Накопление и распределение тяжелых металлов в травянистой растительности техногенных ландшафтов Нижнего Дона

• Автор: Чаплыгин, Виктор Анатольевич
• Шифр специальности: 03.02.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2015
• Место защиты: Ростов-на-Дону
• Количество страниц: 192 с. : ил.

Содержание
Введение

Глава 1. Обзор литературы

1.1. Понятие тяжелых металлов и их физиологическая роль

1.2. Содержание тяжелых металлов в растениях

1.3. Накопление тяжелых металлов растениями и механизмы устойчивости растений к загрязнению

1.4. Оценка накопления тяжелых металлов почвой и растениями

Глава 2. Объекты и методы исследований

2.1. Объект исследований

2.1.1. Физико-географические условия и почвы Нижнего Дона

2.1.2. Растения мониторинговых площадок
2.2. Методы исследований
2.2.1 Методика закладки мониторинговых площадок
2.2.2 Методы исследования образцов почв и растений
Глава 3. Тяжелые металлы в травянистых растениях территории, прилегающей к Новочеркасской ГРЭС
3.1. Результаты геоботанического исследования мониторинговых площадок за период 2008-2012 гг.
3.2. Содержание и динамика изменения концентраций тяжелых металлов в растениях мониторинговых площадок в течение
12 лет исследований
3.3 Показатели интенсивности поступления металлов в растения
Глава 4. Сравнение накопления и распределения тяжелых металлов в различных видах травянистых растений
4.1. Содержание тяжелых металлов в различных видах растений
4.2. Сравнение показателей накопления тяжелых металлов растениями 135 Выводы
Список сокращений
Список литературы
Приложения

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность исследований. Территория Нижнего Дона заслуживает особого внимания, поскольку данный регион страны является ведущим производителем сельскохозяйственной продукции и, вместе с тем, крупным промышленным центром. Такое тесное соседство сельского хозяйства и промышленности ведет к ряду экологических проблем, одной из которых является загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами (ТМ). ТМ являются одной из наиболее опасных категорий загрязняющих веществ. Попадая в растения из почвы и воздуха, они способны аккумулироваться в растительных тканях в большом количестве и по трофической цепочке переходить в организм животных, а затем и человека. Предприятия энергетической отрасли наряду с предприятиями металлургической, угле- и рудодобывающей промышленности являются активными источниками загрязнения природной среды ТМ. Так, 1% всех выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух в РФ приходится на филиал ОАО «ОГК-2» «Новочеркасская» ГРЭС (НчГРЭС), в Ростовской области - свыше 50%, на Новочеркасск - приходится порядка 99%. Негативные последствия выбросов предприятия, ведущие к накоплению металлов в растениях, могут отчетливо проявиться во времени. В связи с этим, важны результаты многолетних стационарных наблюдений за состоянием растений.
Важным вопросом является изучение особенностей поступления ТМ в растения и устойчивости растений к загрязнению ТМ. Под устойчивостью растений к загрязнению ТМ нами понимается способность растений препятствовать аккумуляции металлов в надземной части и генеративных органах (Чаплыгин и др., 2013). Аккумуляция металлов в растениях зависит от физиологических особенностей самого растения и содержания поллютантов в почвах. Для оценки миграционной способности ТМ требуются экспериментальные данные об их количественных взаимоотношениях в системе почва-растение. Эти данные будут способствовать научно-обоснованному решению вопроса о выборе культур для фиторемедиации загрязненных почв, особенно высокоплодородных, к которым в
первую очередь относятся черноземы, В этой связи ведется поиск растений-аккумуляторов, толерантных к высокому содержанию ТМ в надземной части (т.е. не испытывающими видимого отрицательного воздействия ТМ на рост и развитие растений).
Цель работы - изучение накопления и распределения РЬ, Сс1, Zn, Си, N1, Мп и Сг в наиболее распространенных видах дикорастущих травянистых растений зоны влияния НчГРЭС.
В задачи исследования входило:
1. Установить воздействие НчГРЭС на накопление ТМ в системе «почва-растение» по данным многолетних мониторинговых наблюдений.
2. Определить влияние техногенного загрязнения на видовой состав дикорастущих травянистых растений Нижнего Дона и различия в накоплении ТМ исследуемыми видами растений.
3. Выявить наиболее устойчивые к загрязнению ТМ виды дикорастущих травянистых растений, и виды, аккумулирующие ТМ в надземной части растений.
Научная новизна. Впервые выявлены виды дикорастущих травянистых растений Северного Приазовья, устойчивые к избыточному накоплению РЬ, Сб, Zn, Си, N1, Мп, Сг и виды, аккумулирующие ТМ в надземной части. Изучена динамика изменения содержания поллютантов в почвах и растениях зоны влияния НчГРЭС за период с 2000 по 2012 гг. Установлены источники и пути поступления ТМ в растения изучаемой территории. Отмечены изменения в видовом составе дикорастущих травянистых растений Нижнего Дона по данным многолетних мониторинговых наблюдений. Определены закономерности накопления и распределения различных химических элементов между надземной и корневой частью дикорастущих трав в зависимости от вида растения и степени техногенной нагрузки на территорию, подвижности металлов в почвах и свойств почв.
Практическая значимость. Расширены представления об устойчивости растений к накоплению ТМ. Предложено проводить оценку устойчивости видов растений к техногенному загрязнению ТМ по совокупности барьеров поступления поллютантов на границах почва-корневая система и корневая система-надземная

концентрация элементов в органах растения стремительно увеличивается, выравнивается в корнях и надземной части и растение погибает (Нестерова, 1989).
Количество генов, участвующих в регуляции металлоустойчивости неизвестно, однако принято считать, что их много, потому как нет заметной разницы между толерантностью самих растений и их гибридного потомства. Проведены исследования, показывающие довольно простую систему генетического наследования металлоустойчивости (Macnair, 1983). Результаты этих исследований подтверждают, что устойчивость к ТМ способна развиваться очень быстро (Bradshaw etc., 1965; Ernst, 1976).
Сопротивляемость растений токсическому воздействию ТМ при их повышенном содержании - толерантность, обуславливается как внешними (низкая подвижность катионов в прикорневой зоне, антагонизм ионов металлов), так и внутренними факторами (селективное поглощение ионов; пониженная проницаемость мембран; иммобилизация ионов в корнях и т.д.) (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989; Нестерова, 1989; Ильин, 1991; Панин, 1999). Таким образом, внутренние механизмы являются защитными свойствами растений, а внешние — связыванием металлов почвой (барьерные свойства почв). B.C. Барсукова (1997) относит к внешним механизмам и корневые выделения.
Металлоустойчивость растений обусловленна рядом механизмов, включающих выборочное поглощение ионов, их иммобилизацию, изменение метаболизма, выведение элементов из растения вымыванием из листьев, через корневые выделения, сбрасывание листьев и т.п. В общем, эти механизмы можно представить в виде следующих групп: 1) предотвращение попадания элементов в клетки; 2) внутриклеточные механизмы толерантности; 3) образование комплексов (Битюцкий, 1999). В детоксикации важную роль играет образование комплексов ТМ с низкомолекулярными белками - металлотионеинами, имеющими низкую молекулярную массу (от 10 до 70 кДа) и высокое содержание аминокислоты цистеина (до 30 %) (Prasad, 1999). Некоторые исследователи выделяют
фитохелатины (Серегин, 2001; Steffens, 1990), связывающие ионы ТМ в тиолатные