CC BY
135
УДК 631.438 С.В. Бабошкина
МЫШЬЯК В РАСТЕНИЯХ АЛТАЯ: СОДЕРЖАНИЕ, УСЛОВИЯ ПОСТУПЛЕНИЯ
Исследовано содержание мышьяка в растениях Алтая - территории, являющейся геохимической провинцией с повышенным содержанием элемента в почвах. Установлено, что концентрация As в растениях Алтая не превышает мировой фоновый уровень и не определяется валовым количеством элемента в педосфере. Рассчитаны индексы аккумуляции и коэффициенты биологического поглощения As. Показано, что наиболее интенсивно As вовлекается в биологический круговорот травянистыми растениями высокогорных тундр, лугов и пустынно-степных долин Юго-Восточного Алтая.
Химический состав растений является важным показателем экологического благополучия окружающей среды. С давних пор территория Алтая привлекает к себе внимание потребителей лекарственного сырья: флора региона характеризуется значительным разнообразием, наличием редких видов, достаточным их количеством и предполагаемой экологической чистотой. Поскольку наши предыдущие исследования [1] и работы других авторов [2] показали, что Алтай является геохимической провинцией с повышенным валовым содержанием мышьяка в почве, а поступление мышьяка в растительные организмы доминируется процессами сорбции и десорбции его соединений почвами и почвообразующими породами [3, 4, 5], определение содержания и закономерностей поступления мышьяка в растения Алтая, контроль за уровнем его подвижных форм в почвах являются приоритетными задачами экологического и био-геохимического мониторинга территории.
В связи с наличием мышьяка в геосфере, а также широком использовании его соединений в сельском хозяйстве, промышленности и медицине, присутствие его в биоте естественно. Мышьяк входит в состав многих растений, однако, его содержание в растительной золе значительно ниже, чем в литосфере - 0,3 мг/кг [6], что свидетельствует о сравнительно низкой биофильности элемента.
Биологическая роль мышьяка до сих пор изучена недостаточно. Известно, что в растительном организме элемент ускоряет биосинтез этилена [7], стимулирует активность почвенных микроорганизмов [8], увеличивает продукцию некоторых видов болотной растительности [9].
Высокий уровень биодоступных количеств мышьяка негативно сказывается на жизнедеятельности растений: замедляется их рост, снижается урожайность, происходит увядание листьев и обесцвечивание корнеплодов [5]. Рис, выращиваемый на почвах с содержанием мышьяка 77 мг/кг, почти не дает урожая в первый год [10], а в результате эксперимента с Oryza sativa установлено, что физиологическое нарушение, приводящее к развитию стерильных колосков, связано с повышенными (от 50 мг/кг) концентрациями мышьяка в почве [11].
Более интенсивно фитотоксичность мышьяка проявляется на участках с низкими концентрациями органического вещества [12], и снижается при хорошей обеспеченности растений фосфором и серой [10]. Наиболее токсичной формой мышьяка для растений большинством авторов признаются арсениты [5, 13, 14, 15, 16], но в некоторых исследованиях называются и другие формы, например, монометиларсоновая кислота [9].
Мышьяк поглощается растениями вместе с водой, но его доступность ограничена сорбцией арсенат-ионов коллоидными частицами почвы. Обычно наибольшее количество мышьяка наблюдается в корнях высших растений, а стебли, листья, плоды имеют меньшее содержание. Возможно, поэтому более высокие значения характерны для зеленых листовых овощей, а низкие - для фруктов [5].
Как анионогенный элемент, мышьяк более интенсивно вовлекается в биологический круговорот в условиях щелочной среды, поэтому в растительности сухостепных ландшафтов содержание его более высокое [17].
Среднее содержание мышьяка в растениях, произрастающих на незагрязненных почвах, составляет 0,01-5 мг/кг сухой массы и редко превышает 1 мг/кг влажной массы. В золе деревьев и кустарников мышьяк обнаруживается практически во всех образцах в количестве от 0,25 до 50 мг/кг, относительно интенсивно концентрируется в съедобных грибах [10]. Некоторые виды растений устойчивы к высокому содержанию мышьяка в тканях. Так, Pseudotsuga taxifolia (8200 мг/кг As в золе [18]) и папоротник Pityrogramma calomelanos (400 мг/кг As на сухую массу [19]) являются гипераккумуляторами мышьяка, а повсеместно распространенную ряску Spirodela polyrhiza L. зарубежные исследователи предлагают использовать в качестве фиторемедиатора [20].
Методы исследования. Методологической базой для проведения экспедиционных работ послужил сравнительно-географический метод. В местах разрезов, заложенных в системе ландшафтно-геохимических профилей, делали растительные укосы и отбирали дикорастущие лекарственные виды растений. Образцы высушивали в тени до воздушно-сухого состояния и измельчали.
Для определения доступных растениям форм мышьяка мы использовали кислотную вытяжку (0,2н HCl при отношении почва: раствор - 1:10), по методу Кирсанова [21], чтобы смоделировать процесс поглощения микроэлемента корнями растений, которое в природе происходит как из почвенного раствора, так и за счет синтеза корнями растений кислых растворяющих реагентов (пектиновых, угольных, уксусных кислот) при контактном обмене между корневым волоском и твердой частицей почвы [22].
Содержание мышьяка в растениях, а также кислотных вытяжках, воде, определяли методом атомной абсорбции на спектрофотометре Perkin-Elmer 3030 Zeeman HGA-60, с электротермической атомизацией. Общее содержание мышьяка в почвах определяли количественным плазменно-спектральным методом.
Обсуждение результатов. По результатам наших предыдущих исследований, уровень содержания валового мышьяка в педосфере Алтая (0,4 - 77 мг/кг) [1] не выходит из диапазона концентраций для незагрязненных почв мира <1 - 95 [6, 10], но среднее значение 17 мг/кг существенно превышает содержание в почвах европейской части страны - 3,6 мг/кг [23], и российские ОДК: 2 - 10 мг/кг [24].
Среднее содержание подвижных форм мышьяка в педосфере Алтая составляет 0,45±0,04 мг/кг, варьируя в пределах от 0,10 до 1,03. Распределение значений (по критерию Фишера) не отклоняется существенно от нормального закона. По сравнению с почвами других регионов, содержание доступных растениям форм мышьяка в почвах Алтая довольно высокое. На долю подвижных форм для 70% всех исследованных образцов почв Алтая приходится менее 3% от общего содержания эле-
мента, что не превышает аналогичные показатели для других территорий [21].
Водорастворимые формы мышьяка были обнаружены нами только в образцах почв с очень высокими валовыми концентрациями элемента: на месте бывшей дислокации военной части, в пределах ореолов рассеяния полиметаллических месторождений.
Установлено, что степень интенсивности вовлечения мышьяка в биологический круговорот не определяется его общим содержанием в педосфере, поскольку доля доступных растениям форм мышьяка от его валового содержания в почвах Алтая обратно пропорциональна общему содержанию элемента, коэффициент корреляции составляет -0,5. Кроме того, между коэффициентом поглощения мышьяка растениями и его валовым содержанием в почве обнаружена слабая отрицательная связь (-0,3).
По результатам исследования, содержание мышьяка в лекарственных растениях Алтая варьирует в широком диапазоне: от <0,07 до 0,78 мг/кг, среднее содержание составляет 0,16±0,06 мг/кг. Более 60% образцов содер-
жат мышьяка менее 0,07 мг/кг сухой массы. В таблице 1 приведены 13 видов лекарственных растений Алтая, содержание мышьяка в которых выше 0,1 мг/кг сухой массы.
В пересчете на золу содержание мышьяка в лекарственных растениях Алтая составляет в среднем 2,74±1,2 мг/кг. КБП (соотношение количества элемента в золе растения с его содержанием в почве) в среднем равен
0,41±0,11. Оценка интенсивности вовлечения мышьяка в биологический круговорот травянистой растительностью Алтая совпадает с оценкой А.И. Перельмана (1979), по которому мышьяк является элементом среднего накопления с КБП = 0,п [25]. Относительно интенсивным поглощением мышьяка из почвы характеризуются среди высших растений: панцерия шерстистая (КПБ = 3,5), курильский чай (КПБ =1,4). Биогенные процессы играют существенную роль в процессах перераспределения мышьяка в профиле горно-лесных бурых супесчаных почв на флювиогляциальных отложениях (бассейн р. Башкаус) (табл. 2).
Таблица 1
Содержание мышьяка в некоторых лекарственных растениях Алтая и верхних горизонтах соответствующих разрезов почв (мг/кг сухой массы)
Вид растения As КБП
в сухой массе в золе
Северный Алтай, чернозем выщелоченный суглинистый, (А8 7,7 - 9,9 мг/кг)
Paeonacea (корни) 0,129 2,2 0,2
Rhaponticum cartamoides 0,259 - -
Potentilla fruticosa 0,625 12,3 1,4
Phlomis tuberosa 0,163 3,1 0,3
Peucedanum Morisonii 0,148 10,6 1,3
Mentha sp. 0,196 1,5 0,2
Северо-Восточный Алтай, горно-лесная бурая, (As 6,4 - 8,3 мг/кг)
Euphorbia sibirica 0,152 1,9 0,2
Urtica dioica 0,163 1,2 0,1
Plantago media 0,276 2 0,4
Cladonia sp. (ягель) 0,362 9,8 1,6
Юго-Восточный Алтай, горно-тундровая, каштановидная (А8 4,5; 9,7 мг/кг)
Panzeria lanata 0,78 15,6 3,5
Rheum sp. 1,2 5,5 0,4
Таблица 2
Мышьяк в системе почва - растения Алтая (содержание, мг/кг, и индекс аккумуляции)
Почва Растительность Ia
№ разреза, тип (подтип) Ad(An) As, мг/кг, с Тип, ассоциация нижнего яруса As, мг/кг
валовый подвиж-
1 2 3 4 5 6
13-99 горно-лесная бурая суглинистая 27 22 0,47 0,20 Парковый кедровый лес, злаковоразнотравная 0,14 0,005
22-99 горно-лесная бурая супесчаная 11 7,5 0,45 0,14 Кедрово-лиственничный лес, злаковоразнотравная 0,37 0,034
14-99 горно-лесная черно-земовидная и 20 0,57 0,53 Парковый лиственничный лес, злаково-осоково-разнотравная 0,23 0,014
62-00 горно-лесная черноземо-видная над месторождением 34 49 0,58 0,46 Разреженный лиственничный лес, разнотравно-злаковая 0,12 0,004
49-00 чернозем обыкновенный слабо-выщелоченный 19 11 0,59 0,40 Разнотравно-бобово-злаковая лугово-степь 0,24 0,013
Продолжение табл.2
1 2 3 4 5 6
16-99 чернозем южный 21 0,62 Полынно-караганниково-осочковая 0,08 0,004
10 0,27 степь
32-01 горно-тундровая торфянистая 4j0 5,8 0,66 0,44 Разнотравно-осоково-злаковый ерник, злаково-разнотравная 0,09 0,023
33-01 горно-лугово-степная 42 0,62 Тундро-лугово-степь (остепненный луг) 0,22 0,052
4,9 0,33
Здесь в почвах обнаруживается довольно высокое процентное (1,8 - 4,7%) содержание подвижных форм, и наибольшее содержание мышьяка - 0,37 мг/кг в укосе пышного травостоя, выросшего под пологом кедроволиственничного леса. Очевидно, за счет перекачивания корнями травянистых растений, элемент накапливается в верхних почвенных горизонтах (Кэа=1,5). Заметим, что хвойные подстилки песчаных ленточных боров пре-далтайской равнины накапливают до 34 мг/кг мышьяка при также очень невысоком валовом его содержании в почвенной толще - 0,4-4,5 мг/кг [26]. Решающим фактором в процессе формирования аккумулятивного распределения мышьяка в почвах степного почвообразования, напротив, является, скорее всего, не биогенные процессы, а испарительное концентрирование. Хотя элемент накапливается в верхнем почвенном горизонте черноземов обыкновенных и южных, в укосе степной растительности его содержание минимальное >0,08мг/кг (см. табл. 2). В растительных укосах сеяных трав (эспарцет, пырей), выращенных на черноземах обыкновенных, содержание мышьяка также оказалось ниже предела обнаружения - >0,08 мг/кг сухой массы.
Содержание мышьяка в травянистой растительности горно-лесной черноземовидной почвы, сформированной в условиях напряженного литохимического фона (недалеко от месторождения, разрез 62-00 табл. 2), оказалось очень невысоким - 0,12 мг/кг, значение индекса аккумуляции (отношение содержания элемента в сухой массе растения к его содержанию в почве [6]) минимальное. Хотя концентрация валового мышьяка в почве здесь достигает 77 мг/кг, содержание его подвижных форм невысокое, и чрезмерного поступления мышьяка в растительные организмы не наблюдается.
В предварительных исследованиях мы рассматривали содержание мышьяка в основных компонентах ландшафтов - почвах, водах, растениях различных физикогеографических районов Алтая. Оказалось, что в ЮгоВосточном Алтае обнаруживаются повышенные концентрации (0,33-0,83 мг/кг) подвижных форм мышьяка в почвах и высокое их процентное содержание (3,4 -20,7%) от валового, а также высокие концентрации элемента в поверхностных (2,0; 3,0 мкг/л) и подземных (1,4
- 7,3 мкг/л) водах района. Поэтому выявление макси-
Библиографический список
мального содержания (0,78 мг/кг сухой массы) и наивысшего коэффициента биологического поглощения мышьяка (КБП=3,5) в Panzeria lanata (панцерии шерстистой), произрастающей в этом районе (табл. 1), а также наивысших индексов аккумуляции в растительных укосах вполне закономерно.
Понятно, что в обстановке дефицитного увлажнения перемещение мышьяка - водного мигранта - в пределах почвенных профилей или геохимически сопряженных ландшафтов Юго-Восточного Алтая весьма затруднительно. Тем не менее, в периоды сезонного увлажнения, потенциально подвижные формы этого элемента, очевидно, активно вовлекаются в биологический круговорот.
Выводы:
1.Несмотря на повышенное содержание мышьяка в почвах Алтая, уровень концентрации мышьяка в растениях находится в пределах мировых фоновых значений. Заготавливаемое на Алтае растительное лекарственное сырье можно отнести к категории экологически чистого.
2.Наиболее высоким содержанием микроэлемента отличаются: Panzeria lanata, Potentilla fruticosa, Urtica dioica, Rhaponticum cartamoides, Plantago media.
3. Оценки интенсивности вовлечения мышьяка в биологический круговорот травянистой растительностью Алтая совпадают с оценками А.И. Перельмана, который определил мышьяк, как элемент среднего накопления с КБП=0,п.
4. Содержание доступных растениям форм мышьяка в почвах Алтая сравнительно высокое, однако их доля от общего количества элемента в почве и форм, доступных растениям, не превышает аналогичные показатели для других территорий.
5.В почвах с естественно высоким валовым содержанием мышьяка не наблюдается увеличения интенсивности вовлечения элемента в биологический круговорот.
6.Горно-тундрово-степные ландшафты Юго-Восточного Алтая в периоды сезонного увлажнения характеризуются благоприятными условиями для вовлечения мышьяка в биологический круговорот.
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 06-08-00438а.
1. Бабошкина, С.В. Биогеохимическое поведение мышьяка в почвах Алтая / С.В. Бабошкина, А.В. Пузанов, М.А. Мальгин //
Ползуновский вестник. - 2004. - №2. - С. 182-189.
2. Ильин, В.Б. Мышьяк в почвах Западной Сибири в связи с региональным мониторингом окружающей среды / В.Б. Ильин, Г.А. Конарбаева // Почвоведение. - 1995. - № 5. - С. 634-638.
3. Карпова, Е.А. Поглощение мышьяка почвами и минералами / Е.А. Карпова, Г.В. Мотузова, Н.Г. Зырин // Тр. ин-та эксперим.
метеорол. Госкомиздата. - 1987. - С. 48-56.
4. Аптикаев, Р.С. Соединения мышьяка в почвах природных и антропогенных ландшафтов: Автореф. дис. ... канд. биол. наук. -М.: МГУ, 1986. - 24 с.
5. Гамаюрова В.С. Мышьяк в экологии и биологии / В.С. Гамаюрова. - М.: Наука, 1993. - 208 с.
6. Kabata-Pendias, А. Ecological consequences of As, Cd, Hg and Pb enrichment in European soil // Global Perspectives on Lead,
Mercury and Cadmium Cycling. - SCOPE: Published by Wiley Eastern Ltd., 1994. - Р. 117-129.
7. Эмсли, Дж. Элементы /Дж. Эмсли. - М.: Наука, 1988. - С. 127-128.
8. Pongratz, R. Arsenic specification in environmental samples of contaminated soils / R. Pongratz // The Science of the Total Environ-
ment. - 1998. - № 11. - Р. 131.
9. Arsenic in wetland vegetation: availability, phitotoxicity and effects on plant grouth and nutrition / R.D. Delaune, A.A. Carbonell, M.A. Aarabi, R.P. Gambrell // The Science of the Total Environment. - 1998. - Т. 217, № 3. - P. 189-199.
10. Кабата-Пендиас, А. Микроэлементы в почвах и растениях / А. Кабата-Пендиас, Х. Пендиас. - М.: Мир, 1989. - 439 с.
11. Straighthead disease of rice (Oryza sativa L.) induced by arsenic toxicity / M. R. Azizur, H. Hasegawa, M.M. Rahman [et al.] // Environmental and Experimental Botany. - 2008. - V. 62. - P. 54-59.
12. Barcelo, J. Arsenic and heavy metal contamination of soil and vegetation around a copper mine innorthern Peru / J. Barcelo, J. Bech, C. Poschenrieder // The Science of the Total Environment. - 1997. - № 29. - Р. 88-91.
13. Иванов, В.В. Экологическая геохимия элементов: Справочник. В 6 кн. / Под ред. Э. К. Буренкова. - М.: Недра, 1996.
14. Gough, L.P Biogeochemistry of Arsenic and Cadmium, Fortymile River Watershed, East-Central Alaska / J.G. Crock, W.C. Day, J.
Vohden // Geologic Studies in Alaska by the U.S. Geological Survey. - 1999. - Р. 48-62.
15. Manninen, K.G. Specification of mobile arsenic in soil samples as a function of pH / K.G. Manninen, M. Pantsar-Kallio // The Science of the Total Environment. - 1997. - 206. - Р. 190-200.
16. Smith, E. Chemistry of arsenic in soils. Sorption of arsenate and arsenite by four Australian soils / E. Smith, R. Naidu, A.M. Alstom // Soil Environ. Qual. - 1999. - №6. - Р. 1797-1726.
17. Айвазян, А.Д. Геохимия степных ландшафтов /А.Д. Айвазян, Н.С. Касимов // Вестник Моск. Университета. Сер. География. -1979. - № 3. - С. 117-126.
18. Shacklette, H.T. Toxicity of heavy metals in the environment / H.T. Shacklette, J.A. Erdman, Th.F. Harms. - N.Y.: Dekker, 1978. - P. 1. - P. 25-68.
19. Goessler, W. Arsenic species in an arsenic gyperaccumulation fern, pityrogramma calomelanos / W. Goessler, K. Francesconi // The
Science of the Total Environment. - 2002. - V. 284. - № 1-3. - Р. 27-35.
20. Arsenic accumulation in duckweed (Spirodela polyrhiza L.): A good option for phytoremediation / M.A. Rahman, H. Hasegawa, U.
Kazumasa [et al.] // Chemosphere. - 2007. - V. 69. - P. 493-499.
21. Карпова, Е.А. Мышьяк в почвах Сихоте-алинского биосферного заповедника: Автореф. дис.... канд. биол. Наук / Е.А. Карпова. - М.: МГУ, 1986. - 24 c.
22. Вильямс, В.Р. Почвоведение / В.Р. Вильямс. - М.: Сельхозгиз, 1946. - 456 с.
23. Виноградов, А.П. Геохимия редких и рассеянных химических элементов в почвах / А.П. Виноградов. - М.: Изд-во АН СССР, 1957. - 234 с.
24. Ориентировочно допустимые концентрации тяжелых металлов и мышьяка в почвах. Гигиенические нормативы 2.1.7.020-94. - М.: Госкомсанэпиднадзор России, 1995. - 6 с.
25. Перельман, А.И. Геохимия ландшафта /А.И. Перельман. - М.: Высш. школа, 1975. - 342 с.
26. Мальгин, М.А. Мышьяк в почвах юга Западной Сибири / М.А. Мальгин., А.В. Пузанов // Сиб. экол. журн. - 1996. - № 2. - С. 99-
210.
Материал поступил в редакцию 03.12.07.
УДК 631.438
И.А. Архипов, А.В. Пузанов
АКТАШСКОЕ РТУТНОЕ МЕСТОРОЖДЕНИЕ (ЮГО-ВОСТОЧНЫЙ АЛТАЙ) КАК ПОТЕНЦИАЛЬНЫЙ ИСТОЧНИК ПОСТУПЛЕНИЯ РТУТИ В ОБЪЕКТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ
Изучен уровень содержания ртути в горнопромышленных ландшафтах юго-восточного Алтая. Произведен сравнительный анализ содержания исследуемого элемента в объектах окружающей природной среды. Установлено, что отвальные руды являются основными носителями загрязняющих веществ, в связи с чем основные природоохранные мероприятия должны быть направлены на снижение их эмиссии в окружающую среду.
Возрастающие масштабы антропогенной деятельности обусловливают необходимость учета и прогнозирования изменений в окружающей среде, оценки возможностей сбалансированного развития экосистем, и почва, в значительной мере определяет ресурсный потенциал биосферы. Сегодня последствия ухудшения состояния почв уже выражаются в целом ряде региональных и местных экологических проблем, связанных с состоянием атмосферы, гидросферы, биоразнообразия и здоровья людей.
Акташское горнометаллургическое предприятие (АГМП) в период 1942-1990 гг. отрабатывало одноименное ртутное месторождение, из руд которого было получено 3700 т. металла. В конце 80-х годов, в связи с погашением его запасов, предприятие перешло на переработку ртутьсодержащих отходов, поступающих от предприятий сибирских и уральских регионов. Акташ-ское месторождение и АГМП находятся вне населенной местности на территории Улаганского района Республики Алтай, на юго-западном макросклоне Курайского хребта. Промышленная зона расположена на высотах 2150-2200 м в верховье р. Ярлыамры (левый приток р. Чибитка, бассейн р. Чуя), в 10 км восточнее пос. Ак-таш (рис. 1). Основным фактором влияния АГМП на
экологическое состояние объектов окружающей среды является воздействие отвалов некондиционных руд и пустых пород (5 млн. т.), содержащих высокие концентрации комплекса тяжелых металлов 1-3 классов токсичности (Щ, А8, 8Ь, 7п, Си и др.).
ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ
ЦЕЛЬ - оценить эколого-биогеохимическую обстановку в районе ртутьдобывающего и ртутьперерабаты-вающего производства.
ЗАДАЧИ:
- проведение наблюдений с определенным пространственно-временным разрешением за концентрациями экотоксикантов в объектах окружающей среды на площади влияния АГМП;
- прогнозная оценка экологического состояния природной среды, выявление тенденций ее изменения, разработка рекомендаций по снижению загрязнения объектов окружающей среды;
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Объектами мониторинга в районе исследований были: поверхностные воды, почвы, техноземы и растения.
Пробы природных и техногенных вод отбирали в полиэтиленовую посуду.
