Содержания некоторых минеральных элементов и тяжелых металлов в почвах и растений вида Achillea millefolium L., произрастающих на территории реки Аламедин г. Бишкек

ВВЕДЕНИЕ

Человечество на протяжении веков используют тяжелые металлы, не взирая на отрицательные последствия, которые они вызывают [12]. Развитие индустриализации и широкое использование материалов и продукции, содержащих тяжелые металлы способствовало накоплении тяжелых металлов в экосистеме. Этот процесс продолжается в течении многих лет, а загрязнение тяжелыми металлами достигло крайних размеров и сегодняшний день вызывает серьезные экологические проблемы [8; 14].

Загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами может быть вызвано различными причинами, но отмечается, что основными являются антропогенные факторы [27; 32]. Деятельность промышленных предприятий, выхлопные газы автомобилей, применение удобрений в сельском хозяйстве и многие антропогенные агенты являются причинами загрязнения тяжелыми металлами [24; 31; 34]. Тяжелые металлы входят в пищевую цепь, накапливаются в организмах, долгое время остаются в экосистеме и являются чрезвычайно опасными для здоровья человека [29]. Поэтому необходим тщательный мониторинг накоплений тяжелых металлов в экосистемах. Многие промышленно развитые страны следуют программам по мониторингу в этом отношении [17; 18].

За последние десятилетия рост населений, индустриализация и увеличение транспортных средств в Бишкеке сопровождается с неконтро­лируемым загрязнением городской среды. В рамках данного исследования с помощью масс-спектро­метра ICP-MS изучены содержания некоторых тяжелых металлов и минеральных элементов в почве и в органах растений вида Achillea millefolium L., произрастающих на территории реки Аламедин, г. Бишкек.

2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Исследование проводилось вдоль реки Аламедин. Общая длина реки Аламедин составляет 78 км, из них около 20 км протекает по городу Бишкек. В качестве контрольной точки был взят экологически благополучный район «Арашан», который находится за пределами города. Образцы растений A. millefolium и почвы были собраны через каждые 3 км, от 7 станций вдоль реки. Общая информация о названиях, GPS координатах станций приведена в таблице

Таблица 1.

Станции отбора образцов почвы и растений

Объект исследований - тысячелистник обыкно­венный (лат. Achilléa millefólium), многолетнее травянистое растение; вид рода Тысячелистник (Achillea) семейства Астровые (Asteraceae). Растения произрастают в лесной, лесостепной и степных зонах, на суходольных лесных лугах, в луговых степях, среди кустарников, в разреженных лесах, вдоль дорог, по оврагам, на залежах, пустырях, свалках, в посёлках, по берегам водоёмов, по окраинам полей [2-4; 11; 15; 16; 30]. A.millefolium L., как лекарст­венное растение применяется при белях, малярии, бессоннице, мочекаменной болезни, в некоторых заболеваниях печени, при недержании мочи, как ранозаживляющее и кровоостанав­ливающее средство. [5; 11; 19].

Как показано в таблице 1, образцы были собраны с 7 станций, из каждой станции было собрано по 5 образцов растений и почвы. Образцы растений разделили на отдельные части по органам: корень, стебель и листья. Листья разделялись на две группы: половина промывалась с дистиллированной водой, вторая половина оставалась немытой. Затем их помещали в конверты и сушили в сушильном шкафу при 80 ° C в течение 48 часов. После сушки образцы растений измельчали в ступке, а затем просеивали через сито 1,5мм и взвешивали 0,2г и помещали в тефлоновые контейнеры. К каждому образцу добавляли 8 мл 65% HNO₃. Образцы почвы также просушивались при 80°C в течение 48 часов. После просушки их пропускали через сито и добавляли 5 мл 65% HNO₃, 3 мл 37% HCl и 2 мл 48% HF. Затем их помещали в микроволновую печь. После 20 минут охлаждения на водяной бане при комнатной температуре, образцы фильтровали и переносили в 50 мл центрифужные пробирки с ультрачистой водой. Концентрации тяжелых металлов и минеральных элементов определяли с использованием оборудовании масс – спектрометрии с индуктивно связанной плазмой ICP-MC.

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

На ниже приведенных рисунках 1 - 3 представ­лены результаты анализа по содержанию Ca, Cu, K, Mg и Ni у растений вида A.millefolium L. Концен­трации элементов рассчитывались в миллиграммах на килограмм сухого вещества (мг/кг, СВ).

 

Рисунок 1. Содержание Ca в различных органах растении A. Millefolium

Как свидетельствуют полученные данные, представленные на рисунке 1, самая низкая концентрация кальция в листьях обнаружена на контрольной 1-станции (1254,990 мг/кг^-1) и самая высокая концентрация в 7-станции (11267,469 мг/кг^-1). В стеблях растений также самая низкая концентрация кальция наблюдалось в 1-станции (3824,783 мг.кг^-1) и самая высокая концентрация – в 5-станции (14726,181 мг/кг^-1). Корневая часть растений характеризуется низкой концентрацией данного элемента (1789,003 мг.кг^-1) в 1-станции и высокой концентрацией (7303,240 мг.кг^-1) в 5-станции (рис. 1). 

 

Рисунок 2. Концентрации Cu в различных органах растении A. Millefolium

Если рассмотреть уровень содержания меди в листьях, то можно заметить, что самая низкая концентрация данного элемента наблюдается у образцов 1-станции (5, 221 мг/кг^-1), а самая высокая концентрация – у образцов 4-станции (22, 360 мг.кг^-1). Концентрация данного элемента самая низкая в стеблях образца 1-станции (5, 008 мг.кг^-1) и самая высокая в стеблях образца 5-станции (9,07 мг.кг^-1). В корневых частях растений концентрация меди была низкой у образцов 2-станции (1,179 мг.кг^-1) и высокой у образцов 5-станции (7,185 мг.кг^-1). Концентрация Cu в растениях из незагрязненных регионов разных стран колеблется от 1 до 10 мг/кг сухой массы [1]. По данным М.Я. Школьника [7] в зависимости от природных условий среднее содержание меди в растениях находится в пределах 6,3-8,7 мг/кг сухого вещества.

 

Рисунок 3. Концентрации K в различных органах растении A. Millefolium

Самая низкая концентрация калия обнаружены в листьях 4-й станции (4460,769 мг.кг^-1), а самая высокая концентрация в образцах 3-станции (10098,098 мг.кг^-1). Низкое содержание калия в стеблевой и корневой части растений наблюдалось в образцах 1- и 7-станции (846,997 мг.кг^-1 и 543,065 мг.кг^-1), а высокое содержание – в 1- и 7-станциях (19523,417 мг.кг^-1 и 11384,083 мг.кг^-1 соответственно). 

 

Рисунок 4. Концентрации Mg в различных органах растении A. Millefolium 

По данным представленным в рис.4 видно, что, самый низкий уровень магния наблюдается в листьях образца 1-станции (988, 088 мг.кг^-1), а высокий уровень – у образцов 2 - станции (3452,997 мг.кг^-1). В стеблях самая низкая концентрация наблюдалась на 6-станции (303,046 мг.кг^-1), а самый высокая концентрация на 2-станции (764,044 мг.кг^-1). Установлено, что, в корневых частях растений содержание магния самая низкая (от 101,951 мг.кг^-1 до 233,043 мг.кг^-1). 

 

Рисунок 5. Концентрации Mg в различных органах растении A. Millefolium 

Как видно из данных рис.5. в образцах растений собранных из 1- и 2-станции, концентрация никеля оказалось самой низкой (от 0,7 мг/кг^-1 до 1,6 мг/кг^-1). Самая высокая концентрация данного элемента обнаружены в образцах 5-станции (от 7,6 мг/кг^-1 до 9,47 мг/кг^-1)

 

Рисунок 6. Концентрации элементов Ca, Cu, K, Mg и Ni в почвах, произрастающих A. millefolium

Кальций является основным макроэлементом. По результатам исследований самая низкая концентрация кальция обнаружена в листьях образца 1-станции (1254,990 мг/кг^-1) а самая высокая концентрация в стеблях растений 5-станции (14726,181 мг/кг^-1). В почве самая низкая концентрация кальция была обнаружена на 3-ой станции (15063,868 мг/кг^-1) и самая высокая концентрация на 7-ой станции (46465,531 мг/кг^-1) (рис. 6). По данным некоторых исследователей среднее содержание кальция, в почвах составляет 10000-50000 мг. кг^-1, а в растениях 200-30000 мг. кг^-1 [21]. Результаты наших исследований показывают, что концентрация кальция в органах растений A. Millefolium и в почве на станциях за пределами города (1-, 2- и 3-станции) за переделами города находиться в нормальных пределах, но наблюдается увеличение концентрации данного элемента в станциях находящихся в черте города (с 4- по 7-станции).

По нашим исследованиям концентрация меди была самой низкой в корневой части у образцов 2-станции (1,179 мг.кг^-1) и самой высокой на листьях у образцов 4-станции (22, 360 мг.кг^-1). Самая низкая концентрация меди была в почвах 7-станции (74,443 мг/кг^-1), а самая высокая концентрация - в 5-станции (107 381 мг/кг^-1 СВ) (рис. 6). В норме среднее содержание меди в почве должно составлять в среднем 10-40 мг/кг^-1, а в растениях 25-75 мг/кг^-1 [20]. Таким образом, содержание меди в органах у растении A. Millefolium колеблется в пределах нормы, за исключением у образцов 4-станции, где обнаружено увеличение концентрации данного элемента. Видимо, это объясняется тем, что этот район сбора образцов является экологически неблагополучным. В образцах почв во всех случаях концентрация меди оказалась выше нормы.

Как показывают результаты, самая низкая концентрация калия обнаружены корневой части образца 1-станции (543,065 мг.кг^-1), а высокое содержание – в стеблевой части образца 7-станции (19523,417 мг.кг^-1). В образцах почвы самая низкая концентрация калия наблюдается в 1-станции (5061,135 мг/кг^-1), а самая высокая концентрация на 6-станции (13645,647 мг/кг^-1) станции (рис 6). По литературным данным, содержание калия в почве должно составлять в пределах 5000-25000 мг/кг^-1 (в среднем 12000 мг/кг^-1), а в растениях этот показатель находится в пределах 10000-50000 мг/кг^-1 [28, c. 201, 211]. По нашим результатам, в станциях расположенных в центре города концентрация калия в листевой части растений оказалось ниже нормы. В стеблевых и корневых частях растений на 3- и 7-станции содержание калия находится в пределах нормы. Это может быть связано с высокой доступностью органического материала в этих районах. Причиной низкого содержания калия в растениях в других станциях, видимо, связано с антагонистической зависимостью от других элементов, особенно тяжелых металлов. В почвах, содержание калия было в пределах нормы на всех исследуемых станциях.

По нашим данным, самое низкая концентрация магния обнаружена в корневой части растений 1-станции (101,951 мг/кг^-1), а самая высокая на листьях растений 2-станции (3452,997 мг/кг^-1). В почве низкое содержание магния было обнаружено на 1-станции (16348,965 мг/кг^-1), а самая высокая - в 8-станции (26718,447 мг/кг^-1) (рис. 6). По некоторым литературным данным содержание магния в почве должно составлять в средном 300-8000 мг/кг^-1, а в растениях 1500-10000 мг/кг^-1 [13; 28] . Содержание магния в листьях оказалось ниже нормы даже на станциях, распложенных в центре города. Низкий уровень содержания магния на исследованных станциях, может быть вызван антагонистической зависимостью от других элементов, особенно тяжелых металлов. В почве же уровни содержания магния были выше нормальных пределов на всех станциях.

Как показывают результаты, самое низкое содержание никеля обнаружено у образцов 2-станции (0,688 мг/кг^-1, вымытый лист), а самое высокое содержание на 5-станции (9,470 мг/кг^-1, корень). В почве низкое содержание никеля обнаружено у образцов 1-станции (55,54 мг/кг^-1 СВ) и самое высокое содержание - в 7-станции (84,241) (рис. 6). В среднем содержание никеля в почве должно составлять 5-50, мг/кг^-1, а в растениях 0,2-10 мг/кг^-1 [13; 20]. Таким образом, уровни содержания никеля в надземных и подземных частях растений оказались в пределах нормы. В почве уровень никеля оказался выше нормы на всех станциях.

Причины увеличения содержания тяжелых металлов в растениях показаны в экспериментах других исследователей [25; 26; 33]. Еще одним из источников загрязнений окружающей среды тяжелыми металлами является сельское хозяйство, где применяются различные химические удобрения и препараты. Рост промышленных предприятий так же приводит к загрязнению окружающей среды с тяжелыми металлами [22; 23].

Проанализировав полученные данные, можно отметить, что в некоторых станциях содержание минеральных элементов в растениях оказались ниже нормального уровня, но, в целом, содержание минеральных элементов в растениях оценивается нормальным. Содержание тяжелых металлов в станциях, расположенных в центре города превышают свой лимит от нормы, даже становятся токсичными. Загрязнение городской среды обуславливается деятельностью промышленности, увеличением и активным движением автотранспорта.