Scientific journal

International Journal of Applied and fundamental research

ISSN 1996-3955

ИФ РИНЦ = 0,593

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

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

Таблица 2

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

*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

*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

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

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

(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

(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».