Received: май, 2011

DOI 546.16+630.18

Fluorine Notes, 2011, 76, 5-6

ФИТОМОНИТОРИНГ ТЕХНОГЕННЫХ ФТОРИДОВ В БАЙКАЛЬСКОМ РЕГИОНЕ

Т.А.Михайлова, О.В.Калугина, О.В. Шергина

Сибирский институт физиологии и биохимии растений СО РАН, г. Иркутск, Россия, 664033, Российская Федерация, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 132; телефон (3952) 424595,
e-mail: mikh@sifibr.irk.ru

Аннотация. Показана адекватность использования хвои сосны как биоиндикатора фторсодержащих эмиссий в окружающей среде. Результаты свидетельствуют, что применение биологических мониторов, в частности фитомониторов, имеет ряд преимуществ перед традиционными методами мониторинга техногенных поллютантов.

Ключевые слова. Техногенные фторсодержащие эмиссии, фитомониторинг, сосна обыкновенная

 

Изучение воздействия техногенных соединений фтора на окружающую среду в современный период остается актуальным в связи с ростом числа мощных источников фторсодержащих эмиссий (прежде всего алюминиевых заводов) и, соответственно, высоким уровнем фтористого загрязнения в ряде регионов нашей страны. Создание крупных концернов в алюминиевой промышленности привело к расширению многих предприятий этой отрасли и появлению новых заводов. Так, в Байкальском регионе уже несколько десятилетий действуют два мощных алюминиевых завода (Братский и Иркутский), кроме того, в г. Тайшете ведется строительство нового предприятия по производству алюминия, мощности которого будут сравнимы с действующими заводами. Несмотря на самое современное оборудование, применяемое для очистки выбросов, алюминиевые заводы остаются мощными загрязнителями окружающей среды, в том числе лесных экосистем, на обширных территориях.

Высокоагрессивные фториды, присутствующие в эмиссиях алюминиевых заводов, опасны для всех живых организмов, однако, более чувствительны к ним растения [1]. Фитотоксическое влияние соединений фтора довольно хорошо изучено [2; 3]. Например, известно, что отравляющее действие фтористого водорода сильнее действия других кислотогенных газов (хлора, оксидов азота, диоксида серы, оксидов углерода) от 3 до 3000 раз [3; 4]. В растительных организмах фтор в норме содержится в очень низких концентрациях, не превышая 3×10^-3 % от сухого вещества [5]. В ассимиляционных органах хвойных деревьев его естественные концентрации составляют 0,8-2,0×10^-3 % от сухого вещества [6; 7]. В экспериментах с использованием пленочных газовых камер установлено, что для молодых деревьев сосны, ели и лиственницы пороговая концентрация фтора в хвое, при которой видимые признаки повреждения (хлорозы и некрозы) еще отсутствуют, достигает 4-6×10^-3 % от сухого вещества, отмирание хвои наступает при содержании в ней фтора около 20×10^-3 % [3].

Обладая высокой химической активностью, фтор и его соединения способны проникать из загрязненных сред (воздуха, почвы) во все органы древесного растения через устьица и кутикулу листьев, кору ствола и ветвей, а также через корневую систему, и накапливаться в них в значительных количествах. Вместе с тем растения более активно поглощают фториды аэральным путем, то есть из атмосферы. Поступление фторидов в организм растений через корни наблюдается преимущественно на очень загрязненных почвах на расстоянии до 3-5 км от крупных техногенных источников фторсодержащих выбросов [3; 8].

В организме растений фториды слабо подвергаются детоксикации и поэтому очень токсичны для растений [9]. Известна также способность фторидов, в частности фтористого водорода, в сочетании с другими поллютантами (диоксидом серы, хлором) синергически резко усиливать токсическое влияние на древесные растения [3].

Воздействие атмосферного загрязнения особенно опасно для хвойных лесов, отличающихся повышенной чувствительностью к поллютантам. Нами показано, что многие виды хвойных Сибири (лиственница сибирская и даурская, сосна обыкновенная, ель сибирская, кедр сибирский, пихта сибирская, можжевельник обыкновенный) в сравнении с лиственными породами обладают на порядок меньшей устойчивостью к фтористому водороду и диоксиду серы [7]. Считается, что хвойные по чувствительности к атмосферным токсикантам близки к мхам и лишайникам. Следовательно, по степени ослабления хвойных лесов можно судить об опасности действующего атмосферного загрязнения для живых организмов в целом, в связи с чем, оценка состояния лесов приобретает важную социальную значимость как необходимый аспект индикации среды обитания человека. Результаты такой оценки необходимо учитывать при размещении предприятий, новых населенных пунктов и мест отдыха, а также при создании сети особо охраняемых территорий. При этом главным звеном такой оценки является долговременный мониторинг наиболее токсичных и распространенных загрязняющих веществ.

Традиционные методы мониторинга техногенных поллютантов имеют ряд ограничений. Прямой мониторинг атмосферного воздуха с необходимой сетью отбора проб и с требуемыми интервалами времени трудно реализуем как по техническим, так и по финансовым причинам, а результаты мониторинга снежного покрова отражают загрязнение атмосферы лишь в зимний период (100–120 дней в году). Моделирование процессов пространственного переноса загрязняющих веществ из районов расположения их источников в ряде случаев не дает адекватных результатов, совпадающих с данными прямых измерений. В такой ситуации применение биологических мониторов, и в частности фитомониторов, снимает проблему отбора репрезентативного количества проб воздуха и дает возможность определить распространение загрязненных воздушных масс по территории региона на основе исследований воздействия поллютантов на биологические объекты. Кроме установления границ рассеивания техногенных выбросов биологические мониторы позволяют одновременно оценить и негативный эффект загрязнения на биоту.

В качестве биомонитора (биоиндикатора) загрязнения лесных территорий Байкальского региона нами была выбрана сосна обыкновенная (Pinus sylvestris L.). Эта порода, помимо широкого распространения, важных лесообразующих и экономически значимых функций, обладает высокой чувствительностью к антропогенным воздействиям, в том числе к атмосферному загрязнению [7]. Основанием для выбора сосны в качестве биомонитора послужили также данные о высокой степени соответствия между уровнем загрязнения атмосферного воздуха фторидами и уровнем их накопления в хвое сосны. Кроме того, показано, что количество накопленного токсиканта (фтора) напрямую определяет степень поражения дерева, то есть позволяет оценить фитотоксический эффект фтора [10].

Полигоном наших исследований служила территория, загрязняемая эмиссиями Иркутского алюминиевого завода (ИркАЗ). Фитомониторинг техногенных фторидов в этом районе начат нами практически со времени пуска завода [11; 12]. Накопление фтора (общее содержание) в хвое сосны определяли фотометрическим методом после дистилляции с водяным паром [13; 14]. Данные об объемах атмосферных выбросов ИркАЗа взяты из официальных источников [15; 16].

Сравнительный анализ полученных данных показал соответствие между динамикой объемов фторсодержащих аэровыбросов завода и уровнем загрязнения лесов, который оценивался по накоплению фтора в хвое сосны (рис. 1).

Рис. 1. Динамика выбросов Иркутского алюминиевого завода и уровня фтора в хвое сосновых древостоев.

Как видно из рис. 1, в первые 10-12 лет после пуска завода при нарастании объемов выбросов происходило постепенное накопление фторидов в тканях деревьев. В последующие годы при резком увеличении количества выбросов (их максимум достигал 100 тыс. т/год) накопление фторидов в хвое и загрязнение лесов также резко возросли. В середине 1980-х гг. количество промышленных эмиссий начало постепенно снижаться, такая же тенденция обозначилась и в отношении накопления фтора в хвое деревьев.

С конца 1990-х годов на загрязняемой территории преобладает относительно стабильный объем атмосферных выбросов (29-30 тыс. т/год), этому соответствует и малоизменяемое содержание фтора в хвое сосны.

Следует отметить, что в середине вегетационного периода (июль) 2009 года на некоторых участках вблизи завода, в основном в пониженных формах рельефа, было зафиксировано острое поражение молодняка сосны. Судя по характеру поражения этих деревьев (стремительно развившееся пожелтение хвои на молодых побегах), эта ситуация была вызвана залповыми выбросами алюминиевого завода. При измерении концентрации фтора в пораженной хвое оказалось, что она выше фоновых значений почти в 10 раз. Этот факт еще раз подтверждает адекватность использования сосны как биоиндикатора фторсодержащих эмиссий в окружающей среде.

Прямая зависимость содержания фторидов в хвое сосны от количества фторсодержащих компонентов (фтористого водорода и твердых фторидов) в выбросах подтверждается и при расчете коэффициентов корреляции между этими параметрами (табл.).

Табл. Коэффициенты корреляции между концентрацией фторидов в выбросах Иркутского алюминиевого завода и их накоплением в хвое сосны на разном расстоянии от завода (P = 0,05, n = 18)

Компоненты выбросов	Расстояние от завода, км
	1-3	5-6	8-10
Общее количество фторидов	0,89	0,84	0,74
Фтористый водород	0,93	0,89	0,88
Твердые фториды	0,84	0,73	0,57

При исследовании хвойных лесов, прилегающих к заводу, было прослежено проявление токсического эффекта фторсодержащих аэровыбросов. В первые 10-12 лет после пуска завода происходило постепенное ослабление лесов, которое затем проявилось визуально – на локальных участках появились сильно угнетенные и усыхающие деревья. В последующие годы процесс угнетения сосновых насаждений характеризовался высокой динамичностью, повреждение лесов достигло критического уровня при максимальном объеме выбросов (100 тыс. т/год). В середине 1980-х гг. количество промышленных эмиссий начало постепенно снижаться, и к 1996 г. уменьшилось в 3 раза. Как уже упоминалось, количество фторидов в хвое деревьев тоже снизилось, однако улучшение состояния угнетенных деревьев началось только через 10 лет. С конца 1990-х годов и по настоящий период на загрязняемой территории появился общий тренд к улучшению состояния древостоев, однако, на некоторых участках (особенно на ветроударных склонах возвышенностей) фиксируется хроническое угнетение умеренной интенсивности, в то же время процент сильно угнетенных древостоев стал минимальным. Древостои разной степени угнетения характеризуются определенным уровнем накопления фтора в хвое (рис. 2).

Рис. 2. Накопление фторидов в хвое сосны при разной степени угнетения деревьев.

При исследовании пространственного распространения фторсодержащих эмиссий в регионе выявлено, что загрязнение фторидами не носит выраженного локального характера, оно охватывает обширную территорию. Это обусловлено возможностью дальнего атмосферного переноса фторсодержащих выбросов. Нами показано, что перенос фторидов от ИркАЗа осуществляется на расстояние 15-60 км по разным направлениям (рис. 3). При этом существует опасность распространения аэровыбросов в юго-восточном направлении, поскольку они могут достигать побережья оз. Байкал.

Рис. 3. Распространение фторсодержащих эмиссий от Иркутского алюминиевого завода.

Помимо территории, прилегающей к ИркАЗу, были выявлены также другие участки загрязнения фтором. Так, повышенный в 2-3 раза уровень фторидов обнаруживается в хвое деревьев вблизи городов Иркутск, Ангарск, Усолье-Сибирское, Черемхово. Это свидетельствует о том, что фториды выбрасываются, хотя и в небольших количествах, еще целым рядом предприятий, в том числе химическими комбинатами и ТЭЦ. При удалении от индустриальных центров содержание фтора в хвое сосны постепенно снижается, оно минимально на территориях, не подпадающих под основной атмосферный перенос выбросов – в предгорьях Восточного Саяна, в Тункинской долине, бассейнах рек Голоустной и Лены. Эти территории по содержанию фторидов в хвое сосны можно отнести к фоновым.

Таким образом, анализ полученных данных свидетельствует, что хвоя сосны является адекватным тест-объектом для фитомониторинга атмосферного загрязнения фторидами.

Список литературы:

1. Илькун Г.М. Загрязнители атмосферы и растений. Киев: Наукова думка, 1978. 246с.
2. Николаевский В.С. Биологические основы газоустойчивости растений. Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1979. 278 с.
3. Рожков А.С., Михайлова Т.А. Действие фторсодержащих эмиссий на хвойные деревья. Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1989. 159с.
4. Weinstein L.H., Davison A.W. Native plant species suitable as bioindicators and biomonitors for airborne fluoride // Environmental Pollution. 2003. V. 125. P. 3-11.
5. Кабата-Пендиас А., Пендиас Х. Микроэлементы в почвах и растениях / Под ред. Ю. Е. Саета. М.: Мир, 1989. 439 с.
6. Гудериан Р. Загрязнение воздушной среды / Пер. с англ. Н.С. Гельман. М.: Мир, 1979. 200 с.
7. Rozhkov A.S., Mikhailova T.A. The Effects of Fluorine-Containing Emissions on Conifers / Berlin Heidelberg: Springer-Verlag, 1993. 143 p.
8. Arnesen A.K.M., Abrahamsen G., Sandvik G., Krogstad T. Aluminium-smelters and fluoride pollution of soil and soil solution in Norway // The Science of the Total Environment. 1995. V. 163. P. 39-53.
9. Keller Th. Zur Beeinflussung des physiologishen Blattalters von Waldbaumen durch Fluor-Immisionen // Ibid. 1976. B. 52. N. 2. S. 101-158. 
10. Михайлова Т.А., Бережная Н.С. Карта физиологического состояния сосновых древостоев южной и средней частей Байкальской природной территории // География и природные ресурсы. 2003. N 1. С. 56.
11. Рожков А.С., Плешанов А.С., Массель Г.И., Михайлова Т.А. Влияние природных и антропогенных факторов на хвойные леса Сибири // Изв. Сиб. отд-ния АН СССР. Сер. биол. науки. 1989. Вып. I. С. 136-139.
12. Михайлова Т.А., Бережная Н.С. Оценка состояния сосновых лесов при длительном воздействии выбросов алюминиевого завода // География и природные ресурсы. 2000. №1. С. 43-50.
13. Киселева Е.К. Анализ фторсодержащих соединений. М.; Л.: Химия, 1966. 220 с.
14. Руководство по контролю загрязнения атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1979. 448 с.
15. Государственный доклад о состоянии и об охране окружающей природной среды Иркутской области в 1995 г. Иркутск: Изд-во Облмашинформ, 1996. 131 с.
16. Государственный доклад о состоянии и об охране окружающей среды Иркутской области в 2009 г. Иркутск, 2010. 585 с.

 

Материал рекомендован к публикации членом редколлегии С.М. Игумновым

Fluorine Notes, 2011, 76, 5-6