Ecological state assessment of recreational areas in Nizhny Novgorod on heavy metal soil pollution and bioindication indicators of Betula pendula Roth leaves

Full Text

Введение

Транспортные средства и промышленность (угледобывающая, металлургическая, химическая, энергетическая) являются основными источниками поступления тяжелых металлов в окружающую среду [1, с. 1–10; 2, с. 24], в том числе и на урбанизированных территориях. Тяжелые металлы, поступая в почву даже в небольших количествах, способны аккумулироваться и длительно сохраняться в ней, в частности связываясь с компонентами гумуса. Особенно прочно закрепляются на гумусовом барьере элементы-биофилы: медь и свинец [3, с. 284; 4, с. 102]. Так, период полуудаления свинца из почвы составляет 740–5900 лет, a для меди этот период равен 310–1500 лет [5, с. 32–33].

В условиях крупных городов, к которым относится и г. Нижний Новгород, отмечается превышение ПДК для тяжелых металлов не только в промышленных зонах и на придорожных территориях, но и в зонах рекреации (парках, скверах и др.) [6, с. 201], сохранение фитоценозов которых представляет собой важную проблему, поскольку напрямую связано с качеством жизни горожан.

По суммарному загрязнению почвы тяжелыми металлами (свинец, хром, никель, молибден, олово, ванадий, медь, цинк, кобальт, кадмий, ртуть) большая часть территории г. Нижнего Новгорода относится к категории допустимого загрязнения, около 30% характеризуется умеренно опасным, около 10% – опасным загрязнением почвенного покрова; на отдельных участках (~3%) обнаружено чрезвычайно опасное загрязнение почвы тяжелыми металлами. При этом соотношение почв с разным уровнем загрязнения данными поллютантами в заречных и нагорных районах города существенно различается. В нагорной части г. Нижнего Новгорода преобладают допустимые уровни загрязнения почв, в заречной части – допустимые, а также умеренно опасно загрязненные. Кроме того, присутствуют достаточно большие территории с очень опасным уровнем загрязнения. В нагорной же части города обнаружено больше локальных участков чрезвычайно опасного загрязнения [6, с. 155].

ООПТ (памятники природы) «Малиновая гряда» и «Щелоковский хутор», а также парки «Дубки» и «Швейцария» относятся к важнейшим зонам рекреации жителей г. Нижнего Новгорода. В то же время оценка экологического состояния данных территорий не проводилась.

Целью исследования являлась оценка состояния рекреационных зон г. Нижнего Новгорода по содержанию тяжелых металлов в почве и значениям биоиндикационных показателей листа B. pendula.

Материалы и методика исследований

Объектами исследования являлись почва и листья B. pendula в 4 рекреационных зонах города, расположенных в нагорных районах: ООПТ (памятники природы) – «Малиновая гряда» и «Щелоковский хутор», парки – «Дубки» и «Швейцария».

В целях оценки состояния природных комплексов рекреационных зон г. Нижнего Новгорода проведены экологические исследования на территории двух ООПТ – «Малиновая гряда» и «Щелоковский хутор», а также в двух парках «Дубки» и «Швейцария». В качестве условно-контрольного рассматривался лесопарк «Щелоковский хутор», удаленный от источников загрязнения. «Щелоковский хутор» – это естественный массив широколиственного леса у юго-восточной границы города Нижнего Новгорода [6, с. 101], поэтому валовое содержание тяжелых металлов в почве данной рекреационной зоны было принято за фоновый уровень.

Определение валового содержания тяжелых металлов в почве (медь, кобальт, никель, свинец, цинк, марганец, кадмий, хром, железо, ртуть) было проведено в лаборатории физико-химических методов анализа ЦМС ФГБУ «Верхне-Волжское УГМС» с использованием атомно-абсорбционного спектрофотометра «Квант-2АТ», определение содержания ртути осуществлялось методом атомной абсорбции в холодном паре с помощью «УКР-1 МЦ». Определение pH проведено с использованием pH-метра «Hanna pH-211».

Качество аналитической работы по определению тяжелых металлов в пробах почвы оценивалось по результатам внешнего (пяти контрольных образцов в пяти повторностях) и внутрилабораторного контроля. Внутрилабораторный контроль состоял из статистического контроля точности и контроля воспроизводимости полученных результатов (РД 52.18.718-2008).

Значения фоновых массовых долей тяжелых металлов использованы для оценки опасности загрязнения почвы комплексом металлов по суммарному показателю загрязнения Zф согласно МУ 2.1.7.730-99 [7, с. 10–11] и СанПиН 2.1.7.1287-03 [8, с. 32], который рассчитан по формуле:

$Z_{ф}=\sum _{i=1}^n{K}_{фi}-(n-1),$

где n – количество определяемых металлов, K_фᵢ – коэффициент концентрации металла, равный отношению массовой доли i-гo металла в почве загрязнённой территории к его фоновой массовой доле.

Известно, что тяжелые металлы приводят к снижению уровня содержания фотосинтетических пигментов в листе растений [9, с. 179; 10, с. 29]. Содержание хлорофиллов и каротиноидов определяли, объединяя фрагменты 25–30 листьев, собранные с данного дерева, в одну пробу. В каждой рекреационной зоне, таким образом, оценивали содержание фотосинтетических пигментов у 10 деревьев (n = 10). Согласно общепринятой методике, для экстрагирования пигментов использовали 80% ацетон [11, с. 154–170].

Для оценки флуктуирующей асимметрии листа, являющейся биоиндикационным показателем [12, с. 1489; 13, с. 411; 14, с. 143; 15, с. 117], на каждом участке собирали по 10 листьев с каждого из 10 деревьев (n = 100) березы повислой (Betula pendula Roth). Листья сканировали, в программе Adobe Photoshop Portable измеряли стандартный набор из 5 промеров листа [16, с. 200–210]. Расчет интегрального показателя флуктуирующей асимметрии проводили, используя алгоритм нормированной разности [17, с. 404].

Результаты исследований и их обсуждение

Превышение нормативных показателей по валовому содержанию тяжелых металлов было отмечено в почвах только для никеля (в кратностях ПДК (ОДК)): в парке «Швейцария» в 1,3 раза, в ООПТ «Малиновая гряда» – в 2,3 раза. Превышения нормативных показателей по другим тяжелым металлам в обследованных рекреационных зонах не отмечено. В то же время в почвах изученных рекреационных территорий по сравнению с фоновым уровнем (ООПТ «Щелоковский хутор») в большинстве случаев отмечалось статистически значимое существенное увеличение уровня многих изученных тяжелых металлов, за исключением свинца, ртути и кадмия (табл. 1), что указывает на поступление данных поллютантов в зоны отдыха от близко расположенных автодорог. Следует отметить, что сходная ситуация с загрязнением почвы тяжелыми металлами была описана ранее и в других парках города. Авторы также продемонстрировали превышение нормативов только для отдельных тяжелых металлов и накопление данных поллютантов в почвах рекреационных зон по сравнению с фоновым уровнем [18, c. 191; 19, с. 109].

Наиболее загрязненными тяжелыми металлами по показателю Zф в соответствии с МУ 2.1.7.730-99 оказались почвы с категорией загрязнения – умеренно опасные: в ООПТ «Малиновая гряда» и в парке «Дубки» (табл. 2). В других обследованных рекреационных зонах категория загрязнения почв тяжелыми металлами характеризуется как допустимая.

Величины интегрального показателя флуктуирующей асимметрии статистически значимо не различались на загрязненных и контрольном участках (табл. 3). В то же время на двух наиболее загрязненных участках (парк «Дубки» и ООПТ «Малиновая гряда») отмечалось снижение содержания хлорофиллов в листьях березы относительно контрольного уровня (табл. 3), что характерно для токсического действия тяжелых металлов на фотосинтетический аппарат растений [20, с. 683; 9, с. 179; 10, с. 29], способных вызывать деградацию хлорофиллов и нарушать их биосинтез [21, с. 33]. Согласно балльной шкале В.М. Захарова с соавторами [16, с. 302], качество среды, оцененное по интегральному показателю флуктуирующей асимметрии листьев березы, на территории ООПТ «Щелоковский хутор» и парка «Дубки» соответствовало 2 баллам (незначительное отклонение от нормы), на территории парка «Швейцария» – 3 баллам (среднее отклонение от нормы), а на ООПТ «Малиновая гряда» – 4 баллам (существенное отклонение от нормы). Нарушение стабильности развития листа и, как следствие этого, возрастание флуктуирующей асимметрии у различных видов растений при воздействии тяжелых металлов описано разными авторами [22, с. 189; 23, с. 471].

Таким образом, нами установлено, что в парке «Дубки» и ООПТ «Малиновая гряда» наблюдается выраженное отклонение состояния окружающей среды от условной нормы как по суммарному показателю (Zф) загрязнения почв тяжелыми металлами, так и по биоиндикационным параметрам листа березы повислой (флуктуирующей асимметрии и уровню содержания хлорофиллов а и b в листьях), а на территории парка «Швейцария» отмечается нарушение стабильности развития листьев березы, несмотря на допустимое значение суммарного показателя загрязнения почвы. Возможно, это обусловлено превышением нормативов содержания никеля в почве данного участка или воздействием других антропогенных факторов среды. Источниками поступления тяжелых металлов в почвы данных рекреационных зон является автомобильный транспорт, поскольку указанные зоны, в отличие от условно-контрольной территории (ООПТ «Щелоковский хутор»), граничат с автомобильными дорогами с высокой интенсивностью потока автотранспорта.

 

Таблица 1 – Валовое содержание тяжелых металлов в почвах рекреационных зон г. Нижнего Новгорода

Рекреационная зона	Валовое содержание тяжелых металлов, мг/кг
	Cu	Co	Ni	Pb	Zn	Mn	Cd	Cr	Fe	Hg
ООПТ «Щелоковский хутор» (контроль, фоновый уровень)	16,2 ± ± 3,1	8,2 ± ± 1,8	23,1 ± ± 4,8	10,9 ± ± 2,1	31,0 ± ± 6,8	678,8 ± ± 126,8	0,5 ± ± 0,1	11,1 ± ± 2,1	1357,0 ± ± 255,8	0,02 ± ± 0,01
Парк «Швейцария»	36,7 ± ± 6,5*	10,5 ± ± 2,1	101,2 ± ± 20,8*	11,0 ± ± 1,8	67,5 ± ± 14,8*	1355,8 ± ± 208,8*	0,6 ± ± 0,1	31,5 ± ± 4,8*	5540,1 ± ± 488,8*	0,03 ± ± 0,01
Парк «Дубки»	30,3 ± ± 5,1*	8,0 ± ± 1,7	28,0 ± ± 5,8	10,5 ± ± 1,5	72,0 ± ± 12,8*	853,9 ± ± 169,8	0,7 ± ± 0,2	18,0 ± ± 3,8	2592,2 ± ± 302,8*	0,04 ± ± 0,01
ООПТ «Малиновая гряда»	44,2 ± ± 8,1*	14,1 ± ± 2,8*	202,1 ± ± 28,9*	10,8 ± ± 1,6	73,1 ± ± 13,9*	1428,1 ± ± 285,0*	0,5 ± ± 0,1	58,2 ± ± 12,8*	7106,5 ± ± 1022,5*	0,04 ± ± 0,01

Примечание. * – статистически значимое отличие от контрольного уровня (p < 0,05) (среднее ± ошибка).

 

Таблица 2 – Показатели состояния почв рекреационных зон г. Нижнего Новгорода

№ п/п	Место отбора пробы	Механический состав почв	pH	Zф	Категория загрязнения почв
1	ООПТ «Щелоковский хутор» (контроль)	средний суглинок	7,14	1,5	допустимая
2	Парк «Швейцария»	тяжелый суглинок	6,89	10,6	допустимая
3	Парк «Дубки»	тяжелый суглинок	6,24	16,7	умеренно опасная
4	ООПТ «Малиновая гряда»	средний суглинок	6,07	18,8	умеренно опасная

 

Таблица 3 – Показатели флуктуирующей асимметрии и содержания фотосинтетических пигментов в листьях B. pendula на территориях рекреационных зон г. Нижнего Новгорода

Рекреационная зона	Хлорофилл a, мг/г сырой массы листа	Хлорофилл b, мг/г сырой массы листа	Каротиноиды, мг/г сырой массы листа	Флуктуирующая асимметрия листа
ООПТ «Щелоковский хутор» (контроль)	1,959 ± 0,081	1,024 ± 0,057	0,301 ± 0,012	0,0443 ± 0,0019
Парк «Швейцария	1,743 ± 0,072	0,756 ± 0,042	0,300 ± 0,009	0,0490 ± 0,0022
Парк «Дубки»	1,570 ± 0,053*	0,623 ± 0,040*	0,297 ± 0,004	0,0415 ± 0,0018
ООПТ «Малиновая гряда»	1,712 ± 0,022	0,669 ± 0,023*	0,325 ± 0,040	0,0500 ± 0,024

Примечание. * – статистически значимое отличие от контрольного уровня (p < 0,05) (среднее ± ошибка).

 

Выводы

1. На территории условного контрольного участка (ООПТ «Щелоковский хутор») фоновое содержание изученных тяжелых металлов в почве и суммарный показатель загрязнения почвы тяжелыми металлами не превышали установленных нормативов. В парках «Дубки» и «Швейцария», а также ООПТ «Малиновая гряда» наблюдалось выраженное отклонение состояния окружающей среды от условной нормы (фонового уровня) по валовому содержанию тяжелых металлов в почвенном покрове и суммарному показателю загрязнения почв тяжелыми металлами. В то же время в данных рекреационных зонах только валовое содержание никеля в почве превышало установленные нормативы.
2. В парке «Дубки» и ООПТ «Малиновая гряда» выявлено снижение уровня хлорофиллов а и b в листьях B. pendula по сравнению с контрольными значениями, что могло быть обусловлено полиметаллическим загрязнением почвенного покрова.
3. Качество среды, оцененное по интегральному показателю флуктуирующей асимметрии листа B. pendula на территории ООПТ «Щелоковский хутор» и парка «Дубки», соответствовало 2 баллам (незначительное отклонение от нормы), на территории парка «Швейцария» – 3 баллам (среднее отклонение от нормы), а на ООПТ «Малиновая гряда» – 4 баллам (существенное отклонение от нормы), что указывает на высокую чувствительность стабильности развития листа B. pendula к превышению фоновых уровней изученных тяжелых металлов в почве даже в том случае, когда превышение фона остается в границах нормативов.

About the authors

Mikhail Vladimirovich Sidorenko

National Research Lobachevsky State University of Nizhny Novgorod

Email: eco_smv@mail.ru

candidate of biological sciences, associate professor of Ecology Department

Russian Federation, Nizhny Novgorod

Valentina Petrovna Yunina

National Research Lobachevsky State University of Nizhny Novgorod

Email: ecocenter_nngu@mail.ru

senior lecturer of Ecology Department

Russian Federation, Nizhny Novgorod

Elena Aleksandrovna Erofeeva

National Research Lobachevsky State University of Nizhny Novgorod

Email: ele77785674@yandex.ru

doctor of biological sciences, associate professor of Ecology Department

Russian Federation, Nizhny Novgorod

Aleksandr Borisovich Savinov

National Research Lobachevsky State University of Nizhny Novgorod

Email: sabcor@mail.ru

candidate of biological sciences, associate professor of Ecology Department

Russian Federation, Nizhny Novgorod

Maksim Dmitrievich Kuznetsov

National Research Lobachevsky State University of Nizhny Novgorod

Email: maxim2895@mail.ru

postgraduate student of Ecology Department

Russian Federation, Nizhny Novgorod

Denis Alekseevich Novozhilov

National Research Lobachevsky State University of Nizhny Novgorod

Author for correspondence.
Email: deninovozhilo@yandex.ru

postgraduate student of Ecology Department

Russian Federation, Nizhny Novgorod

References

Supplementary files