Сетевое издание

Современные проблемы науки и образования

ISSN 2070-7428

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,006

• Авторы
• Резюме
• Файлы
• Ключевые слова
• Литература

Семенова И.Н. 1, 2 Кужина Г.Ш. 2 Серегина Ю.Ю. 1 Мусин Х.Г. 2

---

1 ГАНУ «Институт региональных исследований Республики Башкортостан»

2 Сибайский институт (филиал) ФГБОУ ВПО «Башкирский государственный университет»

В работе исследована пространственная изменчивость тяжелых металлов в грунтах р. Белая на территории Белорецкого района Республики Башкортостан. Бассейн реки отличается значительным разнообразием полиметаллических руд, интенсивная разработка и переработка которых существенно увеличили загрязнение данного водоема. Среди источников загрязнения следует выделить открытые карьеры вблизи прибрежной зоны, промышленные и коммунально-бытовые стоки г. Белорецк. В осадках водотока изученные металлы по среднему содержанию образуют убывающий ряд: Fe > Mn > Zn > Ni > Cu > Pb > Со > Cd. Содержание меди, цинка, кадмия, железа, никеля и кобальта в грунтах р. Белая превышало значение геохимического фона во всех створах реки. Концентрация же свинца была выше нормы в зоне влияния Пугачевского карьера. Донные отложения исследованной территории по показателю суммарного загрязнения характеризуются чрезвычайно опасным уровнем техногенного загрязнения. Определение токсичности загрязненных грунтов основано на вычислении степени изменения всхожести семян и длины корня проростков кресс-салата по сравнению с контрольной пробой. Исследуемые осадки следует отнести к умеренно токсичной степени загрязнения. Лишь грунты створа после впадения р. Тирлян относятся к практически не токсичным, что, вероятно, связано с изменением гидродинамических характеристик водотока.

Статья в формате PDF

232 KB

донные отложения

тяжелые металлы

р. Белая

геохимический фон

суммарный показатель загрязнения

Биотестирование

кресс-салат

1. Багдасарян А.С. Биотестирование почв техногенных зон городских территорий с использованием растительных организмов // Дисс. … канд. биол. наук. – Ставрополь, 2005. – 159 с.

2. Выхристюк Л.А., Варламова О.Е. Донные отложения и их роль в экосистеме Куйбышевского водохранилища. – Самара, 2003. – 174 с.

3. Гареев А.М. Реки и озера Башкортостана. – Уфа: Китап, 2001. – 260 с.

4. Добыча нерудных строительных материалов в водных объектах. Учет руслового процесса и рекомендации по проектированию и эксплуатации русловых карьеров. – СПб.: Изд-во «Глобус», 2012. – 140 с.

5. Казнина Н.М., Титов А.Ф., Лайдинен Г.Ф., Батова Ю.В. Влияние кадмия на некоторые физиологические показатели растениц ячменя в зависимости от их возраста // Труды Карельского научного центра РАН. – 2010. - №2. – С. 27-31.

6. Косов В.И. Иванов Г.Н., Левинский В.В., Ежов Е.В. Концентрации тяжелых металлов в донных отложениях Верхней Волги // Водные ресурсы. – 2001. – Т.28. - №4. – С. 448-453.

7. Лепехин А.П., Максимович Н.Г., Садохина Е.Л., Мирошниченко С.А., Меньшикова Е.А. Роль донных отложений в формировании качества воды рек Западного Урала // Вестник Перм. ун-та. – Пермь, 1999. – Вып. 3. Геология. – С. 299-309.

8. Линник П.Н., Набиванец Б.И. Формы миграции металлов в пресных поверхностных водах. – Л.: Гидрометеоиздат, 1986. – 272 с.

9. Методические указания «Определение массовой доли металлов в пробах почв и донных отложений. Методика выполнения измерений методом атомно-абсорбционной спектрофотометрии». – СПб.: Гидрометеоиздат, 2006. – 30 с.

10. Методика измерений всхожести семян и длины корней проростков высших растений для определения токсичности техногенно загрязненных почв (М-П-2006 ФР.1.39.2006.02264). – СПб., 2009. – 19 с.

11. Мур Дж., Рамамурти С. Тяжелые металлы в природных водах: Контроль и оценка влияния. – М.: Мир, 1987. – 288 с.

12. Опекунов А.Ю. Экологическая седиментология: учеб. пособие. – СПб.: Из-во С.-Петерб. ун-та, 2012. – 224 с.

13. Пузаченко Ю.Г. Математические методы в экологических и географических исследованиях: Учебное пособие для студентов вузов. – М.: Издательский центр «Академия», 2004. – 16 с.

14. Фаткуллин Р.А. Природные ресурсы Республики Башкортостан и рациональное их использование. – Уфа: Китап, 1996. – 176 с.

Белорецкий район Республики Башкортостан (РБ) является одним из старейших и крупнейших центров горнодобывающей и металлургической промышленности России, являющихся основными источниками загрязнения тяжелыми металлами (ТМ) водных объектов в зоне воздействия промышленных комплексов данного региона [6, 7].

Главной водной артерией РБ, испытывающей значительное антропогенное влияние, является река Белая (Агидель). В верхнем течении река зарегулирована. Для целей водоснабжения промышленного узла г. Белорецк создано Белорецкое водохранилище. Сточные воды и выбросы предприятий оказывают негативное влияние на качество воды реки и ограничивают её использование в нижнем течении для хозяйственно-питьевых и культурно-бытовых нужд населения [3, 14].

В настоящее время оценить степень загрязнения водоемов по содержанию в поверхностных водах химических элементов объективно не удается [8, 11]. Поэтому в качестве чувствительного показателя уровня загрязненности гидросистемы чаще используют наиболее инерционное звено-донные отложения (ДО) [2, 8, 11, 12]. При этом введение методов биомониторинга в сеть контроля над их состоянием позволяет адекватно оценить токсичность водотока. Для этого используются модельные растительные тест-системы (кресс-салат, редис, пшеница и др.) [1]. В данной работе предпринята попытка оценки токсичности ДО р. Белая с целью изучения пространственной изменчивости ТМ в грунтах верховья реки с использованием Lepidium sativum.

Материалы и методы исследования

Материалом для работы послужили ДО, отобранные в соответствии с МУ РД 52.18.685 в летний период 2013 г. на территории Белорецкого района РБ (рис. 1).

Рис. 1. Карта – схема расположения точек отбора проб в районе исследования

Наблюдательная сеть включала 5 точек отбора грунтов: 1– до впадения правого притока Тирлян (60 км от истока реки); 2 – после впадения притока, принимающего стоки листопрокатного завода (65 км); 3 – Бельский мост в зоне поступления промышленных стоков ОАО «Белорецкий металлургический комбинат» (106 км); 4 и 5 – до и после Пугачевского карьера (114 и 118 км, соответственно) (рис. 1).

Валовое содержание ТМ (Cu, Zn, Fe, Mn, Pb, Cd, Ni, Co) в образцах ДО определяли с помощью метода атомно-абсорбционной спектрофотомерии в центральной химической лаборатории Сибайского филиала Учалинского горно-обогатительного комбината [9]. Для оценки загрязнения ДО исследуемого водотока использовали кратность превышения геохимических фоновых концентраций металлов, установленных Институтом минералогии, геохимии и кристаллографии редких элементов (ФГУП «ИМГРЭ») [4] (табл. 1):

Таблица 1

Геохимическая фоновая концентрация тяжелых металлов в донных отложениях, мг/кг [4].

Уровень техногенного загрязнения ДО реки оценивали с помощью суммарного показателя загрязнения (СПЗ):

СПЗ=∑К_с - (n-1),

где К_с.= C_i/С_ф – коэффициент концентрации отдельных компонентов загрязнения; п - число суммируемых веществ, коэффициент концентрации Кс которых выше 1,0.

Критические значения, позволяющие охарактеризовать ДО по степени загрязнения, таковы: при СПЗ ≤ 8 – слабо загрязненные; при 8 ≤ СПЗ ≤ 16 – допустимая степень загрязнения; при 16 ≤ СПЗ ≤ 32 – умеренно опасная; при 32 ≤ СПЗ ≤ 128 – опасная; СПЗ ≥ 128 – чрезвычайно опасная [12].

Методика биотестирования основана на определении процента всхожести и измерения длины проростков кресс-салата Lepidium sativum сорта «Забава» при влиянии токсических веществ, присутствующих в ДО исследуемого водотока. Известно, что это растение обладает повышенной чувствительностью к загрязнению почв и грунтов ТМ. Этот биоиндикатор отличается быстрым прорастанием семян и высокой долей всхожести, заметно уменьшающейся в присутствии загрязнителей [10].

Семена растений закладывали в предварительно увлажненный грунт по 20 шт. в чашки Петри. В качестве контроля выступал кварцевый песок, предварительно промытый горячей дистиллированной водой. По необходимости производился полив образцов дистиллированной водой. Учет результатов эксперимента производили на 3-7-ой день до появления первого листа.

На основе определения всхожести семян и длины корня проростков кресс-салата техногенно загрязненные грунты могут быть отнесены к следующей степени токсичности (табл. 2) [10].

Таблица 2

Критерии степени токсичности техногенно загрязненных донных отложений реки [10]

Результаты исследования и их обсуждение

В донных отложениях верховья реки Белая в условиях района исследования изученные металлы образуют убывающий ряд элементов по их среднему содержанию Fe > Mn > Zn > Ni > Cu > Pb > Со > Cd, в распределении которых по длине реки отмечается определенная неравномерность.

Содержание Cu, Zn, Cd, Fe, Ni, Co в грунтах р. Белая превышало значение геохимического фона во всех створах реки: по меди – в 6-17 раз, цинку – 13-21 раз, кадмию – 10-13 раз, никелю – до 1,2 раза, железу – 9-11 раз, кобальту – 155-187 раз.

В то же время концентрация Pb в ДО участка реки до Бельского моста не превышала фонового значения. Однако в зоне влияния Пугачевского карьера концентрация этого элемента была максимальна, превысив фон в 1,6 раза.

Содержание марганца во всех грунтах исследованного водотока находилось в пределах геохимического фона.

Расчет суммарного показателя загрязнения показал, что донные осадки р. Белая характеризуются чрезвычайно опасной степенью загрязнения (табл. 3).

Таблица 3

Суммарный показатель загрязнения донных отложений р. Белая

Наибольший вклад в суммарный показатель загрязнения вносит кобальт, для которого зафиксировано максимальное превышение значения фона (Kc = 155 – 188). При этом нельзя исключать роль и других металлов: Kc (Zn) = 13 – 21; Kc (Cu) = 6 – 17; Kc (Cd) = 9 – 13.

В связи с вышеизложенным, представляется интересным исследовать фитотоксическое действие ДО тестируемых образцов с повышенным содержанием ТМ в биотесте на всхожесть семян и длину корня проростка кресс-салата (табл. 4).

Таблица 4

Результаты биотестирования донных отложений р. Белая с помощью кресс-салата Lepidium sativium

Из таблицы 4 следует, что длина корня кресс-салата изменялась в узком диапазоне и не превышала значения контроля. Минимальная всхожесть семян модельного растения, составляющая 30%, зарегистрирована в створе Бельский мост, а максимум, равный 93%, был характерен для пробы, отобранной в створе после впадения р. Тирлян. Следует отметить, что этот образец превышал контроль по изученному показателю. В результате статистической обработки данных между измеренными параметрами кресс-салата выявлена положительная достоверная связь (r=0,92). Литературные источники указывают, что на ранних фазах развития растения в неблагоприятных условиях среды стремятся обеспечить рост подземных органов, снижая при этом интенсивность физиологических процессов [5].

Определение токсичности загрязненных донных осадков основано на вычислении степени изменения всхожести семян и длины корня проростков растительной тест-системы по сравнению с контрольной пробой (табл. 5).

Таблица 5

Оценка степени токсичности техногенного загрязнения донных отложений

с помощью кресс-салата Lepidium sativum

Таким образом, исследуемые грунты следует отнести к умеренно токсичной степени загрязнения. Лишь ДО створа после впадения р. Тирлян относятся к практически не токсичным, что, вероятно, связано с изменением гидродинамических характеристик водотока. Данный участок реки характеризуется узким руслом и, как следствие, увеличением скорости её течения и преобладанием процессов вымывания токсичных элементов из осадков [2, 12].

Влияние концентраций ТМ на всхожесть семян и длину корней проростка тест – растение было изучено с помощью корреляционного анализа. Выяснилось, что в этом случае имеет место как положительная, так и отрицательная корреляционная зависимость, но недостоверного характера. Поэтому в работе попытались проанализировать характер изменчивости полученных показателей биотестирования в зависимости от содержания ТМ в грунтах р. Белая с помощью полиномиальной подгонки [13].

Нелинейный характер зависимости длины корня кресс-салата от содержания железа и свинца в ДО р. Белая позволил определить их критическую концентрацию в грунтах, при которой наступает угнетение фиксируемого показателя биотеста: для Fe – 37000 мг/кг, Pb – 9 мг/кг (рис. 2). Дальнейшее увеличение концентрации данных металлов в ДО приводит к удлинению корня проростка, что позволило выдвинуть предположение об их стимулирующем эффекте.

Другой характер зависимости длины корня проростка от содержания марганца, никеля и кадмия позволил определить концентрации металлов в грунтах, при которых наступает максимальный эффект стимулирования данного показателя: для Mn – 700 мг/кг, Ni – 74 мг/кг, Cd – 3,5 мг/кг (рис. 3). При дальнейшем увеличении их концентрации в ДО наблюдалось снижение всхожести и уменьшение длины корня, что, вероятно, связано с токсическим действием этих металлов.

Характер зависимости всхожести семян от содержания железа, свинца, марганца, никеля и кадмия аналогичен изменчивости, выявленной для массива данных по длине корня проростка кресс-салата.

Рис. 2. Зависимость длины корня кресс-салата от содержания железа и свинца в донных отложениях р. Белая

Рис. 3. Зависимость длины корня кресс-салата от содержания марганца, никеля и кадмия в донных отложениях р. Белая

Таким образом, изучение характера пространственной изменчивости ТМ в донных осадках р. Белая позволило заключить, что содержание Cu, Zn, Cd, Fe, Ni, Co является индикатором напряженности экологической ситуации на территории промышленного освоения водотока. Повышенное содержание в ДО железа и свинца отрицательно влияло на всхожесть семян и длину корня кресс-салата. Напротив, повышенное содержание марганца, никеля и кадмия в грунтах способствовало стимуляции роста и развития растительного объекта.

Рецензенты:

Суюндуков Я.Т., д.б.н., профессор, директор ГАНУ «Институт региональных исследований», г. Сибай;

Янтурин С.И., д.б.н., профессор, заведующий кафедрой экологии Сибайского института (филиала) ФГБОУ ВПО «Башкирский государственный университет», г. Сибай.

Библиографическая ссылка