ФАКТОРЫ НАКОПЛЕНИЯ И РАССЕЯНИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОИДОВ В ЛИСТЬЯХ ОДУВАНЧИКА В МОСКВЕ

Полный текст

Введение Растения способствуют очищению атмосферы от пыли, углекислого газа, поставляют кислород, создают рекреационную среду. Их широко используют для биомониторинга загрязнения урбанизированных территорий тяжелыми металлами и металлоидами, поступающими в растения из воздуха с листовым поглощением и из почв с корневым захватом [1]. При биомониторинге часто используют листья одуванчиков, основное внимание при этом уделяют Mn, Fe, Pb, Cu, Zn, Cd и As, в меньшей степени - Sb и Mo [2-5]. Трансформация, характер и интенсивность накопления растениями поллютантов изучались в городских ландшафтах многих природных зон [5-8], в Москве - в различных округах города [2; 9; 10], однако данных о факторах аккумуляции ТМ крайне мало. Для тополя и липы Западного округа установлено, что наибольшие различия концентраций ТМ в листьях определяются фазой вегетации, уровнем загрязнения почвы и расстоянием от дороги. Значимыми факторами являются также тип дороги для Co, Fe, Cu, Pb; удаленность от центра города - Pb, Zn, Fe, Co, Mn; загрязнение атмосферного воздуха - Pb, Ni, Mn, Co; наличие механических барьеров - Pb [10]. Исследование распределения ТМ в компонентах городского ландшафта совместно с количественным анализом ландшафтно-геохимической информации дает возможность определить механизмы и условия формирования аномалий ТМ. Поэтому цель данной работы - на примере восточной части Москвы (ВМ) оценить ландшафтные и техногенные факторы формирования биогеохимических аномалий ТМ в листьях одуванчика лекарственного (Taraxacum officinale). Ландшафтно-геохимические исследования ВМ как модельной урбанизированной территории ведутся на географическом факультете МГУ с 1990-х годов. За 25-летний период накоплен значительный статистический материал, установлены особенности миграции и динамика накопления ТМ в ландшафтах, определена сезонная динамика накопления ТМ в неотмытых пробах листьев и веток тополя бальзамического и липы мелколистной и в укосах газонных злаков [11; 12], однако факторы распределения ТМ в травянистых видах изучаются впервые. В настоящей работе решались следующие задачи: - проанализировать основные техногенные и ландшафтные факторы на территории ВМ; - установить концентрации ТМ в листьях одуванчика лекарственного; - определить техногенные и ландшафтные факторы накопления и рассеяния ТМ в листьях одуванчика в ВМ. Материалы и методы Изучалась ВМ, включающая муниципальные районы Соколиная гора, Перово, Ивановское, Новогиреево, Вешняки, Новокосино и Косино-Ухтомский. Основные источники загрязнения здесь - ряд крупных промышленных зон, автомагистралей, ТЭЦ-11, районная тепловая станция «Перово» [12]. Для изучения биогеохимических особенностей территории после пятидневного бездождливого периода отбирались листья одуванчика (n = 35) в трехкратной повторности (рис. 1), так как содержания ТМ наиболее высоки в листьях и тонких ветвях растений [13]. Фоновые одуванчики (n = 5) опробовались в 45 км к западу от Москвы, южнее г. Звенигорода. На каждой точке собиралось около 100 г сырого растительного материала. После промывания в проточной и дистиллированной воде образцы высушивались при 75 °С, затем подвергались мокрому озолению в тефлоновых автоклавах с добавлением 8 мл концентрированной HNO 3 и 2 мл H 2 O 2 в течение 4 ч при 160-200 °С. Содержание As, Cd, Cu, Fe, Mn, Mo, Pb, Sb, Zn в полученных растворах определялось на атомно-абсорбционных спектрометрах с пламенной атомизацией novAA-400 (Analytik-Jena AG) и AA-240Z (Varian Inc.). Для выявления биогеохимических аномалий рассчитывались коэффициенты концентрации элементов К с = С/С ф , где С и С ф - содержание металла в растении в городе и на фоне соответственно, мг/кг сухого вещества. Количественные и качественные факторы аккумуляции ТМ определены путем построения в пакете SPLUS (MathSoft, 1999) регрессионных деревьев. Суть метода заключается в разделении массива данных на два более однородных по указанной зависимой величине подмножества, когда ее дисперсия минимальна. Данный метод неоднократно применялся при выявлении ландшафтных параметров, влияющих на водно-физические свойства почв, и диагностике педогеохимических барьеров [14; 15]. Модели строились в зависимости от следующих факторов: - техногенные: функциональная зона; выпадения ТМ из атмосферы; выбросы автотранспорта; - ландшафтные: ландшафтно-геохимическая позиция; подтопление почв; валовое содержание и концентрация подвижных форм (в вытяжке ацетатно-аммонийного буфера c ЭДТА) ТМ в поверхностном (0-15 см) горизонте почв; физико-химические свойства почв - кислотно-основные условия (рН); электропроводность (ЕС), характеризующая степень засоления почв; содержание ведущих фаз-носителей ТМ: органического вещества (С орг ), оксидов Fe и Mn, фракций ила (< 1 мкм, РМ 1 ), мелкой (1-5, РМ 5-1 ), средней (5-10, РМ 10-5 ) и крупной (10- 50, РМ 50-10 ) пыли, тонкого (50-250, РМ 250-50 ), среднего и крупного (250-1000 мкм, РМ 1000-250 ) песка. Рис. 1. Точки отбора проб одуванчиков в ВМ. ВАО - Восточный административный округ Fig. 1. Dandelion sampling sites in the EM. EAO - Eastern Administrative Okrug Функциональная принадлежность территории определялась по карте функционального зонирования Восточного округа Москвы [16]. Удельный выброс автотранспорта на каждой магистрали рассчитан В.Р. Битюковой по статистическим данным, выпадения элементов в каждой точке - по работе [12]. Данные о физико-химических свойствах почв, валовом содержании и концентрации подвижных форм ТМ в почвах использовались по работе [15]. Остальные факторы оценены по картам из работ [12; 16]. Результаты и их обсуждение Техногенные и ландшафтные факторы. Интенсивность и характер техногенного воздействия отражает функциональная структура территории. В ВМ выделены промышленная (I), транспортная (T), рекреационная (R) и постагрогенная (A) зоны, а также жилая застройка низкой этажности (1-5 этажей, L) преимущественно в старых кварталах в Косино-Ухтомском районе и Перово, средней (5-9 этажей, M) - в пределах МКАД, повышенной этажности (более 9 этажей, H) - за МКАД в Новокосино. В промзонах сосредоточены предприятия энергетики, машиностроения и металлообработки, химии и нефтехимии, производства стройматериалов и мусоросжигательный завод. Рекреационная зона сформирована лесопарками Кусково, Терлецкий, Перовский, Косинским Триозерьем. Постагрогенная зона представлена Косинским парком на юго-востоке. Наиболее интенсивные выпадения Mo, Sb, As, Fe, Zn, Mn, Cu, Cd характерны для автомагистралей и промзон [12]. По В.Р. Битюковой, наибольшее значение удельных выбросов автотранспорта приурочена к МКАД (до 57 мг на 1 км пробега) и ш. Энтузиастов (4-7 мг/км); наименьшая - к внутриквартальным улицам (< 1 мг/км). В ВМ преобладают элювиальные ландшафты повышенных элементов мезорельефа (водноледниковые равнины) и трансаккумулятивные ландшафты более низких гипсометрических позиций (долинные зандры). Трансэлювиальные ландшафты распространены на небольших участках покатых склонов речных долин, супераквальные - в древнеозерных котловинах и днищах балок [16]. Подтопляемые участки с глубиной залегания грунтовых вод < 1 м приурочены к озерным понижениям и засыпанным поймам рек Пономарки, Нищенки, Серебрянки; неподтопляемые территории с глубоким (> 3 м) залеганием грунтовых вод, находятся на юго-востоке в бассейне р. Рудневки; остальные территории подтопляются периодически. Поверхностные горизонты почв ВМ имеют нейтральную реакцию среды с рН - 7,1, повышаясь до щелочной с рН - 8,5 в промышленной и транспортной зонах и снижаясь до слабокислой в парках с рН - 6,3. Содержание С орг колеблется от 0,1 до 10,4% при среднем значении 3,5%. Почвы в основном супесчаные, в лесопосадках близ МКАД - тяжелосуглинистые. Наиболее легкий состав имеют поверхностные горизонты почв промышленных зон, наиболее тяжелый - почвы постагрогенной зоны. Количество оксидов Fe в среднем составляет 2,84%, Mn - 0,063%. Валовое содержание ТМ выше фонового уровня (цифра - величина К с ): Cd 7,6 Zn 4,8 Sb 4,8 Pb 4,5 As 4,0 Fe 3,6 Cu 2,9 Mo 1,8 Mn 1,4 . Содержание подвижных форм ТМ также выше фоновых: Zn 35 As 10, Sb 6,6 Cu 4,8 Cd 3,1 Pb 1,3 [12, 15]. Биогеохимическая специализация растений. В ВМ в листьях одуванчика (табл. 1) уровни содержания Mn в несколько раз выше, а Cu, Pb и As - ниже, чем в других городах, для Fe, Zn и Cd различия незначительны [2-4]. Таблица 1 Содержание ТМ в листьях одуванчика в ВМ и на фоновой территории, мг/кг сухого вещества ТМ Фон, n = 5 ВМ, n = 35 Mn 177 (150-203) 146 (74-279) Fe 50 (18-170) 225 (117-510) Zn 46 (30-63) 46 (16-152) Cu 4,6 (3,3-5,5) 6,2 (3,5-7,1) Pb 0,17 (0,10-0,24) 0,77 (0,044-1,8) Cd 0,16 (0,10-0,22) 0,76 (0,099-3,4) Mo 0,034 (0,028-0,043) 0,46 (0,02-1,8) As 0,02 (0,01-0,04) 0,07 (0,01-0,38) Sb 0,006 (0,002-0,011) 0,018 (0,002-0,066) Примечание. В скобках указаны минимальные и максимальные значения. Table 1 Heavy metals and metalloids (HM) content in dandelion leaves in the EM and on the background territory, mg/kg dry weight HM Background, n = 5 EM, n = 35 Mn 177 (150-203) 146 (74-279) Fe 50 (18-170) 225 (117-510) Zn 46 (30-63) 46 (16-152) Cu 4,6 (3,3-5,5) 6,2 (3,5-7,1) Pb 0,17 (0,10-0,24) 0,77 (0,044-1,8) Cd 0,16 (0,10-0,22) 0,76 (0,099-3,4) Mo 0,034 (0,028-0,043) 0,46 (0,02-1,8) As 0,02 (0,01-0,04) 0,07 (0,01-0,38) Sb 0,006 (0,002-0,011) 0,018 (0,002-0,066) Note. The minimum and maximum values are indicated in parentheses Биогеохимическая специализация листьев одуванчика в ВМ следующая (в единицах K c ): Mo 13,5 Cd 4,8 Pb 4,5 Fe 4,5 As 3,5 Sb 3,0 Cu 1,3 . Одуванчики интенсивно накапливают Mo, подвижность и биодоступность которого повышается при росте рН почв [1]. Для них также характерна активная аккумуляция Cd, источником которого служат применяемые в ВМ фосфорные удобрения и торфо-компостные смеси и эмиссия от транспорта. Остальные ТМ содержатся в выбросах предприятий энергетики, машиностроения, химической промышленности и мусоросжигательного завода, а также транспорта, что подтверждается данными автора о составе дорожной пыли [12]. Mn интенсивно рассеивается из-за антагонизма элементов, когда вместо него органы растений захватывают Zn, Ca, Mo [1]. Факторы накопления и рассеяния ТМ в городских растениях. Результаты моделирования по методу регрессионных деревьев (рис. 2, табл. 2), позволили оценить пространственное варьирование биогеохимических аномалий ТМ в листьях травянистого вида при изменении ландшафтных и техногенных факторов. Рис. 2. Распределение Cd в листьях одуванчика ВМ при различных сочетаниях техногенных и ландшафтных факторов. Для конечных узлов приводится средняя концентрация Cd, коэффициент вариации Сv и число точек опробования n Таблица 2 Факторы накопления и рассеяния ТМ в листьях одуванчика Факторы Содержание в листьях As Cd Cu Fe Mn Mo Pb Sb Zn ТФ Зона 4 2 3 Выбросы транспорта 4- 1+ Выпадения элемента 2- 1+ 3- Ландшафтные Свойства почв рН 3+ 2- ЕС 1- 2+ 3+ С вал 1+ 2- С подв 2+ С орг 2+ 3+ 1+ РМ 1 2- 3+ РМ 5-1 2- 3- РМ 10-5 1- 3- 3+ РМ 50-10 2- 1+ РМ 250-50 3- 2+ 2+ РМ 1000-250 2- 2+ Fe 2 O 3 1+ 1+ Подтопление почв 3 Элементарный ландшафт 4 2 Примечание. Ранги 1-4 показывают уменьшение значимости фактора; «+» - рост показателя соответствует росту концентрации ТМ, «-» - ее уменьшению; для качественных показателей характер связи не определяется. С вал - валовое содержание элемента; С подв - его подвижных форм; ТФ - техногенные факторы На накопление и деконцентрацию ТМ листьями одуванчика наиболее значимое влияние оказывают физико-химические свойства почв. Положительные связи элементов в листьях с гранулометрическими фракциями почв свидетельствуют о поступлении в последние подвижных форм Mn с илом, Fe - с тонким песком, а Zn - со средней и крупной пылью и песком любого размера; отрицательные же связи показывают накопление элементов в почвенных частицах в малодоступных формах: в илистой фракции - As, в мелкой пыли - Mo и Sb, в средней пыли - Cu и Mo, в крупной пыли - Sb, в тонком песке - Cu, в среднем и крупном песке - Mn. Увеличение содержания С орг в почвах приводит к интенсификации роста одуванчиков и активному бионакоплению Mo, As и Fe. Повышение рН почв способствует росту биодоступности Cd и его более активному биопоглощению, но снижению интенсивности накопления Sb. С ростом засоления почв поглощение одуванчиками Pb и Sb интенсифицируется, а Mn замедляется. Почвенные оксиды Fe способствуют усиленному бионакоплению As и Sb одуванчиками, что обусловлено высокими концентрациями потенциально подвижной гидроксидной фракции этих ТМ в почвах [12]. Увеличение валового содержания Cd и подвижных форм As в почвах приводит к росту концентраций этих ТМ в одуванчиках, в то время как для Pb установлена обратная зависимость для валового содержания. Pb активнее накапливается в растениях на периодически подтопляемых, а Fe и Mn - в увлажненных почвах подчиненных трансаккумулятивных и супераквальных ландшафтов, где эти элементы с переменной валентностью находятся в более подвижных в восстановительной среде формах. На концентрации Cu, Cd и Zn в листьях одуванчика влияет принадлежность к функциональной зоне. Среди техногенных факторов выделены также выпадения элемента (Fe, Cd, Mo) и выбросы автотранспорта (Pb, Fe). При этом положительные связи с факторами, характеризующими мощность техногенного воздействия, указывают на поступление ТМ в одуванчики в основном из атмосферного воздуха (Pb), а отрицательные связи - из почв (Cd, Mo). Выводы 1. Биогеохимическая специализация отмытых образцов листьев одуванчика имеет вид (в единицах K c ) Mo 13,5 Cd 4,8 Pb 4,5 Fe 4,5 As 3,5 Sb 3,0 Cu 1,3 . Для одуванчиков ВМ из-за антагонизма элементов характерно сильное рассеяние Mn, что типично для городских растений. 2. Наиболее значимыми факторами накопления и рассеяния ТМ листьями одуванчиков, являются физико-химические свойства почв: рН - Cd, Sb; засоление - Mn, Pb, Sb; гранулометрический состав - все элементы, кроме Cd и Pb; органическое вещество - Mo, Fe, As; содержание оксидов железа - As, Sb; концентрация подвижных форм - As; валовое содержание - Cd, Pb. 3. Концентрации ТМ в листьях одуванчиков также определяются ландшафтными (подтопление почв - Pb; ландшафтно-геохимическая позиция - Mn, Fe) и техногенными факторами (выпадения элемента из атмосферы - Fe, Cd, Mo; выбросы автотранспорта - Pb, Fe; функциональная зона - Cu, Cd, Zn).

Об авторах

Д В Власов

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Автор, ответственный за переписку.
Email: vlasgeo@yandex.ru

Власов Дмитрий Валентинович - кандидат географических наук, научный сотрудник кафедра геохимии ландшафтов и географии почв, географический факультет, Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова.

Ленинские горы, 1, Москва, Россия, 119991

Список литературы