Исследование сорбции тяжелых металлов наземными экосистемами на участках города Чита с различной антропогенной нагрузкой

Введение. Одной из актуальных проблем современной экологии является загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами. Эти вещества [1] относятся к первому и второму классам опасности, так как оказывают серьезное негативное воздействие на биологические процессы в экосистемах [2]. Кроме того, тяжелые металлы способны накапливаться в живых организмах, почве и водоемах [3]. Попадая в организм человека через желудочно-кишечный тракт, дыхательные пути или кожу в малых дозах эти вещества незаметны, так как лишены вкуса, запаха и цвета. Однако их способность накапливаться [4] годами в костях, печени или мозге человека может вызывать тяжелые заболевания, такие как неврологические расстройства и онкологию. В последнее время в научной литературе наблюдается возрастание интереса к теме аккумуляции тяжелых металлов [5] растениями урбоэкосистем [6]. Автор [7] в своей работе проводит сравнительный анализ накопления тяжелых металлов в листьях, корне и коре караганы древовидной (Caragana arborescens) в условиях антропогенного воздействия на территории Забайкальского края. Исследования другого автора показывают [8], что в урбанизированных ландшафтах, особенно вблизи автомагистралей, кора сосны аккумулирует значительные концентрации свинца, кадмия, цинка и меди, выполняя роль своеобразного «депо» для этих загрязнителей. Поскольку город Чита характеризуется горно-котловинным расположением и высоким уровнем загрязнения воздуха, а сосна обыкновенная круглогодично выполняет функцию аккумуляции загрязнителей, оседающих на её хвое и коре, исследование накопления тяжелых металлов в хвойных деревьях для климатических условий Забайкальского края остается недостаточно изученным, что делает данную работу особенно актуальной.

Установлено [9], что место произрастания в значительной степени влияет на количественное содержание тяжелых металлов в растениях. Основными источниками попадания тяжелых металлов в окружающую среду в Забайкальском крае являются промышленность, автотранспортные выбросы, а также частный сектор, использующий уголь для печного отопления. Проблема загрязнения атмосферного воздуха в Забайкальском крае стоит особенно остро, так как город Чита уже несколько лет подряд входит в число городов с наиболее высоким уровнем загрязнения воздушной среды. Эта проблема усугубляется природно-климатическими условиями и горно-котловинным расположением города. Зимой над территорией Забайкальского края господствует сибирский антициклон, для которого характерны низкая температура и отсутствие переноса воздушных масс. В результате над городом Чита возникает температурная инверсия, препятствующая нормальному рассеиванию выбросов. Поэтому мониторинг состояния атмосферного воздуха по приоритетным загрязняющим веществам является необходимым во многих городах [10].

Сосна обыкновенная (Pínus sylvéstris) представляет значительный интерес в контексте фиторемедиации городских территорий, загрязненных тяжелыми металлами, благодаря ряду уникальных адаптационных механизмов и высокой устойчивости к неблагоприятным экологическим условиям. Будучи вечнозеленым хвойным видом, она круглогодично выполняет функцию аккумуляции загрязнителей [11], особенно эффективно улавливая металлосодержащие аэрозоли и пылевые частицы, оседающие на поверхности хвои.

Кора сосны обыкновенной выступает уникальным биологическим фильтром, играющим значительную роль в накоплении тяжелых металлов в условиях городской среды. В отличие от других тканей дерева, кора обладает выраженной сорбционной способностью благодаря своей пористой структуре, высокому содержанию лигнина и присутствию фенольных соединений, которые активно связывают ионы металлов. Механизм накопления металлов в коре имеет комплексный характер. Первичное осаждение происходит благодаря прямому контакту с атмосферными выбросами — частицами износа шин, тормозных колодок и дорожного покрытия, которые оседают на шероховатой поверхности коры. Вторичное накопление связано с процессами коровой диффузии, когда растворимые формы металлов проникают в наружные слои коры вместе с дождевой влагой или конденсатом, фиксируясь в клеточных стенках благодаря хелатированию органическими кислотами и дубильными веществами.

Таким образом, целью данной работы является установление характера зависимости сорбции тяжелых металлов сосной обыкновенной от степени загрязнения среды произрастания в условиях резко континентального климата и горно-котловинного расположения города Чита Забайкальского края.

Материалы и методы. В качестве объекта исследования была использована кора сосны обыкновенной и образцы почвы, взятые на семи участках города Читы, которые различаются уровнем антропогенной нагрузки (рис. 1): участок № 1 — парк Пионеров (ул. Журавлёва); участок № 2 — парк Памяти (ул. Петровско-Заводская); участок № 3 — стадион СибВО (ул. Кайдаловская); участок № 4 — Батарейная сопка; участок № 5 — Сосновый бор; участок № 6 — Объездное шоссе; участок № 7 — ул. Гранитная.

Отбор материала осуществлялся в течение сезонов с весны 2024 года по зиму 2025 года. Пробы коры отбирались с 10–12 деревьев на каждой точке отбора. Верхний сухой слой отбрасывался, после чего находившийся под ним свежий слой аккуратно срезался ножом. Образцы почвы отбирали на расстоянии 1,5 метра от деревьев на глубине 10 см под поверхностью.

Пробы подвергались квартованию, сушке и измельчению до мелкозернистого состояния, после чего кора и почва обрабатывались термически в муфельной печи при 600 °С. Обожжённую почву и золу коры сосны обыкновенной исследовали по методикам, принятым в химии древесины [12], используя спектрометрический метод на атомно-абсорбционном спектрометре Shimadzu AA–6200. Подготовка проб для анализа на атомно-абсорбционном спектрометре включала взятие навески 5,00 г, её помещение в коническую колбу, смачивание водой и добавление 15 мл соляной химически чистой кислоты. Затем смесь кипятили в течение 2–3 минут, добавляли 5 мл 2М азотной химически чистой кислоты и доводили содержимое колбы до состояния сухих солей. После этого колбы снимали с плиты, добавляли 30 мл 5М соляной кислоты 1:1 и снова кипятили до получения сухих солей, затем снова добавляли HCl 1:1 и кипятили в течение 3 минут. Колбы оставляли остывать до комнатной температуры, затем доводили объем раствора до 200 мл и фильтровали через фильтры синяя лента. Получившийся фильтрат анализировали на приборах Shimadzu AA-6200 и Agilent 240 FS AA. Данные обрабатывались и заносились в таблицы, затем строились диаграммы с указанием ПДК в почве (ГН 2.1.7.2041–06). Кислотность определяли потенциометрическим методом в хлоридной вытяжке, используя 1М раствор KCl (pH = 6,0), а также стандартные буферные растворы (pH 4,01; 6,86; 9,18) для калибровки прибора. Суспензию готовили, добавляя к 30 г почвы 75 мл экстрагента, перемешивали в течение минуты и измеряли pH после стабилизации показаний. Параллельно проводили контрольный эксперимент без образца почвы.

Результаты исследования. В ходе работы была проведена оценка влажности и зольности коры сосны обыкновенной, а также влажности почвы. Повышение уровня влажности приводит к увеличению подвижности тяжелых металлов в почве и, как следствие, увеличивает их биологическую доступность для растений (таблицы 1–3).

Анализ полученных данных о влажности и зольности коры сосны показал, что в среднем она характеризуется низкой влажностью на всех участках, за исключением Батарейной сопки и ул. Гранитная. Это может быть обусловлено тем, что указанные участки расположены на некотором удалении от города, что позволяет им получать больше влаги и в меньшей степени терять её под воздействием солнечных лучей. Влажность немного увеличивается в течение года от зимы к осени, в то время как зольность находится примерно на одном уровне на протяжении всего года. Хотя зольность коры непосредственно не способна оказывать влияние на накопление тяжелых металлов, она может воздействовать на этот процесс косвенно, например, через соотношение органических и неорганических веществ в коре, что, в свою очередь, влияет на накопление тяжелых металлов растением [13].

Согласно полученным данным, влажность почвы на данных участках имеет низкие показатели и совсем немного возрастает в летне-осенний период.

Также важным фактором сорбции тяжелых металлов из почвы является её кислотность. В исследуемом регионе наиболее распространены подзолистые почвы. Их тип предварительно оценивался по морфологическим признакам, таким как цвет и структура, что позволило выделить генетические горизонты. Анализируемые образцы отличались серо-коричневым цветом и наличием мелких агрегатов, что характерно для дерново-подзолистых почв с диапазоном pH 4–7.

Полученные данные представлены в таблице 4.

Проведённые исследования почвенного покрова Читы позволили выявить ряд интересных закономерностей. Особую озабоченность вызывают данные по следующим территориям — Батарейной сопке и Сосновому бору. Здесь зафиксированы аномально низкие значения pH, что для хвойных массивов выглядит особенно неожиданно. Анализ розы ветров и расположения промышленных объектов свидетельствует о том, что эти, казалось бы, естественные экосистемы фактически стали аккумуляторами техногенных загрязнений, поступающих от ТЭЦ, котельных и оживлённых автомагистралей. Стадион СибВО и Объездное шоссе показывают благополучные показатели. Для этих территорий характерны показатели кислотности в диапазоне 6,3–6,6 единиц pH, что согласуется с результатами морфологических исследований почвенного покрова и свидетельствует о его соответствии дерново-подзолистому типу. Улица Гранитная с её умеренно кислыми почвами представляет собой типичный пример урбанизированной территории с преобладанием транспортной нагрузки. Такие результаты требуют дополнительного изучения, особенно с учётом долговременной динамики и возможных последствий для городских экосистем.

При исследовании почвы [14] и коры сосны обыкновенной особое внимание уделялось следующим тяжёлым металлам: Cu, Zn, Pb. Каждому элементу соответствует своя лампа, излучающая свет с определенной длиной волны: медь — 324,7 нм, свинец — 283,3 нм, цинк — 213,9 нм. Полученные лабораторные данные отображены на рис. 2–7.

Проанализировав полученные результаты, можно заметить, что содержание тяжелых металлов в коре сосны обыкновенной незначительно изменяется от весны к осени в сторону увеличения, тогда как в почве практически остается неизменным. Самое высокое загрязнение почвы наблюдается на участках Батарейной сопки, Соснового Бора, Парка Памяти, ул. Гранитной и СибВО. Анализ позволил выявить зависимость содержания тяжелых металлов в почве и коре сосны обыкновенной от уровня антропогенной нагрузки на соответствующих участках.

В ходе исследований было установлено высокое содержание меди в почве на участке Батарейной сопки, превышающее ПДК в 11 раз. Это может быть обусловлено близким расположением автомастерских и автомобильных дорог, сточные воды с которых могут содержать повышенное количество тяжелых металлов. Участок № 4 характеризуется высоким уровнем загрязнения атмосферного воздуха, так как расположен на подветренной стороне относительно Читинской ТЭЦ-2. В пробах, отобранных в районе ул. Гранитной и стадиона СибВО, содержание меди в почве превышает ПДК в 5 и 1,5 раза соответственно. На остальных участках содержание меди находится в пределах санитарных норм.

Высокое содержание цинка в почве наблюдается сразу в трех точках: Сосновый Бор, Парк Памяти и Батарейная сопка с превышением ПДК в 1,77; 1,74 и 1,5 раза соответственно. Далее выявлено небольшое превышение ПДК в зоне СибВО и ул. Гранитной, на остальных участках показатели находятся в пределах норм. Содержание свинца в почве превышает ПДК в точках СибВО — в 1,6 раз, Сосновый Бор — в 1,45 раз и на Батарейной сопке. В районах Парка Памяти, Парка Пионеров и Объездного шоссе содержание свинца не обнаружено.

Превышение ПДК по свинцу объясняется негативным воздействием предприятий энергетики и автотранспорта. Так, в зольных уносах на ТЭЦ-2 после сжигания углей содержание свинца на 50–60 % выше порога токсичности. Ветер разносит токсичную пыль с золошлакоотвалов по всем прилегающим участкам [15]. Высокие значения содержания свинца в почве также обусловлены тем, что свинец медленно выводится из почвы — скорость вымывания в разных видах колеблется между значениями 4 и 30 г/га в год — что приводит к повышению его концентрации, особенно в местах с близким расположением автомобильных трасс.

Сезонных изменений содержания тяжелых металлов в почве не наблюдается. В коре было замечено небольшое колебание содержания ТМ, а именно постепенное увеличение от весны к осени и незначительное снижение зимой и весной, что может быть связано с периодом вегетации.

На участке Сосновый Бор содержание свинца в коре почти не обнаружено. Такое несоответствие общей картине может быть объяснено тем, что свинец в почвах с высоким содержанием гумуса прочно связывается [16] с органическим веществом, а также образует фосфаты и карбонаты, становясь практически недоступным для растений. Наряду с этим, на усвоение тяжелых металлов растениями влияет ионный состав почвы. Например, присутствие конкурирующих ионов Ca²⁺ и Al³⁺ может подавлять поглощение свинца корнями [17]. В почвах с повышенным содержанием этих элементов поступление Pb²⁺ в растения снижается, в то время как цинк и медь [18], благодаря специализированным транспортным механизмам, продолжают активно накапливаться.

Самым чистым участком в этом исследовании оказалось Объездное шоссе, поскольку место отбора проб в данном случае было удалено от источников загрязнения.

Обсуждение. Результаты исследования выявили значительное загрязнение почв тяжелыми металлами (Pb, Zn, Cu) на ряде участков города. Наибольшие превышения предельно допустимых концентраций (ПДК) зафиксированы на Батарейной сопке (медь — в 11 раз, цинк — в 1,5 раза), улице Гранитной (медь — в 5 раз) и в районе стадиона СибВО (свинец — в 1,6 раза). Эти данные свидетельствуют о высокой антропогенной нагрузке, обусловленной близостью промышленных предприятий, транспортных магистралей и исторически сложившимися источниками загрязнения, такими как свалки и котельные. При этом сезонные колебания содержания тяжелых металлов в почве оказались незначительными, что указывает на хронический характер загрязнения.

Особое внимание в работе уделено влиянию котловинного расположения города Чита на экологическую ситуацию. Горно-котловинный рельеф способствует накоплению загрязняющих веществ в приземном слое атмосферы и почве, ограничивая их естественное рассредоточение. Это усугубляется преобладающими природно-климатическими условиями, такими как резко-континентальный климат с низким уровнем осадков, что усиливает концентрацию поллютантов. Результаты исследования подтвердили, что данные факторы создают неблагоприятные условия для естественного самоочищения экосистем, особенно в зонах с высокой антропогенной нагрузкой.

Важным аспектом исследования стало изучение влияния кислотности почвы на подвижность и аккумуляцию тяжелых металлов. Установлено, что в кислых почвах (pH 4,9–5,6), таких как участки Батарейной сопки и Соснового бора, повышается доступность металлов для растений, что способствует их накоплению в коре сосны. В то же время нейтральные и слабощёлочные почвы (pH 6,3–6,6) демонстрировали меньшую подвижность тяжелых металлов, что снижало их биологическую доступность. Эти данные подчеркивают необходимость учета pH при оценке рисков загрязнения и разработке ремедиационных мероприятий.

Таким образом, сосна обыкновеннаяпредставляет собой ценный объект для мониторинга загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами в условиях резко-континентального климата и котловинного расположения города Чита, сочетая в себе высокую чувствительность к техногенному воздействию, устойчивость к неблагоприятным условиям и долговременную способность накапливать токсины, тем самым выводя их из круговорота веществ. Полученные данные обосновывают целесообразность включения этого вида в системы экологического контроля, особенно в регионах с развитой промышленностью и транспортной инфраструктурой. Дальнейшие исследования могут быть направлены на разработку стандартизированных методик использования сосны в биоиндикации, а также на изучение её фиторемедиационного потенциала в условиях хронического загрязнения.

Заключение. Результаты проведённого исследования показали, что в городе Чита наблюдается высокий уровень загрязнения почв тяжелыми металлами. Они, в свою очередь, аккумулируются растениями, что позволяет временно выводить вредные соединения из круговорота веществ и снижать их негативное влияние на природу. Анализ полученных результатов подтверждает выводы других исследователей [19] о том, что сорбция тяжелых металлов в компонентах окружающей природной среды напрямую зависит от близости расположения и степени интенсивности вредного воздействия источника негативного влияния на окружающую природную среду [20].

Кора сосны, будучи пассивным, но эффективным накопителем тяжёлых металлов, заслуживает особого внимания в стратегиях фиторемедиации городских территорий. Её способность длительно удерживать загрязнители без существенного ущерба для жизнедеятельности дерева делает этот вид ценным компонентом защитных посадок вдоль транспортных артерий. Однако для максимальной эффективности необходимо учитывать динамику накопления, пространственное распределение металлов и разрабатывать методы безопасного удаления и переработки загрязнённой коры, чтобы исключить её возврат в биогеохимический цикл.

Проведённое исследование расширяет понимание механизмов миграции и аккумуляции тяжёлых металлов в урбанизированных экосистемах, особенно в условиях резко-континентального климата. Полученные результаты могут быть использованы для оптимизации городского планирования, минимизации негативного воздействия на здоровье населения и разработки стратегий устойчивого развития территорий с высокой антропогенной нагрузкой.