Общая экология. Природопользование. Раздел : воздействие тяжелых металлов на растительные сообщества

№ 706

           МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

                   ИНСТИТУТ СТАЛИ и СПЛАВОВ
Технологический университет

МИСиС

Кафедра теплофизики и экологии металлургического производства


Т. В. Черненькова, А.М. Степанов








ОБЩАЯ ЭКОЛОГИЯ
ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЕ


Раздел: Воздействие тяжелых металлов на растительные сообщества


Курс лекций

для студентов специальностей 3301, 3302


Рекомендовано редакционно-издательским советом института в качестве учебного пособия












МОСКВА 2001

УДК 504.7.05 Ч 49


Ч 49 Т. В. Черненькова, А.М. Степанов. Общая экология. Природопользование. Раздел: Воздействие тяжелых металлов на растительные сообщества: Курс лекций - М: МИСиС, 2001. - 53с.







        В курсе лекций содержится обзорный материал по естественным и антропогенным источникам тяжелых металлов в биосфере, а также оригинальные данные по реакции растительности на атмосферные выбросы металлургических предприятий. Приведенные результаты по оценке воздействия загрязняющих веществ на лесные сообщества дают базовое представление о процессах их деградации.
        Пособие предназначено для студентов специальностей 3301 и 3302.




                              © Московский государственный институт стали и сплавов (Технологический университет) (МИСиС), 2001

                ОГЛАВЛЕНИЕ





ВВЕДЕНИЕ..............................................4
1. Естественные и антропогенные источники тяжелых металлов в биосфере.............................................6
2. Реакция лесных сообществ на избыточное содержание тяжелых металлов в окружающей среде ............... 19
   2.1. Объекты исследования.........................20
   2.2. Методы исследования ........................ 20
   2.3. Оценка трансформации лесных сообществ в окрестностях металлургических комбинатов...................... 31
ВЫВОДЫ ............................................. 44
ЛИТЕРАТУРА...........................................48

3

                ВВЕДЕНИЕ




      В ряду важнейших экологических проблем, связанных с преобразованием поверхности Земли в результате антропогенной деятельности, стоит проблема предотвращения деградации лесных массивов в результате химического загрязнения атмосферы. На глобальном уровне, в пределах стран и целых континентов причиной повреждения лесов являются “кислотные дожди”¹, вызывающие снижение жизненного состояния древесных пород, сокращение видового разнообразия флоры и фауны, ухудшение плодородия почв. На импакт-ном уровне (зона максимального воздействия), в окрестностях локальных источников загрязнения повреждение экосистем проявляется более резко, вплоть до полной деградации природных комплексов и формирования “антропогенной пустыни”.
      Тяжелые металлы, входящие в группу основных типов загрязняющих веществ, представляют наибольшую опасность из-за высокой токсичности их избыточных количеств, пролонгированности и практической не выводимости из системы: почва - растения - животные - человек. Тяжелыми металлами называются цветные металлы с плотностью, большей чем у железа: Pb, Cu, Zn, Ni, Cd, Co, Sb, Sn, Bi, Hg. Понятие «микроэлементы» более широкое и отражает в своем определении в основном биологический аспект. Они определяются как группа химических элементов, содержащихся в организмах в низких концентрациях (обычно тысячные доли процента и ниже), и необходимых для нормальной жизнедеятельности живых объектов. Насчитывают свыше 30 металлов и неметаллов. Таким образом, понятие «тяжелые металлы» является более узкими, чем понятие «микроэлементы».
      В данной работе мы будем использовать в разных аспектах как термин «тяжелые металлы», так и термин «микроэлементы». Значение микроэлементов в жизни живых организмов и в частности растений, достаточно известно - это их участие в важнейших биохимических процессах фотосинтеза, образования органо-минеральных соединений, дыхания, трансформации вещества и т.д. Как недостаток, так и избыток микроэлементов в почвах приводит к различным ¹

         ¹ “Кислотные дожди” имеют рН < 5,0. Кислотность осадков обусловлена повышенным содержанием SO2-4, NOₓ и различных органических кислот в среднем до 60, 34 и 6%, соответственно [45]. Кислотность может быть повышена металлами, играющими роль катализаторов. Термин “кислотные дожди” традиционно употребляется также в случае общего загрязнения воздуха.

4

отклонениям в развитии растений [19]. Таким образом, с одной стороны загрязнение среды устраняет ограничение в потреблении растениями необходимых металлов, а с другой - при повышенном поступлении металлов могут быть достигнуты токсические уровни.
       Понятие “токсичность” в экологическом контексте относится к химическому влиянию веществ, которые понижают жизнедеятельность видов и популяции, а также изменяют взаимоотношения между популяциями. Главный интерес при изучении токсичности традиционно был сконцентрирован на возможном летальном эффекте. Однако для того чтобы понять долговременные последствия загрязнения экосистем, важно определить и сублетальные эффекты. Их различают по следующим признакам: морфологическим изменениям; скорости роста организма и репродуктивной скорости; изменению способности эффективно конкурировать с другими организмами, генетическим модификациям и т.д.
       В настоящее время инструментальные методы определения химического состава среды достаточно развиты и применяются особенно успешно при работе с такими компонентами биосферы, как атмосферный воздух, воды, снег. Однако при анализе изменения биологических объектов использование лишь аналитических методов не достаточно, так как состояние живых организмов и целых сообществ не всегда адекватно уровню загрязнения среды, к тому же оно варьирует у различных таксонов. Поэтому только средствами биологического мониторинга может быть получена ответная реакция живых организмов на изменение среды обитания, в данном случае на изменение ее химического состава. Мы разделяем мнение Х.Х.Трасса [35] выделяющего следующие три преимущества экологического (биологического) мониторинга по сравнению с физико-химическими методами исследования:
       -   не требует дорогостоящего оборудования;
       -   позволяет получить интегральные оценки;
       -   дает возможность характеризовать большие территории.
       В данном пособии обобщены различные методы биомониторинга растительных сообществ, подверженных техногенной нагрузки, и предложен собственный подход к изучению растительных систем, находящихся в условиях экстремального химического воздействия, основанный на получении комплексных количественных данных, характеризующих степень деградации растительных сообществ с учетом ценотических связей различных групп растений.
       Данная работа выполнена при поддержке научнотехнической программы “Биоразнообразие” (2.20.06).

5

                1.         ЕСТЕСТВЕННЫЕ И АНТРОПОГЕННЫЕ ИСТОЧНИКИ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В БИОСФЕРЕ




      Общая картина загрязнения воздушного бассейна Земли выглядит достаточно серьезно. Всего, по оценкам экспертов, ежегодно в воздух выбрасывается от 9 до 16. млрд. т газов и пыли [57]. По данным, представленным на Конференции ООН по окружающей среде и развитию в Рио-де-Женейро в 1992 г. (Программа действий, 1993), выбросы в атмосферу на текущее десятилетие таких загрязняющих веществ, как CO, SOx, NOx, взвешенных частиц составляют по 180, 100, 70 и 60 млн. т./год соответственно. Общий выброс от стационарных источников на территории РФ, согласно имеющимся данным [12], составляет 30 380 тыс. т/год (твердые вещества 14518 тыс. т, остальные - газообразные вещества). Ежегодно выбросы от одного автотранспорта на территории РФ 13714 тыс. т.
      В большинстве стран определены объем выбросов токсических соединений и размеры вклада различных источников в общий уровень загрязнения. Среди основных источников можно выделить следующие четыре: автотранспорт, промышленность, ТЭЦ и коммунальное хозяйство. При этом автотранспорт и промышленность являются главными источниками загрязнения окружающей среды. Токсичность выбрасываемых в воздух соединений различна и увеличивается в ряду основных ингредиентов: оксды углерода, азота, серы, тяжелые металлы [45]. Учитывая относительную локализацию выбросов автотранспорта в урбанизированных центрах и, напротив, возможность загрязняющих веществ, поступающих из труб промышленных предприятий, рассеиваться на многие десятки и сотни километров, следует заключить, что именно промышленные предприятия определяют уровень загрязнения атмосферного воздуха. В нашей стране среди промышленных предприятий - черная и цветная металлургия являются самыми загрязняющими природную среду отраслями (второе место занимает энергетика). На долю металлургии приходится ~ 40% общероссийских валовых выбросов вредных веществ, в том числе по твердым веществам ~ 26% и по газообразным ~ 34%. Среди этих видов химических загрязнений особое внимание следует

6