CC BY
66
УДК: 511.510.3: 577.47: 519.283
Т.И. Савченко, О.В. Чанкина, С.А. Попова, К.П. Куценогий ИХКГ СО РАН, Новосибирск
РОЛЬ АТМОСФЕРНОГО АЭРОЗОЛЯ В БИОГЕОХИМИЧЕСКИХ ЦИКЛАХ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ
Методом корреляционного анализа показано существование тесной взаимосвязи между концентрациями элементов, содержащихся в атмосферном аэрозоле, в крови и тканях животных разного вида, в диете, а также в некоторых компонентах биогеоценоза (в почве, растениях, грибах). Атмосферные аэрозоли играют, вероятно, важную роль в биогеохимических циклах химических элементов.
T.I. Savchenko, O. V Chankina, S.A. Popova, K.P. Koutzenogii Institute of Chemical Kinetics and Combustion (ICHKC),
Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences
3, Institutskaya, Novosibirsk, 630090, Russian Federation
ROLE OF ATMOSPHERIC AEROSOL IN BIOGEOCHEMICAL CYCLING OF CHEMICAL ELEMENTS
The method of correlation analysis indicates the close interaction between the concentrations of chemical elements, contained in atmospheric aerosol, human blood, the tissues of various animals, diet (food ration) and other components of biogeocenosis (soil, plants, mushrooms). The atmospheric aerosols are likely to play an important role in the biogeochemical cycling of chemical elements.
Биосфера в целом представляет собой единую, динамичную, относительно уравновешенную экологическую систему, в которой живые организмы связаны между собой цепями питания и с окружающей средой. Большое значение в структуре биосферы имеют биогеохимические пищевые цепи (почвообразующие породы, почвы, воды, воздух, растения, животные, человек), по которым идет миграция химических элементов через окружающую среду и организмы.
Содержание химических элементов в тканях человека и животных очень важно для здоровья, как человека, так и животных. Однако, относительно мало известно о путях поступления микроэлементов в организм из окружающей среды через пищевые цепи к человеку и животным.
В формировании не только глобальных, но и локальных циклов химических элементов существенная роль принадлежит атмосферной составляющей. Атмосферные аэрозоли играют важную роль во многих атмосферных процессах. Несмотря на многочисленные исследования, как
атмосферных аэрозолей, так и макро- и микроэлементов, данные о количественной связи химических элементов в тканях организмов с объектами окружающей среды, например с аэрозолями, немногочисленны.
В данном сообщении методом корреляционного анализа исследовалась количественная взаимосвязь между химическими элементами, содержащимися в атмосферном аэрозоле (АА), в крови человека и тканях животных разного вида, в диете, а также в некоторых компонентах биогеоценоза (в почве, в растениях, в грибах).
Материалы и методы. Нами получен большой материал по многоэлементному составу различных биологических систем (кровь людей Севера и г. Новосибирска, ткани разного вида животных, компоненты пищи человека и животных) и объектов геохимической среды, в частности атмосферных аэрозолей Сибири и других регионов [1-3]. Для этого применяли метод рентгенофлуоресцентного анализа с использованием синхротронного излучения (РФА СИ).
Взаимосвязь между многоэлементным составом крови человека и тканей животных разного вида, рационом питания, других компонентов биогеохимической цепи и атмосферных аэрозолей (АА) была исследована методом корреляционного анализа. Зависимость исследуемых величин представляется уравнением линейной регрессии: у = a + b^x, где y и х -логарифмы (ln) среднегеометрических значений концентраций (С) элементов субстратов. Теснота связи количественно выражается величиной коэффициентов корреляции r и служит оценкой соответствия уравнению регрессии. Статистические характеристики элементного состава и коэффициенты корреляции определялись с помощью пакета прикладных программ Microsoft Excel и Statistica.
Результаты.
Исходными данными для исследования послужили элементный состав:
1. Атмосферный аэрозоль (АА) разных регионов Сибири и Севера;
1. Кровь тундровых ненцев, чукчей, эскимосов и русских людей из г. Новосибирска;
2. Образцы печени и костных тканей двух видов мелких млекопитающих, относящихся к разным трофическим группам - растительноядной европейской рыжей полевки (Qethrionomys glareolus Shreber, 1780) и насекомоядной средней бурозубки (Sorex caecutiens Laxmann, 1788), совместно обитающие на территории Среднего Урала;
3. Шерсть и костные ткани диких копытных животных (кабана, марала, горного козла, зубра);
4. Традиционный рацион питания северных аборигенов: мышечные ткани оленя, рыб (щука, плотва, горбуша) и ягод (клюква, брусника);
5. Компоненты питания мелких млекопитающих;
6. Разные органы солодки уральской, почва на которой она произрастает (Новосибирская обл.), плодовые тела шляпочных грибов и почва среды их обитания;
7. Вода реки «Канчалан» (Чукотка) и озера Байкал.
Ранее американскими учеными методом корреляционного анализа было показано существование тесной взаимосвязи многоэлементного состава крови людей, проживающих в Англии, и глобальных аэрозолей [4]. Нами проведены аналогичные исследования на примере многоэлементного состава атмосферных аэрозолей, собранных на Севере и в г. Новосибирске, и крови тундровых ненцев, чукчей, эскимосов и русских людей. Выявлена на региональном уровне высокая корреляционная зависимость между содержанием химических элементов в крови людей разного пола и в атмосферном аэрозоле.
Важным выводом этих работ с позиций глобальных биогеохимических циклов следовых элементов в биосфере при оценке их влияния на здоровье населения крупных промышленных центров заключается в том, что наиболее значимым фактором являются атмос ферные аэрозоли (рис 1).
Ln C элементов в атм. аэрозоле п. Самбурга, нг/м3
Рис. 1. Взаимосвязь концентраций элементов в атмосферном аэрозоле Севера и в крови тундровых ненцев (у= -1.9 + 1.5 x, г = 0.89)
Чтобы сделать заключение о том, что атмосферный аэрозоль является наиболее значимым в миграции химических элементов по биогеохимическим пищевым цепям, мы продолжили исследования в этом направлении.
В таблице приведены данные корреляционного анализа элементного состава атмосферного аэрозолей с компонентами биогеоценоза. Видно, что для всех сопоставлений концентраций элементов объектов исследования наблюдаются высокие показатели коэффициентов корреляции (г = 0.7 - 0.9), что позволяет сделать заключение о наличии тесной линейной связи между объектами. В качестве примера приведено графическое отображение взаимосвязи многоэлементного состава атмосферного аэрозоля и шерсти зубра приведено на рис 2.
Можно предположить, что, по-видимому, важным источником следов элементов, которые входят в пищевую цепь и в итоге, обогащают кровь и ткани
организма, являются атмосферные аэрозоли, поскольку они, обогащенные некоторыми элементами, переносятся на большие расстояния и оседают на поверхности, с которой начинается пищевая цепь. Недооценка роли атмосферных аэрозолей в глобальном кругообороте элементов может плохо сказаться на решении вопроса о степени влияния природных и техногенных факторов на живое вещество и не позволит нейтрализовать отрицательное воздействие токсических концентраций элементов.
Таблица. Данные корреляционного анализа элементного состава атмосферного
аэрозоля с компонентами биогеохимических цепей
Объекты исследования Компоненты регрессии Уравнение регрессии (г)
Кровь человека (у) - аэрозоль (х)
Жители г. Новосибирска Кровь (у) - аэрозоли (х) у = - 2.5 + 1.0 x 0.80
Тундровые ненцы Кровь (у) - аэрозоли (х) у = - 1.9 + 1.5 x 0.89
Чукчи Кровь (у) - аэрозоли (х) у = - 1.8 + 1.4 x 0.89
Эскимосы Кровь (у) - аэрозоли (х) у = - 1.6 + 1.4 x 0.87
ткани млекопитающих Среднего Урала (у) - атмосферный аэрозоль (х)
Средняя бурозубка Печень - аэрозоли у = - 0.47 + 1.37 x 0.71
Рыжая полевка Печень - аэрозоли у = - 0.19 + 1.39 x 0.78
Рыжая полевка Кости - аэрозоли у = 0.91 + 1.47 x 0.76
Ткани копытных животных Горного Алтая (у) - атмосферный аэрозоль (х)
Дикий кабан Шерсть - аэрозоли у = - 0.4 + 0.9 x 0.88
Марал Шерсть - аэрозоли у = 0.4 + 1.2 x 0.87
Зубр Шерсть - аэрозоли у = 0.19 + 0.9 x 0.94
Горный козёл Шерсть - аэрозоли у = - 0.6 + 0.82 x 0.82
Дикий кабан Кости - аэрозоли у = 0.1 + 1.2 x 0.88
Косуля Кости - аэрозоли у = - 0.01 + 1.18 x 0.87
Горный козел Кости - аэрозоли у = -0.21 + 1.18 x 0.87
Виды пищевых компонентов (у) - атмосферный аэрозоль (х)
Северный олень Мышцы - аэрозоли у = - 0.07 + 1.33 x 0.79
Щука Мышцы - аэрозоли у = - 0.51 + 1.53 x 0.80
Плотва Мышцы - аэрозоли у = 0.009 + 1.54 x 0.81
Горбуша (Чукотка) Мышцы - аэрозоли у = 0.2+ 1.0 x 0.77
Брусника Плоды - аэрозоли у = - 0.5 + 1.17 x 0.73
Клюква Плоды - аэрозоль у = - 0.25 + 0.99 x 0.62
Атмосферный аэрозоль (у) - вода (х)
Канчалан (Чукотка) Вода - аэрозоль у = 0.95+ 0.4 x 0.78
Байкал Вода - аэрозоль у = - 1.12 + 0.94 x 0.69
рацион питания мелких животных (у) - атмосферный аэрозоль (х)
Средняя бурозубка Рацион - аэрозоли у = 1.3 + 1.47 x 0.84
Рыжая полевка Рацион - аэрозоли у = 1.29 + 1.37 x 0.78
органы солодки уральской (у) - атмосферный аэрозоль (х)
Подземные Корневище - аэрозоли у = 0.02+ 1.05 x 0.90
Надземные Листья - аэрозоли у = -0.13+ 1.12 x 0.91
Репродуктивные Бобы- аэрозоли у = -0.5+ 1.0 x 0.85
Почвы (у) - атмосферный аэрозоль (х)
Горный Алтай Почва - аэрозоли у = 3.14+ 1.28 x 0.76
Новосибирская обл. Почва - аэрозоли у = 1.96+ 1.08 x 0.85
Плодовое тело гриба (у) - атмосферный аэрозоль (х)
Шампиньон обыкновенный Шляпка - аэрозоли Ножка - аэрозоли у = 0.55 + 0.90 x у = - 0.24+ 0.89 x 0.83 0.78
Груздь сырой Шляпка - аэрозоли Ножка - аэрозоли у = - 0.20 + 0.73 x у = - 0.98 + 0.92 x 0.79 0.82
Масленок лиственничный Шляпка - аэрозоли Ножка - аэрозоли у = - 0.07 + 0.95 x у = - 0.34 + 0.93 x 0.79 0.67
Подберезовик Шляпка - аэроз оли Ножка - аэрозоли у = 0.02 + 0.80 x у = - 0.13+ 0.88 x 0.71 0.82
Ln C элементов в атм. аэрозоле Алтая, нг/м3
Рис. 2. Взаимосвязь элементного состава шерсти зубра и атмосферного аэрозоля
(y=0.19+1.9 x, г = 0.94)
Заключение
1. Найдены функциональные зависимости количественной связи многоэлементного состава биологических систем и характеристик окружающей среды, в частности атмосферного аэрозоля. Выявлена тесная связь между этими объектами.
2. Полученные результаты исследования взаимосвязей элементного состава атмосферных аэрозолей (АА) и тканей животных, а также АА и компонентов питания человека и животных являются подтверждением важной роли атмосферных аэрозолей в миграции химических элементов по биогеохимическим цепям.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Куценогий К.П., Савченко Т.И., Чанкина О.В, Э.Я. Журавская Э.Я., Гырголькау Л.А.. Элементный состав крови и волос коренных жителей Севера с разной биогеохимической средой обитания. // Химия в интересах устойчивого развития. - 2010 .- Т. 18. - №1. С.51-61.
2. Koutzenogii К., Savchenko T., Chankina O., Kovalskaya G, Osipova L., Bgatov A. Radiation X-Ray fluorescence Analysis (SRXRF) for Measuring the
Multielement Composition of Samples of Biogenic Nature. // J. Trace Microprobe Techniques. - V.21. - 2. P. 311-325.
3. Интеграционные проекты, вып.9: «Аэрооли Сибири» /Под ред. д.ф.-м. н. Куценогого К.П. Новосибирск: изд. СО РАН, 2006. 548 с.
4. Walter John. Relationship between trace element concentrations in human blood and atmospheric aerosol // Sci. Total Environ. 1983. V. 27. P. 21-32
© Т.И. Савченко, О.В. Чанкина, С.А. Попова, К.П. Куценогий, 2011
