Для наращивания биологической массы растениям необходим строительный материал, который зародившиеся проростки извлекают из воздуха и субстрата. В.И. Вернадский [1] рассматривал химический состав как устойчивый признак живых организмов. В развитие его идей А.П. Виноградов [2] показал, что в процессе эволюции способность поглощать те или иные химические элементы в зависимости от местообитания закрепляется в живых организмах генетически и передается по наследству. В дальнейшем эта способность получила название биогеохимической специализации. Такое взаимоотношение у растений со средой формируется в нормальных естественных условиях. В случаях, когда растения оказываются в геохимических аномалиях (природных или техногенных), чтобы выжить им приходится приспосабливаться. Для этого растения обладают различными защитными свойствами, а также имеют различные механизмы поглощения химических элементов – безбарьерный и барьерный [3]. В случае безбарьерного поглощения обобщенным показателем их ответной реакции на недостаток или избыток химических элементов в среде обитания служит продуктивность. Установлено, что физиологический барьер может сдерживать пресс токсических веществ в определенных рамках концентраций, которые не одинаковы для разных видов растений. Увеличение концентрации в среде обитания выше предела переносимости токсичности элемента растением может привести к разрушению физиологического барьера, что сопровождается угнетением роста и развития, уменьшением их продуктивности.
Цель исследований – провести оценку изменения геохимических условий среды обитания и ответной реакции растений степей юга Минусинской котловины, находящихся в условиях атмосферного загрязнения выбросами предприятий алюминиевой промышленности.
Материалы и методы исследования
Сбор полевых материалов и оценка влияния пылегазовых эмиссий на компоненты геосистем проводились по широкой комплексной программе, основанной на принципах и методах геохимии ландшафта.
Объект исследования – степные геосистемы юга Минусинской котловины, подверженные в течение 30 лет воздействию пылегазовых эмиссий Саяногорского и Хакасского алюминиевых заводов, выпускающих в год более 800 тыс. т алюминия.
Сначала по накоплению массы техногенного вещества в снежном покрове определялась общая площадь загрязнения территории, прилегающей к алюминиевым заводам, выявлялись приоритетные элементы-загрязнители и определялись их нагрузки [4]. Далее исследовался почвенно-растительный покров на содержание поллютантов. С этой целью было заложено 480 площадок, на которых параллельно с почвами отбирали надземную зеленую фитомассу рамочным методом с площади 0,25 м2 в 3-кратной повторности. Кроме этого использовали отдельные виды древесных растений, в качестве которых были выбраны встречающиеся на исследуемой территории – тополь бальзамический (Populus balsamifora L.) и сосна обыкновенная (Pinus sylvestris L.). Травяные смеси – укосы анализировались преимущественно на содержание фтора.
Для более углубленных исследований в зоне загрязнения был заложен ландшафтно-геохимический профиль, ориентированный по отношению к заводам на север и северо-восток. Выбор направления обусловлен тем, что на относительно коротком расстоянии профиль сечет все выделенные зоны загрязнения, в том числе участок ветровой тени, и характеризуется наибольшими перепадами высот. На данном ключевом участке кроме 13 смешанных образцов зеленой надземной фитомассы отобрано – 13 смешанных образцов лапчатки длиннолистой, клейкой (Potentilla longifolia Willd.), которая использовалась в качестве индикатора на загрязнение поллютантами.
Количественный химический анализ золы растений выполнялся в сертифицированном химико-аналитическом центре Института географии им. В.Б. Сочавы СО РАН с использованием приборной базы Байкальского центра коллективного пользования и стандартизированных методик. Пробы анализировались на содержание 20 элементов – Si, Al, Fe, Ca, Mg, K, Na, Ti, Mn, P, F, Sr, Ba, Zn, Cu, Ni, Cr, Co, Pb, V.
Содержание фтора выявлялось методом прямой потенциометрии на иономере «Эксперт-001» с помощью фторселективного электрода ЭЛИС 131F после сплавления при температуре 850° смеси 1:5 образцов золы растений с K–Na углекислым и последующим растворением расплава в дистиллированной воде.
Биогеохимический фон территории исследования оценивался относительно средних значений химических элементов в растениях [5] с помощью коэффициента концентрации (Кк). Для оценки изменения уровней содержания отдельных элементов в растениях зоны загрязнения применялись коэффициенты концентрации (Кс = Са/Сф) и рассеяния (Кr = Сф/Са), где Сф и Са соответственно концентрации элемента в образцах растений фона и зоны загрязнения (техногенной аномалии). Коэффициенты концентрации использовались далее для расчета индекса суммарного загрязнения
,
где n – количество химических элементов с Kc > 1,5 [6]. Он является информативным показателем изменений полиэлементного геохимического фона каждого компонента и элемента в ландшафтах под давлением техногенного пресса. При санитарно-гигиенической оценке токсичности поллютантов использовались предельно допустимые концентрации (ПДК), химических элементов в кормах для сельскохозяйственных животных и кормовых добавках [7].
Результаты исследования и их обсуждение
Все анализируемые виды растений фона близки по химическому составу. Для них характерно преобладание кальция над кремнием, повышенное содержание стронция и пониженное натрия. Лапчатка длиннолистая выделяется достаточно высоким уровнем железа и бария, а сосна обыкновенная – фосфора, калия и цинка.
Сопоставление полученных результатов по содержанию элементов в растениях с данными Д.П. Малюги [5] также выявило указанную региональную особенность растений, связанную с повышенными концентрациями щелочноземельных элементов (Kк = Ca4,8–7,0 Sr2,4–3,3 Ba1,5–1,9).
Сравнение химического состава твердого техногенного вещества снеговой воды с составом золы растений фона показал различия их химических составов в отношении следующих элементов, имеющих повышенные концентрации (в нижнем индексе Кс): F51,1–90,0Al18,2–174Ni14,4–27,3Na4,6–6,42V3,8–12,0 Fe2,4–16,2Cr2,1–10,0Ti1,8–8,0Si2,6–6,0 и пониженные (в верхнем индексе Kr) P15,6–63,8K10,7–34,5 Mn3,4–25,8Ca12,1–16,5Mg3,7–3,9. Из приведенных формул следует, что твердая малорастворимая часть техногенного вещества по сравнению с растениями фона обогащена преимущественно фтором, алюминием, никелем и натрием, которые могут явиться их потенциальными загрязнителями, и обеднена элементами биофилами – фосфором, калием, марганцем, кальцием и магнием. Реально в зоне загрязнения это осуществляется, но на более низком уровне, так как привнесенное через атмосферу вещество рассеивается и трансформируется, смешиваясь с почвой. Растения зоны загрязнения по сравнению с растениями фона существенно обогащены фтором (F14,3–20,8), меньше никелем (Ni2,0–4,5) и алюминием (Al1,6–1,7). Повышенное количество натрия (Na3,4) обнаружено только в отношении сосны сибирской. Обеднение техногенного вещества биофильными элементами не повлияло на их содержание в растениях, вследствие достаточного их количества в почве.
Высоким содержанием фтора выделяется снеговая вода зоны загрязнения по отношению к золе растений фона, Кс которой меняется от 100 условных единиц до 150. Во время снеготаяния она просачивается в почву, поставляя в почвенные растворы фтор в доступной для растений ионной форме. В меньшем количестве отмечается присутствие натрия и алюминия.
Из приведенных данных следует, что по сравнению с алюминием, натрием и никелем более значительная роль в загрязнении растений принадлежит фтору – элементу высокой химической активности, обладающего по отношению к почвенной биоте токсичностью (I класс опасности) и в большом количестве поступающего на почвенный покров (рис. 1).
Для индикации воздействия фтора на растения в зоне рассеяния пылегазовых эмиссий использовалась лапчатка длиннолистая (липкая), которая является «проходным» по всему ландшафтно-геохимическому профилю видом и накапливает достаточно высокое количество фтора (до 450 мг/кг сухого вещества) без каких-либо видимых морфологических изменений. При этом выявилась очень тесная взаимосвязь (r = 0,90) между нагрузками фтора и его содержанием в данном виде растений (рис. 2), что позволяет отнести лапчатку длиннолистую к растениям с безбарьерным типом поглощения фтора.
а б
Рис. 1. Распределение нагрузок приоритетных поллютантов на территории, прилегающей к алюминиевым заводам, поступающим в составе: а – растворимого вещества; б – твердого вещества
Рис. 2. Содержание фтора в лапчатке длиннолистой (мг/кг сухого вещества) (1) и его суммарные нагрузки на геосистемы (2)
Аккумуляция фтора в растениях зависит от наличия его подвижных соединений в окружающей среде и индивидуальных особенностей организма. Природный фтор малодоступен растениям, поэтому его содержание в растениях, обитающих в естественных условиях, невелико, хотя есть и исключения. Среднее содержание фтора в растениях составляет 0,1–5,0 мг/кг сухого вещества и может колебаться практически от нуля до нескольких сот миллиграммов. В местах, свободных от действия промышленных предприятий, максимальный показатель содержания фтора в зеленых частях растений (в зависимости от вида) составляет 10–20 мг/кг сухой массы, т.е. 0,001–0,002 %. В некоторых случаях эти значения еще ниже, например, в хвое сосны 3–6 мг/кг, в некоторых кормах 5–10 мг/кг. По обобщенным данным для многолетних видов трав концентрация фтора в нормальных пределах составляет 5–30 мг/кг сухой массы, токсичная – 50–500 [10].
В зоне аэротехногенного загрязнения складывается ландшафтно-геохимическая обстановка с высокой доступностью фтора для растений, который присутствует в виде газа в атмосфере, в малорастворимой и хорошо растворимой в воде форме в почвах. Повышенное содержание фтора (до 100–150 мг/кг сухого вещества) в травянистой биомассе было обнаружено уже в первые годы работы Саяногорского алюминиевого завода (1990–1991 гг.), когда завод проработал всего пять лет. В соломе пшеницы (9 км к С-В) элемента-токсиканта содержалось от 10 до 30 мг/кг, тогда как фоновое содержание не превышает 5–6 мг/кг сухого вещества [8]. Особенно много фтора накапливается в листоватых лишайниках (160–226) и зеленых мхах (230–280 мг/кг сухого вещества) соснового бора, находящегося в 8 км к юго-востоку от заводов, что подтверждает присутствие газообразного фтора в воздухе.
При взаимодействии со средой для жизнедеятельности человека очень важна роль химических элементов. В нормально функционирующей биологической системе нет хаоса микроэлементов, но есть закономерные и упорядоченные этапы поступления, утилизации и элиминации. Если этот процесс нарушается, возникают различные заболевания, названные микроэлементозами. В случае дефицита эссенциальных (жизненно необходимых) микроэлементов проявляются симптомы болезни недостаточности. Напротив, при избыточном количестве микроэлементов в среде возникают болезни и синдромы интоксикации. При дисбалансе химических элементов в окружающей среде в организмах также возникают различные заболевания [9]. Такое взаимоотношение со средой распространяется на все живые организмы. При этом большое значение имеет миграция элементов по пищевой цепи. С целью оценки экологической опасности со стороны кормовой базы (начального звена пищевой цепи) для исследуемой территории была составлена карта уровней содержания фтора в травяном покрове (рис. 3).
Рис. 3. Содержание фтора в зеленой надземной фитомассе (мг/кг сухого вещества) территории, прилегающей к алюминиевым заводам. 450–461 номера площадок отбора проб лапчатки длиннолистой по ландшафтно-геохимическому профилю
Токсичные концентрации фтора от 2 до 6 ПДК (при ПДК = 30 мг/кг сухого вещества) обнаружены в зеленой надземной фитомассе территории в пределах 11 км в восточно-северо-восточном направлении от заводов и 1–2 ПДК далее – до 14 км. Если оценивать содержание фтора в сырой зеленой фитомассе, то опасная зона расширяется вследствие ужесточения ПДК до 1,5 мг/кг. На расстоянии 12 км от источника эмиссий концентрации элемента могут достигать 4,2 мг/кг, что в 2,5 раза превышает допустимый уровень.
Заключение
В общей сложности, судя по содержанию фтора в отдельных видах растений и зеленой надземной фитомассе, в условиях разной степени опасности находятся земли 9 сельскохозяйственных объединений. В наиболее неблагоприятных условиях расположены сенокосы и пастбища сел Новоенисейка и Новомихайловка. Несколько лучшая ситуация сложилась для села Дмитриевка благодаря расположению в низине (в ветровой тени) и села Новониколаевка, находящегося с подветренной стороны. Со временем, если не принимать меры по сокращению объемов выбросов в атмосферу вследствие их возвращения на земную поверхность и аккумуляции поллютантов в почвах и растениях, ситуация будет ухудшаться. Между тем никаких опознавательных или запретительных знаков на территории загрязнения не установлено. Местное население и животные, не опасаясь, свободно посещают зоны повышенной и высокой степени экологического риска – наблюдаются случаи сенокошения вблизи санитарной зоны (2,5 км), сбор дикоросов и выпас животных.
Библиографическая ссылка
Давыдова Н.Д. ТРАНСЛОКАЦИЯ ТЕХНОГЕННОГО ФТОРА В РАСТЕНИЯ СТЕПЕЙ ЮГА МИНУСИНСКОЙ КОТЛОВИНЫ // Успехи современного естествознания. – 2016. – № 8. – С. 173-177;URL: https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=36099 (дата обращения: 24.04.2024).