Введение
Мышьяк (As) – канцерогенный химический элемент, по отношению к растениям его относят к группе элементов слабого накопления и среднего захвата [7]. Его биохимическая роль практически не изучена и должна быть предметом специального исследования.
Известно, что на территории Забайкальского края в рудных районах почвы существенно обогащены As. Кроме этого, вблизи горнорудных предприятий, в результате их деятельности, образуются техногенные массивы с его ураганным, существенно превышающим ПДК и кларк (более 1000 раз) содержанием в компонентах ландшафтов [6; 9]. Поскольку растения – это часть трофической цепи, то и исследования уровня его накопления в них являются актуальными. Кроме этого, боярышник кроваво-красный (Crataegus sanguinea Pallas), береза повислая (Betula pendula Roth), пятилистник кустарниковый (Pentaphylloides fruticosa (L.) O. Schwarz) и полынь Гмелина (Artemisia gmelinii Weber ex Stechm) – лекарственные растения [10]. Поэтому целью данной работы является изучение уровня содержания As в лекарственных растениях на примере одного из рудных районов Забайкальского края, где с 2002 г. проводятся комплексные геохимические и биогеохимические исследования [9].
В основу данной работы положены материалы, собранные автором и ее коллегами в составе полевых экспедиций в течение сезонов 2002–2011 гг. на территории Шерловогорского рудного района, который находится на юго-востоке Забайкальского края, в Борзинском административном районе (рис. 1).
Рис. 1. Картосхема расположения участков отбора проб: 1 – фоновый участок; 2 – месторождение Шерловая Гора; 3 – техногенные массивы.
Рассматриваемая территория располагается в пределах Онон-Аргунской степи, представляет собой преимущественно степное среднегорье с небольшими участками лесостепных ландшафтов в привершинной части северных склонов. Здесь наблюдается сочетание степных и подтаежных геосистем. Климат района – резко континентальный. Отрицательная среднегодовая температура, короткий безморозный период, небольшое количество осадков и их неравномерное распределение по месяцам, большие амплитуды температур являются основными чертами климата района.
Материал и методы исследования
Отбор объединенных проб растений проводили в конце лета (август, сентябрь) на трех участках: фоновый (за пределами месторождения), олово-вольфрам-висмут-бериллиевое месторождение с наложенной мышьяковой минерализацией Шерловая Гора и техногенные массивы (карьер и хвостохранилище обогатительной фабрики) (рис. 1).
Корни и наиболее запыленные части растений промывали сначала струей проточной воды, а затем дистиллированной и высушивали до воздушно-сухого состояния. Анализ растений проведен методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой на приборе ICP-MS Elan DRC II PerkinElmer (нижний порог обнаружения (НПО) As 0,01 мкг/кг) в Институте тектоники и геофизики им. Ю.А. Косыгина ДВО РАН аналитиками В.Е. Зазулиной, А.Ю. Будкиной, Д.В. Авдеевым и Е.М. Голубевой. Во избежание потерь As вследствие летучести его оксида (As2O3) пробы растений не озоляли, а непосредственно переводили в раствор.
Результаты исследования и их обсуждение
Растительный кларк As составляет 0,2 мг/кг [3]. ПДК As в пищевых продуктах – 0,2 мг/кг [4].
Концентрация As в растениях на незагрязненных почвах, по данным [5], – 0,01–5 мг/кг, по данным [6], она варьирует в пределах 0,009–1,5 мг/кг. Критическая его концентрация в листьях для сельскохозяйственных культур, снижающая продуктивность на 10%, равна 20 мг/кг [1].
Содержание As в растениях фонового участка варьирует незначительно: от значений ниже порога чувствительности прибора до 6,01 мг/кг (табл. 1), тем не менее его концентрация в B. pendula и A. gmelinii в несколько раз превышает кларк и ПДК [3]. Максимальное содержание As, равное 6,01 мг/кг, обнаружено у B. pendula, но оно не является критическим для растений, такой уровень содержания As характерен для незагрязненных районов мира. Невысокое его содержание и незначительный размах значений хорошо согласуется с выбором этого участка в качестве фонового.
В растениях, произрастающих на территории месторождения, концентрация As варьирует довольно широко: от значений ниже НПО до 138,5 мг/кг (табл. 1).
Таблица 1 – Содержание As в растениях, мг/кг
|
Место отбора |
Название растения |
Среднее содержание |
Отношение среднего содержания к кларку и ПДК |
Пределы значений |
Число проб / число экземпляров в пробе |
|
Фоновый участок |
C. sanguinea |
0,19 |
1 |
Ниже НПО–0,65 |
15/225 |
|
B. pendula |
0,68 |
3 |
0,01–6,01 |
16/240 |
|
|
A.gmelinii |
0,31 |
2 |
Ниже НПО–1,38 |
10/150 |
|
|
Месторождение Шерловая Гора |
C. sanguinea |
3,07 |
15 |
Ниже НПО– 16,36 |
24/360 |
|
B. pendula |
1,58 |
8 |
Ниже НПО–6,07 |
28/420 |
|
|
P. fruticosa |
15,52 |
78 |
3,24–37,8 |
3/45 |
|
|
A. gmelinii |
11,1 |
56 |
0,16–138,5 |
62/930 |
|
|
Техногенные массивы |
C. sanguinea |
0,53 |
3 |
Ниже НПО– 0,89 |
3/45 |
|
A.gmelinii |
4,57 |
23 |
0,41–20 |
34/510 |
Среднее содержание As в растениях месторождений в 3 раза превышает таковое в техногенных массивах и в 22 раз содержание в растениях фонового участка. Максимум зафиксирован в A. gmelinii и составляет 138,5 мг/кг.
Исходя из данных, представленных в таблице, следует, что его среднее содержание в B. pendula и C. sanguinea находится в пределах допустимых значений, тогда как в P. fruticosa и A. gmelinii выявлена такая его концентрация, которая может быть токсичной и критической для них.
Известно, что при повышенном содержании As в почвах уровни его концентрации в растениях могут находиться в пределах мировых фоновых значений [2]. У разных видов растений месторождения Шерловая Гора, растущих на почвах с аномальной концентрацией As [9], обнаружено его различное содержание. Береза и боярышник в среднем концентрируют As умеренно, не превышая нижней границы токсичной концентрации, даже максимальное содержание не является критическим. Однако A. gmelinii и P. fruticosa стремятся к большему захвату As. Его среднее содержание в них превышает кларк в 56 раз и более. Тем не менее визуально признаков токсического отравления мышьяком обнаружено не было. Такая особенность изученных растений может указывать как на высокую степень толерантности по отношению к его высокому содержанию, так и на наличие у растений неких защитных механизмов.
Таким образом, установлены существенные различия захвата As разными растениями. Важной особенностью его накопления растениями на территории месторождения является то, что C. sanguinea и B. pendula не склонны к гипераккумуляции As, чего нельзя сказать о P. fruticosa и A. gmelinii, у которых обнаружена способность накапливать его токсичную концентрацию (более 5 мг/кг).
Содержание As в растениях техногенных массивов варьируется от значений ниже чувствительности анализа до 20 мг/кг. Максимальное содержание превышает кларк в 23 раза. Среднее же содержание As в растениях техногенных массивов для изученных видов не превышает мировую фоновую концентрацию. Здесь, так же как и на территории месторождения, A. gmelinii накапливает в 8 раз больше As, чем C. sanguine.
Известно, что одни растения, растущие на площадях с антропогенной нагрузкой, не допускают поступления токсичной концентрации элементов в свои органы и ткани, тогда как другие могут в несколько раз увеличить интенсивность их поглощения [2]. Фактически все растения, произрастающие на поверхности техногенных массивов, поглощают в несколько раз меньше As, чем растущие на месторождении. Тем не менее A. gmelinii может накапливать до 20 мг/кг As. Эти растения, по-видимому, не обладают барьерностью по отношению к As.
В целом в растениях техногенных массивов не обнаружена способность к гипераккумуляции As, хотя в отдельных пробах наблюдалась его критическая концентрация (более 20 мг/кг).
Выводы
1. Установлены существенные различия захвата As разными растениями. Важной особенностью его биологического захвата растениями на территории месторождении является то, что C. sanguinea и B. pendula не склонны к гипераккумуляции As, они обладают барьерностью, а P. fruticosa и A. gmelinii поглощают As более интенсивно, они способны накапливать его критическую концентрацию.
2. Использование изученных растений в качестве лекарственного сырья недопустимо, поскольку уровень содержания As в них существенно превышает ПДК. Исключением является C. sanguinea, растущий на фоновом участке.
Рецензенты:
Попова Ольга Александровна, доктор биологических наук, профессор кафедры биологии и методики обучения биологии Федерального бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Забайкальский государственный гуманитарно-педагогический университет им. Н.Г. Чернышевского», г. Чита.
Юргенсон Георгий Александрович, доктор геолого-минералогических наук, профессор, заведующий лабораторией геохимии и рудогенеза Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института природных ресурсов, экологии и криологии Сибирского отделения Российской академии наук, г. Чита.