Марганец
0,72
Свинец
0,79
Кадмий
0,78
Ртуть
0,73
Наблюдается довольно тесная (значения коэффициента корреляции составляют от 0,72 по марганцу, до 0,94 по меди), положительная связь между содержанием тяжелых металлов в почве и растениях Trifolium pratense L. Кроме того, прослеживается динамика накопления, с годами, тяжелых металлов в растениях T. pratense L. К 2006 году содержание по некоторым тяжелым металлам в растениях значительно превышает ПДК, что создает определенную экологическую проблему для населения городов и сел Балашовского района. Проблема заключается не только в том, что в результате повышения интенсивности движения автотранспорта, ухудшается состояние окружающей среды, но и в том, что жители небольших городов и поселков, рядом с автомагистралями, в палисадниках и на приусадебных участках выращивают овощи и фрукты. Овощи и фрукты накапливают в значительных количествах токсичные вещества, поступающие, в конечном итоге, в организм человека.
Следует отметить, что в городе Балашове и населенных пунктах Балашовского района, традиционно, широко культивируется вишня домашняя (CerasusvulgarisMill.). Этот вид используется не только в садах и парках, но и внедрен в озеленение и высаживается практически перед каждым домом, на каждой улице. Действительно, следует отметить, что вид чрезвычайно декоративен, особенно, во время цветения и плодоношения. Однако с загрязненных территорий вишня попадает в пищу, а листья вишни применяются в солениях. Особую группу риска представляют дети, которые питаются плодами, загрязненными токсичными веществами, в том числе и металлами, с растений, произрастающих в палисадниках, на улицах - вблизи от проезжей части.
В табл. 5.25 отражена динамика повышения содержания тяжелых металлов в листьях в. домашней (C.vulgarisMill.) во времени (с 2001 по 2005 г. включительно) и в зависимости от интенсивности движения автотранспорта, а также от содержания тяжелых металлов в почве пробных площадей.
Таблица 5.25 - Содержание тяжелых металлов (среднее) в листьях вишни домашней (Cerasus vulgaris Mill.), мг/кг сухого вещества (2001 -2005 гг.)
|
Район пробной площади и интенсивность движения автотранспорта (автомаш. /час) |
Hg |
Pb |
Mn |
Zn |
Cu |
Co |
Cd |
2001 г.
|
ПП 1- Автовокзал, 452±14 шт. |
0,0038 |
0,4 |
7,7 |
11,9 |
2,35 |
0,07 |
0,055 |
|
ПП 2 –КПТ – район бани, 203±9 шт. |
0,0029 |
0,23 |
5,4 |
8,5 |
2,0 |
0,05 |
0,017 |
|
ПП 3 -АЗС – раб. городок, 411±12 шт. |
0,0037 |
0,4 |
6,3 |
10,9 |
2,2 |
0,06 |
0,041 |
|
ПП 4 –КПТ – район ЖБК, 69±3 шт. |
0,004 |
0,39 |
4,9 |
9,2 |
1,4 |
0,05 |
0,015 |
|
ПП- 5 –пер. Макаренко, 374±12 шт. |
0,003 |
0,38 |
5,9 |
10,4 |
2,12 |
0,052 |
0,034 |
Продолжение табл. 5.25
|
ПП 6 – ст. юннатов |
0,002 |
0,40 |
4,8 |
8,4 |
1,39 |
0,042 |
0,012 |
|
ПП 7 – Парк им. Куйбышева |
0,0032 |
0,39 |
4,8 |
8,1 |
1,39 |
0,045 |
0,02 |
|
ПП 8 –территория лесхоза |
0,0023 |
0,38 |
4,9 |
8,9 |
1,39 |
0,043 |
0,02 |
|
ПП 9-ООО «Балашов-зерно» 38± 4 шт. |
0,003 |
0,32 |
4,6 |
9,2 |
1,36 |
0,049 |
0,013 |
|
ПП 10 – п. Барки, 342±10 шт. |
0,0034 |
0,37 |
7,2 |
10,9 |
2,3 |
0,06 |
0,051 |
|
ПП 11 – п. Пады, 70±6 шт. |
0,0022 |
0,44 |
4,1 |
8,2 |
1,3 |
0,04 |
0,011 |
|
ПП 12 – п. Красная Кудрявка, 35±3 шт. |
0,0023 |
0,36 |
4,0 |
8,0 |
1,36 |
0,041 |
0,016 |
|
ПП 13 – п. Рассказань, 64±3 |
0,0025 |
0,44 |
4,5 |
8,3 |
1,36 |
0,04 |
0,014 |
г.
|
ПП 1- Автовокзал, 452±14 шт. |
0,005 |
0,51 |
8,4 |
13,4 |
2,5 |
0,08 |
0,06 |
|
ПП 2 –КПТ – район бани, 203±9 шт. |
0,003 |
0,30 |
5,6 |
8,6 |
2,0 |
0,06 |
0,02 |
|
ПП 3 -АЗС – раб. городок, 411±12 шт. |
0,004 |
0,46 |
6,7 |
11,9 |
2,5 |
0,08 |
0,05 |
|
ПП 4 –КПТ – район ЖБК, 69±3 шт. |
0,005 |
0,42 |
5,2 |
9,4 |
1,7 |
0,05 |
0,02 |
|
ПП- 5 –пер. Макаренко, 374±12 шт. |
0,004 |
0,44 |
6,7 |
11,4 |
2,3 |
0,07 |
0,04 |
|
ПП 6 – ст. юннатов |
0,003 |
0,4 |
5,1 |
9,4 |
1,5 |
0,05 |
0,02 |
|
ПП 7 – Парк им. Куйбышева |
0,004 |
0,43 |
5,2 |
9,0 |
1,6 |
0,06 |
0,03 |
|
ПП 8 –территория лесхоза |
0,003 |
0,4 |
5,2 |
9,3 |
1,6 |
0,05 |
0,02 |
|
ПП 9-ООО «Балашов-зерно» 38± 4 шт. |
0,004 |
0,43 |
5,0 |
9,7 |
1,9 |
0,06 |
0,03 |
|
ПП 10 – п. Барки, 342±10 шт. |
0,0049 |
0,5 |
7,9 |
12,6 |
2,4 |
0,07 |
0,05 |
|
ПП 11 – п. Пады, 70±6 шт. |
0,0043 |
0,41 |
5,0 |
9,2 |
1,8 |
0,047 |
0,03 |
|
ПП 12 – п. Красная Кудрявка, 35±3 шт. |
0,0031 |
0,42 |
5,0 |
8,9 |
1,43 |
0,047 |
0,02 |
|
ПП 13 – п. Рассказань, 64±3 |
0,0029 |
0,45 |
4,2 |
9,6 |
1,8 |
0,06 |
0,02 |
|
ПДК в растениях |
0,02 |
0,5 |
4,5 |
10,0 |
10,0 |
0,1 |
0,03 |
|
|
Hg |
Pb |
Mn |
Zn |
Cu |
Co |
Cd |
Как видим из табл. 5.25, содержание тяжелых металлов в листьях в. домашней (C.vulgarisMill.) по ртути на всех пробных площадях к 2006 г. оказалось значительно ниже ПДК. По свинцу превышение ПДК отмечено в районе автовокзала. Однако следует отметить, что в листьях в. домашней (C.vulgarisMill.) на других пробных площадях, характеризующихся, как и автовокзал, относительно интенсивным движением автотранспорта, содержание свинца приближается к значению ПДК. Содержание марганца в листьях растений в. домашней (C.vulgarisMill.) на всех пробных площадях несколько превышает ПДК, а в районе автовокзала составляет 8,4 мг/ кг, что соответствует 1,87 ПДК. По цинку превышения ПДК зарегистрировано на трех пробных площадях (автовокзал, АЗС, пер. Макаренко). На остальных пробных площадях, включая условно-фоновую зону, содержание цинка близко к значению ПДК. Что касается кобальта и меди, то содержание этих металлов в листьях в. домашней (C.vulgarisMill.) на всех пробных площадях значительно ниже ПДК. Тревогу вызывает кадмий, содержание которого в районе автовокзала в два раза, а в районе АЗС – в 1,7 раза превышает значение ПДК и только на станции юных натуралистов, и в районе лесхоза содержание этого металла ниже ПДК. Зависимость содержания тяжелых металлов в листьях в. домашней (C.vulgarisMill.) от их содержания в почве, а, следовательно, и от интенсивности движения автотранспорта в районе пробных площадей отражена в табл. 5.26. Аналогичные результаты получены и в поселках Балашовского района. Во всех четырех поселках, в растениях в. домашней (C.vulgarisMill.) отмечено содержание ртути, меди и кобальта ниже ПДК. В п. Барки в растениях содержание свинца ровняется 1 ПДК, содержание марганца, цинка и кадмия – выше ПДК. В остальных поселках превышение ПДК зарегистрировано только по марганцу и в п. Пады – по кадмию.
Таблица 5.26 – Коэффициент корреляции между