Содержание тяжелых металлов в доминантных видах мхов как индикатор аэротехногенной нагрузки

ЭКОЛОГИЯ, 2018, № 2, с. 119–126 Лапландский государственный биосферный заповедник 184506 Мончегорск, ул. Зеленая, 8. Ботанический институт им. В.Л. Комарова РАН 197376 Санкт-Петербург, ул. Профессора Попова, 2

Исследовано содержание никеля и меди в двух видах мхов – Hylocomium splendens и Pleurozium schreberi, отобранных в одних и тех же пунктах в 1991 и 2011 гг. на территории Лапландского государственного биосферного заповедника, расположенного в зоне воздействия атмосферных выбросов комбината “Североникель” (г. Мончегорск, Мурманская обл.). Установлено, что оба вида мхов адекватно отражают уровень аэротехногенной нагрузки и в равной мере могут быть использованы для мониторинга загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами. Статистически доказано, что на содержание тяжелых металлов в исследуемых видах мхов оказывают влияние не только объем атмосферных выбросов полиметаллической пыли и расстояние до источника загрязнения, но и важное значение имеют роза ветров и орография местности.

Ключевые слова: тяжелые металлы, Кольский полуостров, аэротехногенное загрязнение, биоиндикация загрязнения, снижение токсической нагрузки.

Выбор мхов в качестве индикаторов аэротехногенного загрязнения окружающей среды обоснован особой стратегией их жизнедеятельности: у них отсутствуют корни, имеются лишь ризоиды, с помощью которых они закрепляются на поверхностном слое подстилки, поэтому практически отсутствует контакт живой (зеленой) части мха с загрязненной почвой. В то же время влагу, элементы минерального питания, а также загрязняющие вещества, в том числе пылевые частицы техногенных соединений металлов, мхи получают из воздуха. Отсутствие или сильное уменьшение кутикулы у этих растений обусловливает проникновение ионов через ее поверхность непосредственно к ионообменным местам на стенках клеток. Поскольку поверхность листьев содержит только один слой клеток, осуществляется очень тесный контакт с окружающей атмосферой, и именно этим путем питательные вещества и тяжелые металлы поступают внутрь тканей. При сравнении накопления тяжелых металлов различными видами растений некоторые исследователи отмечали существенно более высокую аккумуляцию тяжелых металлов лишайниками и, особенно, мохообразными в зоне воздействия предприятий цветной металлургии [1, 2]. Кроме того, тесно сидящие ветви и образование плотно сомкнутого покрова позволяют мхам эффективно фильтровать воздух, поглощая основное количество пыли из атмосферы. Так, установлено [3], что почти 100% начального поступления тяжелых металлов перехватываются мхом, причем в дальнейшем около 20% могут вымываться дождем. Метод индикации атмосферного загрязнения тяжелыми металлами с помощью различных видов мхов достаточно широко распространен в европейских странах с начала 1970-х годов. Исследования, выполненные в Швеции [4, 5], Норвегии [6, 7], Финляндии [8, 9] и Польше [10], показали, что два доминантных вида мхов – Hylocomium splendens и Pleurozium schreberi, могут взаимно замещать друг друга и адекватно отражают уровень загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами. После интеркалибровки аналитических процедур между участвующими лабораториями были определены концентрации девяти элементов: меди, никеля, свинца, хрома, железа, мышьяка, кадмия, ванадия и цинка в живых частях мхов, и найдены локальные аномалии концентраций металлов во мхах в районах предприятий цветной и черной металлургии в Северной Швеции, Норвегии, Финляндии, а также на крайнем севере Норвегии и Финляндии на территориях, примыкающих к медно-никелевым комбинатам бывшего Советского Союза. Дальнейшее развитие этих проблем вплоть до настоящего времени получило в работах, как русских, так и зарубежных исследователей [11–19]. Однако практически все обследования загрязненных территорий проводились однократно, часто одновременно с анализом других компонентов наземных экосистем на содержание тяжелых металлов, и лишь в последние годы стали появляться работы, оценивающие динамический тренд содержания тяжелых металлов в отдельных видах растений на фоне существенного сокращения аэротехногенной нагрузки [2, 20–26]. Цель настоящей работы – сравнительная оценка уровня накопления тяжелых металлов (Ni, Cu) двумя доминантными видами мохового покрова северо-таежных экосистем – Pleurozium schreberi и Hylocomium splendens – в период высокой (1991 г.) и низкой (2011 г.) аэротехногенной нагрузки.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Лапландский государственный биосферный заповедник был основан в 1930 г. и располагается в зоне воздействия комбината «Североникель» – крупнейшего в Европе производителя металлического никеля, который начал свою деятельность в 1938 г. Негативное воздействие атмосферных выбросов комбината, в состав которых входят диоксид серы и полиметаллическая пыль, содержащая в основном соединения никеля и меди, на отдельные компоненты лесных экосистем детально изучено и описано более чем в 2000 публикаций, в частности [2, 20–29]. Схема района обследования представлена на рис. 1, краткая характеристика пунктов отбора проб мхов в 1991 и 2011 гг. приведена в табл. 1. Пункты отбора проб Pleurozium schreberi и Hylocomium splendens представляют собой открытое пространство размером от нескольких до десятка квадратных метров в лесном сообществе, удаленном не менее чем на 300 м от дорог. В каждом пункте отбирали пробы мхов не менее чем из трех мест, расположенных по треугольнику со стороной 50–100 м, затем индивидуальные пробы объединяли в одну среднюю пробу, из которой удаляли все посторонние включения. Немытые пробы мхов высушивали при 40°С, общая масса сухой пробы составляла не менее 10 г. Для анализа отщипывали чистыми руками (или в резиновых перчатках) три верхних сегмента у каждого экземпляра Hylocomium splendens или зелёные части каждого экземпляра Pleurozium schreberi. Навеску воздушно-сухой подготовленной пробы мха нагревали в смеси концентрированных кислот HNO3 и HCl в соотношении 4:1. Остывшие растворы фильтровали в полиэтиленовые емкости. Содержание никеля и меди в растворе определяли атомно-абсорбционным методом на спектрофотометре ААS–36 в 2-кратной повторности. Относительная ошибка определения каждого металла не превышала 10–15%.

Рис. 1. Схема пунктов отбора проб мхов в 1991 г. и 2011 г. (СН – комбинат “Североникель”).

Таблица 1. Краткая характеристика пунктов отбора проб мхов в 1991 г. и 2011 г. № пункта отбора проб Название пункта отбора проб Географические координаты Расстояние от комбината, км с. ш. в.д. 3 б Курт-варенч 67° 37' 40'' 32° 44' 00'' 34.0 8 Бывшая Чунозерская усадьба 67° 38' 10'' 32° 36' 20'' 34.4 9 Ручей Ель-явр-уай 67° 39' 00'' 32° 40' 00'' 32.2 5 Мыс Кус-нярк (северный берег Чунозера) 67° 38' 35 32° 31' 30'' 34.9 2 Мыс Вуйтем-нярк (южный берег Чунозера) 67° 38' 00'' 32° 31' 00'' 36.0 7 Волок Чунозеро-Охтозеро 67° 34' 45'' 32° 23' 30'' 43.7 22 Кордон Нявка 67° 41' 20'' 32° 03' 30'' 43.1 23 Кордон Мавра 67° 42' 30'' 31° 53' 00'' 47.9 16 Изба на ручье Н. Сылп-уай 67° 51' 00'' 32° 15' 00'' 27.1 4 Сторожевая изба Беличья 67° 46' 00'' 32° 11' 30'' 33.4 37 СЗ оконечность Чунозера 67° 42' 00'' 32° 18'° 00'' 34.8 25 Река Вите, левый берег близ Сейд озера 67° 49' 45'' 32° 40' 30'' 13.7 10 1213 км шоссе Санкт-Петербург–Мурманск 67° 34' 30'' 32° 35' 00'' 41.2 11 1205 км шоссе Санкт-Петербург–Мурманск 67° 33' 30'' 32° 27' 00'' 44.8 12 1198 км шоссе Санкт-Петербург–Мурманск 67° 31' 00'' 32° 21' 00'' 50.8 19 Поворот от шоссе Санкт-Петербург–Мурманск к Апатитам, 10-й км 67° 37' 00'' 32° 59' 00'' 35.2 20 Поворот от шоссе Санкт-Петербург–Мурманск к Апатитам, 20-й км 67° 34' 40'' 32° 13' 00'' 41.9

Статистическую обработку результатов проводили с помощью пакета Statistica 10.0 с использованием корреляционного анализа. Для оценки значимости различий применяли непараметрические критерии Вилкоксона и Манна-Уитни.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Прежде всего необходимо отметить, что в разных пунктах отбора проб мхов Pleurozium schreberi и Hylocomium splendens уровень накопления ими тяжелых металлов сопоставим для обоих видов как в 1991 г., так и в 2011 г. (табл. 2). Согласно непараметрическому критерию Вилкоксона, межвидовые различия в содержании тяжелых металлов в исследуемых мхах отсутствуют как в 1991 г., так и в 2011 г. (z = 0.384–0.768, p = 0.44–0.70). Следовательно, эти виды мхов в равной степени можно использовать для мониторинга загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами. Отсутствие видовой специфики изучаемых видов отмечали и другие исследователи [5, 7, 9, 30, 31]. При анализе микроэлементного состава растений Кольского полуострова М.Л. Раменская [30] обнаружила, что в Мончегорском районе наблюдается в среднем 14-кратное превышение содержания никеля и меди в обоих видах мхов по сравнению с их фоновым уровнем. Согласно данным М.Л. Раменской [30], региональные фоновые концентрации никеля и меди в исследуемых видах мхов в среднем составляли 4–5 мг/кг сухого вещества; по нашим данным, в разных фоновых районах Кольского полуострова в зеленых частях Pleurozium schreberi среднее содержание никеля варьировало в пределах 7.5–8.5 мг/кг, а меди – 4.6–9.9 мг/кг. На территории Лапландского заповедника в 1991 г. среднее содержание никеля превышало фоновое более чем в 12 раз, а меди – в 23 раза.

В 2011 г., согласно непараметрическому критерию Вилкоксона, оно значимо снизилось в обоих исследуемых видах мхов (z = 3.18–3.62, p = 0.0003–0.0015) и отмечалось лишь 4-кратное превышение фоновых концентраций каждого из тяжелых металлов. Таким образом, можно констатировать, что именно резкое сокращение объемов атмосферных выбросов комбинатом «Североникель» (рис. 2) привело к значительному уменьшению концентрации тяжелых металлов в обоих видах мхов, так как пункты отбора проб были одними и теми же в оба срока наблюдений. Аналогичные закономерности в динамическом тренде уровня накопления тяжелых металлов ассимиляционными органами высших растений отмечались нами ранее [2, 20, 22], а также другими исследователями [25, 26]. Проведенные исследования показали неоднозначную картину изменения уровня накопления тяжелых металлов Pleurozium schreberi и Hylocomium splendensв ответ на снижение токсической нагрузки. Объем атмосферных выбросов никеля в 1990–2001 гг. был значимо больше, чем для меди ( z= 2.83, p = 0.005), а в 2002–2013 гг. объемы выбросов этих металлов значимо не различались ( z= –1.27, p = 0.204) (см. рис. 2). Содержание никеля и меди в обоих исследуемых видах мхов значимо не различались как в первый (1991 г.), так и во второй (2011 г.) срок наблюдения. Следовательно, соотношение концентраций никеля и меди во мхах не всегда напрямую связано с соотношением объемов атмосферных выбросов тяжелых металлов источником загрязнения, а может быть обусловлено какими-то внутренними свойствами самих мхов. За два срока наблюдений минимальные концентрации обоих металлов были обнаружены в исследуемых видах мхов в пунктах отбора проб 4 и 16, удаленных от комбината на 27–33 км, и пункте 23, расположенном в 48 км от комбината (см. табл. 2), максимальные значения отмечались в пунктах 5, 9 и 25, удаленных от комбината на 35, 32 и 14 км соответственно. При этом не всегда максимальные концентрации обоих металлов были обнаружены в одних и тех же пунктах отбора проб: так, в 1991 г. максимум содержания никеля в Hylocomium splendens был отмечен в пункте 9, а меди – в пункте 25; в 2011 г. максимум уровня накопления никеля в Pleurozium schreberi наблюдался в пункте 9, а меди – в пункте 5 (см. табл. 2).

Рис. 3. Отношение концентраций никеля и меди в пробах Pleurozium schreberi (а) и Hylocomium splendens (б), собранных в одних и тех же пунктах в 1991 г. и 2011 г.

Корреляционный анализ данных выявил значимую связь только между содержанием меди в исследуемых видах мхов и расстоянием от источника загрязнения как в 1991 г., так и в 2011 г. (r = –0.64…–0.60, p

📎📎📎📎📎📎📎📎📎📎