CC BY
72
Химия растительного сырья. 2000. №4. С. 29-34.
УДК 552.577:543.53
ХАРАКТЕРИСТИКА ЭЛЕМЕНТНОГО СОСТАВА ТОРФЯНОГО СЫРЬЯ ОЛИГОТРОФНОГО БОЛОТА
© Т.Н. Цыбуковаа\ Л.И. Инишева6, О.К. Тихоноваа, Л.А. Зейлеа, М.С. Юсубова
а Сибирский медицинский университет, Московский тракт, 2, Томск, 634050 (Россия) e-mail: yusubov@mail.ru б Сибирский НИИ торфа СО РАСХН, Томск, 634050 (Россия)
Методом нейтронно-активационного анализа проанализированы пробы торфов, болотных вод, речной воды, мха и багульника единого болотного ландшафта (Западная Сибирь, Васюганское болото). Отмечено различное накопление 16 элементов в различных геохимических зонах. Установлено, что концентрация практически всех элементов в торфе и мхе значительно выше, чем в багульнике.
Введение
Торф можно рассматривать как ценное химико-технологическое сырье. Химико-технологическую переработку торфа проводят в режиме гидролиза, пиролиза, экстракции и химической идентификации [1].
В гидролизатах торфа обнаружен широкий спектр карбоновых, аминокислот, гуминовых веществ и других соединений. На основе продуктов гидролиза и химической идентификации получены ценные препараты для лечения кожных, стоматологических и гинекологических заболеваний. Широко известное средство «Торфэнал», полученное экстракцией из торфа биологически активных веществ сжиженным диоксидом углерода, характеризуется высоким терапевтическим эффектом при лечении больных экземой, псориазом, атопическим дерматитом, красным плоским лишаем и др. [2].
Известно, что в торфах концентрируется значительное количество элементов - примесей [3]. При этом одна их часть имеет сингенетично-биогенное, а другая - эпигенетично-гидрогенное происхождение. Торф по сравнению с живым веществом обычно обеднен B, Zn, Sn, поэтому при исследовании торфа необходимо учитывать его элементный состав. В ранее опубликованных работах [4, 5] было проанализировано содержание элементов в западно-сибирских торфах различного ботанического состава (всего около 2 тыс. образцов) и выявлены закономерности, характерные для торфов таежной зоны. Было установлено, что во всех западно-сибирских торфах содержание Br превышает ПДК для почв [6] в 47 раз (10-20 мг/кг), В - в 1,3-2 раза (25-100 мг/кг), Br - в 8-16, Au - в 6-15, Hg - в 45-70 раз.
Нашими исследованиями определены фоновые концентрации ряда элементов в западно-сибирских торфах. Была проведена системная работа по характеристике элементного состава западно-сибирских
Автор, с которым следует вести переписку.
торфов в целом по территории безотносительно геохимической приуроченности и контрольной привязки на местности.
Целью данной работы является изучение элементного состава в системе: растения-
торфообразователи - торфяная залежь - болотные воды, что позволяет комплексно оценить торфяное сырье единого болотного ландшафта.
Материалы и методы
Исследования проводились на отрогах Васюганского болота (п. Полынянка Бакчарского района) в системе геохимически сопряженных олиготрофных ландшафтов со следующими биогеоценозами (от периферии к центру болота): осоково-кустарничково-сфагновые (низкий рям, высокий рям), осково-сфагновая топь (соответственно п. 2, 3, 5). Все биогеоценозы расположены в пределах бассейна реки Ключ, они формируются за счет стока с болот. Основным источником питания этого водотока являются болотные воды отрогов Васюганского болота.
В этих пунктах были отобраны образцы торфа на элементный анализ в слое 0-50 см (табл. 1).
На этих же биогеоценозах на химический анализ из колодцев были взяты болотные воды и вода р. Ключ. На сосново-кустарничково-сфагновом фитоценозе (п. 2) также были отобраны образцы растений-торфообразователей: доминанты сфагнум-фускум, багульник. Последний разделен на две фракции: листья и стебли, которые анализировались отдельно.
Таблица 1. Ботанический состав и степень разложения торфов
Пункт Глубина, Вид Степень Содержание
наблюдения см торфа разложения, % растений, %
п. 2 0-25 медиум торф 5 кустарник 5 Sph. magellan 60 Sph. angust. fol. 35
25-50 пушицево- сфагновый 35 сосна 5 кустарник 5 пушица 25 Sph. magellan 50 Sph. angust. fol. 10 c. rostrata 5 c. lasiocarpa +
п. 3 0-50 фускум-торф 5 кустарник + сфагнум фускум 85 Rubus chem 5 Sph. magellan 1 0
п. 5 0-100 комплексный сфагнум 5 С. limisa + Sph. majus 30 Sph. magellan 30 Sph. papullosum 1 5 Sph. flexuosum 25
Ботанический состав и степень разложения определяли микроскопическим методом (ГОСТ 28245-89). Для исследования элементного состава образцов использовали нейтронно-активационный анализ (НАА); работу проводили на ядерном реакторе «Спутник» (Томск). Пробу облучали потоком нейтронов при плотности 21013 нейтр/(см2с) в течение 12 ч. Наведенный у-спектр исследовали дважды: среднеживущие изотопы определяли через 7-9 суток, долгоживущие - через 25 суток. Выбор определяемых элементов был прежде всего обусловлен возможностью метода НАА, но при этом также исходили из важности элементов для живых организмов и растений. №, Са, Бе выступают как составные части органических соединений и как основа биологических жидкостей. Со и 2п обладают исключительно высокой биологической активностью, входя в состав многих металлоферментов. Обнаружение в растениях и торфах токсичных элементов (И£, 8Ь, 8е, Вг, С^ РЬ и др.) актуально с экологической точки зрения и для установления возможности использования растений и торфов в медицине. Определение таких редко встречающихся элементов, как Аи, Ag, и, ТЬ, дает более полную информацию об элементном составе анализируемых образцов.
Результаты и обсуждение
Результаты анализа приведены в таблице 2 (% от массы сухого сырья). Данные получены усреднением четырех параллельных определений и обработаны методом математической статистики. Относительное стандартное отклонение представлено для трех элементов и составляет для Са - 0,045, для Со - 0,029, для Вг - 0,262. Доверительный интервал для Са, Со, Вг составляет 0,14; 0,09; 0,83 соответственно.
Из таблицы 2 видно, что концентрация всех элементов (кроме Сг, Вг) в торфе и мхе значительно выше, чем в стеблях и листьях багульника. Содержание элементов в листьях багульника больше, чем в стеблях. Концентрация элементов по ряду: стебли багульника - листья багульника - торф возрастает.
Следует отметить, что большинство элементов (кроме 2п, Аи) лучше концентрируются в п. 2, чем в п.
5, а в п. 3 эта тенденция не прослеживается.
В болотных водах количество сухого остатка увеличивается по ряду п. 5-п. 3-п. 2, что свидетельствует о возрастании минерализации воды. В р. Ключ минерализация остается довольно высокой. Показано, что содержание элементов №, 2п, Со, Вг, Сг, ^, 8Ь, Аи, И, ТЬ по ряду п. 5-п. 2 уменьшается, концентрации 8г и Вг равны, а содержание Са, Бе, 8е, Ag возрастает.
Следует отметить, что геохимические условия формирования торфов на болоте существенно различаются. Так, например, торфяная залежь высокого ряма имеет мощность 90 см и смешанное лесотопяное строение. В ее формировании принимают участие 5 видов торфа. Только два из них -осоковый низинный и сосново-пушицевый верховой достигают мощности 20 см, остальные виды торфа имеют мощность около 10 см. Это окрайка торфяного болота и, следовательно, наиболее низкая его часть. И именно сюда направлен поток поверхностных склоновых и внутриболотных вод. Надо полагать, это является причиной высоких концентраций всех рассмотренных элементов. На исследуемом водосборе эта часть болота играет роль геохимического барьера.
Таблица 2. Содержание микроэлементов в исследованных образцах
Элемент (%) Ыа Са Ее 7п Со Ва 8г Вг Сг 8е 8Ь Аи Ag И ТЬ
Образцы (10-2) (10-2) (10-2) (10-4) (10-4) (10-4) (10-4) (10-4) (10-4) (10-4) (10-6) (10-6) (10-6) (10-6) (10-6) (10-6)
Торф п. 5 4.7 74.0 35.0 70.2 1.3 49.0 115.0 23.7 14.9 23.0 110.0 42.0 8.4 <40 <20 45.0
(0-50 см) п. 3 9.1 62.0 34.0 102.5 1.2 55.0 109.0 24.8 18.7 44.5 <10 38.0 6.3 <40 <20 30.0
п. 2 6.4 1 45.0 67.5 67.7 2.2 92.2 137.2 26.7 16.9 28.0 53.7 58.0 5.2 <40 71.3 95.0
Растения (п. 2) Листья багульника 0.95 49.00 2.22 32.26 0.10 76.56 12.59 2.06 0.81 0.35 <0.35 3.20 1.26 8.22 <0.70 1.76
Стебли багульника 0.38 11.60 0.83 20.35 1.40 46.65 12.80 33.30 36.00 <10 <0.10 2.38 0.57 6.60 <0.02 <0.10
Мох 1.68 29.60 5.36 29.39 0.25 22.79 13.89 7.04 1.98 3.31 <0.35 12.50 0.96 1.43 <0.70 8.60
Болотные п. 5 (1 25 мг/л) 81.0 314.0 140.0 330.6 4.1 130.0 198.0 99.5 19.5 25.2 33.0 370.0 8.1 <40 <20 34.0
воды п. 3 (152 мг/л) 45.0 144.0 78.0 181.0 2.3 85.0 97.0 85.1 20.6 26.6 120.0 270.0 4.2 <40 <20 40.0
(плот. ост) п. 2 (267 мг/л) 6.3 483.0 160.0 73.9 3.9 83.0 210.0 95.6 13.6 17.0 66.0 120.0 2.2 57.0 <20 24.0
р. Ключ (187 мг/л) 136.0 990.0 150.0 108.1 1.7 96.0 655.0 130.0 22.9 26.3 85.0 240.0 10.0 <40 190.0 64.0
Осоково-сфагновая топь располагается ближе к центру болота. Мощность торфяной залежи - 2,5 м: до глубины 0,6 м идет слой верхового сфагнового торфа слабой степени разложения (7%), затем 0,1 м переходного шейхцериево-сфагнового торфа и далее мощный пласт низинного торфа осокового и древесно-осокового видов. В зоне активного влагооборота, мощность которой достигает 0,6 м, уровень болотных вод в определенные годы в летний период снижается до глубины 0,4 м и освободившийся внутризалежный поток перемещается на окрайку болота (п. 2).
Заслуживает внимания и тот факт, что верховой торф обеднен элементным составом вследствие полной зависимости питания растений-торфообразователей от атмосферных осадков.
Располагающийся между высоким рямом (п. 2) и осоково-сфагновой топью (п. 5) сосново-кустарничково-сфагновый фитоценоз (низкий рям, п. 3) характеризуется средними концентрациями элементов в торфе. В этом пункте отмечена самая большая глубина торфа (3 м) и залежь имеет смешанный топяной вид строения.
Выше мы уже упоминали о том, что на рассматриваемом ландшафтном профиле сток в р. Ключ осуществляется с открытой топи болота как поверхностным стоком (весенний снеговой сток), так и внутриболотным потоком. Это позволяет предполагать, что поверхностно-талые воды успевают перемешаться с водами деятельного слоя торфяной залежи и часть подвижных элементов переходит в раствор почвенно-болотных вод. Наши исследования показывают (табл. 2), что существенных изменений концентрации элементов в болотных водах в окрайке болота не происходит.
Несколько возрастает содержание 8е, но в основном концентрация микроэлементов снижается, в то время как ионы (Са2+, Mg2+, Ыа+, К+, 8042-, Ы03-, Ы02-) имеют тенденцию к перемещению от центра болота к его окрайке [7]. Следовательно, формы нахождения рассмотренных элементов в торфе -преобладающе необменные, а в болотных водах установились равновесные концентрации.
Об отсутствии процесса концентрирования рассматриваемых элементов в мигрирующем потоке из центра болота к руслу р. Ключ свидетельствуют и результаты анализа состава воды. Отмечается увеличение содержания Са, 8г, Бе, 8е, Ag из шестнадцати элементов в 2-4 раза (табл. 2). Возможно, это объясняется атмосферным привносом на снеговой покров в зимний период.
Представляет интерес сравнение элементного состава исследованных болотных вод ЗападноСибирского региона с аналогичными исследованиями других авторов [8, 9]. Следует отметить, что исследованные нами воды характеризуются повышенными концентрациями элементов по сравнению с известными в литературе. Этому факту может быть несколько объяснений. Например, разные геохимические условия. По всей вероятности, требуются дальнейшие исследования в этом направлении. В случае осушения данного торфяного месторождения можно предполагать дополнительное осаждение в торфах элементов из болотных вод (процессы ионно-обменные и коагуляции).
Особого внимания заслуживает соотношение содержания элементов в растениях -торфообразователях и поверхностном слое торфа, что рассмотрено на примере биогеоценоза высокого ряма (табл. 2). Анализ данных позволяет сделать вывод о повышенном содержании большинства элементов в торфе. В растениях-торфообразователях больше, чем в торфах, содержится только три элемента: ЯЬ, Сг, Вг.
В большей степени элементы концентрируются в листьях багульника, а из двух растений-торфообразователей - в сфагнум-фускум.
Выводы
1. Содержание элементов в торфах Васюганских болот подтверждает общую закономерность, отмечаемую в целом для западно-сибирских торфов.
2. Элементы избирательно накапливаются в разных частях болота в соответствии с его геохимическими зонами.
3. Болотные воды характеризуются повышенным содержанием элементов.
4. Листья багульника концентрируют элементы в большей степени, чем стебли, а из двух растений-торфообразователей более богат элементами сфагнум фускум, являющийся доминантом наземного покрова олиготрофных болот.
Список литературы
1. Раковский В.Е. Общая химическая технология торфа. М.-Л., 1949.
2. Лиштван И.И. Физико-химические свойства торфа, химическая и термическая его переработка. Химия твердого топлива. 1996. №3. С. 3-23.
3. Иванов В.В. Экологическая геохимия элементов. М., 1994.
4. Инишева Л.И., Цыбукова Т.Н. Содержание тяжелых металлов в торфах Западной Сибири // Мелиорация и водное хозяйство. 1996. №2. С. 21-23.
5. Инишева Л.И., Цыбукова Т.Н. Эколого-геохимическая оценка торфов юго-востока западно-сибирской равнины // География и природные ресурсы. 1999. №1. С. 45-51.
6. Алексеев О.В. Тяжелые металлы в почвах и растениях. Л., 1987.
7. Инишева Л.И., Инишев Н. Г. Формирование состава болотных вод олиготрофных болот южно-торфяной подзоны Западной Сибири // Проблемы географии на рубеже XXI века: Материалы Всероссийской научной конференции 24-26 февр. 2000 г. Томск, 2000. С. 66-68.
8. Бахнов В.К. Биогеохимические аспекты болотообразовательного процесса. Новосибирск, 1986. 193 с.
9. Назаров А.Д., Рассказов Н.М., Удодов П.А., Шварцев С.Л. Гидрогеологические условия формирования болот // Научные предпосылки формирования болот Западной Сибири. М., 1986. С. 99-113.
Поступило в редакцию 1 ноября 2000 года
