Особенности поглощения мышьяка растениями на территории природной геохимической аномалии Читинской области

М.А. Солодухина

ОСОБЕННОСТИ ПОГЛОЩЕНИЯ МЫШЬЯКА РАСТЕНИЯМИ НА ТЕРРИТОРИИ ПРИРОДНОЙ ГЕОХИМИЧЕСКОЙ АНОМАЛИИ ЧИТИНСКОЙ ОБЛАСТИ

Рассмотрены некоторые особенности поглощения мышьяка органами растений в природных и геотехногенных ландшафтах юга Читинской области. Установлено, что коэффициент биологического поглощения мышьяка для большинства изученных растений не превышает 0,5.

С момента открытия элемента ок. 1250 г. и до наших дней мышьяк и его соединения исследуют и используют довольно широко. Несмотря на свою токсичность, его соединения применяют в сельском хозяйстве, медицине, цветной металлургии, при производстве полупроводниковых материалов, микросхем и волоконной оптики. В конце 80-х гг. ХХ в. была установлена его жизненная необходимость для домашних животных [1].

Изучению геохимии и минералогии мышьяка в почвах посвящены работы А.П. Виноградова (1950, 1957), Е.А. Карповой, Г.В. Мотузовой, Н.Г. Зырина (1987), распределению его в природных и техногенных ландшафтах - А.И. Перельмана (1975, 1982), В.С. Аржанова, П.В. Елпатьевского (1983) и др.

Экологическая геохимия и биогеохимия мышьяка и его соединений рассматривались В.В. Добровольским (1983, 1985, 1998, 2003), Ю.В. Алексеевым (1987), В. А. Алексеенко (2000), В.В. Ивановым (1996) и др.

Обобщенные материалы по изучению мышьяка и его соединений представлены в работах В.С. Гамаюро-вой (Мышьяк в экологии и биологии, 1993) и Н.И. Копылова и Ю.Д. Каминского (Мышьяк, 2004) Исследования за рубежом ведутся в нескольких направлениях. Наибольший вклад в обобщение материалов по биогеохимии мышьяка внесли Р.Р. Брукс (1983), А. Каба-та-Пендиас и Х. Пендиас (1989).

Читинская область представляет собой крупнейший регион по запасам минерального сырья. Горное производство является важнейшей отраслью народного хозяйства; этот фактор на протяжении последних 300 лет оказывает негативное влияние на окружающую среду. В комплексе вредных воздействий особую группу представляет перераспределение токсичных элементов и поступление их в ландшафт за счет выемки горных пород геологического субстрата. Месторождения представляют собой природные геохимические аномалии, поэтому после их отработки на дневной поверхности оказываются горные породы, при разрушении которых аномально высокие содержания вредных химических элементов становятся доступными для биоты. Одним из таких объектов является Шерловогорское висмут-бериллий-олово-вольфрамовое месторождение с наложенной мышьяковой минерализацией. Олово-поли-металлическую руду добывали открытым способом, вследствие чего образовались геотехногенные массивы (карьер, отвалы бедных и забалансовых руд, хвосто-хранилище). Масса накопленных горных пород составила 17617,0 тыс. т., площадь хвостохранилища 64,5 га

[2]. Горные породы геологического субстрата, кроме полезных химических элементов, содержат также и вредные примеси, например мышьяк. И если недоизв-лечение свинца, цинка, олова из руды связано с несо-

вершенством технологии, то в мышьяке просто не было потребности. Содержание мышьяка в горных породах составляет в среднем 1029 (от 17 до 14700) г/т. Главный мышьяксодержащий минерал - арсенопирит. В качестве примеси он присутствует во всех рудопро-явлениях олова, он установлен на всех участках, продуктивных на камнесамоцветное сырье, является примесью в кварце, молибдените, во флюорите, в пирите.

Учитывая широкое распространение мышьяксодержащих горных пород геологического субстрата, с целью выявления интенсивности биологического захвата мышьяка растениями и возможного влияния на здоровье населения, вследствие участия растений в трофических цепях, в течение полевых сезонов 2002-2007 гг. на трех участках района Шерловогорского месторождения были отобраны пробы почв и растений. Участки представляют собой собственно территорию месторождения, где рельеф расчленен геологоразведочными работами (шурфы, канавы, копуши), геотехногенные массивы (карьер, отвалы бедных и забалансовых руд и хвостохранилище) и участок за пределами месторождения (фоновый), но в пределах рудомагматической системы. На каждом участке наблюдения проводили по точкам, хорошо изученным в геологическом отношении, где отбирали объединенные пробы доминантных видов растений из каждого яруса, которые встречаются на всех участках. Отбор почвенных проб проводили в соответствии с ГОСТ 17.4.4. 02-84 по искусственным обнажениям. Растения делили на органы. Корни и наиболее запыленные части растений промывали сначала струей проточной воды, а после дистиллированной, затем высушивали до воздушно-сухого состояния. Химический анализ растений проводили методом масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой на спектрофотометре ICP-MS Elan DRC II PerkinElmer (США) в Хабаровском инновационно-аналитическом центре Института тектоники и геофизики им. Ю.А. Косыгина ДВО РАН (аналитики В.Е. Зазулина, А.Ю. Будкина, Е.М. Голубева и Д.В. Авдеев). Почвенные образцы анализировали методом РФА в Геологическом институте СО РАН (аналитики Б. Ж. Жалсараев, Ж.Ш. Ринчинова).

В данной работе представлены результаты исследования особенностей биологического захвата мышьяка в природных и геотехногенных системах на примере четырех видов растений. Это горец узколистный (Polygonum angustifolium Pallas), полынь Гмелина (Artemisia gmelinii Weber ex Stechm), подмаренник настоящий (Gallium verum L.) и боярышник кроваво-красный (Crataegus sanguinea Pallas).

Известно, что мышьяк входит в состав многих растений, но его биохимическая роль практически не изучена

[3]. Токсичность мышьяка по отношению к растениям Р.Р. Брукс (1986) оценивает как сильную, Ю.В. Алексеев (1987) относит мышьяк к группе умеренно токсичных элементов. Токсическое действие мышьяка связывают с его способностью конкурировать с жизненно важными элементами. По данным [4] большие количества мышьяка в почве не представляют опасности для растений благодаря тому, что большинство из них могут выводить данный элемент из тканей надземных органов.

Кларк мышьяка для растений составляет 0,1 мг/кг [5], 0,2 мг/кг [6]. Концентрации мышьяка в растениях на незагрязненных почвах, по данным В.С. Гамаюровой, 0,01-5 мг/кг, по А. Кабата-Пендиас и Х. Пендиас варьируют в пределах 0,009-1,5 мг/кг. Критическая концентрация мышьяка в листьях для сельскохозяйственных культур, снижающих продуктивность на 10%, равна 20 мг/кг [4]. Коэффициент биологического поглощения

мышьяка (КБП), по А.И. Перельману, составляет п - 0,п

[7], по В.В. Добровольскому 1,58 [8]. КБП мышьяка для изученных растений (см. табл. 2) заметно отличается от

[8]. Вероятно потому, что КБП по В.В. Добровольскому рассчитан глобально, для всей территории суши, а в настоящем исследовании приведены значения КБП для локальной территории природной геохимической аномалии. Кроме этого, для подсчета КБП почву отбирали прямо из под растения и принимали за КБП отношение содержания мышьяка в растении к содержанию мышьяка в почве на данном участке.

Полученные результаты (табл. 1) свидетельствуют о том, что в почвах месторождения, фонового участка и в субстрате хвостохранилища содержания мышьяка значительно превышают ПДК, но т. к. территория представляет собой природную геохимическую аномалию, ПДК приведен лишь для сравнения.

Т а б л и ц а 1

Содержание мышьяка в почве и субстрате

Место отбора проб ПДК, г/т [5] Среднее, г/т Min, г/т Max, г/т Коэффициент вариации, % Число проб

Месторождение 2,0 667 53 18000 17,54 161

Геотехногенные массивы 278 2,5 1000 14,75 50

Фоновый участок 14,8 2,5 27 125 11

Данные табл. 1 указывают на то, что наибольшие содержания мышьяка в почвах характерны для месторождения, что хорошо увязывается с широким развитием мышьяковой минерализации. Субстрат геотехногенных массивов содержит в 2 и более раз меньше мышьяка, чем почвы месторождения, а фоновый участок - в 45 раз. Однако почвы фонового участка в 7 раз превышают ПДК, что указывает на принадлежность территории к природной геохимической аномалии.

КБП мышьяка растениями изучаемого района неодинаков (табл. 2), наибольшие его значения отмечены для растений месторождения. Здесь максимальный КБП характерен для корней всех изученных растений, а минимальный - для цветов и бутонов. Для фонового участка и геотехногенных массивов КПБ мышьяка не превышает 0,06 и 0,02 соответственно. Среди изученных растений можно выделить горец узколистный и боярышник крова-

Коэффициент биологического погл

во-красный как растения, которые на разных участках с разным содержанием мышьяка в почве проявляют единую тенденцию к его захвату разными органами (рис. 12). Различия же в захвате мышьяка корнями боярышника кроваво-красного можно объяснить следующим образом. Благодаря способности корней проникать на большую глубину на месторождении они встречаются с мышьяковыми жилами, однако на фоновом участке наложенная мышьяковая минерализация не наблюдается, поэтому корни боярышника кроваво-красного на месторождении имеют высокий КБП мышьяка по сравнению с тем же на фоновом участке.

Шерловогорский горнорудный район представляет собой сложное сочетание природных, природнотехногенных и геотехногенных геохимических ландшафтов, где основным источником мышьяка служат горные породы геологического субстрата.

Т а б л и ц а 2

ения мышьяка растениями района

Название растения Число проб Орган растения Месторождение Геотехногенные массивы Фоновый участок

Коэффициент биологического поглощения

Горец узколистный (Polygonum angustifolium Pallas) 57 Цветы 0,001 - 0,007

Листья 0,03 0,04 0,007

Стебель 0,02 0,06 0,02

Корень 0,5 - 0,05

Полынь Гмелина (Artemisia gmelinii Weber ex Stechm) 54 Цветы 0,007 0,02 -

Листья 0,01 0,05 -

Стебель 0,006 0,003 < 1х10-6

Корень 0,1 0,02 < 1х10-6

Подмаренник настоящий настоящий (Gallium verum L.) 31 Цветы 0,01 0,03 0,02

Листья 0,1 0,03 0,01

Стебель 0,01 0,01 < 1х10-6

Корень 0,1 0,01 0,003

Боярышник кроваво-красный (Crataegus sanguinea Pallas) 30 Плоды 0,01 0,0005 0,009

Бутоны < 2х10-7 - 0,008

Листья 0,02 0,005 0,02

Ветви 0,003 - 0,006

Корень 0,1 - 0,005

Рис. 2. КБП боярышника кроваво-красного на разных участках района

Мышьяк, несмотря на токсичность и высокое содержа- элемент присутствует в почве в труднодоступной для рас-

ние в почве, существенно не накапливается в растениях. тений форме или растение обладает высокой степенью

Это - лишь косвенное доказательство того, что данный толерантности к избытку мышьяка в почве.

ЛИТЕРАТУРА

1. ГамаюроваВ.С. Мышьяк в экологии и биологии. М.: Наука, 1993. 208 с.

2. Геологические исследования и горно-промышленный комплекс Забайкалья: История, современное состояние, проблемы, перспективы разви-

тия. К 300-летию основания Приказа рудокопных дел / Г.А. Юргенсон, В.С. Чечеткин, В.М. Асосков и др. Новосибирск: Наука, 1999. 574 с.

3. Кабата-ПендиасА., ПендиасХ. Микроэлементы в почвах и растениях: Пер. с англ. М.: Мир, 1989. 439 с.

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

5. ФедорчукВ.П. Минеральное сырье. Мышьяк: Справочник. М.: Геоинформмарк, 1999. 23 с.

6. Брукс Р.Р. Биологические методы поисков полезных ископаемых: Пер. с англ. М.: Недра, 1986. 311 с.

7. Инструкции по геохимическим методам поисков рудных месторождений. М.: Недра, 1965. 230 с.

8. Добровольский В.В. Основы биогеохимии: Учеб. для студ. высш. учеб. заведений. М.: Академия, 2003. 400 с.

Статья представлена научной редакцией «Биология» 9 апреля 2008 г.