Peculiarities of heavy metals accumulation by dooryard plantain’s leaves (Plantago major L.) in the urbanized territories

Full Text

Введение

Актуальной проблемой современности является накопление загрязняющих веществ в различных компонентах окружающей среды. Основными источниками тяжелых металлов в почве являются транспорт и промышленность. Поступая в почву, тяжелые металлы способны мигрировать с током воды в растения и аккумулироваться в них. Особую опасность создает накопление тяжелых металлов в лекарственных растениях. Расширение площади городских территорий, низкая экологическая грамотность населения являются предпосылками сбора лекарственного сырья населением для применения в домашних условиях в черте города, в связи с чем практическую значимость приобретает оценка содержания тяжелых металлов в фитомассе и изучение способности к их накоплению у различных растений.

Аккумулирующая способность лекарственных растений по отношению к тяжелым металлам изучалась различными авторами. Установлено, что поглощение тяжелых металлов лекарственными растениями происходит избирательно [1–3]. Так, листья подорожника большого обладают высокой способностью накапливать из почвы ионы кадмия, меди, цинка, хрома и кобальта, в то время как трава горца птичьего характеризуется незначительной концентрирующей способностью [4; 5]. Среднее содержание тяжелых металлов в надземной части растений тысячелистника обыкновенного убывает в ряду: Fe>Mn>Zn>Cu>Pb>Ni>Cd>Со [6]. В траве горца птичьего и пижмы обыкновенной биотопов Казани наиболее интенсивно накапливались Zn, Cu и Cr. Горец птичий характеризуется хорошей аккумулирующей способностью по отношению к железу, никелю и хрому, а пижма обыкновенная – к меди [7]. Накопление ртути в лекарственных растениях происходит только при техногенном воздействии [8]. Вегетативные органы растений поглощают тяжелые металлы с различной интенсивностью. Так, в стеблях тысячелистника в меньшей степени накапливаются соединения меди, никеля и свинца, в листьях – цинка. В то же время высокая концентрация цинка характерна для соцветий [9].

Целью представленной работы явилось изучение особенностей накопления тяжелых металлов листьями подорожника большого Plantago major L., произрастающего в урбанизированных условиях с разной степенью техногенного загрязнения почв.

Цинк, свинец, кадмий являются приоритетными загрязнителями урбаноземов г. Курска и его окрестностей [10]. Несмотря на их различную биологическую значимость для живых организмов, данные тяжелые металлы по степени опасности для контроля загрязнения и прогноза состоянии почв относятся к 1 классу (высокоопасные) [11]. Содержание подвижных форм тяжелых металлов в почве и листьях подорожника большого P. major изучали на участках г. Курска и его окрестностей с разной степенью техногенного воздействия (рис. 1).

 

Рисунок 1 – Точки отбора образцов почвы и растительного материала:

1 – окрестности г. Курска (вблизи лесного массива, контроль);

2 – парк Героев Гражданской войны (рекреационная зона);

3 – парк КЗТЗ (рекреационная зона);

4 – пос. Аккумулятор (промышленная зона)

 

Методика исследований

Отбор образцов почвы на каждом участке осуществляли в нескольких точках на глубину 10 см, исходя из того, что в данном горизонте располагается корневая система подорожника большого P. major и происходит преимущественное накопление загрязнителей. Путем смешивания единичных проб почвы, отобранных в разных точках пробной площадки, составляли единую пробу, которую использовали для анализа [12; 13]. Подорожник большой P. major является доминирующим видом в естественном растительном сообществе (участок 1), так и в урбанизированных фитоценозах (участки 2–4). Листья данного растения являются лекарственным сырьем и могут использоваться населением. Подорожник большой P. major характеризуется высокими пороговыми концентрациями и обладает значительной аккумулирующей способностью по отношению к тяжелым металлам [5], что является предпосылкой для проведения анализа.

Растительные образцы получали путем сбора листовых пластинок по одной от каждого растения (n = 25) в июле с последующим их высушиванием и измельчением. Содержание цинка, свинца и кадмия в почвенных и растительных образцах определяли атомно-адсорбционным методом с использованием анализатора «Спектр-5» [14; 15].

Для оценки общего уровня загрязнения почв использовали индекс суммарной токсичной нагрузки S_i [16].

В настоящее время отсутствуют нормативные документы, регламентирующие содержание тяжелых металлов в лекарственном сырье, что создает определенные трудности при оценке его экологической безопасности. Различными авторами применяются ПДК для биологически активных веществ к пище на растительной основе [4], для кормов сельскохозяйственных животных [6]. Для оценки содержания в листьях подорожника большого P. major кадмия и свинца руководствовались ОФС 1.5.3.0009.15 Определение содержания тяжелых металлов и мышьяка в лекарственном растительном сырье и лекарственных растительных препаратах [14], цинка – требованиями СанПин 2.3.2.1078–01 Продовольственное сырье и пищевые продукты. Гигиенические требования безопасности и пищевой ценности пищевых продуктов к БАВ к пище на растительной основе [17].

Взаимосвязь между содержанием подвижных форм цинка, кадмия и свинца в почве и их количеством в листьях подорожника большого P. major оценивали с помощью непараметрического коэффициента ранговой корреляции Спирмена [18, с. 238–244]. Статистически значимые показатели ранговой корреляции свидетельствуют о преимущественном поступлении тяжелых металлов в растения из почвы. Слабая корреляционная зависимость между содержанием веществ в почве и растительных образцах говорит о поступлении загрязнителей через устьичный аппарат растений [4].

Результаты исследования и их обсуждение

Анализ содержания подвижных форм тяжелых металлов в почвах исследуемых участков показал (табл. 1), что концентрация цинка варьирует от 2,54 мг/кг (парк Героев Гражданской войны) до 19,77 мг/кг (парк КЗТЗ); концентрация свинца – от 2,45 мг/кг (парк Героев Гражданской войны) до 302,90 мг/кг (пос. Аккумулятор); концентрация кадмия – от 0,09 мг/кг (парк КЗТЗ) до 12,29 мг/кг (пос. Аккумулятор).

Сравнение содержания подвижных форм цинка, кадмия и свинца с гигиеническими нормативами [19] выявило превышение для свинца в почвах парка КЗТЗ и в промышленной зоне, что, возможно, связано с расположением участков вблизи автомагистралей в промышленной части города. Незначительное отклонение от регионального фона отмечено для кадмия на территории парка Героев Гражданской войны, значительное загрязнение почв наблюдается в промышленной зоне (участок 4). Концентрация подвижных форм цинка в почвах всех исследуемых участков соответствует допустимым значениям. Учитывая неоднозначное загрязнение почв тяжелыми металлами был рассчитан индекс суммарной токсичной нагрузки (S_i) на почвы изучаемых территорий и проведено их ранжирование по степени возрастания показателя: окрестности г. Курска (контроль) (1,0 отн. ед.) < парк Героев Гражданской войны (1,28 отн. ед) < парк КЗТЗ (3,89 отн. ед) < пос. Аккумулятор (79,03 отн. ед).

В результате анализа содержания тяжелых металлов в листьях подорожника большого P. major установлено, что экологически безопасным является растительный материал, собранный в лесном массиве и в парковой зоне центральной части города (парк Героев Гражданской войны). В фитомассе подорожника большого P. major пос. Аккумулятор накапливается значительное количество свинца (20,47 ПДК) и отмечается небольшое превышение нормативов для цинка (1,05 ПДК). В растениях, произрастающих в парке КЗТЗ, зафиксировано максимальное количество цинка по сравнению с другими участками (табл. 1).

 

Таблица 1 – Содержание подвижных форм тяжелых металлов в почвах исследуемых участков и листьях подорожника большого P. major

Участок	Содержание тяжелых металлов, мг/кг
	Pb²⁺	Cd²⁺	Zn²⁺
Окрестности г. Курска (контроль)	2,98	0,10	3,06
	0,89±0,09	0,12±0,01	41,54±5,15
Парк КЗТЗ	12,68*	0,09	19,77
	1,55±0,16	0,11±0,01	73,14±7,31*
Парк Героев Гражданской войны	2,45	0,22*	2,54
	3,61±0,36	0,13±0,01	41,27±9,17
Район завода «Аккумулятор»	302,90*	12,29*	18,58
	122,87±12,29*	0,87±0,09	52,73±5,27*
ПДК	6	0,2	23
	6	1	50

Примечание. Верхняя строка – содержание тяжелых металлов в почве, нижняя строка – содержание тяжелых металлов в листьях растений; * – превышение допустимых нормативов.

 

Особенности аккумулирующей способности листьев подорожника большого P. major по отношению к цинку, кадмию и свинцу отражает коэффициент накопления (К_Н) (табл. 2), который представляет собой отношение содержания вещества в растении к концентрации его подвижной формы в почве. Значения К_Н <1 свидетельствуют о наличии корневого барьера при транслокации тяжелого металла в растительный организм. При К_Н > 1 происходит беспрепятственное поступление токсикантов [5].

 

Таблица 2 – Коэффициенты накопления тяжелых металлов листьями подорожника большого P. major в зависимости от уровня суммарной токсической нагрузки на почвы

Участок	Индекс суммарной токсической нагрузки Si, отн. ед	Коэффициент накопления КН тяжелых металлов
		Pb²⁺	Cd²⁺	Zn²⁺
Окрестности г. Курска (контроль)	1,00	0,30	1,20	13,58
Парк Героев Гражданской войны	1,28	1,47	0,59	16,24
Парк КЗТЗ	3,89	0,12	1,22	3,70
Район завода «Аккумулятор»	79,03	0,41	0,07	2,84

 

При увеличении содержания подвижной формы происходит снижение коэффициента накопления, что свидетельствует о включении механизмов, ограничивающих поступление тяжелых металлов в надземную часть растений. Однако высокие концентрации металла в почве приводят к нарушению барьерной функции, что сопровождается возрастанием его миграции в ткани растения и увеличению К_Н [5; 20]. Анализ аккумулирующей способности свинца листьями подорожника большого показал, что в условиях низкого содержания металла в почве контрольного участка происходит его незначительное накопление в листьях (К_Н = 0,30) в силу низкой биофильности и наличия барьеров на этапах поступления почва – растение, подземная часть растения – надземная часть растения. Однако при сопоставимом количестве свинца в почвах парка Героев Гражданской войны значительно возрастает его накопление в листьях подорожника большого P. major (К_Н = 1,47), что, возможно, связано с дополнительным поступлением через листовую поверхность. На участке, характеризующемся превышением нормативов содержания свинца в почве в 2 раза (парк КЗТЗ), отмечается снижение коэффициента накопления (К_Н = 0,12). При возрастании загрязнения почв свинцом (пос. Аккумулятор) наблюдается рост коэффициента накопления (0,41) по сравнению с контролем, что, возможно, связано с нарушением клеточных барьерных механизмов. Аккумуляция ионов кадмия в листьях подорожника большого P. major снижается при увеличении содержания его подвижных форм в почве. При этом в условиях существенного загрязнения почв данным металлом он практически не накапливается в листьях, однако при допустимых концентрациях в почве отмечается отсутствие корневых барьеров и усиление транслокации в надземную часть растений. Кадмий и свинец не относятся к биогенным элементам для растений. Сравнение коэффициентов накопления этих металлов для растений контрольного участка показывает, что кадмий легче поглощается листьями подорожника большого P. major по сравнению со свинцом. Это может быть связано с тем, что из окружающей среды ионы кадмия попадают в клетку через переносчики железа или цинка, относящиеся к ZIP семейству, а также через кальциевые каналы. В ксилемном транспорте из корневой системы в надземную часть растения участвуют как для цинка, так и для кадмия белки НМА2 и НМА4 семейства АТФаз тяжелых металлов. Семейство белков CDF также играет роль в транспорте как цинка, так и кадмия [21]. При изучении аккумулирующей способности листьев подорожника большого P. major по отношению к цинку установлено, что цинк, являясь биофильным элементом, может значительно накапливаться в надземной фитомассе ввиду отсутствия барьерных систем. Однако возрастание количества подвижных форм цинка в почве приводит к ограничению его поступления в листья растения. Анализ значений коэффициента накопления свидетельствует о значительной способности листьев подорожника большого P. major накапливать цинк, в меньшей степени кадмий и свинец. Коэффициент накопления отражает степень биофильности тяжелого металла [6]. Таким образом, поступление из почвы тяжелых металлов в растения зависит не только от содержания подвижных форм, но и от биологической значимости иона для организма.

Корреляционный анализ с помощью непараметрического коэффициента ранговой корреляции Спирмена между содержанием подвижных форм цинка, кадмия и свинца в почве и их количеством в листьях подорожника большого P. major выявил, что концентрация цинка и кадмия в листьях подорожника большого P. major определяется количеством в почве их подвижных форм (P = 1). Коэффициент ранговой корреляции для свинца, равный 0,4 при статистически значимом показателе 0,94, свидетельствует о поступлении свинца в листья как путем миграции через корневую систему, так и посредством диффузии через устьичный аппарат.

Выводы

Листья подорожника большого P. major обладают хорошей аккумулирующей способностью по отношению к цинку, в меньшей степени к кадмию. Источниками ионов свинца в листовых пластинках могут быть как почвенные ионы, так и атмосферные загрязнители. Увеличение содержания подвижных форм тяжелых металлов в почве до определенных концентраций приводит к снижению коэффициента накопления. Однако значительные загрязнения почвы тяжелыми металлами способствуют беспрепятственной миграции в надземную часть и аккумулированию токсикантов в больших количествах. Использование листьев подорожника большого P. major для заготовки лекарственного сырья экологически безопасно только в окрестностях г. Курска. В рекреационных зонах в черте города существует риск накопления тяжелых металлов выше допустимых значений. Лекарственные растения, собранные в промышленной зоне города, создают угрозу здоровью.

About the authors

Lyudmila Alexandrovna Babkina

Kursk State University

Email: l-babkina@yandex.ru

candidate of biological sciences, associate professor of General Biology and Ecology Department

Russian Federation, Kursk

Dmitry Sergeevich Lukyanchikov

Kursk State University

Email: lds.1994@mail.ru

master student of General Biology and Ecology Department

Russian Federation, Kursk

Oksana Vladimirovna Lukyanchikova

Kursk State University

Author for correspondence.
Email: oksanalukianchikova@mail.ru

candidate of biological sciences, associate professor of General Biology and Ecology Department

Russian Federation, Kursk

References

Supplementary files