Scientific journal
International Journal of Applied and fundamental research
ISSN 1996-3955
ИФ РИНЦ = 0,564

USING OF SALIX SCHWERINII E.WOLF FOR PHYTOREMEDIATION OF CONTAMINATED INDUSTRIAL TERRITORIES OF OAO «KARELSKY OKATYSH»

Markovskaya E.F. 1 Fedoretc N.G. 2 Terebova E.N. 1 Bachmet O.N. 2 Androsova V.I. 1 Tkachenko J.N. 2 Galibina N.A. 2 Kaipianen E. 3
1 Petrozavodsk State University (PetrSU)
2 Forest Research Institute of the Karelian Research Centre of the RAS
3 University of Eastern Finland
The study was carried out on industrial territories of OAO «Karelsky Okatysh» (Russia, Republic of Karelia, Kostomuksha). The most contaminated substrates were in central quarries and tailing dump, but it was expected that their agrochemical properties can provide phytoremediaton plants by nutrients elements. As phytoremediaton plants the cuttings of Salix schwerinii E.Wolf (Finland) were used. Plants were planted on the most contaminated territories of tailing dump (exceeding the maximum permissible concentrations of Ni, Cr, Cu and low N-content). Based on results of measurements sampled plants were divided into two groups: 1. – with high production of biomass (HBP) and 2. – with low production of biomass (LBP). The groups had differences in the places of heavy metals localization: HBP plants accumulated them in the roots, and LBP plants–in the leaves. According to the value of biological absorption coefficient there is the following row of heavy metals accumulation in the whole plant Zn>Mn>Cd>Cu>Pb>Co>Ni=Cr>Fe. The climatic conditions and pollution of the territory of «Karelsky Okatysh» appropriate for the technology of using of species Salix schwerinii as phytoremediaton plants.
phytoremediation
heavy metals
photosynthethic pigments
biometric parameters
willow
OAO «Karelsky Okatysh»

Одной из актуальных проблем восстановления антропогенных ландшафтов является оценка уровня их загрязнения тяжелыми металлами (ТМ) и выбор методов санации. В последние годы все более широкое признание получает метод фиторемедиации, который обеспечивает фитоэкстракцию – вынос ТМ посредством их накопления в растительном организме. Этот способ имеет ряд преимуществ перед другими методами восстановления загрязненных территорий [5; 9]. Основное достоинство фиторемедиации – ее низкая стоимость, а недостаток – длительность процесса, что начинает рассматриваться как преимущество, связанное с дальнейшим использованием взрослых растений в качестве биотоплива [7]. Термин «фиторемедиация» появился относительно давно [3], но использование предлагаемых разработок [8; 9] ограничивается локальными особенностями техногенных территорий и, в каждом частном случае, включает необходимость модификации уже известных методик. Это связано с различными климатическими условиями, расположением техногенных территорий, типом, уровнем и характером загрязнения, ландшафтными особенностями и технологиями разработки и получения конечного продукта каждого горно-обогатительного комбината (ГОКа). В задачу исследования входило изучение возможности использования фиторемедианта – ивы Шверина (Salix schwerinii E.Wolf) для целей фиторемедиации на техногенных территориях ОАО «Карельский окатыш».

Материалы и методы исследования

Район исследования. Работа выполнена на территории ОАО «Карельский окатыш» (Россия, Республика Карелия, г. Костомукша). Основными компонентами выбросов этого горно-обогатительного комбината являются диоксид серы (среднегодовая концентрация 0,03 мг/м3), пылевые выбросы, содержащие тяжёлые металлы, оксид углерода и окислы азота. В аэрогенной пыли определено содержание 18 элементов. По концентрации в пыли микроэлементы разделены на две группы: с содержанием 1-0,1 мг/г (Mn, Cr, Pb, Zn, Cu, Sr) и содержанием <0,1 мг/г (Zr, As, Br, Mo, Se). В 2012 году выбросы загрязняющих веществ ОАО «Карельский окатыш» составили: твердые вещества – 5,667 тыс. т., диоксид серы – 40,934 тыс. т., оксид углерода и оксид азота – 1,687 и 1,872 тыс. т. соответственно (Государственный доклад…, 2012). Больше всего в выбросах присутствует SO2.

Объектами исследования были растения ивы Шверина – Salix schwerinii E.Wolf . и загрязненные песчано-гравийные субстраты на территории ОАО «Карельский окатыш».

Заранее заготовленные черенки ивы Шверина (Финляндия) были посажены в мае 2012 года на песчаный субстрат вблизи пульпохранилища, что обеспечивало естественное увлажнение субстрата отработанными водами ОАО «Карельский окатыш». Продолжительность опыта 1 год. Сбор растительных образцов производили в августе 2013 года.

Методы исследования. Для сравнительного исследования растений были использованы морфометрические измерения, включающие определение площади и массы листьев. Рассчитана удельная площадь листовой поверхности (SLА – specific leaf area) как отношение площади поверхности листа к его сухой массе (мм2/мг).

Определение содержание пигментов проводилось спектрофотометрическим методом («UNICO 2800») с приготовлением спиртовых вытяжек. Анализ пигментов осуществлялся при максимумах поглощения – 665 и 649 нм для хлорофиллов (Chl) а и b, соответственно, и при максимуме поглощения 470 нм – для каротиноидов (Car). Концентрации хлорофиллов а, b и каротиноидов рассчитывали по формулам представленным в методике Винтерманса и Де Мотса (I.F. Wintermans, De Mots, 1965).

Коэффициент биологического поглощения (КБП) металла целым растением определяли как отношение содержания металла в растении (сумма содержания металла в корнях, листьях, коре и древесине за вычетом исходного содержания металла в посаженном черешке) к содержанию металла в почве.

Для анализа загрязнения территории были взяты субстраты из разных точек техногенной территории: северного, западного и центрального карьеров и пульпохранилища. Определены некоторые показатели плодородия, рН солевой вытяжки из субстратов, валовое содержание углерода, азота, фосфора, калия, кальция, магния по общепринятым методикам (Аринушкина, 1975). Содержание металлов в почве и растительных тканях определяли атомно-абсорбционным методом (атомно-абсорбционный спектрофотометр АА-7000 с пламенным атомизатором, Shimadzu 7000, Япония). Пробы предварительно разлагали в смеси концентрированных кислот (HNO3:HCl, в соотношении 3:1) в системе микроволнового разложения (speed wave four, Berghof, Германия). Все анализы по содержанию ТМ были выполнены на оборудовании ЦКП «Аналитическая лаборатория» Института леса КарНЦ РАН.

Результаты исследования и их обсуждение

Химические анализы грунтов на содержание элементов питания и тяжелых металлов представлены в таблицах.

Анализ субстратов. На основании результатов анализа проб субстратов на объектах исследований было установлено (табл. 1): показатель рН на северном и западном карьерах близок к показателям рН естественных почв. На центральном карьере и пульпохранилище рН имеет высокие значения, что соответствует слабощелочной реакции среды. Содержание углерода в субстратах на северном и западном карьерах довольно высокое и соответствует значениям, характерным для лесных подстилок. В субстратах центрального карьера и пульпохранилища содержание углерода низкое, но оно близко к показателям количества углерода в минеральных горизонтах подзолистых почв.

Субстраты северного и западного карьеров содержат значительно количество азота, в то время как на центральном карьере и пульпохранилище исследованные субстраты крайне бедны этим элементом. Следует отметить высокое содержание фосфора во всех исследуемых субстратах, особенно на западном карьере. Таким образом, можно заключить, что по агрохимическим показателям субстраты северного и западного карьеров вполне пригодны для выращивания растений фиторемедиантов. На центральном карьере и на пульпохранилище условия минерального питания растений значительно хуже.

По содержанию металлов-макроэлементов выявили следующее: почти во всех проанализированных субстратах количество металлов ниже, чем в среднем в почвах Карелии. Лишь в субстратах центрального карьера и на пульпохранилище содержание железа выше, чем в естественных почвах (табл. 2). Концентрации тяжелых металлов сравнивали с региональными фоновыми показателями содержания в минеральных горизонтах почв и существующими ПДК для металлов в почвах [2].

Таблица 1

Статистические характеристики показателей рН, содержания углерода и элементов питания растений в субстратах в районе карьеров и пульпохранилища в 2013 году

Показатель

Пробная площадь

Среднее

Станд. откл.

Макс

Мин

V, %

Контроль *

рН водн.

Северный карьер

3,80

0,049

3,84

3,73

1,29

4,9

Западный карьер

4,60

0,844

5,50

3,73

18,45

-

Центральный карьер

7,30

0,049

7,32

7,18

0,68

-

Пульпохранилище

7,60

0,079

7,68

7,53

1,05

-

С, %

Северный карьер

54,9

1,023

56,21

53,53

1,86

45,7

Западный карьер

56,8

0,788

57,76

56,01

1,39

-

Центральный кар.

0,89

0,038

0,92

0,85

4,33

-

Пульпохранилище

0,27

0,023

0,28

0,24

8,66

-

N ,%

Северный карьер

2,64

0,371

2,98

2,15

14,05

2,17

Западный карьер

0,70

0,039

0,76

0,64

5,65

-

Центральный кар.

0,03

0,008

0,03

0,01

30,62

-

Пульпохранилище

0,01

0

0,01

0,01

0

-

Р, %

Северный карьер

2,63

1,240

4,61

1,24

52,25

0,10

Западный карьер

7,04

0,606

7,95

6,23

8,52

-

Центральный кар.

0,98

0,106

1,11

0,86

10,89

-

Пульпохранилище

0,70

0,040

0,75

0,68

5,75

-

* Местный контроль, лесная почва, подзол иллювиально-железистый.

Таблица 2

Содержание металлов в субстратах в карьерах и пульпохранилище в 2013 году, мг/кг

Показатель

Пробная площадь

Среднее

Станд. откл.

Макс

Мин

V, %

Контроль*

K

Северный карьер

238

69,140

334,80

155,38

29,02

14191

Западный карьер

1209

305,769

1785,93

942,69

25,28

Центральный карьер

9345

556,429

9927,71

8363,44

5,95

Пульпохранилище

6429

913,897

7280,32

5463,23

14,21

Na

Северный карьер

97

36,790

144,23

42,29

37,83

19231

Западный карьер

951

60,600

1041,13

881,40

6,371

Центральный кар.

331

15,119

344,94

303,38

4,56

Пульпохранилище

124

20,691

145,85

105,03

16,75

Ca

Северный карьер

1340

323,410

1751,64

1019,84

24,13

11460

Западный карьер

18432

1409,405

20420,3

16498,93

7,646

Центральный кар.

6203

725,426

7657,33

5666,67

11,69

Пульпохранилище

8576

522,701

9162,08

8157,45

6,09

Mg

Северный карьер

188

108,057

368,79

82,00

57,47

4938

Западный карьер

2834

495,564

3718,95

2321,08

17,48

Центральный кар.

4153

190,295

4535,17

4040,22

4,58

Пульпохранилище

3796

40,254

3842,52

3769,98

1,06

Fe

Северный карьер

1699

515,410

2320,72

1022,32

30,33

17505

Западный карьер

3386

1893,804

6294,51

1309,97

55,92

Центральный кар.

43438

1522,638

45709,07

41025,44

3,50

Пульпохранилище

39505

2058,348

41842,72

37964,43

5,21

*Контроль – содержание в минеральных подподстилочных горизонтах почв – средние данные по Карелии (Федорец и др., 2008).

Отметим, что установленный уровень загрязнения сформировался в условиях постоянного воздействия на почву технических вод, аэротехногенных поллютантов и других антропогенных факторов. По среднестатистическим показателям концентраций металлов этот уровень для каждого металла и на различных обследованных участках различен (табл. 3). Северный карьер: содержание всех определенных тяжелых металлов ниже региональных фоновых показателей и значительно ниже ПДК. Западный карьер: субстраты не содержат повышенных концентрация тяжелых металлов, лишь количество свинца составляет 0,5 ПДК, что является потенциально опасным.

Таблица 3

Содержание тяжелых металлов в субстратах в районе карьеров и пульпохранилища, мг/кг

Пока-атель

Пробная площадь

Среднее

Станд. откл.

Макс

Мин

V, %

ПДК

Контроль*

Cd

Северный карьер

0,31

0,266

0,82

0,10

84,55

3

0,5

Западный карьер

0,49

0,153

0,70

0,33

30,73

Центральный карьер

нет данных

-

-

-

-

Пульпохранилище

нет данных

-

-

-

-

Pb

Северный карьер

8,23

4,122

12,61

3,18

50,08

32

15,5

Западный карьер

15,79

6,642

25,02

8,10

42,05

Центральный кар.

6,38

3,981

10,34

2,52

62,38

Пульпохранилище

4,97

0,647

5,70

4,46

13,01

Cu

Северный карьер

8,08

1,989

11,98

6,47

24,60

100

18,5

Западный карьер

6,08

2,713

10,98

3,07

44,61

Центральный кар.

73,63

2,179

77,70

71,14

2,95

Пульпохранилище

9,10

0,646

9,59

8,37

7,10

Co

Северный карьер

1,43

0,753

1,96

0,89

52,64

50

11,6

Западный карьер

2,18

1,226

3,019

0,14

60,75

Центральный карьер

27,33

0,844

28,35

26,07

3,08

Пульпохранилище

4,16

0,202

4,30

3,93

4,85

Ni

Северный карьер

16,86

1,460

18,82

14,65

8,66

50

27,5

Западный карьер

25,80

4,169

131,13

121,12

3,31

Центральный кар.

34,05

18,641

57,45

11,88

54,74

Пульпохранилище

41,48

1,555

43,17

40,11

3,74

Zn

Северный карьер

16,50

14,084

45,14

9,66

85,32

300

37,2

Западный карьер

11,22

16,367

3,95

6,15

35,22

Центральный кар.

126,53

8,981

136,25

110,95

7,098

Пульпохранилище

20,47

4,339

24,84

16,16

21,19

Cr

Северный карьер

7,64

1,686

9,62

5,80

22,04

100

37,2

Западный карьер

10,47

7,589

24,21

3,43

7,24

Центральный кар.

146,66

5,901

155,66

142,31

4,02

Пульпохранилище

25,12

1,424

26,27

23,52

5,66

Mn

Северный карьер

24,27

9,131

37,11

13,70

37,62

1500

282

Западный карьер

157,56

44,070

239,92

116,45

27,97

Центральный кар.

859,10

43,150

912,59

793,61

5,023

Пульпохранилище

366,54

60,325

434,23

318,46

16,45

*Контроль – содержание в минеральных подподстилочных горизонтах почв – средние данные по Карелии (Федорец и др., 2008).

Центральный карьер: здесь наблюдается загрязнение субстрата, накопление свинца составляет 0,4 ПДК, количество меди приближается к 1 ПДК и превышает фон в 7,5 раз, содержание кобальта в 2 раза выше фона и составляет при этом 0,6 ПДК, количество никеля выше фона и составляет 0,7 ПДК, накопление цинка выше фоновых показателей в 3 раза и составляет 0,6 ПДК, количество хрома выше фона в 4 раза и составляет 1,5 ПДК, марганец превышает фон в 4 раза. Пульпохранилище: в субстрате накапливается никель и на период наблюдений его концентрация выше фона и приближается к 1ПДК, количество хрома оставляет 0,4 ПДК, а содержание марганца выше фона и составляет 1,2 фоновой концентрации.

Таким образом, можно сделать вывод, что наиболее загрязненными являются субстраты центрального карьера и пульпохранилища. Что касается агрохимических свойств исследованных субстратов, то предположительно они могут обеспечить растения – фиторемедианты необходимыми питательными элементами.

Дальнейшее исследование было выполнено на территории пульпохранилища, которое относится к наиболее загрязненным объектам ТМ (превышение ПДК по никелю, хрому, меди) и обедненным азотом – одним из наиболее важных физиологических элементов для растений.

Анализ растений. Растения Salix schwerinii, высаженные на пульпохранилище отличались по показателям ростовой активности. Мы разделили растения ив на две группы: с высокой продукцией биомассы (ВПБ) и с низкой продукцией биомассы (НПБ) и оценили у обоих групп растений биометрические и физиологические показатели. Наличие этих двух групп связано с большой субстратной гетерогенностью территории. Так, число побегов и их длина, среднее число листьев на побеге, содержание воды в листьях и их сухая масса у растений ив с ВПБ были выше, чем у растений ивы с НПБ. Однако длина корней у обоих групп Salix schwerinii не отличалась (табл. 4).

Таблица 4

Биометрические показатели растений Salix schwerinii у высоко (ВПБ) – и низкопродуктивных растений (НПБ), пульпохранилище

Вариант опыта

Длина корней, см

Диаметр ствола, мм

Число побегов

Длина побегов, см

Площадь листа, мм2

Число листьев\побег

Сырая масса 10 листьев, г

Сухая масса 10 листьев, г

Содержание воды в 10 листьях, г

ВПБ

13,5±2,6

11±0,4

3,7±0,3

11,4±8,5

326±27,5

13±5

0,63±0,1

0,24±0,1

0,390±50

НПБ

14±1,79

10±0,4

5,5±1,3

8,97±5,5

273,1±17,4

9±4

0,46±0,1

0,19±0,1

0,270±48

Содержание Chl a и b в листьях растений обоих групп не отличалось. Содержание Car было выше в листьях растений ив с высокой продукцией биомассы. Показатель SLA также значимо был выше у растений ив с высокой продукцией биомассы, что косвенно свидетельствует о более высокой фотосинтетической активности растений Salix schwerinii с высокой продукцией биомассы (табл. 5).

Таблица 5

Содержание фотосинтетических пигментов и показатель SLA Salix schwerinii у высоко (ВПБ) – и низкопродуктивных растений (НПБ), пульпохранилище

Вариант опыта

SLA, мм2/мг

Содержание пигментов мг/г сухой массы

Общее

Chl a

Chl b

Car

a/b

ВПБ

1,53±0,07

1,686±0,155

0,965±0,144

0,577±0,186

0,144±0,07

1,8

НПБ

1,21±0,05

1,546±0,198

0,885±0,200

0,533±0,206

0,128±0,005

1,8

Накопление тяжелых металлов в тканях и органах растений ив разных биометрических групп, выращиваемых на пульпохранилище, показало, что органами, накапливающими наибольшие количества тяжелых металлов, являются корни, листья и кора растений. Меньше всего тяжелых металлов в древесине (табл. 6, 7).

Таблица 6

Коэффициент биологического поглощения и содержание тяжелых металлов (мг/кг) в тканях и органах Salix schwerinii, пульпохранилище

Металл

Cd

Pb

Cu

Zn

Органы и ткани растения

ВПБ

НПБ

ВПБ

НПБ

ВПБ

НПБ

ВПБ

НПБ

Корни

0,50±0,15

0,26±0,15

4,88±2,01

4,17±1,85

28,10±5,86

5,30±2,13

46,60±8,23

24,10±2,18

Листья

0,23±0,07

0,44±0,09

3,08±1,06

6,50±2,56

5,60±1,25

23,6±4,85

25,00±5,89

49,00±3,25

Старая кора (побеги 1 года жизни)

1,23±0,05

0,85±0,13

2,51±0,89

1,80±0,09

5,60±2,54

4,9±1,07

58,20±6,01

57,30±5,87

Новая кора (побеги текущего года жизни)

0,77±0,25

0,55±0,14

0,35±0,09

1,25±0,07

3,10±0,28

2,90±0,09

51,50±4,09

50,90±2,89

Древесина

0,25±0,09

0,19±0,02

3,06±1,28

1,08±0,05

6,20±2,14

4,10±1,06

20,20±2,45

18,90±3,92

КБП

7,4

5,9

2,1

2,1

5,0

4,10

8,2

8,1

Листья ивы на загрязненных почвах

12,5*

23-180**

30-50*

1126*

Листья ивы, фон

0,2-0,8*

0,1-10*

4-15*

15-200*

(Литературные данные* Stoltz, Greger., 2002; **Zhivotovsky et all., 2011).

Согласно коэффициенту биологического поглощения ряд накопления тяжелых металлов в целом растении следующий Zn > Mn > Cd > Cu > Pb > Co > Ni=Cr >Fe.

Листья ивы с пульпохранилища накапливают никель, марганец и железо в той же степени, что и ивы в других условиях загрязнённых почв (Pulford et all., 2002; Meers et all., 2007). Что касается остальных металлов, то концентрация их в листья ниже, чем у растений, выращенных на более загрязненных почвах. Это может быть связано с более коротким периодом выращивания (один год) или с более низкой степенью загрязнения субстратов в районе исследования, чем данные в литературе (содержание ТМ составляло несколько единиц ПДК).

Сравнивая химический состав листьев ивы, выращенных в нашем опыте около пульпохранилища с фоновыми показателями [8;5;4;1] можно отметить увеличение содержания накопление таких элементов как: кобальт, никель, хром, марганец, железо, медь и цинк.

Таблица 7

Коэффициент биологического поглощения и содержание тяжелых металлов (мг/кг) в тканях и органах Salix schwerinii, пульпохранилище

Металл

Co

Ni

Cr

Mn

Fe

Органы и ткани растения

ВПБ

НПБ

ВПБ

НПБ

ВПБ

НПБ

ВПБ

НПБ

ВПБ

НПБ

Корни

3,26±1,02

0,92±0,08

17,67±2,28

2,96±0,25

4,62±0,23

2,96±0,87

1418±80

363±37

4349±65

3342±284

Листья

0,61±0,09

4,23±1,04

4,20±2,25

17,98±1,01

6,66±2,87

2,58±0,54

334±54

2022±57

3061±25

4292±183

Старая кора (побеги 1 года жизни)

0,39±0,09

0,28±0,05

0,92±0,03

3,22±1,05

2,36±1,84

4,17±1,47

246±45

313±58

497±98

1199±108

Новая кора (побеги текущего года жизни)

0,19±0,08

0,17±0,07

1,12±0,05

1,84±0,06

2,17±0,58

1,75±0,91

184±25

202±15

507±58

725±105

Древесина

0,06±0,01

0,11±0,02

0,05±0,01

0,64±0,08

1,82±0,47

1,66±0,25

45±14

55±10

93±19

161±23

КБП

1,0

1,3

0,6

0,6

0,7

0,5

6,0

7,9

0,2

0,2

Листья ивы на загрязненных почвах

-

12*

7,5**

2012**

283**

Листья ивы, фон

1,76***

1-4*

0,33**

310***

-

(Литературные данные: *Meers et all., 2007; ** Pulford et all., 2002; *** Кашулина, Салтан, 2008).

Наблюдается существенная разница в накоплении ТМ в корнях и листьях у ВПБ и НПБ растений. Корни ив с высокой продукцией биомассы накапливают металлов в несколько раз больше, по сравнению с корнями растений ивы с низкой продукцией биомассы. Так, меди больше в корнях в 5 раз, никеля в 6 раз, кобальта и марганца в 3 раза и цинка с хромом в 2 раза у ив с ВПБ , по сравнению с корнями низкопродуктивных растений. И наоборот листья ВПБ растений накапливают металлов в разы меньше, чем листья растений НПБ. Например, кадмия, свинца и цинка меньше в 2 раз, кобальта в 7 раз, марганца в 6 раз, а меди и никеля 4,5 раза меньше в листьях высокопродуктивных растений, по сравнению с листьями низкопродуктивных растений. То есть ивы с высокой продуктивностью аккумулируют основную часть потока тяжелых металлов в корнях, препятствуют их транспорту в листья. Возможно, это связано с активным протеканием физиологических процессов у высокопродуктивных растений ивы (синтез переносчиков металлов, хелатов в корнях), что обеспечивает их повышенную функциональную активность.

Проведенные исследования показали, что наличие тяжелых металлов в субстрате пульпохранилища оказалось в доступном для экстракции виде, что обеспечило их поглощение обоими группами растений (ВПБ и НПБ). Однако более высокая функциональная активность группы морфологически лучше развитых растений (ВПБ) смогла обеспечить утилизацию ТМ в корневой системе, препятствуя их передвижению в наземные органы. Полученные данные показали, что климатические и техногенные условия территории ОАО «Карельский окатыш» соответствуют технологии использования ивы Шверина в качестве фиторемедианта на техногенно-нарушенных территориях. Одним из важных условий успешности этой работы является подбор качественного растительного материала, который обладает высокой функциональной активностью в условиях водно-почвенного загрязнения и создание оптимальных условий минерального питания растений-фиторемедиантов.

Выражаем благодарность С.Л. Ерофеевской за проведение анализов, сотрудникам отдела экологии ОАО «Карельский окатыш» О.В. Крупеня и В.В. Васильевой за организацию работы на территории комбината

Работа выполнена при финансовой поддержке Международного гранта Программы ЕИСП ПГС Карелия: «Развитие лесных плантаций на отвалах карьеров, их облесение и фитоочистка в России и Финляндии».