Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

АНАЛИЗ СОДЕРЖАНИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ И СОЕДИНЕНИЙ СЕРЫ В ЛИШАЙНИКАХ PARMELIA SULCATA В УСЛОВИЯХ ГОРОДСКОЙ СРЕДЫ

Красногорская Н.Н. 1 Клеттер Е.А. 1 Сулейманова Р.Р. 1 Журавлева С.Е. 2
1 Уфимский государственный авиационный технический университет, г. Уфа, Российская Федерация
2 Московский физико-технический институт, г. Москва, Российская Федерация
Проведен анализ содержания тяжелых металлов и соединений серы в талломах эпифитных лишайников вида Parmelia sulcata, собранных на территории г.Уфа. Результаты показали относительно высокое содержание Zn и Mn в талломах, на основании чего можно сделать вывод о том, что воздух в Уфе наиболее загрязнен этими металлами. Сравнительная оценка содержания тяжелых металлов в исследуемых точках в черте города за период с 2007 по 2010гг. в талломах лишайников показала увеличение концентрации загрязняющих веществ. Валовое содержание серы в талломах в промзоне в 3 раза превосходит значение содержания в фоновой точке, в 2 раза - в центре города. Высокое содержание валовой серы в лишайниках, собранных в черте города, обусловлено производственной деятельностью предприятий урбанизированной территории, а также выбросами автотранспорта.
Лишайники
мониторинг качества атмосферного воздуха
тяжелые металлы
соединения серы.
1. Аржанова В.С., Скирина И.Ф. Значение и роль лихеноиндикационных исследований при эколого-геохимической оценке состояния окружающей среды // География и природные ресурсы. – 2000. – №4. – С. 33–40.
2. Бязров Л.Г. Лишайники – индикаторы радиоактивного загрязнения. – М.: Изд-во КМК, 2005. – 476 с.
3. Горбач, Н.В.; Гетко, Н.В. Способ лихеноиндикации загрязнения атмосферного воздуха // Доклады Академии наук БССР. – 1979. – С.743–745.
4. Евлампиева Е.П., Панин М.С. Накопление цинка, меди и свинца лишайником в районе угледобывающего месторождения «Каражыра» // Вестник Томского государственного университета.– 2008. – №314. – С. 196-200.
5. Климатология / Б. П. Алисов, Б. В. Полтораус. – М.: МГУ. – 1974. – 300 c.
6. Мейсурова А.Ф., Антонова Е.И., Хижняк С.Д., Рыжов В.А., Пахомов П.М. Результаты физико-химического анализа изменений химического состава слоевища HypogimniaPhysodes (L.) Nyl. под воздействием солей тяжелых металлов // Вестник ТвГУ. Серия «Биология и экология». – 2009. №14. – С.221-232.
7. Определение тяжелых металлов в природных и сточных водах атомно-абсорбционным методом с атомизацией в пламени и в графитовой кювете. Количественный химический анализ меди и кадмия в природных и сточных водах методом атомной абсорбции: методические указания к лабораторным работам по дисциплине «Оптические методы анализа» / Баш. Гос. Ун-т; сост.: Сафарова В. И., Шайдуллина Г. Ф., Хатмуллина Р. М., Сидельников А. В. – Уфа, 2008. – 48 с.
8. Шарунова И. П. Межвидовая и внутривидовая изменчивость накопления тяжелых металлов эпифитными лишайниками в градиенте токсической нагрузки.: дисс. … канд. биол. наук.: 03.00.16. – Екатеринбург, 2008. – 119 с.
9. Шапиро И.А. Физиолого-биохимические изменения у лишайников под влиянием атмосферного загрязнения // Успехи современной биологии. – 1996. – Т.116. – № 2, – С. 158-169.
10. ПНД Ф 16.1:2:2.2.37-02 Методика выполнения измерений валового содержания серы в почвах, донных отложениях, грунтах турбидиметрическим методом. – М., 2002.
Введение

В настоящее время загрязнение атмосферного воздуха является одним из основных последствий негативного антропогенного воздействия на окружающую среду. Прогрессирующая урбанизация и техногенное загрязнение окружающей среды приводят к тому, что приземные слои атмосферы промышленных городов загрязнены окислами азота, серы, хлороводородом, пылью, а также частицами тяжелых металлов. Источником такого загрязнения являются как промышленные предприятия, так и автотранспорт.  Оценка качества среды, насыщенной разнообразными источниками загрязнения атмосферы, имеет важнейшее значение.

Чувствительность лишайников к атмосферному загрязнению отмечена еще в прошлом веке Гриндоном и Ниландером [4]. Лишайники способны аккумулировать из окружающей среды элементы в количествах, намного превосходящих их физиологические потребности. Отсутствие специальных органов водо- и газообмена и крайне низкая способность к авторегуляции приводят к высокой степени соответствия химического состава лишайников и окружающей их среды. Это качество определило широкое использование  лишайников как аккумулятивных биоиндикаторов загрязнения среды тяжелыми металлами, соединениями фтора, серы, азота, а также радионуклеидами[2].

Установлено [1], что Co, Ni, Mo, Au присутствуют в лишайниках в тех же концентрациях, что и в высших растениях, а содержание Zn, Cd, Sn, Pb намного выше. Тяжелые металлы нарушают полупроницаемость клеточных мембран. Медь, ртуть и серебро индуцируют интенсивный выход калия даже в низких концентрациях [9]. Известно, что Zn  локализуется внутри клеток лишайников,  Pb - на клеточных стенках симбионтов, а Fe и Cu - на поверхности и/или межклеточных пространствах талломов [8]. Поэтому  содержание последних, а именно: Fe и Cu, регулируется уровнем загрязненности ими воздуха в большей степени, в то время как внутриклеточная  фракция изменяется в течение более длительных промежутков времени, так как ее стабильность обеспечивается барьерной функцией плазматической мембраны, которая препятствует процессам поступления и вымывания катионов металлов. Степень накопления тяжелых металлов в лишайниках, как и соединений серы, тесно связана со степенью загрязнения ими воздуха.Газообразный токсикант, неорганическая сера (SO2, SO3), непосредственно из атмосферного воздуха проникает в слоевища лишайников и накапливается в талломах [3]. Поэтому определение серы в талломах может быть использовано в качестве теста на загрязнение атмосферного воздуха сернистыми соединениями.

В настоящей работе приведены результаты анализа содержания тяжелых металлов и валовой серы в талломах эпифитного лишайника вида ParmeliasulcataTayl., 1836 (сем. Parmeliaceae), собранных на территории г.Уфа Республики Башкортостан. Выбор данного вида  в качестве объекта связан с толерантностью к атмосферному загрязнению и широкой распространенностью в городской среде. При выборе эпифитов как объекта исследования, в первую очередь, преследовались цели корректного выявления элементного состава талломов, практически исключающие его субстратное происхождение.

Характеристика района исследования

В качестве района исследования рассмотрена территория крупного промышленного центра Южно-Уральского региона - г.Уфы, с населением более 1 млн человек.  Город Уфа расположен на берегу реки Белая, при впадении в неё рек Уфа и Дема, на Прибельской увалисто-волнистой равнине, в 100 км к западу от хребтов Башкирского (Южного) Урала. Уфа находится в северо-лесостепной подзоне умеренного пояса. Климат континентальный, достаточно влажный, лето тёплое, зима умеренно холодная и продолжительная [5].

Материалы и методы

Сбор образцов лишайников для анализов проводился в следующих точках: точка №1(54048`N 56008`E) - промзона в районе ТЭЦ-2 г. Уфа; точка №2(54046`N 56001`E) - аллея вдоль Проспекта Октября (центр Уфы с оживленным дорожным движением); точка №3 (54049`N 56003`E) - городской парк «Победы» (парковая зона в северной части города); точка №4 (54042`N 55057`E) - сад Салавата Юлаева (парковая зона в южной части города). В качестве фона (точка №5) выбран смешанный лес недалеко от д.СабаевоБуздякского района Республики Башкортостан, расположенный на значительном удалении от промышленных объектов и автодорог (54053`N 54027`E).

Сбор лишайников производился с березы повислой (Betulapendula) на высоте от 1,2 до 1,5 метров осенью 2010 года; в безосадковый период с целью избежания включения в образцы переувлажненных талломов лишайников. Образцы лишайников срезались вместе с корой. При сборе пренебрегались талломы размером в диаметре менее 5 мм. Лишайники, собранные с одного дерева (с одной экспозиции), помещались в общий пронумерованный пакет. При этом в дневнике указывались: дата сбора; место сбора; высота дерева; диаметр ствола; экспозиция; наклон ствола.

Определение концентраций тяжелых металлов в лишайниках проводилось на базе Управления государственного аналитического контроля г. Уфы. Для определения тяжелых металлов использовался метод атомно-абсорбционной спектроскопии. Метод атомно-абсорбционного анализа основан на резонансном поглощении света свободными атомами, возникающем при пропускании пучка света через слой атомного пара [7].

Навески образцов (1 г) подвергали кислотной минерализации. Полученный минерализат после охлаждения переносили в мерную колбу на 50 см3, отфильтровывая неразложившуюся минеральную основу. После чего проводили измерение на спектрофотомере SHIMADZU AA 6200 и SHIMADZU AA 6800. Холостой и анализируемый раствор последовательно через капилляр вводили в горелку подготовленного к работе спектрофотометра и регистрировали атомное поглощение и массовую концентрацию элемента в анализируемом растворе.

Для определения валовой серы использовался турбидиметрический метод, который основан на осаждении иона сульфата хлористым барием и турбидиметрическом определении его в виде сульфата бария[10]. В качестве стабилизатора взвеси использовался глицерин.

При турбидиметрических измерениях помутнение, вызываемое суспензией, описывается уравнением:

D=k•c•l  (1.1)

Это отношение подобно уравнению Ламберта - Бера для поглощения света окрашенными растворами, поэтому для турбидиметрических измерений используются колориметры, фотоколориметры, спектрофотометры.

Турбидиметрическое измерение проводилось с использованием спектрофотометра UNICO  1201.

Перед анализом пробы минерализовались. В мерные колбы (100см3) отбиралось 8см3минерализата. К растворам проб прибавляли по 10 см3 осаждающего раствора, тщательно перемешивали и доводили до метки дистиллированной водой. Раствор фотометрировали через 10 минут после добавления осаждающего раствора в кювете толщиной просвечиваемого слоя 10 мм относительно раствора сравнения при λ=520 нм.

Концентрация сульфатов определялась следующим образом:

 (1.2)

где:

 D- значение оптической плотности;

V - объем раствора, мл;

V0 - объем фильтрата, мл;

k - коэффициент калибровки (0.05);

m - масса навески, мг.

Результаты и обсуждение

Тяжелые металлы  поступают в окружающую среду г.Уфы с выхлопными газами автотранспорта, атмосферными выбросами предприятий нефтепереработки, нефтехимии, энергетики, машиностроения и радиотехнических производств, сточными водами, твердыми бытовыми отходами.

В образцах лишайников определяли содержание следующих металлов: Fe, Mn, Cu, Ni, Zn, Pb, Cd, Co, V, Cr. Результаты анализа содержания тяжелых металлов представлены в таблице 1.

Таблица 1. Содержание тяжелых металлов в талломах лишайника Parmeliasulcata

Точка отбора

пробы

Содержание металлов, мг/кг

Fe

Mn

Zn

Cu

Pb

V

Ni

Cr

Cd

Co

№1

5062±1265

79±35

94±48

22±11

27±14

50±10

43±22

15±6

<0.05

<0.1

№2

8438±2109

200±70

183±73

64±33

44±23

30±46

23±11

15±6

<0.05

<0.1

№3

2148±537

60±27

24±12

22±11

20±10

-

17±8

-

<0.05

<0.1

№4

1924±481

56±25

64±33

19±9

16±8

-

15±7

-

<0.05

<0.1

№5

778±311

121±42

95±49

6±3

3,6±1,8

2±0,5

2±1

4±2

<0.05

<0.1

Установлен ряд накопления металлов лишайниками Parmelia sulcata, который имеет вид: Fe>Mn>Zn>Cu>Pb>Ni>Cr>Cd. Наибольшая кумулятивная способность вида Parmelia Sulcata отмечается по отношению к железу (рисунок 1).  Железо, по-видимому, действительно не столь остро влияет на жизненность талломов, так как накапливается в межклеточном материале в более высоких концентрациях. Его содержание относительно фоновой точки в точках №3 и №4 (парк «Победы» и сад Салавата Юлаева) выше в 2,5 раза, а точках №1 и №2 (ТЭЦ-2 и Проспект Октября) в 7 и 10 раз соответственно.

Рисунок 1. Содержание железа в лишайниках Parmelia Sulcata

Содержание остальных металлов в талломах Parmelia Sulcata графически представлено на рисунке 2. Отмечается относительно высокое содержание Zn и  Mn, на основании чего можно сделать вывод о том, что воздух в Уфе наиболее загрязнен этими металлами. Некоторые из собранных образцов имели поперечную исчерченность, что является симптомом цинковой интоксикации [6]. Вероятно, это обусловлено уменьшением содержания пигментов, связанного с разрушением хлорофилла. Содержание кадмия и кобальта во всех точках оказалось ниже предела обнаружения прибора.

Рисунок 2. Содержание тяжелых металлов в лишайниках Parmelia Sulcata

Возле ТЭЦ-2 отмечено высокое содержание в лишайниках ванадия (50мг/кг) и никеля (43мг/кг), что, видимо, непосредственно связано с работой самого ТЭЦ-2. Относительно невысокое содержание остальных металлов возле  ТЭЦ можно объяснить возможным расположением точки сбора в подфакельной зоне. Необходимы дальнейшие исследования для объяснения причин высокого содержания в фоновой зоне цинка (95мг/кг) и марганца (121мг/кг).

Значения по меди и хрому в несколько раз выше в лишайниках собранных возле ТЭЦ-2 (22мг/кг) и Проспекта Октября (64мг/кг), чем в лишайниках собранных в Буздякском районе (6мг/кг и 3,8мг/кг соответственно), а по ванадию, никелю и свинцу в точках, выбранных в черте города, фоновые значения превышены в 10-20 раз.

Анализ содержания тяжелых металлов в талломах лишайников за период 2007-2010 гг. показал, что количество всех металлов в слоевищах Parmelia Sulcata в рассматриваемых точках (точка №1(54048`N 56008`E), точка №2 (54046`N 56001`E)) увеличивается. Содержание железа возле ТЭЦ-2 выросло в 2,5 раза, в районе Проспекта Октября - в 2,6 раза (рисунок 3).

Рисунок 3. Изменение содержания железа в талломах лишайников Parmelia Sulcata в точках № 1 и №2 в 2007 и  2010 гг.

Содержание никеля, марганца в районе ТЭЦ  увеличилось в 2-2,5 раза, цинка в 4, незначительны изменения по свинцу и меди (рисунок 4).

Рисунок 4. Увеличение содержания тяжелых металлов в лишайниках Parmelia Sulcata в точке № 1 в 2007 и  2010 гг.

Содержание марганца, свинца, никеля и меди в районе Проспекта Октября (центр города) в талломах лишайников увеличилось в два раза, почти в три раза больше стало цинка (рисунок 5).

Рисунок - 5.Увеличение содержания тяжелых металлов в лишайниках Parmelia Sulcata в точке № 2 с 2007 по 2010гг.

Анализ изучения данных за 2007 и 2010 гг. выявил значительную тенденцию по увеличению содержания тяжелых металлов в лишайниках Parmelia Sulcata, что свидетельствует об ухудшении состояния окружающей среды и одной из причин является увеличение количества автотранспорта.

Результаты определения валовой серы показали (таблица 2), что содержание серы в точке №1 (ТЭЦ-2) в 3 раза превосходит значение содержания в  зоне с наименьшим антропогенным воздействием - №5(Буздяк) и в 2 раза - в точке №2 (Проспект Октября).

Таблица 2. Содержание валовой серы в талломах лишайника Parmeliasulcata

Точка отбора

D(Sвал)

с(Sвал), мг/кг

№1

0,089

7 416

№2

0,038

3 166

№5

0,026

2 166

Высокое содержание концентрации валовой серы в лишайниках, собранных вблизи ТЭЦ-2, что, вероятно, обусловлено производственной деятельностью предприятия, а также выбросами автотранспорта, проходящего по трассе, расположенной в непосредственной близости от места сбора лишайников.

Выводы

Проведен анализ содержания тяжелых металлов: Fe, Mn, Cu, Ni, Zn, Pb, Cd, Co, V, Cr в лишайниках вида Parmelia sulcata. Отмечается относительно высокое содержание Zn и Mn, на основании чего можно сделать вывод о том, что воздух в Уфе наиболее загрязнен этими металлами. В промзоне отмечено высокое содержание в лишайниках ванадия и никеля. Значения по меди и хрому в несколько раз выше в лишайниках, собранных в промзоне и центре города, чем в лишайниках собранных в фоновой зоне. А по ванадию, никелю и свинцу в точках, выбранных в черте города, фоновые значения превышены в 10-20 раз.

Сравнительная оценка содержания тяжелых металлов в исследуемых точках в черте города за период с 2007 по 2010 г. в талломах лишайников показала увеличение концентрации загрязняющих веществ, а именно, в промзоне произошло увеличение количества цинка в 4 раза, в центре города цинка и железа - в 3 раза. Содержание остальных металлов увеличилось в 1,5-2 раза, что свидетельствует об ухудшении состояния окружающей среды г.Уфа и одной из причин - увеличение количества транспорта.

Проведен анализ содержания серы в лишайниках Parmelia Sulcata в выбранных точках. Валовое содержание серы возле ТЭЦ-2 г.Уфы (7416мг/кг) в 3 раза превосходит значение содержания в фоновой точке и в 2 раза значение в районе Проспекта Октября (центр города).Высокое содержание концентрации валовой серы в лишайниках, собранных в черте города, обусловлено производственной деятельностью предприятий урбанизированной территории, а также выбросами автотранспорта.

Рецензенты:

  • Дубовик И.Е., д.б.н., профессор, ФГБОУ «Башкирский государственный университет», г. Уфа.
  • Шкундина Ф.Б., д.б.н., профессор, ФГБОУ «Башкирский государственный университет», г. Уфа.
center

Библиографическая ссылка

Красногорская Н.Н., Клеттер Е.А., Сулейманова Р.Р., Журавлева С.Е. АНАЛИЗ СОДЕРЖАНИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ И СОЕДИНЕНИЙ СЕРЫ В ЛИШАЙНИКАХ PARMELIA SULCATA В УСЛОВИЯХ ГОРОДСКОЙ СРЕДЫ // Современные проблемы науки и образования. – 2012. – № 2.;
URL: http://www.science-education.ru/ru/article/view?id=5358 (дата обращения: 14.12.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074