Аккумуляция металлов и перспективы применения растений рода Cladochaeta DC. в мониторинге и фиторемедиации свинцовокадмиевых аномалий на Кавказе

Актуальность. В Северной Осетии находится Садонская группа ряда свинцово цинковых полиметалличе­ских месторождений, добыча которых негативно повлияла на экологическую обстановку Алагирского района. Среди методов мониторинга состояния окружающей среды выделяется биологический метод. Немалая роль в нём отводится высшим сосудистым растениям, к которым относится Cladochaeta candidissima (Asteraceae) аборигенный вид бассейна р. Ардон. Поэтому, в связи с вопросами оценки состояния окружающей среды, исследовались способности Cladochaeta candidissima накапливать свинец и кадмий на территориях с различ­ным уровнем загрязнения, а также перспективы применения этого вида в фиторемедиации.

Материал и методы. Исследования проводились маршрутным методом в окрестностях Унальского хвостохранилища, и на относительно фоновых территориях в бассейне р. Ардон. Содержание Pb и Cd в растениях Cladochaeta candidissima и почвах определяли методом ААС.

Результаты. Исследовано содержание свинца и кадмия в почвах и растениях рода Cladochaeta DC. в Алагирском районе Северной Осетии. Дана сравнительная оценка содержания элементов на загрязнённых и относительно фоновых территориях. Выявлен новый вид-аккумулятор кадмия на Кавказе Cladochaeta candidissima (Asteraceae). Установлено распространение этого вида в Алагирском районе, указаны координаты произрастания (GPS), которые соответствовали точкам отбора проб. Показано, что Cladochaeta candidissima в среднем накапли­вает высокие концентрации свинца на техногенно-обогащенных Pb и Cd почвах. Констатировано, что в окрестно­стях Унальского хвостохранилища образовалась техногенная Pb-Cd аномалия, обусловленная антропогенной деятельностью и наличием в республике полиметаллических рудопроявлений. Валовое содержание Pb в почвах этих ландшафтов изменялось от 255 до 2202, Cd от 1,80 до 66,0 мг/кг сухой массы, что на порядки выше допусти­мых концентраций для почв России. В растениях Cladochaeta candidissima содержание Pb в среднем составило 8,48 мг/кг при вариабельности 0,9-41,7 мг/кг, Cd 3,17 мг/кг при вариабельности 1,14-6,00 мг/кг, что значительно пре­вышало мировые показатели. Содержание Pb в надземных органах растений коррелирует с содер­жанием его в почвах (r=0.934, р<0.001),что указывает на активное перемещение Pb, поглощённого корнями, в сте­бель и листья, в зависимости от содержания Pb в почвах. Статистически достоверная корреляция выявлена между содержанием Cd в почвах и содержанием Cd в растениях (r=0.860, p <0.002).

Заключение. В Алагирском районе Северной Осетии установлено очень высокое содержание Pb и Cd в поч­вах, которое является следствием длительной антропогенной нагрузки на экосистемы и наличием в респуб­лике полиметаллических рудопроявлений. В растениях рода Cladochaeta DC. отмечено высокое содержание Pb, и особенно Cd. Установлено, что Cladochaeta candidissima аккумулирует Cd. Показано, что этот вид может применяться в экологическом мониторинге ландшафтов Кавказа, загрязнённых как Cd, так и Pb. Результаты исследований позволяют рекомендовать Cladochaeta candidissima для фиторемедиации загрязнённых Cd ландшафтов Кавказа только после реинтродукции, или специального культивирования этого вида с после­дующим высаживанием его в местах свинцово-кадмиевых аномалий.

1. Vodyanitskii Yu.N., Savichev A.T. Acetosoluble soil phases containing heavy metals (distinguished based on dynamic extractograms). Мoscow University Soil Science Bulletin. 2021;76(4):177–185. https://doi.org/10.3103/s0147687421040086

2. Ильин В.Б. Тяжёлые металлы и неметаллы в системе почва–растения. Новосибирск: СО РАН, 2012. 244 с. https://elibrary.ru/qldfyp

3. Сысо А.И. Тяжёлые металлы в окружающей среде: масштабы и степень угрозы растениям, животным и человеку. Тяжёлые металлы в окружающей среде. Новосибирск: Новосибирский ГАУ. 2017;(2):224-225. https://elibrary.ru/zuvhqz

4. Добровольский В.В. География микроэлементов. Глобальное рассеяние. М.: Мысль, 1983. 272 с.

5. Моисеенко Т.И., Гашкина Н.А. Биогеохимия кадмия: Антропогенное рассеивание, биоаккумуляция и экотоксичность. Геохимия. 2018;(8):759-773. https://doi.org/10.1134/S001675251808006X https://elibrary.ru/xvputr

6. Волков С.Н. Геохимическая эволюция кадмия в естественном и техногенном циклах миграции. Труды Биогеохимической лаборатории. 2003;(24):113-141.

7. Голубев Ф.В. Эколого-биоморфологический анализ флоры Унальской котловины в связи с антропогенной нагрузкой (Северная Осетия). В книге: Горные экосистемы и их компоненты. Материалы VIII Всероссийской конференции с международным участием, посвящённой Году науки и технологий в Российской Федерации. Нальчик, 2021. С. 133-134. https://elibrary.ru/nzucxu

8. Golubev F. Significance different ecological organism groups in the biogeochemical monitoring of the Unal tailing dump. International Scientific Conference. Sustainable development and green economy. Book of abstracts. Belgrade, 19–21 April, 2022. P. 133-134.

9. Golubev F., Degtyarev A. Peculiarities trace elements composition and vegetation cover of the Unal depression in the connection with anthropogenic loading. International Scientific Conference. Sustainable development and green economy. Book of abstracts. Belgrade, 19–21 April, 2022. P. 135-136.

10. Пряничникова Е.В. Эколого-геохимическая оценка горно–рудного района (на примере Садоно-Унальской котловины, Республика Северная Осетия-Алания). М.,2005. 27 с.

11. Дзебоев С.О. Влияние техногенеза на формирование природно-технической системы-намывной техногенный грунтовый массив и экологическая безопасность горных территорий. Владикавказ, 2022. 21 с.

12. Golubev F., Ermakov V. Higher and Lover Organisms in Monitoring Environmental Pollution with Heavy Metals. Green Economy and Adaptation of Industry to Climate Changes. International scientific conference. Belgrade, 22–24 April 2024. P.60-62.

13. Пинский Д.Л., Минкина Т.М., Бауэр Т.В. Особенности поглощения тяжёлых металлов почвами: новые факты и комментарии. Труды XI Международной биогеохимической школы. Биогеохимия – научная основа устойчивого развития и сохранения здоровья человека. Тула: ТГПУ. 2019;(2):169-173. https://elibrary.ru/mxteuj

14. ГОСТ 17.4.1.02-83 Государственный стандарт Союза ССР. Охрана природы. Почвы. Классификация химических веществ для контроля загрязнения" (утв. Постановлением Госстандарта СССР от 17.12.1983 N 6107).

15. Shuhe W., Qixing Z., Mrittunjai S., Hong X., Chuanjie Y., Qianru Z. Kalimeris integrifolia Turcz. ex DC.: An accumulator of Cd. Journal of Hazardous Materials. 2009;(162):1571–1573. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2008.05.088

16. Zhu G., Zhao J., Chen Q., Guo Q., Cheng D., Bijaya G., Li W. The comparative potential of four Compositae plants for phytoremediation of karst lead/zinc mine tailings contaminated soil. BioResources. 2022;17(2):2997–3013. https://doi.org/10.15376/biores.17.2.2997-3013

17. Hidayati N., Rini D. Evaluation of wild plants as lead (Pb) and cadmium (Cd) accumulators for phytoremediation of contaminated rice fields. Biodiversitas Journal of Biological Diversity. 2020;21(5):1928- 1934. https://doi.org/10.13057/biodiv/d210520

18. Islam M., Saxena N., Sharma D. Phytoremediation as a green and sustainable prospective method for heavy metal contamination: a review. RSC Sustainability. 2024;(2):1269-1288. https://doi.org/10.1039/D3SU00440F

19. Cui S., Zhou Q., Chao L. Absorption and accumulation of heavy metals by plants around a smelter. The journal of applied ecology. 2006;17(3):512–515.

20. Irfan A., Amtul M. Halophytes for phytoremediation of hazardous metal(loid)s: A terse review on metal tolerance, bio-indication and hyperaccumulation. Journal of Hazardous Materials. 2021;(424):127- 309. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2021.127309

21. Shah K., Nongkynrih J.M. Metal hyperaccumulation and bioremediation. Biologia Plantarum. 2007;51(4):618-634. https://doi.org/10.1007/S10535-007-0134-5

22. Selvaraj K., Sevugaperumal R., Ramasubramanian V. Phytoextraction: Using Brassica as a Hyper Accumulator. Biochem. Physiol. 2015;4(3):4-9. https://doi.org/10.4172/2168-9652.1000172

23. Reeves R.D., Baker A.J.M., Jaffre T., Erskine P.D., Echevarria G., Ent A. A global database for plants that hyperaccumulate metal and metalloid trace elements. New Phytologist. 2017;(218):407– 411. https://doi.org/10.1111/nph.14907

24. Deng D.M., Shu W.S., Zhang J., Zou H.L., Lin Z., Ye Z.H., Wong M.H. Zinc and cadmium accumulation and tolerance in populations of Sedum alfredii. Environmental Pollution. 2007;147(2):381-386. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2006.05.024

25. Brooks R.R. Plants that hyperaccumulate heavy metals. Wallingford: СAB International. 1998. 384 p. https://doi.org/10.1006/ANBO.1998.0673

26. Yang X.E., Long X.X., Ye H.B. Cadmium tolerance and hyperaccumulation in new Zn-hyperaccumulating plant species (Sedum alfredii Hance). Plant Soil. 2004;(259):181-189. https://doi.org/10.1023/B:PLSO.0000020956.24027.f2

27. Wumei X., Ping X., Xue L. Closely–related species of hyperaccumulating plants and their ability in accumulation of As, Cd, Cu, Mn, Ni, Pb and Zn. Chemosphere. 2020;(251):126-334. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2020.126334

28. Голубев Ф.В., Ермаков В.В. Геохимическая экология растений – перспективное направление биогеохимии. Труды XI Международной биогеохимической школы. Биогеохимия – научная основа устойчивого развития и сохранения здоровья человека. Т. 2. Тула: ТГПУ. 2019. С.26-28. https://elibrary.ru/kghhuf

29. Голубев Ф.В. Распространение Cladochaeta candidissima (Bieb.) DC. в бассейне реки Ардон (Северная Осетия). В книге: Горные экосистемы и их компоненты. Материалы VIII Всероссийской конференции с международным участием, посвящённой Году науки и технологий в Российской Федерации. Нальчик, 2021. С.32-33.

30. Красная Книга Республики Северная Осетия-Алания. Мин. природных ресурсов и экологии РСО-Алания. Северо-Осетинский государственный университет им. К.Л. Хетагурова. Владикавказ: Перо и Кисть, 2022. 356 с.

31. Скупневский С.В., Кабоева Б.Н., Батагова Ф.Э., Николаев И.А. Антиоксидантный эффект экстрактов на основе кладохеты чистейшейю Биоантиоксидант. Тезисы докладов VIII Международной конференции. Москва, 4-6 октября. М.: РУДН, 2010. С.437-439.

32. Патент РФ на изобретение RU 2700629 C2. Композиция чая травяного (фиточая). Авторы Лавриненко Ю.В., Николаев И.А. Дата публикации 18.09.2019 Бюлл. № 26.

33. Ягодин Б.А., Смирнова П.М., Петербургский А.В. Агрохимия. М.: Агрохимиздат, 1989. 654 с.

34. М–МВИ–80–2008. Методика выполнения измерений массовой доли элементов в пробах почв, грунтах и донных отложениях методами атомно-эмиссионной и атомно-абсорбционной спектрометрии. ООО «Мониторинг», СПб,2008.

35. ГОСТ ЕN 14083–2013. Продукты пищевые. Определение микроэлементов. Определение свинца, кадмия, хрома и молибдена методом атомно-абсорбционной спектрометрии с графитовой печью (ААСГП) после разложения под давлением. Стандартинформ, Москва,2014.

36. Дроздова И.В., Алексеева–Попова Н.В., Калимова И.Б., Беляева А.И. Аккумуляция тяжёлых металлов некоторыми видами сем. Brassicaceae на Северном Кавказе. Растительные ресурсы. 2013;(3):370-379. https://elibrary.ru/qcvodd

37. Drozdova I., Machs E., Kalimova I., Terentyeva L., Bech J., Roca N., Latypov I. Accumulation of potentially toxic elements by plants of North Caucasian Alyssum species and their molecular phylogenetic analysis. Environmental Geochemistry and Health. 2020;43(4):1617- 1628. https://doi.org/10.1007/s10653-020-00674-4

38. Alekseeva–Popova N.V., Drozdova, I.V., Kalimova, I.B. Accumulation of heavy metals by North Caucasian plant species of the Cruciferae family in regards to phytoremediation. Geochem. Int. 2015;(53):456-463. https://doi.org/10.1134/S0016702915030027

39. Ермаков В.В., Гуляева У.А., Дегтярёв А.П., Данилова В.Н., Тютиков С.Ф Оценка подвижности металлов в почвенно–растительном комплексе Унальской котловины. Труды XII Международной биогеохимической школы. Фундаментальные основы биогеохимических технологий и перспективы их применения в охране природы, сельском хозяйстве и медицине. Тула: ТГПУ. 2021. С.123-127. https://elibrary.ru/xkumnh

40. Алексеев Ю.В. Тяжёлые металлы в почвах и растениях. Л.: Агропромиздат, 1987. 142 с.

41. Голубев Ф.В., Ермаков В.В. Геохимическая экология растений в условиях полиметаллических биогеохимических провинций в бассейне реки Ардон (Северная Осетия). Труды XII Международной биогеохимической школы. Фундаментальные основы биогеохимических технологий и перспективы их применения в охране природы, сельском хозяйстве и медицине. Тула: ТГПУ. 2021. С. 429-433. https://elibrary.ru/hzhcvp

42. Голубев Ф.В., Ермаков В.В., Тютиков С.Ф. Особенности аккумулирования металлов растениями бассейна реки Ардон (Северная Осетия). Труды XII Международной биогеохимической школы. Фундаментальные основы биогеохимических технологий и перспективы их применения в охране природы, сельском хозяйстве и медицине. Тула: ТГПУ. 2021. С.353-357. https://elibrary.ru/waohpr

43. Гигиенические нормативы ГН 2.1.7.2041–06. 1. Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в почве. Федеральная служба по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека. М., 2006.

44. Титов А.Ф., Казнина Н.М., Таланова В.В. Тяжёлые металлы и растения. Петрозаводск: Карельский научный центр РАН, 2014. 194 с. https://elibrary.ru/uajsqv

45. Гигиенические требования СанПиН 2.3.2.1078-01. Министерство здравоохранения Российской Федерации. М., 2002.

46. Галенко М.С., Гравель И.В., Вельц Н.Ю., Аляутдин Р.Н. Нормирование содержания ТМ и мышьяка как фактор безопасности использования лекарственных растительных препаратов. Безопасность и риск фармакотерапии. 2021;9(2):61-68. https://doi.org/10.30895/2312-7821-2021-9-2-61-68 https://elibrary.ru/jazdgz

47. Kabata–Pendias A. Trace elements in soils and plants.4-th edition. Taylor and Francis Group. LLC. NY. 2011. 505 p.

48. Гигиенические нормативы ГН 2.1.7.2511–09. Ориентировочно допустимые концентрации (ОДК) химических веществ в почве. Федеральный центр гигиены и эпидемиологии Роспотребнадзора. М., 2009.

49. Sanita di Toppi L., Gabrielli R. Response to cadmium in Higher Plants // Environ. Exp. Bot. 1999;(41):105-130.