Содержание никеля в травах соснового бора семипалатинского Прииртышья Республики Казахстан

УДК [546.76]:582/475.4

Вестник СПбГУ. Сер. 3. 2012. Вып. 3

А. Р. Сибиркина

СОДЕРЖАНИЕ НИКЕЛЯ В ТРАВАХ СОСНОВОГО БОРА СЕМИПАЛАТИНСКОГО ПРИИРТЫШЬЯ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

Растительные организмы избирательно накапливают химические элементы, в том числе и тяжелые металлы (ТМ). Некоторые растения являются концентраторами по отношению к одному или нескольким элементам и активно вовлекают их в биогеохимический круговорот. Кроме того, растения применяются в биоиндикационных исследованиях. По этой причине сведения об их элементном химическом составе имеют большое научно-практическое значение в мониторинговых исследованиях состояния окружающей среды конкретного региона, например Семипалатинского Прииртышья. Реликтовый сосновый бор является прекрасной базой для проведения мониторинговых исследований, тем не менее, в настоящее время практически отсутствует информация о содержании ТМ в травянистых растениях семипалатинского соснового бора. В связи с вышесказанным основной целью исследования была оценка уровня загрязнения территории Семипалатинского Прииртышья по степени накопления N1 в травах соснового бора с учетом того, что осуществляемые травянистыми растениями процессы поглощения и нейтрализации токсичных компонентов техногенных эмиссий также значимы, как и их почвозащитные и водорегулирующие функции [1, 2]. В задачи исследования входило изучение металлонакопительных возможностей отдельных семейств травянистых растений.

Объекты и методы исследования

Отбор проб проводили в летне-осенний период (август-сентябрь) 2004-2009 гг. на различных участках семипалатинского равнинного и бугристого песчаных лесных районов: в окрестностях г. Семей с углублением в лес на 500-1500 м к западу и северо-западу от города, в Бескарагайском районе (в районах сел Бегень и Сосновка), в Боро-дулихинском районе. Всего в исследуемых районах было обнаружено 52 вида травянистых растений из 18 семейств.

Сосновые боры Семипалатинского Прииртышья — это травянистые боры, большей частью ксерофитизированные [3]. Сомкнутость трав под пологом леса колеблется от 3-5% до 10-20%. Местами встречаются куртины и массивы сомкнутого, мертвопо-кровного сухого бора. Именно таким оказался бор в районе с. Долонь, где не удалось отобрать пробы травянистых растений.

При отборе, транспортировке, хранении и подготовке растительных проб для анализа были использованы методические указания, инструкции, опубликованные во многих научных работах и утвержденные в стандартах [4-8]. Латинские названия растений даны из работы С. А. Арыстангалиева и Е. Р. Рамазанова [9].

© А. Р. Сибиркина, 2012

В пределах ленточных боров располагаются равнинные и бугристые боровые пески. Для определения валового содержания Ni бралась навеска почвы массой 10 г, которую озоляли в муфельной печи при температурах 450-500 °С в течение 5-8 ч. Полученную золу переводили в раствор ускоренным методом с применением концентрированных минеральных кислот и перекиси водорода [9]. Всего было проанализировано 78 почвенных и 417 растительных проб.

Наряду с анализом валового содержания Ni в почвах были изучены и его подвижные формы: кислоторастворимая (1н. раствор НС1), обменная (ацетатно-аммо-нийный буфер с рН 4,8), водорастворимая (бидистиллированная вода). Фракционирование осуществлялось из отдельных навесок почвы массой 5 г. Соотношение «почва : экстрагент» составляло 1:10, время экстракции — 1 ч. Пробы встряхивались на ротаторе в течение одного часа, после экстрагирования суспензии фильтровали и в фильтрате атомно-абсорбционным методом определяли содержание Ni. Анализ осуществлялся на атомно-абсорбционном спектроскопе модель SP9 фирмы PYE UNICAM.

Был вычислен коэффициент биологического поглощения (КБП), характеризующий распределение элементов между живым веществом и абиотической средой. Данный коэффициент — это отношение концентрации химического элемента в живом организме растений (в золе) к его концентрации в среде (валовое содержание в почве) [10].

Для оценки тесноты биогеохимической связи состава живого организма с биосферой был рассчитан показатель биотичности элементов (ПБЭ), который является отношением содержания элемента в растениях к кларку земной коры. По аналогии с КБП, элементы со значениями ПБЭ, равными 0,3 и выше, играют наиболее существенную роль в биологическом круговороте веществ в экосистеме [11].

Для характеристики распределения элементов между живым веществом и окружающей средой были вычислены коэффициенты накопления (Кн1) [13] и (Кн2) [12]. Коэффициент накопления (Кн1) характеризует переход химических элементов из почвы в растение, близок к КБП, но поглощение — физиологический процесс, а накопление — результат, как поглощения, так и внутреннего перераспределения химических элементов. Если Кн1 меньше единицы, то превалирует загрязнение растений из почвы, если больше единицы, то, кроме поступления в растительную продукцию металлов из почвы, имеет место загрязнение из атмосферы. Коэффициент накопления (Кн2) выражает отношение содержания элемента в корнях к таковому в почве: Кн2 = Скорни : Спочва, где Скорни — содержание элемента в корнях; Спочва — содержание элемента в почве.

Коэффициенты накопления были рассчитаны относительно валового содержания никеля в почвах и его подвижных форм.

Для характеристики процессов перехода Ni из корней в надземную часть растений рассчитывали коэффициент перехода (Кп), равный отношению содержания Ni в надземной фитомассе к таковому в корнях [12]: Кп = Слистья : Скорни, где Слистья — содержание элемента в листьях, Скорни — содержание элемента в корнях.

Полученные экспериментальные данные были обработаны вариационно-статистическими методами, которые описаны в руководстве Н. А. Плохинского [13] с помощью программы Microsoft Excel.

Обсуждение результатов исследования

Изменения в составе биосферы, происходящие на разных этапах эволюции, вызвали изменение металлопоглощающей способности растений. В результате, возникшие в разное время типы растительных организмов, характеризуются различным содержанием элементов [14]. Серьезную проблему в изучении роли ТМ представляет то, что многие из них выполняют в растениях функцию жизненно необходимых микроэлементов, среди них N1 и другие элементы. Поэтому, рассматривая вопросы токсичности ТМ следует внимательно оценивать зависимость реакции растений от концентраций каждого металла и анализировать разное воздействие ТМ на дикорастущие и культурные растения. Это связано с выявлением гипераккумулирующих металлы видов растений и разработкой фиторемедиационных мероприятий, в которых задействованы дикорастущие растения [15, 16]. Информация об уровнях накопления N1 травами различных семейств соснового бора представлена в табл. 1.

Среднее содержание N1 в изученных травянистых растениях, кроме осоковых, не превышало его фоновых значений, оно было ниже ПДК и критических значений для растений (табл. 2). Злаковые, лилейные, бобовые отличаются критическим содержанием N1 в корнях растений. Фитотоксичных концентраций N1 в изученных травах не обнаружено даже по верхним границам его содержания.

Химический состав растений зависит от элементного состава почвы, на которой они произрастают. Ключевую роль в минеральном питании растений играет степень обеспеченности почвы биологически доступными формами микроэлементов. В пределах ленточных боров располагаются равнинные и бугристые боровые пески, сформированные на древнеаллювиальных песках, и имеющие самое низкое содержание ТМ из всех почвообразующих пород региона [23], что связано с их минералогическим и гранулометрическим составом. Доступность элемента для растений часто отождествляют с его подвижностью [24, 25], т. е. тем количеством вещества, которое способно мигрировать к поверхности корня в результате всех возможных процессов, происходящих в почве. Установлено, что валовое содержание никеля в боровых песках составляет 14,41 ± 0,84 при размахе варьирования 6,70-25,48 мг/кг. Содержание подвижных форм никеля можно ранжировать в следующем убывающем порядке (мг/кг): кислото-растворимая (0,15) > обменная (0,05) > водорастворимая (0,01). Следует отметить, что пески соснового бора не испытывают прямого промышленного воздействия. Степень техногенного загрязнения почв можно оценить по содержанию в них подвижных форм ТМ. Согласно нашим исследованиям, концентрация подвижных форм N1 в песках значительно ниже ПДК для подвижных форм (ПДКподв.№ = 4,0 мг/кг [26]). Учитывая, что соотношение кислоторастворимой формы N1 к валовому содержанию составляет всего 1,0%, изученные боровые пески относятся к категории фоновых почв и не могут служить основным источником поступления N1 в растения.

Накопление ТМ растениями определяется их биологическими особенностями, различные семейства растений по-разному распределяют N1 по органам растения. У многих видов растений концентрации ТМ в надземных органах, как правило, меньше, чем в корнях [27, 28]. Установлено, что растения из семейств осоковых, злаковых, лилейных, розоцветных, ворсянковых, норичниковых, тутовых, подорожниковых накапливают никель больше в корнях, чем в надземной части. Выявленный акропе-тальный тип накопления, очевидно, связан с наличием функциональных барьеров

Таблица 1. Содержание никеля в травах из различных семейств

Семейства растений В целом по растению Корни Надземная часть

Осоковые, n = 9 Cyperaceae J. St. Hill. 3,95 ± 0,22 (48,0) 1,75-7,19 4,15 ± 0,23 (74,6) 1,75-7,19 3,74 ± 0,21 (21,4) 2,87-4,37

Злаковые, n = 33 Gramineae Juzz. 3,39 ± 0,19 (291,0) 0,02-10,98 4,52 ± 0,25 (145,5) 0,02-9,50 2,25 ± 0,13 (436,5) 0,14-10,98

Лилейные, n = 9 Liliaceae Hall. 3,85 ± 0,22 (88,2) 1,13-6,32 4,90 ± 0,27 (92,7) 1,58-6,32 2,79 ± 0,16 (83,7) 1,13-4,58

Маревые, n = 12 Chenopodiaceae Less. 0,77 ± 0,05 (78,1) 0,07-2,67 0,41 ± 0,02 (62,8) 0,12-0,72 1,13 ± 0,07 (93,4) 0,07-2,67

Гвоздичные, n = 12 Caryophyllaceae Juzz. 1,39 ± 0,08 (92,6) 0,06-3,22 1,09 ± 0,06 (76,8) 0,06-2,17 1,68 ± 0,09 (108,4) 0,32-3,22

Лютиковые, n = 15 Ranunculaceae Juzz. 2,89 ± 0,16 (105,2) 0,59-7,45 2,87 ± 0,16 (86,1) 1,13-7,45 2,90 ± 0,16 (124,2) 0,59-3,73

Крестоцветные, n = 36 Niucifera Juzz. 2,41 ± 0,14(99,7) 0,28-12,78 1,24 ± 0,07 (56,9) 0,82-1,65 3,58 ± 0,20 (142,4) 0,28-12,78

Розоцветные, n = 21 Rosaceae Juzz. 2,71 ± 0,15 (194,6) 0,74-5,21 3,08 ± 0,17 (185,6) 0,94-5,21 2,33 ± 0,13 (203,5) 0,74-4,61

Бобовые, n = 30 Leguminosae Juzz. 4,04 ± 0,23 (46,8) 1,59-7,04 3,23 ± 0,18 (28,7) 2,69-3,64 4,84 ± 0,27 (64,8) 1,59-7,04

Зонтичные, n = 12 Umbelliferae Moris. 1,94 ± 0,11 (125,5) 0,85-4,68 1,30 ± 0,07 (82,3) 0,85-2,41 2,58 ± 0,14(168,7) 0,94-4,68

Сложноцветные, n = 132 Compositae (Vaill.) Adans. 2,48 ± 0,14 (143,6) 0,61-4,89 2,37 ± 0,13 (124,8) 0,86-3,89 2,59 ± 0,15 (162,4) 0,61-3,85

Ворсянковые, n = 12 Dipsacaceae Lindl. 2,13 ± 0,12 (99,2) 0,94-4,52 2,48 ± 0,14 (87,5) 1,00-4,52 1,78 ± 0,10 (110,8) 0,94-3,51

Мареновые, n = 12 Rubiaceae Juzz. 1,76 ± 0,10 (50,4) 1,11-3,52 1,66 ± 0,09 (52,2) 1,11-3,52 1,86 ± 0,10 (48,5) 1,78-2,24

Норичниковые, n = 36 Scriophulariaceae Lindl. 1,98 ± 0,11 (66,1) 0,97-3,45 2,17 ± 0,12 (63,2) 1,05-3,45 1,78 ± 0,10 (68,9) 0,97-3,25

Тутовые, n = 12 Moraceae Lindl. 1,83 ± 0,11 (48,8) 0,65-2,98 2,08 ± 0,12 (18,7) 1,07-2,98 1,58 ± 0,09 (78,9) 0,65-2,37

Хвощевые, n = 6 Eguisetaceae Rich. 2,99 ± 0,17 (77,9) 1,12-5,21 2,45 ± 0,14 (71,4) 1,12-3,78 3,52 ± 0,20 (84,4) 1,36-5,21

Заразиховые, n = 6 Orobanchaceae Lindl. 1,58 ± 0,09 (86,9) 0,76-2,87 — 1,58 ± 0,09 (86,9) 0,76-2,87

Подорожниковые, n = 12 Plantaginaceae Lindl. 2,09 ± 0,11 (116,6) 0,96-4,68 2,35 ± 0,13 (53,7) 1,35-4,68 1,82 ± 0,10 (179,4) 0,96-3,65

Среднее для 18 семейств, n = 417 2,48 ± 0,14(103,1) 0,06-12,78 2,49 ± 0,14 (80,2) 0,06-9,50 2,46 ± 0,14(126,0) 0,14-12,78

на границах: корень — надземная часть. При этом часть ионов с помощью корневых выделений хелатируется и адсорбируется на поверхности корней, остальное попадает в корень, где также частично адсорбируется на стенках проводящих сосудов [29]. Определенную защитную функцию в корнях могут выполнять клетки пояса Каспари, препятствующие движению вещества по межклеточному пространству и ограничивающие его переход в проводящие ткани [30]. Одновременно выявлено, что травы из семейств маревых, гвоздичных, лютиковых, крестоцветных, зонтичных, сложноцветных,

Таблица 2. Уровень содержания никеля относительно различных показателей его содержания в растениях

среднее

Показатели тт-тах

2,48

Среднее для трав соснового бора 0,06-12,78

Фоновое содержание в растениях [17] 4,2

2,8-14,1

ПДК [18, 19] 20,0-30,0

Критическое содержание [20, 21] 3,0

Фитотоксичное содержание [22] > 80,0

мареновых, бобовых, хвощевых склонны к увеличенному накоплению N1 в надземной части (базипетальный тип накопления). По всей вероятности, у этих растений происходит нарушение или ослабление барьерной функции корня по отношению к N1, о чем свидетельствует коэффициент перераспределения (Кп = 1,0), а также активное поглощение N1 из атмосферного воздуха. Данное заключение подтверждают и рассчитанные коэффициенты накопления, равные 0,2 относительно валового содержания никеля, и изменяющиеся от 16,5 до 249,0 для различных его форм.

Выведенные коэффициенты накопления указывают на то, что основное поглощение никеля идет за счет его подвижных форм, а также за счет его поступления из атмосферы. Согласно рядам биологического поглощения (КБП№ = 2,1) никель является элементом сильного накопления [31], однако его роль в общем круговороте веществ в лесной экосистеме незначительна (ПБЭ№ = 0,04).

Выводы

1. Установлено, что большинство изученных травянистых растений содержат в своем составе никель в концентрациях ниже его ПДК, фоновых и критических значений для растений. Исключение составляют травянистые растения из семейств осоковых, злаковых, лилейных, бобовых.

2. Выявлено, что пески соснового бора отличаются минимальной концентрацией N1 и относятся к категории фоновых почв, что нашло свое отражение в химическом составе изученных травянистых растений.

3. Травы из семейств осоковых, злаковых, лилейных, розоцветных, ворсянковых, норичниковых, тутовых, подорожниковых характеризуются акропетальным типом накопления никеля. Склонность к базипетальному накоплению элемента выявлена для трав из семейств бобовых, хвощевых, маревых, гвоздичных, лютиковых, крестоцветных, зонтичных, сложноцветных, мареновых.

4. Для изученных травянистых растений N1 является элементом сильного накопления, однако его роль в общем круговороте веществ лесной экосистемы незначительна.

Литература

1. Сергейчик С. А., Сергейчик А. А., Сидорович Е. А. Экологическая физиология хвойных пород Беларуси в техногенной среде. M^œ: Беларусская наука, 1998. 200 с.

2. Терехина Т. А. Антропогенные фитосистемы. Барнаул: Изд-во Алтайского ун-та, 2000. 250 с.

3. Карипбаева Н. Ш., Полевик В. В. Влияние загрязнения атмосферы на растительность ленточного бора Семипалатинского Прииртышья // Вестник СГУ им. Шакарима. 1997. № 1. С. 167-172.

4. Геохимия окружающей среды. M.: Недра, 1990. 335 с.

5. Жидеева В. А., Васенев И. И., Щербаков А. П. Особенности распределения различных форм агротехногенной меди в почвах яблоневых садов Юрской области // Агрохимия. 1999. № 9. С. 68-69.

6. Ринькис Г.Я., Рамане Х. К., Куницкая Т. А. Mетоды анализа почв и растений. Рига: Зинатне, 1987. 210 с.

7. Mетодические рекомендации по проведению полевых и лабораторных исследований почв и растений при контроле загрязнения окружающей среды металлами. M.: Гидрометеоиздат,

1981. 108 с.

8. Фурсов М. Р. Глобальные проблемы окружающей среды. M.: M^, 1995. С. 458-562.

9. Арыстангалиев С. А., Рамазанов Е. Р. Растения ^захстана. Алма-Ата: Наука ^зССР, 1977. 288 с.

10. Ильин В. Б., Степанова М. Д. Химические элементы в системе П-Р. Новосибирск: Наука,

1982. 73 с.

11. Глазовский Н. Ф. Биогеохимический круговорот веществ в биосфере. M.: Наука, 1987. С. 56-64.

12. Безель В. С., Жуйкова Т. В., Позолотина В. Н. Структура ценопопуляций одуванчика и специфика накопления тяжелых металлов // Экология. 1998. № 5. С. 376-382.

13. Плохинский Н. А. Биометрия. M.: Изд-во Mоск. ун-та, 1975. 367 с.

14. Ильин В. Б. Элементный химический состав растений. Новосибирск: Наука, 1985. 129 с.

15. Prasad M. N. V. Metals in the environment: analysis by biodiversity. New York: Marcel Dekker Inc., 2001. 504 p.

16. Salt D. E., Smith R. D., Raskin I. Phytoremediation // Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol. 1998. Vol. 49, N 1. P. 643-668.

17. Панин М. С. Эколого-биогеохимическая оценка техногенных ландшафтов Восточного ^захотат. Алма-Ата: Изд-во «Эверо», 2000. 338 с.

18. Лукина Н. В., Никонов В. В. Поглощение аэротехногенных загрязнителей растениями сосняков на северо-западе ^ль^ого полуострова // Лесоведение. 1993. № 6. С. 34-41.

19. Saurbeck D. Welhe schwermetallgechalte in pflanzen durfen nicht uberschritten warden, um wachstumbeein trachtigungen zu vermeiden // Landwirdschaftliche Forschung. Kongressband. 1982. H. 16. S. 59-72.

20. Baker D. E., Chensin L. Chemical monitoring of soil for environmental quality animal and health // Advances in agronomy. 1975. Vol. 27. P. 306-366.

21. Тарабрин В. П. Физиология устойчивости древесных растений в условиях загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами // Mикроэлементы в окружающей среде. ^ев: Науко-ва думка, 1980. С. 17.

22. Verloo V., Cottenie A., Landschoot G. Van. Analytical and biological Criteria with regard to soil pollution // Landwirtschaftliche Forschung. Kongressband. 1982. H. 39. S. 394-403.

23. Панин М. С. Формы соединений тяжелых металлов в почвах средней полосы Восточного Kазахстана (фоновый уровень). Семипалатинск: ГУ «Семей», 1999. 329 с.

24. Панин М. С., Котелков Н. З. Обеспеченность почв и растений Семипалатинской области некоторыми микроэлементами // Агрохимия. 1968. № 6. С 119-124.

25. Гигиенические критерии состояния окружающей среды // Принципы оценки безопасности пищевых добавок из контаминантов в продуктах питания ВОЗ. Вып. 70. M., 1991.

26. Предельно допустимые концентрации химических веществ в почве (ПДК). ГН 2.1.7.204106. Введ. 2006-01. 23. М., 2006. 10 с.

27. Безель В. С., Жуйкова Т. В. Химическое загрязнение среды: вынос химических элементов надземной фитомассой травянистой растительности // Экология. 2007. № 4. С. 259-267.

28. Воробейчик Е.Л., Садыков О. Ф., Фарафонтов М. Г. Экологическое нормирование техногенных загрязнений наземных экосистем. Екатеринбург: УГКФ «Наука», 1994. 280 с.

29. Зырин Н. Г., Чеботарева Н. А. К вопросу о формах соединений меди, цинка, свинца в почвах и доступности их для растений // Содержание и формы соединений микроэлементов в почвах. М.: Изд-во МГУ, 1979. С. 324-350.

30. Ягодин Б. А., Виноградов С. Б., Говорина В. В. Кадмий в системе почва — удобрения — растения — животные организмы и человек // Агрохимия. 1985. № 5. С. 23-26.

31. Перельман А. И. Геохимия: учеб. для геол. спец. вузов. М.: Высшая школа, 1989. 528 с.

Статья поступила в редакцию 15 марта 2012 г.