На территории Баймакского района Республики Башкортостан (РБ) выявлены многочисленные кремнисто-марганцевые месторождения, приуроченные к горизонту бугулыгырских яшм и другим слоям кремнистых пород [3, 12]. К объектам такого типа относится Южно-Файзуллинское месторождение, расположенное в 20 км к юго-западу от г. Сибай и в 1,5 км восточнее д. Файзуллино. Месторождение было открыто в 1890 г. и эксплуатировалось до 1917 г. Дальнейшая разработка продолжалась в годы Великой Отечественной войны для получения легирующих добавок в сталь. В настоящее время на территории месторождения выявлены 14 заброшенных карьеров [6].
Основным марганцевым минералом конкреций исследуемого месторождения является тонкозернистый псиломеланс с высокой отражательной способностью светло-стально-серого цвета, по составу соответствующий калиевой разновидности (мас. %): MnO – от 71,10 до 89,44, FeO – от 1,20 до 13,27, SiO2, Al2O3, TiO2, K2O, CaO. В состав темных железистых слоев также входит якобсит со специфическим серым цветом, элементный состав которого аналогичен псиломелансу, но с низким содержанием перечисленных соединений. Кроме этого, появляются многочисленные кристаллы магнетита, содержащие до 4 % марганца [1].
В 1999 г. велись работы по добыче марганцевых руд на Южно-Файзуллинском карьере ООО «Артылыш». Разработка осуществлялась по транспортной технологии с внешним отвалообразованием. С августа 1999 г. было добыто вскрыши 65 тыс. м3, руды – 990 т. Общая протяженность рудной залежи месторождения составляет 200 м. Мощность колеблется от 0,5 до 8 м [3]. В настоящее время добыча руды остановлена, карьер заполнен водой и засыпан щебнем. Однако открытый способ работы на карьерах привел к загрязнению почвы в зоне добычи руд, а также населенных пунктов, расположенных в их окрестностях. Показано, что в условиях Южного Урала почвы окрестностей карьеров по добыче полезных ископаемых загрязнены тяжелыми металлами (ТМ). Аккумуляция ТМ в почвах в больших количествах приводит к трансформации их физико-химических и биологических свойств, а также повышению токсичности по отношению к живым объектам [8, 9, 10, 11].
Определить степень токсичности почвы можно с помощью биотестирования с использованием растительных тест-систем [2].
Данное исследование преследовало цель доказать, что заброшенный карьер Южно-Файзуллинского месторождения негативно воздействует на объекты окружающей среды его окрестностей, в частности, обусловливая фитотоксичность почв. При этом в качестве основной причины такого воздействия рассматривается повышенный уровень ТМ в почвах.
Материалы и методы исследования
Материалом для работы послужили образцы почвы, отобранные в соответствии с методическими указаниями по определению ТМ, в осенний период 2014 г. [4]. Пробные площадки располагались непосредственно у карьера – источника загрязнения (ИЗ), а также на удалении 0,5, 1 и 2 км от отвалов в северном, восточном, южном и западном направлениях. За условный контроль принималась площадка, расположенная в 5 км южнее карьера в зоне, не подверженной техногенному воздействию.
Определение содержания подвижных форм Cu, Zn, Fe, Mn в почвах проводили методом атомной абсорбции [4]. Для экотоксикологической оценки почв использовали кратность превышения предельно-допустимых концентраций (ПДК) подвижных форм металлов. Уровень техногенного загрязнения почв оценивали с помощью суммарного показателя загрязнения (Zс) [8].
Для биотестирования семена растения Allium porrum L. закладывали в чашки Петри в предварительно увлажненную почву по 20 штук. Засеянные чашки выдерживали при комнатной температуре в течение 7 суток. При необходимости производился полив дистиллированной водой. Результаты опыта учитывали на 3 и 7 сутки. На 3 сутки проводился визуальный учет прорастания семян (энергия прорастания), на 7 – измерялась длина предварительно отмытых от почвы корней, надземной части проростков, а также биомасса [5]. Статистическая обработка проводилась с помощью пакета компьютерных программ STATISTICA 6.0.
Результаты исследования и их обсуждение
Исследование содержания ТМ в почвах показало, что в радиусе 2 км от ИЗ, а также на расстоянии 5 км почвы загрязнены ТМ, хотя в почве условного контроля их содержание было ниже. Сравнение средних значений содержания изученных металлов в почвах позволило расположить их в следующий убывающий ряд: Fe > Mn > Zn > Cu.
Fe в черноземах Башкирского Зауралья является малоподвижным, достаточно инертным и устойчивым элементом, что определяется геохимическими, гидрологическими и климатическими особенностями района исследования и свойствами самих почв [9]. В данном исследовании содержание подвижных форм Fe в почвах изменялось от 5300 до 30950 мг/кг. Как известно, ПДК для подвижной формы Fe в почвах не установлена, поэтому содержание железа в исследованных почвенных образцах сравнивали с региональным геохимическим фоном (РГФ), равным 3800 мг/кг [9]. Превышение РГФ было зафиксировано во всех исследованных почвах (в среднем 3,8 ПДК), в том числе в условном контроле (1,5 ПДК). Максимальное превышение нормы (в 14 раз) зарегистрировано на удалении 2 км от ИЗ в северном направлении, а минимальное (в 1,2 раза) – в восточном направлении. По мере удаления от ИЗ содержание подвижной формы Feв восточном и западном направлениях уменьшалось, а в северном – повышалось.
Содержание Mn во всех изученных почвах изменялось от 1237 до 8307 мг/кг при ПДК, равной 140 мг/кг. Превышение ПДК, в среднем, составило 22 раза, в условном контроле – 26 раз. Максимальная концентрация Mn наблюдалась в восточном направлении на пробной площадке, расположенной на расстоянии 2 км от ИЗ.
Концентрация Zn в почве варьировала в пределах от 29 до 142 мг/кг, что свидетельствовало о ее высокой обеспеченности данным элементом (> 5 мг/кг) [7]. Среднее содержание этого элемента в исследуемых почвенных образцах составило 11 ПДК, в условном контроле – 2,3 ПДК. По мере удаления от ИЗ в северном направлении содержание Zn снижалось, в то время как в южном и западном направлениях, наоборот, повышалось. Максимальное содержание Zn зарегистрировано непосредственно у ИЗ в северном направлении.
Концентрация Cu изменялась в пределах от 17,3 до 57,8 мг/кг, превышая ПДК, в среднем, в 11 раз. В почве условного контроля содержание данного элемента составило 6,6 ПДК. Максимальное содержание Cu зафиксировано на расстоянии 0,5 км от ИЗ в северном направлении.
Оценка степени загрязнения исследуемых почв позволила отнести их к умеренно опасной категории (16 <Zc< 32). Исключением явились образцы почв пробных площадок, расположенных на удалении 2 км северного (Zc = 54), 1 км южного (Zc = 63), 0,5 км и 2 км восточного направлений, имеющих высоко опасную степень загрязнения за счет повышенного содержания Fe и Mn.
Показателями фитотоксического действия является снижение по сравнению с контролем всхожести и энергии прорастания семян, длины подземной и надземной частей растений.
В исследованиях величина энергии прорастания семян Allium porrum L. варьировала в широком диапазоне от 0 до 90 %. В контроле этот показатель составил 77 %. Максимальная энергия прорастания семян зафиксирована в почве западного направления на удалении 0,5 км от ИЗ, минимальная – в 2 км южного направления. В то же время всхожесть семян изменялась от 50 до 90 %, а в условном контроле равнялась 83 %. Максимальное значение этого показателя отмечено в почве западного направления на удалении 0,5 км от ИЗ, минимальное – 0 и 0,5 км северного и 0,5 км восточного направлений (рис. А).
Следует отметить, что для образцов семян Allium porrum L., пророщенных на пробах почв южного направления на удалении 1 км от ИЗ, наблюдалось значительное снижение величины их всхожести по сравнению с энергией прорастания. В образцах восточного и западного направлений выявлены лишь единичные случаи такого рода.
Исходя из того, что всхожесть семян тест-растения была достоверно ниже таковой в контроле, можно заключить, что почва окрестностей карьера обладает повышенной фитотоксичностью, обусловленной повышенным содержанием ТМ, что подтверждается наличием корреляционной зависимости отрицательной направленности между содержанием некоторых металлов в почве и изученными показателями фитотеста, а именно: между всхожестью семян и содержанием Cu (r = -0,74;р = 0,001); энергией прорастания и содержанием Cu (r = -0,49; р = 0,043) и Zn (r = - 0,75; р = 0,001).
Вместе с тем выявлены случаи стимулирования всхожести семян лука, отмеченные для почв восточного (1 км) и западного (0,5 км) направлений от ИЗ.
Чувствительными к повышенному содержанию ТМ в тестируемых почвах оказались как подземная, так и надземная части проростков лука порея. Длина корня и высота растений лука в почвах северного и южного направлений по мере удаления от ИЗ увеличивались. В остальных же направлениях от ИЗ изменение данных показателей не подчинялось определенной закономерности.
Длина корня лука порея не превышала значения этого показателя в контроле (11 мм) в образцах растений, выращенных в почвах южного (за исключением почв на расстоянии 2 км от ИЗ), восточного и западного направлений, что свидетельствует об их фитотоксичности. В то же время образцы почв северного направления не проявляли отрицательного воздействия на развитие подземной части растений, более того, они оказывали выраженное стимулирующее действие, в результате чего длина корня превысила контрольную величину в 4 раза (рис. Б). По аналогии с вышесказанным, к нетоксичным в отношении надземной части растения следует отнести почвы северного, южного (2 км) и западного (1 км) направлений. Остальные же образцы почв проявляли ингибирующий эффект и, соответственно, были отнесены к фитотоксичным (рис. В). Однако достоверной корреляционной зависимости между содержанием ТМ в исследованных почвах и изменением изучаемых параметров Allium porrum L. выявлено не было.
Сравнительное изучение биомассы проростков лука порея, выращенных в ходе биотестирования, показало, что почвы, отобранные в радиусе до 0,5 км во всех направлениях, можно отнести к фитотоксичным. Исключением является почва западного направления (0,5 км), обладающая стимулирующим действием по отношению к биомассе растений Allium porrum L. Аналогичным эффектом обладают почвы, взятые на расстоянии 1 и 2 км северного и 2 км южного направлений. Как и в случае длины растения, достоверной корреляционной зависимости между содержанием ТМ в исследованных почвах и изменением биомассы Allium porrum L. выявить не удалось. Возможно, что наблюдаемый фитотоксический эффект связан с наличием в почве иных факторов, в том числе каких-либо других химических элементов (рис. Г).
А
Б
В
Г
Всхожесть и энергия прорастания семян (А), длина подземной (Б), надземной части (В), сухой биомассы (Г) проростков Allium porrum L.
Сравнение чувствительности исследуемых показателей растительной тест-системы Allium porrum L. к токсическому действию изученных почвенных образцов показало, что все они являются достаточно чувствительными тест-откликами, поскольку по каждому показателю фитотеста выявлено от 9–11 случаев проявления токсичности.
На основании полученных результатов и в соответствии с Методикой … (2009) [5] была рассчитана степень токсичности изученных почвенных образцов (таблица).
Уровень токсичности техногенно загрязненных почв окрестностей Южно-Файзуллинского месторождения
|
Направление |
Расстояние от карьера, км |
Степень токсичности по всхожести семян |
Степень токсичности по длине корня |
Степень токсичности |
|
Север |
0 |
III |
V |
III |
|
0,5 |
III |
V |
III |
|
|
1 |
V |
V |
V |
|
|
2 |
IV |
V |
IV |
|
|
Юг |
0 |
III |
V |
III |
|
0,5 |
III |
V |
III |
|
|
1 |
III |
V |
III |
|
|
2 |
V |
V |
V |
|
|
Восток |
0 |
IV |
V |
IV |
|
0,5 |
III |
IV |
III |
|
|
1 |
V |
IV |
IV |
|
|
2 |
V |
V |
V |
|
|
Запад |
0 |
IV |
IV |
IV |
|
0,5 |
V |
V |
V |
|
|
1 |
IV |
V |
IV |
|
|
2 |
IV |
V |
IV |
Примечание: I – высоко опасно токсичные; II – опасно токсичные; III – умеренно токсичные; IV – малотоксичные; V – практически не токсичные.
По такому показателю, как всхожесть семян, шесть пробных площадок имели умеренную степень токсичности: 0 и 0,5 км от ИЗ северного, 0, 0,5, 1 км южного, 0,5 км восточного направлений. По показателю длины корня все исследуемые площадки имели малую токсичность или были практически не токсичными. Таким образом, в соответствии с принципом избыточной экологической безопасности оценка токсичности почв по показателю всхожести представляется более целесообразной.
Проведенное исследование позволило заключить, что почвы окрестностей Южно-Файзуллинского месторождения в радиусе 2 км имеют умеренно- и высоко опасную категорию загрязнения ТМ, главным образом, за счет повышенного содержания Fe и Mn. С увеличением расстояния от карьера в большинстве случаев происходит снижение фитотоксичности. Выявлено наличие корреляционной зависимости отрицательной направленности между содержанием ряда ТМ в почве и показателями фитотеста, а именно: между всхожестью семян и содержанием Cu, энергией прорастания и содержанием Cu и Zn. 50 % почвенных образцов окрестностей Южно-Файзуллинского месторождения из исследуемых 12 являются умеренно токсичными, остальные – не обладали выраженной фитотоксичностью по отношению к Allium porrum L.