Features of the accumulation and distribution of heavy metals in soils and medicinal plants of the Novocherkassk Power Station impact zone

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

One of the energy enterprises of the first hazard class, operating primarily on coal, the emissions of which have a negative impact on the environment of the Rostov region, is the Novocherkassk Power Station. The purpose of the study was to analyze the accumulation of Zn, Pb, Cu, Mn, Ni, Cr and Cd in soils and various types of medicinal plants in the impact zone of the Novocherkassk Power Station. The total content of Cr, Ni and Cd in soils was shown to be up to 1.4 times higher than the background and approximately permissible concentration. At the same time, it was established that the maximum permissible concentration of mobile forms of Cu in soils was exceeded by up to 4 times, Zn, Pb, Ni and Cr – by up to 2 times. It was revealed that wormwood, common chicory and tansy accumulate heavy metals mainly in the aerial parts, and bristly yarrow – in the roots. It was revealed that the maximum permissible level of element content in yarrow was exceeded by up to 3.5 times for Pb, up to 5 times for Cd and up to 3 times for Ni, in wormwood for Pb up to 5.5 times and Ni up to 2 times, in chicory for Pb and Cd up to 2 and 6 times, in tansy for Pb and Cd up to 3 times. The highest content of mobile forms of heavy metals in the soil and their accumulation in plants is observed within 3 km in the northwest direction from the power station. Based on biogeochemical indicators, an assessment is made of the degree of technogenic load on soils and medicinal plants in the impact zone.

About the authors

V. A. Chaplygin

Southern Federal University

Author for correspondence.
Email: chaplygin@sfedu.ru
Russian Federation, Rostov-on-Don, 344006

M. V. Burachevskaya

Southern Federal University

Email: chaplygin@sfedu.ru
Russian Federation, Rostov-on-Don, 344006

T. M. Minkina

Southern Federal University

Email: haplygin@sfedu.ru
Russian Federation, Rostov-on-Don, 344006

S. S. Mandzhieva

Southern Federal University

Email: chaplygin@sfedu.ru
Russian Federation, Rostov-on-Don, 344006

T. I. Siromlya

Institute of Soil Science and Agrochemistry SB RAS

Email: chaplygin@sfedu.ru
Russian Federation, Novosibirsk, 630099

N. P. Chernikova

Southern Federal University

Email: chaplygin@sfedu.ru
Russian Federation, Rostov-on-Don, 344006

T. S. Dudnikova

Southern Federal University

Email: chaplygin@sfedu.ru
Russian Federation, Rostov-on-Don, 344006

References

  1. Безель В.С., Жуйкова Т.В. Химическое загрязнение среды: вынос химических элементов надземной фитомассоф травянистой растительности // Экология. 2007. № 4. С. 259–267.
  2. Безель В.С., Жуйкова Т.В., Позолотина В.Н. Структура ценопопуляций одуванчика и особенности накопления тяжелых металлов // Российский экологический журнал. 1998. 29 (5). С. 331–337.
  3. Брукс Р.Р. Биологические методы поисков полезных ископаемых. М., 1986. 312 с.
  4. Вадюнина А.Ф., Корчагина З.А. Методы исследования физических свойств почв и грунтов. М.: Агропромиздат, 1986. 416 с.
  5. Важенин И.Г. Методические рекомендации по обследованию и картографированию почвенного покрова по уровню загрязненности промышленными выбросами. М.: Почв. ин-т им В.В. Докучаева, 1987. 25 с.
  6. Ветчинникова Л.В., Кузнецова Т.Ю., Титов А.Ф. Особенности накопления тяжелых металлов в листьях древесных растений на урбанизированных территориях в условиях севера // Тр. Карельского НЦ РАН. 2013. № 3. С. 68–73.
  7. Воробьева Л.А. Теория и практика химического анализа почв. М.: ГЕОС, 2006. 400 с.
  8. Временные максимально допустимые уровни (МДУ) некоторых химических элементов госсипола в кормах сельскохозяйственных животных. Утвержден Главным Управлением ветеринарии министерства сельского хозяйства РФ, 1991.
  9. Галина А.Т. Тяжелые металлы как фактор загрязнения окружающей среды (обзор литературы) // Астраханский вестник экологического образования. 2013. № 1. С. 182–192.
  10. Государственная фармакопея Российской Федерации. М.: ФЭМБ, 2018. T. IV. 719 с.
  11. Григорьева Л.М., Гареева А.М., Ваганов М.Д. Изучение загрязнения лекарственных растений тяжелыми металлами в Тюменской области // Международный научно-исследовательский журнал. 2021. № 8(110). С. 147–152. https://doi.org/10.23670/IRJ.2021.110.8.024
  12. Добровольский В.В. Основы биогеохимии. М.: Академия, 2003. 400 с.
  13. Дьякова Н.А. Экологическая оценка лекарственного растительного сырья Воронежской области на примере цветков пижмы обыкновенной // Вестник Нижневартовского гос. ун-та. 2020. № 1. С. 19–26. https://doi.org/10.36906/2311-4444/20-1/04
  14. Дьякова Н.А., Мындра А.А., Сливкин А.И. Безопасность и эффективность лекарственного растительного сырья одуванчика лекарственного, собранного в районах, испытывающих антропогенную нагрузку // Разработка и регистрация лекарственных средств. 2018. № 2. С. 120–123.
  15. Елагина Д.С., Архипова Н.С., Воробьев В.Н. Комплексное исследование металлоустойчивости Amaranthus retroflexus L. // Известия Горского гос. аграрного ун-та. 2019. Т. 56. № 1. С. 154–162.
  16. Карачевская Е.В. Развитие лекарственного растениеводства в контексте мировой глобализации // Проблемы экономики: сборник научных трудов. 2021. № 1. С. 33–43.
  17. Методические указания по определению тяжелых металлов в почвах сельхозугодий и продукции растениеводства. М.: ЦИНАО, 1992. 61 с.
  18. Минкина Т.М., Манджиева С.С., Чаплыгин В.А., Мотузова Г.В., Бурачевская М.В., Бауэр Т.В., Сушкова С.Н., Невидомская Д.Г. Влияние аэротехногенных выбросов на содержание тяжелых металлов в травянистых растениях нижнего Дона // Почвоведение. 2017. № 6. С. 759–768. https://doi.org/10.7868/S0032180X17060077
  19. Минкина Т.М., Мотузова Г.В., Манджиева С.С., Назаренко О.Г., Бурачевская М.Ю., Антоненко Е.М. Фракционно-групповой состав соединений Mn, Cr, Ni и Cd в почвах техногенных ландшафтов (район Новочеркасской ГРЭС) // Почвоведение. 2013. № 4. С. 414–425. https://doi.org/10.7868/S0032180X13040102
  20. Оленина Н.Г., Михеева Н.С., Крутикова Н.М. Особенности экспертизы «польза/риск» лекарственных растительных препаратов: анализ регистрационных досье // Ведомости Научного центра экспертизы средств медицинского применения. 2018. Т. 8. № 2. С. 84–91. https://doi.org/10.30895/1991-2919-2018-8-2-84-91
  21. Памятники природы Ростовской области. Дата обращения: 14 февраля 2017. Архивировано 14 февраля 2017 г. https://donland.ru/activity/855/
  22. Пинский Д.Л., Минкина Т.М., Бауэр Т.В., Невидомская Д.Г., Шуваева В.А., Манджиева С.С., Цицуашвили В.С., Бурачевская М.В., Чаплыгин В.А., Барахов А.В., Велигжанин А.А., Светогоров Р.Д., Храмов Е.В., Иовчева А.Д. Идентификация соединений тяжелых металлов в техногенно преобразованных почвах методами последовательного фракционирования, XAFS-спектроскопии и XRD порошковой дифракции // Почвоведение. 2022. № 5. С. 600–614. https://doi.org/10.31857/S0032180X22050070
  23. Сиромля Т.И., Загурская Ю.В., Баяндина И.И. Элементный состав экстрактов из травы Hypericum perforatum L., выращенной в регионах с высокой техногенной нагрузкой // Вестник ОГУ. 2015. № 10. С. 77–81.
  24. Титов А.Ф., Таланова В.В., Казнина Н.М. Физиологические основы устойчивости растений к тяжелым металлам. Петрозаводск: КарНЦ РАН, 2011. 77 с.
  25. Шаймухаметов М.Ш. К методике определения поглощенных Са и Мg в черноземных почвах // Почвоведение. 1993. № 12. С. 105–111.
  26. Шергина О.В., Михайлова Т.А. Фитоэкстракция тяжелых металлов травянистыми растениями на техногенных почвах // Химия растительного сырья. 2022. № 4. С. 311–320.
  27. Ших Е.В., Булаев В.М., Демидова О.А. Оценка безопасности лекарственных растений // Безопасность и риск фармакотерапии. 2015. № 2. С. 23–29.
  28. Экологический вестник Дона: о состоянии окружающей среды и природных ресурсов Ростовской области в 2022 г. Ростов-на-Дону, 2023. 373 с.
  29. Adesuyi A.A., Njoku K.L., Akinola M.O. Assessment of heavy metals pollution in soils and vegetation around selected industries in Lagos State, Nigeria // J. Geosci. Environ. Prot. 2015. V. 3(07). P. 11.
  30. Bothe H. Plants in heavy metal soils // Detoxification of heavy metals. Berlin: Springer Publisher, 2011. P. 35–57.
  31. Burachevskaya M., Minkina T., Bauer T., Mandzhieva S., Gulser C., Kizilkaya R., Sushkova S., Rajput V. Assessment of extraction methods for studying the fractional composition of Cu and Zn in uncontaminated and contaminated soils // Eurasian J. Soil Sci. 2020. V. 9(3). P. 231–241. https://doi.org/10.18393/ejss.734601
  32. Burachevskaya M., Minkina T., Mandzhieva S., Bauer T., Chaplygin V., Zamulina I., Sushkova S., Fedorenko A., Ghazaryan K., Movsesyan H., Makhinya D. Study of copper, lead, and zinc speciation in the Haplic Chernozem surrounding coal-fired power plant // Appl. Geochem. 2019. V. 104. P. 102–108. https://doi.org/10.1016/j.apgeochem.2019.03.016
  33. Chaplygin V., Mandzhieva S., Minkina T., Sushkova S., Kizilkaya R., Gülser C., Chernikova N. Sustainability of agricultural and wild cereals to aerotechnogenic exposure // Environ. Geochem. Health. 2021. V. 43(4). P. 1427–1439. https://doi.org/10.1007/s10653-019-00411-6
  34. Chaplygin V., Minkina T., Mandzhieva S., Burachevskaya M., Sushkova S., Poluektov E., Kumacheva V. The effect of technogenic emissions on the heavy metal’s accumulation by herbaceous plants // Environ. Monit. Assess. 2018. V. 190(3). P. 1–18. https://doi.org/10.1007/s10661-018-6489-6
  35. Cristaldi A., Conti G.O., Jho E.H., Zuccarello P., Grasso A., Copat C., Ferrante M. Phytoremediation of contaminated soils by heavy metals and PAHs. A brief review // Environ. Technol. Innovation. 2017. V. 8. P. 309–326. https://doi.org/10.1016/j.eti.2017.08.002
  36. Dumanoglu Y., Gaga E.O., Gungormus E., Sofuoglu S.C., Odabasi M. Spatial and seasonal variations, sources, air-soil exchange, and carcinogenic risk assessment for PAHs and PCBs in air and soil of Kutahya, Turkey, the province of thermal power plants // Sci. Total Environ. 2017. V. 580. P. 920–935. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2016.12.040
  37. Eid E.M., Shaltout K.H. Monthly variations of trace elements accumulation and distribution in above- and below-ground biomass of Phragmites australis (Cav.) Trin. Ex Steudel in Lake Burullus (Egypt): a biomonitoring application // Ecol. Eng. 2014. V. 73. P. 17–25.
  38. Eid E.M., Shaltout K.H., Al-Sodany Y.M., Haroun S.A., Galal T.M., Ayed H., Khedher K.M., Jensen K. Common reed (Phragmites australis (Cav.) Trin. ex Steudel) as a candidate for predicting heavy metal contamination in Lake Burullus, Egypt: a biomonitoring approach // Ecol. Eng. 2020. V. 148. P. 105787. https://doi.org/10.1016/j.ecoleng.2020.105787
  39. Favas P.J.C., Pratas J., Prasad M.N.V. Accumulation of arsenic by aquatic plants in large-scale field conditions: Opportunities for phytoremediation and bioindication // Sci. Total Environ. 2012. V. 433. P. 390–397.
  40. Ghazaryan K.A., Movsesyan H.S., Minkina T.M., Sushkova S.N., Rajput V.D. The identification of phytoextraction potential of Melilotus officinalis and Amaranthus retroflexus growing on copper- and molybdenum-polluted soils // Environ. Geochem. Health. 2019. V. 43. P. 1327–1335. https://doi.org/10.1007/s10653-019-00338-y
  41. Juárez-Santillán L.F., Lucho-Constantino C.A., Vázquez-Rodríguez G.A., Cerón-Ubilla N.M., Beltrán-Hernández R.I. Manganese accumulation in plants of the mining zone of Hidalgo, Mexico // Bioresour. Technol. 2010. V. 101(15). P. 5836–5841. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2010.03.020
  42. Kabata-Pendias A., Pendias H. Trace Elements in Soils and Plants. Boca Raton: CRC Press, 2010. 548 p. https://doi.org/10.1201/b10158
  43. Khan M.J., Jones D.L. Effect of composts, lime and diammonium phosphate on the phytoavailability of heavy metals in a copper mine tailing soil // Pedosphere. 2009. V. 19(5). P. 631–641. https://doi.org/10.1016/S1002-0160(09)60158- 2
  44. Linnik V.G., Minkina T.M., Bauer T.V., Saveliev A.A., Mandzhieva S.S. Geochemical assessment and spatial analysis of heavy metals pollution around coal-fired power station // Environ. Geochem. Health. 2019. V. 42(12). P. 4087–4100. https://doi.org/10.1007/s10653-019-00361-z
  45. Minkina T.M., Motuzova G.V., Nazarenko O.G., Kryshchenko V.S., Mandzhieva S.S. Combined Approach for Fractioning Metal Compounds in Soils // Eurasian Soil Sci. 2008. V. 41 (11). P. 1171–1179.
  46. Phillips D.P., Human L.R.D., Adams J.B. Wetland plants as indicators of heavy metal contamination // Mar. Pollut. Bull. 2015. V. 92. 227–232. https://doi.org/10.1016/j.marpolbul.2014.12.038
  47. Rajput V., Minkina T., Semenkov I., Klink G., Tarigholizadeh S., Sushkova S. Phylogenetic analysis of hyperaccumulator plant species for heavy metals and polycyclic aromatic hydrocarbons // Environ. Geochem. Health. 2021. V. 43(4). P. 1629–1654. https://doi.org/10.1007/s10653-020-00527-0
  48. Sazykin I.S., Minkina T.M., Grigoryeva T.V., Khmelevtsova L.E., Sushkova S.N., Laikov A.V., Sazykina M.A. PAHs distribution and cultivable PAHs degraders’ biodiversity in soils and surface sediments of the impact zone of the Novocherkassk thermal electric power plant (Russia) // Environ. Earth Sci. 2019. V. 78(19). P. 1–13.
  49. Shtangeeva I., Viksna A., Grebnevs V. Geochemical (soil) and phylogenetic (plant taxa) factors affecting accumulation of macro- and trace elements in three natural plant species // Environ. Geochem. Health. 2020. V. 42 (1). P. 209–219. https://doi.org/10.1007/s10653-019-00337-z
  50. Su C. A review on heavy metal contamination in the soil worldwide: Situation, impact and remediation techniques // Environ. Skeptics and Critics. 2014. V. 3(2). P. 24.
  51. Sun L., Liao X., Yan X., Zhu G., Ma D. Evaluation of heavy metal and polycyclic aromatic hydrocarbons accumulation in plants from typical industrial sites: potential candidate in phytoremediation for co-contamination // Environ. Sci. Pollut. Res. 2014. V. 21(21). P. 12494–12504. https://doi.org/10.1007/s11356-737014-3171-6
  52. Tefera M., Gebreyohannes F., Saraswathi M. Heavy metal analysis in the soils of in and around Robe town, Bale zone, SouthEastern, Ethiopia // Eurasian J. Soil Sci. 2018. V. 7(3). P. 251–256. https://doi.org/10.18393/ejss. 430116
  53. Verma C., Madan S., Hussain A. Heavy metal contamination of groundwater due to fly ash disposal of coal-fired thermal power plant, Parichha, Jhansi, India // Cogent Eng. 2016. V. 3(1). 1179243
  54. Wang J., Bao H., Zhang H., Li J., Hong H., Wu, F. Effects of cuticular wax content and specific leaf area on accumulation and partition of PAHs in different tissues of wheat leaf // Environ. Sci. Pollut. Res. 2020. V. 27(15). P. 18793. https://doi.org/10.1007/s11356-020-08409-9
  55. Yakovleva E.V., Gabov D.N., Beznosikov V.A., Kondratenok B.M. Accumulation of polycyclic aromatic hydrocarbons in soils and plants of the tundra zone under the impact of coal-mining industry // Eurasian Soil Sci. 2016. V. 49(11). P. 1319–1328. https://doi.org/10.1016/j.ecoleng.2014.09.006
  56. Zhao Z., Nan Z., Wang Z., Yang Y., Shimizu M. Interaction between Cd and Pb in the soil-plant system: a case study of an arid oasis soil-cole system // J. Arid Land. 2014. V. 6(1). P. 59–68. https://doi.org/10.1007/s40333-013-0194-7

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Additional Materials
Download (193KB)
Indexing metadata
3. Fig. 1. Map of the location of monitoring sites near the power plant indicating the species composition of the selected plants.

Download (841KB)
Indexing metadata
4. Fig. 2. Spatial distribution of gross content (a) and mobile forms (b) of heavy metals in soils of the impact zone of the power plant.

Download (2MB)
Indexing metadata
5. Fig. 3. Heavy metal content in roots, stems and inflorescences of 4 plant species in the impact zone of the power plant. Letters indicate significant differences obtained using Tukey honest significant difference for unequal N at p < 0.05.

Download (1MB)
Indexing metadata
6. Fig. 4. Content of heavy metals in roots, stems and inflorescences of plants grouped by growth in two areas with different technogenic loads: near the power plant, in the NW direction and in the NW direction from the GRES. Letters indicate significant differences obtained using Tukey honest significant difference for unequal N at p < 0.05.

Download (829KB)
Indexing metadata
7. Fig. 5. Redistribution coefficients of heavy metals in the soil–root (KN), root–stem (AK1) and stem–inflorescence (AK2) systems. Letters indicate significant differences obtained using Tukey honest significant difference for unequal N at p < 0.05.

Download (1MB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences