Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

ОСОБЕННОСТИ НАКОПЛЕНИЯ БЕРИЛЛИЯ РАЗЛИЧНЫМИ ВИДАМИ ТРАВ СОСНОВОГО БОРА СЕМИПАЛАТИНСКОГО ПРИИРТЫШЬЯ

Сибиркина А.Р. 1
1 ФГБОУ ВПО Челябинский государственный университет
Травы оказывают существенное влияние на перераспределение химических элементов в почве, в том числе и бериллия – токсичного элемента. Актуальность темы исследования определяется тем, что на территории Восточного Казахстана, в пределах которого располагается Семипалатинское Прииртышье, имеются источники бериллия естественного и искусственного происхождения. Получены данные о содержании бериллия в воздушно-сухой массе трав соснового бора Семипалатинского Прииртышья. Для представителей семейств лилейные, розоцветные, сложноцветные, злаковые и бобовые выявлены концентрации бериллия близкие к аномальным для растений. Выявлена определенная закономерность в распределении бериллия в различных семействах трав. Установлено, что бериллий для трав в условиях исследуемого региона, является элементом слабого накопления и среднего захвата, роль его в общем круговороте веществ незначительна.
бериллий
травы
сосновый бор
Семипалатинское Прииртышье
1. Арыстангалиев С. А., Рамазанов Е.Р. Растения Казахстана. - Алма-Ата: «Наука» КазССР, 1977. - 288 с.
2. Безель В. С., Жуйкова Т. В. Химическое загрязнение среды: вынос химических элементов надземной фитомассой травянистой растительности // Экология. - 2007. - № 4. - С. 259-267.
3. Безель В. С., Жуйкова Т. В., Позолотина В. Н. Структура ценопопуляций одуванчика и специфика накопления тяжелых металлов // Экология. - 1998. - № 5. - С. 376-382.
4. Воробейчик Е. Л., Садыков О. Ф., Фарафонтов М. Г. Экологическое нормирование техногенных загрязнений наземных экосистем. - Екатеринбург: УГКФ «Наука», 1994. - 280 с.
5. Ильин В. Б. Элементный химический состав растений. - Новосибирск: Наука, 1985. -129 с.
6. Ильин В. Б., Степанова М. Д. ТМ в окружающей среде. - М.: Изд-во. МГУ, 1986. - С. 80-85.
7. Куценогий К. П., Чанкина О. В. и др. Постпирогенные изменения элементного состава лесных горючих материалов и почв в сосновых лесах Средней Сибири // Сиб. экол. журн. - 2003. - № 6. - С. 735-742.
8. Методические рекомендации по проведению полевых и лабораторных исследований почв и растений при контроле загрязнения окружающей среды металлами. - М.: Гидрометиоиздат, 1981. - 108 с.
9. Плохинский Н. А. Биометрия. - М.: Изд-во Моск. университет, 1975. - 367 с.
10. Ульбинский металлургический завод. http://www.kazatomprom.kz/ru/pages/ulbinskij_metallurgicheskij_zavod

Наряду с древесной растительностью на проявление тех или иных почвенных процессов и, соответственно, на перераспределение микроэлементов в почвенной толще, значительное влияние оказывает травянистый покров. Скорость данного процесса зависит не только от уровня химического загрязнения среды (прежде всего почвы) и особенностей накопления химических элементов различными видами, но и от состава сообщества, обилия и массы его компонентов [2]. На территории Восточного Казахстана, в пределах которого располагается Семипалатинское Прииртышье, имеются источники бериллия естественного и искусственного происхождения. Бериллий, по пищевым цепям, начальным звеном которых являются травянистые растения, может попасть в организм человека. Сегодня очень остро стоит проблема оценки функционального со­стояния лесных фитосистем Семипалатинского Прииртышья с целью определения их экологической емкости и прогноза их способности выдерживать антропогенные нагрузки без необратимых нарушений. Все выше изложенное явилось основой для выбора цели настоящего исследования - выявить степень накопления бериллия различными видами травянистых растений соснового бора Семипалатинского Прииртышья.

Отбор проб проводили в летне-осенний период (август - сентябрь) 2007 года 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 Бородулихинском районе.

Всего в исследуемых районах было обнаружено 52 вида травянистых растений из 18 семейств. При отборе, транспортировке, хранении и подготовке растительных проб для анализа были использованы методические указания, инструкции, опубликованные во многих научных работах и утвержденные в стандартах [8]. Латинские названия растений даны по Арыстангалиеву С. А. и др. [1].

В ходе исследования было определено валовое содержание бериллия в почве и его подвижные формы: кислоторастворимая (1н. раствор НСl), обменная (ацетатно-аммонийный буфер с рН 4,8), водорастворимая (бидистиллированная вода). Всего проанализировано 78 почвенных и 417 растительных проб. Содержание бериллия во всех пробах определяли атомно-абсорбционным методом.

Растения избирательно поглощают элементы, а интенсивность поглощения характеризуется отношением количества элемента в золе растений к его количеству в почве или горной породе (или литосфере в целом). Этот предложенный Б. Б. Полыновым показатель А.И. Перельман назвал коэффициентом биологического поглощения Ах : Ах = lx/nx, где lx - содержание элемента (x) в золе растения, nx - в горной породе или почве, на которой произрастает данное растение. Наиболее широко используется Ах - отношение содержания элементов в золе растений к их валовым содержаниям в почвах [6], отражающее потенциальную биогеохимическую подвижность элементов. Элементы с Ах > 1 «накапливаются» живым веществом. Остальные элементы, у которых Ах < 1 лишь «захватываются» [Перельман, 1989].

Для характе­ристики распределения элементов между живым веществом и окружающей средой были вычислены коэффициенты накопления (Кн1) [Глазовский, 1987] и (Кн2) [3]. Коэффициент накопления (Кн1) - отношение концентрации элемента в воздушно-сухой массе органов растения (мг/кг) к концентрации валовой и подвижных форм соединений элемента в почве (мг/кг). Кн1 близок к КБП, но поглощение является физиологическим процессом, а накопление - результат как поглощения, так и внутреннего перераспределения химических элементов. Если Кн1 меньше 1, то превалирует загрязнение растений из почвы, если больше 1, 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 кадмия в почвах и его подвижных форм.

Для характеристики процессов перехода бериллия из корней в надземную часть растений рассчитывали коэффициент перехода (Кп), равный отношению содержания бериллия в надземной фитомассе к таковому в корнях [3]: 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 Плохинского Н. А. с помощью программы Microsoft Excel [9].

Отдельные виды групп растений обнаруживают разную способность к накоплению тяжелых металлов. При этом экологические условия среды определяют уровень содержания элементов, т.е. фитогеохимический фон, а природа вида обусловливает колебания в накоплении химических веществ растениями [5]. Данные о среднем содержании тяжелых металлов в растительных объектах у разных авторов значительно различаются [Алексеев, 1987; Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989]. Исследования показали, что по всем пунктам отбора превышений средних концентраций бериллия, относительно фоновых его значений для растений равных 0,1-0,3 мг/кг сухой массы (Панин, 2000) не обнаружено, однако были зафиксированы аномальные концентрации для растений по верхним границам его содержания. Содержание бериллия ниже фона было зафиксировано в травах семейства Заразиховые, представители которого, являясь растениями-паразитами, растут чужеядно, на корнях других растений, с которыми срастаются вздутыми основаниями своих стеблей, что, несомненно, отражается на их химическом составе [Цвелёв, Терёхин, 1981]. Максимально высокие концентрации бериллия (Ве=1,458) обнаружены в травах, произрастающих в сосновом бору в окрестностях с. Сосновка Бескарагайского района, что может быть следствием того, что сосновые леса Бескарагайского района в конце 1990-х начале 2000 годов подвергались воздействию мощных пожаров, вносящих коренные изменения в лесные экосистемы [7]. Повышенные средние концентрации бериллия были зафиксированы в травах соснового бора в Бородулихинском районе (0,229±0,01, при размахе концентраций 0,015-0,694), находящемся в непосредственной близости к городу Усть-Каменогорску, в котором в 12. 09. 1990 г. произошел крупный выброс бериллия в атмосферу. Превышение ПДК достигало 60...890 раз, при значениях ПДК для воздуха в пересчёте на бериллий 0,001 мг/м³ [10].

Установленные пределы накопления бериллия изученными семействами трав позволили ранжировать их в убывающем порядке, мг/кг сухого вещества: розоцветные (0,321) > лилейные (0,245) > осоковые (0,171) > лютиковые (0,151) > тутовые (0,136) ≥ бобовые (0,135) ≥ норичниковые (0,133) > мареновые (0,130) > подорожниковые (0,124) ≥ хвощевые (0,123) > ворсянковые (0,120) > сложноцветные (0,114) > злаковые (0,109) > зонтичные (0,087) > крестоцветные (0,063) > гвоздичные (0,056) > маревые (0,050) > заразиховые (0,049). Адаптация к высоким концентрациям элементов приводит к появлению видов концентрато­ров (и сверхконцентраторов) отдельных элементов [Ловкова, Рабинович, Пономарева, 1989]. Концентрации бериллия близкие к аномальным для растений (выше 0,300 мг/кг) выявлены для представителей семейств лилейные (0,530), розоцветные (0,526), сложноцветные (0,378), злаковые (0,325) и бобовые (0,322).

Растения суши способны к повышенному на­коплению отдельных элементов в определенных органах и тканях. Содержание ТМ в растениях определяется биологическими особенностями и наличием в них функциональных барьеров на границах корень - стебель, стебель - лист, стебель - репродуктивные органы [Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989]. В работах многих авторов [3, 4] указывается, что концентрации ТМ в надземных органах, как правило, меньше, чем в корнях тех же видов. Предполагается, что поступающие в корни элементы могут прочно фиксироваться, не переходя полностью в надземную часть. При проникновении ТМ в корни растений происходит их хелатирование и, как следствие, уменьшение подвижности [Антонов-Каратаев, Цурюпа, 1961; Кауричев, 1965]. Исследователями установлено, что к акропетальному накоплению бериллия склонны травы из семейств: осоковые, злаковые, лилейные, лютиковые, розоцветные, бобовые, сложноцветные, мареновые, норичниковые, тутовые, подорожниковые. А травы из семейств: маревые, гвоздичные, крестоцветные, зонтичные, хвощевые, наоборот, в большей степени аккумулируют бериллий в своих надземных частях.

Установлено, что валовое содержание бериллия в боровых песках составляет 1,84±0,11 при размахе варьирования 0,62-2,40 мг/кг, а по отношению кислоторастворимой его формы к валовому содержанию изученные пески относятся к категории фоновых почв (Be кислотораств./валовое = 0,5 %). Полученные результаты позволяют предположить, что растения способны активнее поглощать бериллий не из почвы, а из атмосферного воздуха. Рассчитанные коэффициенты накопления Кн1 и Кн2, изменяющиеся от 0,07-0,09 относительно валового содержания бериллия, и до 1,8-32,2 - по подвижным его формам доказывают, что даже в условиях незагрязненных почв травянистые растения накапливают бериллий в высоких концентрациях. Основное поглощение элемента идет за счет подвижных, более доступных для растений форм, о чем свидетельствует коэффициент перераспределения (Кп=0,6). По показателю КБП (0,8) бериллий, согласно рядам биологического поглощения, разработанным А. И. Перельманом [Перельман, 1989], является элементом слабого накопления, среднего захвата и, очевидно, не играет существенной роли в общем круговороте веществ в лесной экосистеме.

ВЫВОДЫ

  1. Среднее содержание бериллия в исследованных травянистых растениях соснового бора находится в пределах фона, однако в травах семейств: лилейные, розоцветные, сложноцветные, злаковые и бобовые зафиксированы аномальные для растений концентрации бериллия по верхним пределам его содержания.
  2. Травы соснового бора, произрастающие на боровых песках, относящихся к категории фоновых почв, способны накапливать бериллий в высоких концентрациях. Поглощение элемента из почвы идет за счет подвижных его форм, а также из атмосферного воздуха.
  3. Согласно рядам биологического поглощения бериллий является элементом слабого накопления и среднего захвата и не играет существенной роли в общем круговороте веществ в лесной экосистеме.

Рецензенты

  • Гетманец И. А., д.б.н., зав. кафедрой общей экологии Челябинского государственного университета, г. Челябинск.
  • Лихачев С. Ф., д.б.н., профессор, декан факультета экологии Челябинского государственного университета, г. Челябинск.

Библиографическая ссылка

Сибиркина А.Р. ОСОБЕННОСТИ НАКОПЛЕНИЯ БЕРИЛЛИЯ РАЗЛИЧНЫМИ ВИДАМИ ТРАВ СОСНОВОГО БОРА СЕМИПАЛАТИНСКОГО ПРИИРТЫШЬЯ // Современные проблемы науки и образования. – 2012. – № 3.;
URL: http://www.science-education.ru/ru/article/view?id=6028 (дата обращения: 24.09.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074