Прибрежные экосистемы, как наиболее уязвимые к антропогенному воздействию, являются неотъемлемой частью биосферной территории Иссык-Куль. Естественная растительность прибрежной зоны Восточного Прииссыккулья состоит в основном из видов растений сухих и влажных местообитаний. Здесь широко распространены злаковые и полынные формации, состоящие из злаково-полынных, злаково-разнотравных, полынно-разнотравных ассоциаций, облепиховые формации, состоящие из облепихово-полынных, облепихово-барбарисовых и облепихово-разнотравных ассоциаций. Заросли облепихи, которая является эдификатором, выполняют почвозащитную и водоохранную функции. Дикорастущие кустарниковые и травянистые растения, произрастающие в прибрежной зоне, имеют лекарственное, пищевое значение, являются ценными кормами для сельскохозяйственных животных. В связи с этим установление уровня содержания тяжелых металлов (ТМ) в растениях играет важную роль в оценке биогенной миграции и необходимо для проведения контроля в целях экологически безопасного их применения.
Известно, что поглощение и накопление химических элементов (ХЭ) по органам растений зависит от многих факторов: содержание в почве, формы подвижности, вида растений, органа и времени опробования, биохимических свойств самих поллютантов [1, 2]. Показателем степени избирательного поглощения элементов видами растений является коэффициент биологического накопления или поглощения (КБН, КБП), он характеризует потенциальную доступность ТМ растениям и интенсивность биогенной миграции в ландшафте [3–5]. При значениях коэффициента выше единицы растение относится к аккумуляторам, порядка 1 – классифицируется как индикатор, меньше 1 – исключатель [6].
Разными авторами отмечается неравномерность накопления ТМ разными органами. Чаще всего накопление убывает в следующем порядке: корень – стебель – листья – семена (клубни – корнеплоды) [7].
Цель исследования – изучение содержания ТМ в растениях. В задачи входило: 1) изучение содержания ТМ в разных видах растений и их органах; 2) определение КБП видов растений.
Материалы и методы исследования
Отбор растений проводили в летний период 2012–2014 гг. Для исследования были выбраны доминирующие виды растений, относящиеся к следующим семействам: барбарисовые (Berberidaceae); лоховые (Elaeagnaceae); яснотоковые (Lamiaceae); астровые или сложноцветные (Asteraceae); злаковые (Poaceae). Из культурных растений – пшеница озимая (зерновые), эспарцет песчаный (многолетние).
Растения отбирали согласно общепринятым методикам. Пробы на определение элементов в растительных органах подготавливали следующим образом: предварительно корни растений промывали проточной, затем дистиллированной водой. Растения высушивали до воздушно-сухого состояния, разделяли на органы, измельчали и упаковывали отдельно. Согласно методике озоления растительных и биогенных проб образцы органов растений озоляли в муфельной печи Naberthem в лаборатории биогеохимии и радиоэкологии Института биологии НАН КР. Содержание ТМ в пробах определяли атомно-эмиссионным спектральным методом в Центральной лаборатории Государственного комитета промышленности, энергетики и недропользования на дифракционном спектрографе ДФС-8. (Регистрационный номер аттестата аккредитации KG 417/КЦА.ИЛ.026).
Для выяснения вклада отдельного органа растения в накопление ТМ, нами рассчитывался коэффициент накопления (КН) элементов для корней, стеблей, листьев, при наличии, для плодов, цветков, зерна, соломы. Расчеты производились по формуле
КН = Сорг./ Собщ,
где КН – коэффициент накопления органа растения, Сорг – концентрация элемента в органе, Собщ. – общее количество элемента в растении [8].
Результаты исследования и их обсуждение
Тяжелые металлы (Cu, Pb, Mn) определяли в доминирующих видах растений, произрастающих на 10 участках: тысячелистник обыкновенный (Achillea millefolium Ledeb), шалфей пустынный (Salvia deserta Schang) – уч. 1; облепиха крушиновидная (Hippophae rhamnoides L.) – уч. 3 и 5; мятлик луговой (Poa pratensis L.) – уч. 4; полынь плотная (Artemisia compacta Fisch.eх.DS) – уч. 6; полынь поздняя (Artemisia serotina Bge) – уч. 7, полынь эстрагон (Artemisia dracunculus L.) – уч. 8, эспарцет песчаный (Onobrychis arenaria (Kit.eх Willd) – уч. 9, барбарис разножковый (Berberis heteropoda Schrenk) – уч.10.
Содержание ТМ в растениях (общее), отдельно по органам и коэффициенты биологического поглощения (КБП) представлены в таблице.
Содержание ТМ в органах растений (мг/кг золы) и коэффициенты биологического поглощения (КБП)
|
№ участка |
Название растений, органы растений |
Cu |
Pb |
Mn |
|
|
1 |
Тысячелистник обыкновенный (Achillea millefolium Ledeb) |
корни |
2,49 |
0,42 |
36,75 |
|
стебли |
0,85 |
0,125 |
14,6 |
||
|
листья |
2,35 |
0,35 |
35,3 |
||
|
цветки |
2,28 |
0,22 |
13,4 |
||
|
общее |
7,977 |
1,115 |
100,05 |
||
|
КБП |
0,398 |
0,028 |
0,200 |
||
|
Шалфей пустынный (Salvia deserta Schang) |
корни |
3,34 |
0,36 |
33,4 |
|
|
стебли |
1,31 |
0,2 |
24,45 |
||
|
листья |
6,83 |
0,975 |
37,4 |
||
|
цветки |
2,57 |
0,25 |
38,75 |
||
|
общее |
14,05 |
1,785 |
134 |
||
|
КБП |
0,702 |
0,045 |
0,268 |
||
|
Окончание таблицы |
|||||
|
№ участка |
Название растений, органы растений |
Cu |
Pb |
Mn |
|
|
2 |
Пшеница озимая (Triticum aestivum L.) |
корни |
3,48 |
0,81 |
81,2 |
|
солома |
2,2 |
0,17 |
27,5 |
||
|
зерно |
1,17 |
0,15 |
29,1 |
||
|
общее |
6,85 |
1,13 |
137,8 |
||
|
КБП |
0,228 |
0,56 |
0,196 |
||
|
3 |
Облепиха крушиновидная (Hippophae rhamnoides L.) |
корни |
1,98 |
0,21 |
29,4 |
|
стебли |
0,91 |
0,4 |
12,6 |
||
|
листья |
10,825 |
1,39 |
38,5 |
||
|
плоды |
1,945 |
0,3 |
11,55 |
||
|
общее |
15,65 |
2,35 |
92,05 |
||
|
КБП |
1,043 |
0,078 |
0,184 |
||
|
4 |
Мятлик луговой (Poa pratensis L.) |
корни |
3,53 |
0,47 |
82,6 |
|
листья |
1,41 |
следы |
1,9 |
||
|
общее |
4,94 |
0,47 |
84,5 |
||
|
КБП |
0,247 |
0,023 |
0,169 |
||
|
5 |
Облепиха крушиновидная (Hippophae rhamnoides L.) |
корни |
0,74 |
следы |
14,8 |
|
стебли |
1,77 |
0,245 |
23,85 |
||
|
листья |
1,83 |
0,245 |
40,65 |
||
|
плоды |
3,045 |
следы |
6,2 |
||
|
общее |
7,385 |
0,49 |
85,5 |
||
|
КБП |
0,492 |
0,016 |
0,285 |
||
|
6 |
Полынь плотная (Artemisia compacta Fisch.eх.DS) |
корни |
1,6 |
1,025 |
39,2 |
|
стебли |
3,65 |
0,11 |
29,2 |
||
|
листья |
5,275 |
1,585 |
74,2 |
||
|
общее |
10,525 |
2,72 |
142,6 |
||
|
КБП |
0,263 |
0,068 |
0,285 |
||
|
7 |
Полынь поздняя (Artemisia serotina Bge) |
корни |
2,445 |
0,435 |
31,35 |
|
стебли |
1,62 |
0,16 |
16,2 |
||
|
листья |
4,59 |
1,23 |
60,45 |
||
|
общее |
8,655 |
1,825 |
108 |
||
|
КБП |
0,433 |
0,091 |
0,27 |
||
|
8 |
Полынь эстрагон (Artemisia dracunculus L.) |
корни |
1,97 |
0,21 |
25 |
|
стебли |
0,9 |
0,09 |
9 |
||
|
листья |
2,255 |
0,32 |
40,65 |
||
|
общее |
5,125 |
0,62 |
74,65 |
||
|
КБП |
0,427 |
0,041 |
0,248 |
||
|
9 |
Эспарцет песчаный (Onobrychis arenaria (Kit.eх Willd) DC) |
корни |
3,915 |
0,55 |
31,1 |
|
стебли |
0,965 |
следы |
39,8 |
||
|
листья |
2,695 |
0,58 |
167,2 |
||
|
общее |
7,575 |
1,13 |
238,1 |
||
|
КБП |
0,631 |
0,075 |
0,595 |
||
|
10 |
Барбарис разноножковый (Berberis heteropoda Schrenk) |
корни |
2,43 |
0,15 |
22,5 |
|
стебли |
1 |
0,15 |
16,5 |
||
|
листья |
1,55 |
0,19 |
21,85 |
||
|
плоды |
1,815 |
следы |
13,05 |
||
|
общее |
6,795 |
0,49 |
73,9 |
||
|
КБП |
0,34 |
0,07 |
0,148 |
||
|
Среднее содержание по растениям |
8,68 |
1,28 |
115,56 |
||
|
Среднее содержание в золе растений (по Ткаличу С.М.) в мг/кг |
200 |
10 |
7500 |
||
Содержание меди колеблется в разных видах растений от 4,94 (мятлик луговой, уч. 4) до 15,65 мг/кг золы (облепиха крушиновидная, уч. 3) При этом в облепихе крушиновидной, произрастающей на горно-долинных светло-каштановых почвах, но отобранной на разных участках, концентрации различаются почти в 2 раза. Концентрация свинца варьирует от 2,72 мг/кг золы в полыни плотной (уч. 6) до 0,49 мг/кг золы в барбарисе разноножковом (уч. 10). Марганца содержится от 73,9 мг/кг олы в барбарисе разноножковом до 238, 1 мг/кг золы в эспарцете песчаном.
Среднее содержание ТМ в золе растений находится ниже данных С.М. Ткалича [9] с сохранением общей закономерности: Mn > Cu > Pb (таблица).
Распределение элементов в органах изученных растений в процентах представлено в диаграммах рис. 1–3.
Рис. 1. Содержание меди в различных органах растений ( %)
Рис. 2. Содержание свинца в различных органах растений ( %)
Рис. 3. Содержание марганца в различных органах растений ( %)
В 4 образцах (тысячелистник обыкновенный, мятлик луговой, эспарцет песчаный, барбарис разноножковый) содержание меди варьирует от 31,24 до 71,45 % в корнях, это выше, чем в листьях. В стеблях всех растений аккумуляция элемента меньше по сравнению с листьями. В цветках тысячелистника обыкновенного и шалфея пустынного накопление меди можно охарактеризовать следующим образом: листья, корни < цветки > стебель. В плодах облепихи, отобранных на разных участках, содержание металла колеблется от 69,16 до 12,42 %. Плоды барбариса содержат элемент на 4 % больше, чем листья. От избытка меди хорошо защищены зерна пшеницы (рис. 1).
Убывание в накоплении свинца от корней к стеблям, от стеблей к листьям, от листьев к цветкам не выявлено. Так, в шалфее пустынном, облепихе крушиновидной (уч. 3), в видах полыни, эспарцете песчаном, барбарисе разножковом содержание в листьях выше по сравнению с корнями, варьирует в пределах 38,77–67,39 %. У всех растений, кроме облепихи (уч. 5), концентрация ниже в стеблях, чем в листьях. У тысячелистника обыкновенного и шалфея пустынного в цветках прослеживается аналогия с медью (рис. 2).
В тысячелистнике обыкновенном, пшенице озимой и мятлике луговом в корнях сконцентрировано 36,75; 58,92 и 97,75 % марганца от общего содержания в растении. Листья облепихи крушиновидной, видов полыни, эспарцета песчаного отличаются повышенным накоплением элемента в листьях по сравнению со стеблями. Приблизительно одинаковое распределение в корнях и листьях у барбариса разноножкового, тысячелистника обыкновенного. На одном уровне отмечено содержание в генеративных органах и стеблях тысячелистника обыкновенного, а также стеблях и цветках шалфея пустынного. Органы запасания наиболее защищены от вредного воздействия элемента (рис. 3).
Коэффициент биологического поглощения растений. Выявлено, что облепиха крушиновидная (уч. 3) является индикатором меди. Свинец и марганец относятся к труднодоступным элементам (КБП меньше 1) для всех видов растений.
Заключение
На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы:
1. Содержание тяжелых металлов в растениях различается в зависимости от видов, от свойств самих элементов, а также условий местообитания, что ярко выражено у облепихи крушиновидной, отобранной на разных участках.
2. Превышения средних значений концентрации в золе растений относительно данных С.М. Ткалича (1970) не обнаружено.
3. Рассматривая накопление по органам растений, можно отметить, что базипетальными элементами для большинства растений являются медь, свинец. Пшеница озимая и мятлик луговой проявили в отношении всех элементов акропетальный характер распределения. Для марганца характерно акропетальное накопление, за исключением эспарцета песчаного (отмечается высокое накопление в листьях).
4. Расчеты коэффициентов биологического поглощения показали, что индикатором меди является облепиха крушиновидная (уч. 3). Свинец и марганец являются труднодоступными элементами для всех видов растений.