Горнорудная промышленность является одним из наиболее мощных факторов антропогенного преобразования окружающей среды. Существенную негативную роль играют отходы горного производства, в которых минералы – носители токсичных элементов находятся в измельченном состоянии, обладают значительно большей поверхностью и становятся объектом агрессивной деятельности воды, воздуха, углекислоты, микроорганизмов [2]. Эти агенты атмосферы и гидросферы являются главными факторами перевода химических элементов, строящих минералы, в подвижное состояние, и они становятся источниками загрязнения окружающей среды. К одним из наиболее токсичных для живых организмов химических элементов относится свинец. Свинец относится к самым высокотоксичным элементам (1-й класс опасности). Он фиксируется как обычный компонент при анализе различных животных и растений. Повышенные содержания сказываются на морфологии растений. Установлено, что в малых дозах он обладает стимулирующим действием, а в больших нарушает обычную морфологию, оказывая токсичное воздействие [6]. Биологический эффект зависит не только от дозы, но и от формы, в которой находится свинец, и проявляется у различных видов растений по-разному. Свинец, как и большинство химических элементов, принимает участие в биогеохимических процессах, поэтому увеличение его содержания в почвах приводит к закономерному увеличению в тканях растений [8]. Концентрация этого металла в древесных растениях в пределах природных геохимических аномалий убывает в ряду: корни > листья > стебли > плоды [11].
Рис. 1. Местоположение Шерловогорского ГОКа
Установлено, что в настоящее время содержание этого металла в почвах горнопромышленных районов значительно превышает его фоновые концентрации. В этой связи изучение содержания свинца и его соединений в различных компонентах ландшафта Шерловогорского горнорудного района (рис. 1) представляет собой весьма актуальную задачу.
Он находится на юго-востоке Забайкалья и представляет собой типичный природно-техногенный ландшафт, в состав которого входит карьер, хвостохранилище, отвалы бедных и забалансовых руд, а также группа олово-полиметаллических и редкометалльных месторождений, разрабатывавшихся Шерловогорским ГОКом, деятельность которого прекращена в 1993 г. Техногенные массивы, которые явились следствием работы комбината, постепенно начали зарастать пионерными растениями [4], одним из которых является таран (горец) узколистный. Для этого растения первые сведения о накоплении им висмута авторами были выполнены ранее [5]. Установлено, что висмут накапливается тараном (горцем) узколистным неодинаково. При этом выявлено, что коэффициент биологического поглощения свинца для других растений в основном не зависит от его валового содержания в почвах [9; 3]. Данные по накоплению свинца в Polygonum angustifolium Pallas в литературных источниках отсутствуют.
Целью исследования определено изучение закономерностей транслокации свинца в системе «почва – растение» на примере P. angustifolium в степном ландшафте Шерловогорского горнорудного района.
Материалы и методы исследования
Отбор проб органов исследуемого вида проводили согласно стандартной методике. 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. Растения делили на органы. Корни и наиболее запыленные части растений промывали сначала струей проточной воды, а затем дистиллированной, и высушивали до воздушно-сухого состояния.
Всего отобрано 120 проб почв и техноземов на исследуемых участках и 167 индивидов P. angustifolium, отобранных на участках (рис. 2): фоновый участок (Т.1), Поднебесных (Т. 2), Жила Новая ((Т. 3) верхний горизонт), Жила Новая ((Т. 4) нижний горизонт), Обвинская (Т. 5), Пятисотка (Т. 6), сопка Лукаво – Золотая (Т. 7), Карьер (Т. 8), хвостохранилище (Т. 9), Северный отвал (Т. 10), Сопка Мелехинская (Т. 11). Химический анализ растений произвели методом ICP-MS на спектрофотометре ICP-MS Elan 9000 PerkinElmer (США) методом кислотного разложения ПНД Ф 16.1:2.3:3.11-98, Стандартный образец: Тр-1 (ГСО № 8922-2007), в Хабаровском инновационно-аналитическом центре Института тектоники и геофизики им. Ю.А. Косыгина ДВО РАН, аналитики А.В. Штарева, В.Е. Зазулина, Л.С Боковенко, А.Ю. Лушникова, Д.В. Авдеев, Е.М. Голубева. Нижний порог определения (НПО) для свинца ~0,01 мкг/кг. Отбор почвенных проб проводили в соответствии с ГОСТ 17.4.4. 02-84, по искусственным обнажениям. Анализ почв и техноземов произвели методом РФА (НПО для свинца 0,001 %) в ГИН СО РАН (г. Улан-Удэ) на спектрометре VRA-30, аналитики к.т.н. Б.Ж. Жалсараев, Ж.Ш. Ричинова.
Результаты исследования и их обсуждение
Статистические характеристики содержания свинца в почвах Шерловогорского горнорудного района для выборки n = 25 следующие: х = 171,9 ± 10,95 мг/кг; σ = 109,4; σ/х = 0,63; х/кларк = 17,19; х/ПДК = 5,73. В техноземах для выборки n = 25 следующие: х = 97,2 ± 6,12 мг/кг; σ = 194,4; σ/х = 2. Эти данные показывают, что содержание свинца в почве Шерловогорского горнорудного района значительно превышает его кларк, равный 16 мг/кг, в 17,19 раз, что дает основание предполагать заражение им P. angustifolium в рассматриваемых ландшафтах. Превышение ПДК для свинца в исследуемом виде составляет 5,73 раз.
Достаточно высокое содержание свинца в почвах на участках отбора проб неравномерное и имеет три максимума (рис. 3): на участках Хвостохранилище (950,5 мг/кг), Карьер (930 мг/кг) и Поднебесных (540 мг/кг), что превышает значения на остальных участках более чем в 2 раза. На фоновом участке содержание свинца минимальное и составляет 17 мг/кг. В целом максимальное среднее содержание свинца в почвах достигает 950,5 мг/кг, что кратно превышает кларк Земной коры (16 мг/кг [1]). В России ПДК свинца в почве в соответствии с ГН 2.1.7.2041–06 составляет 32 мг/кг.
Свинец в P. angustifolium. Анализ литературы показал, что распределение свинца в растениях изучено слабо. Тем не менее Бройер и др. [12; 6] установили, что в природных условиях Pb присутствует во всех растениях и необходим для них, но выявить какую-либо особую его роль в метаболизме не удалось. Более того, они установили, что его концентраций на уровне 2–6 мкг/кг должно быть уже достаточно.
Рис. 2. Схема опробования: 1 – фоновый участок; 2 – Шерловогорское месторождение; 3 – геотехногенные массивы Шерловогорского месторождения
Рис. 3. Среднее содержание свинца в почвах и техноземах (Т. 9)
Естественные уровни содержаний свинца в растениях из незагрязненных и безрудных областей, по-видимому, довольно постоянны и лежат в пределах 0,1–10,0 мг/кг сухой массы (среднее 2 мг/кг) [13]. Содержания свинца в съедобных частях растений, произрастающих в незагрязненных областях, по данным разных авторов, опубликованным в 1970–1980 годах, составляют 0,00–0,08 мг/кг влажной массы, 0,05–3,0 мг/кг сухой массы и 2,7–94,0 мг/кг золы [6]. Пределы варьирования содержания свинца в степной растительности Забайкалья Pb 0,59–2,70 [8]. Токсичная концентрация в листьях 30–300 [6].
Выявлено, что среднее содержание свинца в органах P. angustifolium максимально на участках Поднебесных и Карьер, где установлена зависимость его содержания в растениях от содержания в почве. Накопление свинца в органах P. angustifolium максимально в корнях и листьях (рис. 4). Выявлено, что содержание свинца в почвах и техноземах (Поднебесных, 540 мг/кг; Карьер, 930 мг/кг и Хвостохранилище, 950,5 мг/кг) возрастает, а в растениях (22,5; 21 и 6) уменьшается, что указывает на отсутствие прямой связи между его содержанием в системе почва – растение.
Для характеристики избирательного поглощения химических элементов растениями рассчитан коэффициент биологического поглощения (КБП), представляющий собой частное от деления содержания химического элемента в растении на его содержание в почве [7]. Он дает возможность оценки интенсивности поглощения и меры «биофильности» химических элементов. КБП свинца для P. angustifolium варьирует достаточно широко. Он максимален в корнях (0,20 мг/кг) на участке сопка Мелехинская, где содержание свинца в почве невелико (40 мг/кг). Это может быть обусловлено тем, что даже при низком содержании элемента в почве растение способно к его концентрированию и удержанию. В целом наблюдаются неравномерные содержания свинца в P. angustifolium (таблица). Это может быть связано с типом минерализации на разных участках отбора проб, который определяет валовые содержания элементов в почве [10; 14].
Рис. 4. Среднее содержание свинца в органах P. angustifolium на участках отбора проб
Коэффициент биологического поглощения свинца P. angustifolium
|
Участки |
Корень |
Стебель |
Листья |
Цветы |
|
Т. 1. Фоновый участок |
0,07 |
0,02 |
0,02 |
0,08 |
|
Т. 2. Поднебесных |
0,01 |
0,009 |
0,01 |
0,002 |
|
Т. 3. Жила Новая |
0,04 |
0,04 |
0,04 |
0,02 |
|
Т. 6. Пятисотка |
0,004 |
0,006 |
0,01 |
0,01 |
|
Т. 7. Сопка Лукавая |
0,02 |
0,009 |
0,01 |
0,02 |
|
Т. 8. Карьер |
0,004 |
0,01 |
0,07 |
< 0,01 |
|
Т. 9. Хвостохранилище |
0,002 |
0,001 |
0,01 |
0,001 |
|
Т. 10. Северный отвал |
0,05 |
0,01 |
0,007 |
0,004 |
|
Т. 11. Сопка Мелехинская |
0,20 |
0,03 |
0,005 |
< 0,01 |
Приведенные в таблице данные свидетельствуют о том, что КБП свинца P. angustifolium незначителен. Здесь максимальный КБП характерен для корней и листьев. Поглощение свинца цветами-плодами и стеблями горца узколистного незначительное.
Преимущественный захват свинца в корнях происходит на сопке Мелехинская (0,20), а в листьях – на участке Карьер (0,07). На фоновом участке значителен коэффициент биологического поглощения свинца P. angustifolium для цветков (0,08), что может свидетельствовать о наличии в природном почвенном покрове его подвижных форм. Захват свинца цветками P. angustifolium на остальных участках отбора проб не выявлен, что может свидетельствовать о неких защитных системах растений.
Выводы
1. Первые данные о поведении свинца в системе: почва – P. angustifolium свидетельствует о том, что бытующие представления об экологической опасности для биоты повышенных концентраций тяжелых элементов в антропогенных ландшафтах требуют дополнительных исследований для получения истинной информации. Поэтому для оценки влияния контрастно высоких содержаний свинца в почвах на заражение им растений рекомендовано изучение форм их нахождения в почвах и техноземах антропогенных ландшафтов [10; 14].
2. Интенсивность биологического поглощения свинца не зависит от их валового содержания в почве.
3. Избирательное поглощение свинца отдельными органами P. angustifolium может указывать на наличие у вида барьерных механизмов. Вероятно, свинец легко усваиваются корневой системой P. angustifolium, но большей частью задерживается в ней и не накапливается в проводящих тканях стебля, продвигаясь к листьям, где происходит фотосинтез.
Авторы выражают благодарность коллегам к.г.-м.н. О.К. Смирновой, к.г.н. М.А. Солодухиной и Р.А. Филенко, принимавшим участие в сборе и подготовке к анализу проб почв и растений.