CC BY
47НАУКА И ОБРАЗОВАНИЕ, 2007. №3
УДК 577.128 (57.017.35)
Содержание микроэлементов в слоевищах лишайников родов Cladonia и Cetraria в зависимости от места произрастания
МИ. Соловьева, З.А. Кудинова, С.С. Кузьмина
Исследовано содержание микроэлементов в слоевищах лишайников родов Cladonia и Cetraria, произрастающих в местах с различными видами антропогенного воздействия на окружающую среду (угледобыча, алмазодобывающая промышленность, техногенное загрязнение), а также в зеленом массиве, не подверженном антропогенному воздействию. Содержание микроэлементов определяюсь методом полуколичественного спектрального анализа. Показано, что ряд повышения концентрации биогенных металлов не является стабильной величиной и изменяется в зависимости от уровня антропогенной нагрузки, которую испытывает окружающая среда.
The trace elements content in blastema of the genera Cladonia and Cetraria both on areas affected and unaffected by different mans impacts (coal and diamond mining, man-caused pollution) is studied. The trace element content was determined by semiquantitative spectroscopic analysis. It has been shown, that the increase of biogenic metals concentration is not a stable value and varies depending on the level of anthropogenic load experienced by the environment.
В настоящее время проблема изучения среды обитания человека в свете биогсохимии микроэлементов приобретает особую актуальность в северных регионах России. При промышленном освоении, в условиях поступления на земную поверхность огромного обьема отработанных горных пород, протекают интенсивные процессы перераспределения и трансформации химических элементов. Об этом свидетельствуют резкие изменения в компонентах экосистем в районах развития ведущих отраслей горнодобывающей промышленности (олово, золото, уголь, алмазы), особенно на территориях с открытым способом добычи полезных ископаемых [1].
В настоящее время на территории республики на разработку месторождений полезных ископаемых приходится 22,5 тыс. га нарушенных земель (67,2 % от общего количества нарушенных земель). Наиболее значительные их площади сосредоточены в Мирнинском, Нерюнгринском и Алданском районах [2].
Лишайники являются традиционным объектом экологического мониторинга и биоиндикации химического загрязнения окружающей среды, так как они интенсивно сорбируют тяжелые металлы и иоллютанты радиационной природы, оставаясь к ним достаточно устойчивыми. Обла-
СОЛОВЬЕВЛ Марианна Иннокентьевна - ст. преподаватель каф. ЯГУ; КУДИНОВА Зия Артемовна -м.н.с. ИПЭС АН РС(Я); КУЗЬМИНА Саргылана Семеновна - к.б.н., доцент, зав. каф. ЯГУ.
дая высокой сорбционной способностью, лишайники способны обнаруживать присутствие даже самых малых количеств радионуклидов и прочих атмосферных выпадений [3].
Способность поглощать из окружающей среды различные микроэлементы напрямую зависит от вида лишайника [4]. Уменьшение или увеличение содержания тяжелых металлов в лишайниках определяется:
- динамикой содержания тяжелых металлов в атмосферной пыли, изменением геохимических условий, атмосферной миграцией и накоплением каждого из изучаемых металлов;
- видовой принадлежностью лишайника;
- местом отбора пробы;
- временным интервалом между отборами проб.
Сорбция металлов слоевищем лишайников -
процесс пассивный, основан на физико-химических свойствах клеточных мембран. Уровень динамического равновесия металлов зависит от щелочно-кислотных условий в воздухе, а также от окислительно-восстановительных характеристик, гидромстереологичсских и атмосферных осадков [5].
Исходя из вышесказанного, целью нашей работы было изучение микроэлсментного состава слоевища лишайников родов Cladonia и Cetraria в зависимости от места произрастания.
Материалы и методы работы
В нашей работе исследованы лишайники, произрастающие в зонах с различными видами
антропогенного воздействия на окружающую среду: угледобыча (г.Нсрюнгри: 1-я зона - 0,5 км севернее разреза «Нерюнгринский», 2-я зона -2 км севернее разреза, 3-я зона - 36 км северо-западнее разреза), алмазодобывающая промышленность (г.Удачный, 6 км от города), окрестности г.Якутска (Хатынг-Юряхское шоссе) и зеленый массив (Вилюйский улус, окрестности с.Хампа). Сбор лишайников производился в июле-августе 2005 г. Для химических анализов отбирались только живые части талломов.
Содержание микроэлементов определялось методом полуколичсствснного спектрального анализа (ИКСА) в ГУП «Центргеоаналитика». Все аналитические работы, выполненные в ГУП «Центргеоаналитика», соответствуют требованиям аккредитации аналитических лабораторий (центров) Госстандарта России (Аттестат аккредитации РФ №РОСС Яи.0001.511039). Для корректного сравнения содержания тяжелых металлов (ТМ) в лишайниках из разных зон отбор проб производился в сжатые сроки. Количественная оценка концентрации микроэлементов в лишайниках осуществлялась путем определения ее среднего значения в образцах нескольких талломов исследуемых лишайников.
Данные по содержанию в атмосфере некоторых ТМ приведены но данным ежегодника состояния загрязнения атмосферы на территории деятельности Якутского УГМС.
Результаты и их обсуждение
До 1970-х гг. важнейшими загрязняющими веществами считались пыль, угарный и углекис-
лый газы, соединения азота, оксиды серы, ядохимикаты, синтетические органические вещества. И лишь в последние два десятилетия сформировалось понимание того, что микроэлементы, наряду с нефтью и фторограническими пестицидами, представляют важнейшую проблему в деле охраны окружающей среды [6].
По литературным данным, лишайники рода С1а<1оша (Южная Якутия) отличаются высокой вариабельностью микроэлементного состава, обобщенный ряд биологического поглощения микроэлементов лишайниками рода имеет вид: РЬ>А§>Мо>2п>Си>5п>Сг>№>У>Со [7]. Полученные нами данные микроэлементного состава лишайников рода С1ас1ота по Нерюнгринскому району в среднем соответствуют следующему ряду: Мп>7п>У>РЬ>Сг>Си>№>Со> Mo>Sn>Ag. Такие различия, по-видимому, объясняются особенностями атмосферно-геохимичсских и почвенных условий произрастания (табл.1).
Анализ полученных данных показывает, что для обнаружения загрязнения воздуха тяжелыми металлами более удобно использовать не значения их абсолютных концентраций в лишайниках (которые сильно варьируют), а ряды накопления тяжелых металлов, показывающие содержание элементов по мере их убывания. И.Ф.Скирина и А.Н.Качур использовали результаты химического анализа лишайников для геохимической оценки окружающей среды и охарактеризовали накопление металлов с помощью рядов, которые дня Украины и Дальнего Востока выглядят соответственно: Рс>Мп>2п>Сц>Т1>РЬ>Мо и Ре>Мп>гп> РЬ>Си>№>Сс1 [5]. Они указывали, что приводимый
Таблица I
Ряды поглощении микроэлементов лишайниками в зависимости от места произрастании, мг/кг
Вилюйский улус
Cladonia Cetraria BKAg<Co<Mo<Sn<Ga<V<Ni<Nb<Cr<As<Pb<Cu<Zn<Ti<Mn Ag<Bi<Co<Ga<Mo<V<Ni<Sn<Nb<As<Pb<Cu<CKZn<Ti<Mn
г. Удачный
Cladonia Cetraria Ge<Ag<Sn<Mo<Co<Ga<Ni<V<Cu<I.i<Pb<Cr<Zn<Mn<Ti Ag<Ga<Mo<Co<V<Cr<Pb<Nb<Cu<Zn<Ti<Mn
г. Якутск
Cladonia Cetraria Gc<Co<Ag<Ni<Mo<Sn<Ga<Nb<V<As<Cu<Cr<Pb<Zn<Mn<TI Gc<Co<Ag<Mo<Ga<Ni<Sn<Nb<V<As<Li<Cu<Cr<Pb<Zn<Mn<Ti
г. Нерюнгри, зона 1
Cladonia Cetraria Ag<Gc<Sn<Mo<Co<Nb<Ga<As<IJ<Ni<Cu<Cr<Pb<V<Zn<Mn<Ti Ag<Ge<Sn<Mo<Co<Ga<Ni<Li<As<Cu<Cr<Pb<V<Zn<Mn<Ti
г. Нсрюнгри, зона 2
Cladonia Cetraria Ag<Gc<Sn<Mo<Co<Nb<Ga<As<Li<Ni<Cr<Cu<Pb<V<Zn<Mn<Ti Ag<Ge<Sn<Mo<Co<Ga<NI<Li<Cu<Cr<V<Pb<Zn<Ti<Mn
г. Нсрюнгри, зона 3
Cladonia Cetraria Gc<Ag<Co<Sn<Mo<Nb<Ga<Ni<As<Li<Cr<Cu<Pb<V<Zn<Mn<Ti Gc<Sn<Co<Ag<Mo<Ga<Ni<V<I.i<As<Cu<Cr<Pb<Zn<Ti<Mn
СОЛОВЬЕВА. КУДИНОВА, КУЗЬМИНА
ими ряд накопления для всех пунктов обследования на Дальнем Востоке оказался одинаков.
Реакции организмов на повышение или понижение содержания в среде и в рационе химических элементов указывают на присущие организмам свойство - приспосабливаться к регулированию функций только в условиях определенных пределов изменчивости геохимической среды. Пороговые или критические концентрации микроэлементов выражают пределы потребности организмов. Растения различных видов отличаются неодинаковой потребностью в химических элементах, поэтому оптимальные и пороговые концентрации у них могут отличаться [8].
Результаты, полученные методом ПКСА, показали (табл. 1), что исследуемых лишайниках содержится 23 микроэлемента. При этом качественный элементный состав лишайников отличается незначительно, а количественное содержание варьирует в широком диапазоне. Так, количественное содержание токсичных элементов [7] V, Сг, Мп, Со, Си, Ъх\, Мо, СА, РЬ в лишайниках всех рассмотренных районов превышает содержание их в высших растениях [9,10]. Если
учитывать, что лишайники способны накапливать элементы в количествах, заметно превышающих их физиологические потребности, то, возможно, такие концентрации являются нормой для данных растений.
Известно, что указанные выше элементы поступаю! в атмосферу в основном в результате антропогенной деятельности [6]. Ванадий в значительном количестве находится в составе нефтяной золы, асфальтов, горючих сланцев, битума и др. В высших растениях его содержание должно составлять в норме 0,2-1,5 мг/кг (табл. 2), избыточное содержание 5-30 мг/кг является токсичным [9\. Ванадий является стимулятором процесса фотосинтеза для зеленых водорослей, а также катализатором в процессах фиксации молекулярного азота. Фитотоксичсское действие ванадия - хлороз, ослабление темпов роста -может отмечаться при содержании выше 2 мг/кг. Ванадий как биологически активный элемент способен вызывать специфические нарушения сложных биохимических процессов. По возрастанию содержания V в лишайниках рода Смогла исследованные зоны с антропогенным воздействием составили следующую послсдова-
Таблица 2
Содержание микроэлементов в растительности, мг/кг
Содержание микроэлементов
V Cr Mn Co Ni Cu 7. n Mo Pb
Достаточное (нормальное) [91 0,2-1.5 0,1-0,5 20-300 0,02-1,0 0,1-5,0 5-30 27-150 0.2-1.0 5-10
Избыточное (токсичное) [9] 5-10 5-30 300-500 15-50 10-100 20-100 100-400 10-50 30-300
Среднее содержание в травах [10] - 0,74 101 0.3 8.9 8.6 33.1 0.88 1.5
ьс Cladonia 30 70 1000 1,5 1.5 70 300 3 100
а* Cetraria 20 150 2000 1,5 10 70 200 3 150
Cladonia 30 150 1500 7 20 30 150 3 100
т я ъ >» Cetraria 2 5 1000 1,5 20 50 1 7
lä Cladonia 5 20 3000 2 5 30 200 2 30
3 с 2 лл Cetraria 3 50 1000 2 3 50 200 2 50
S Cladonia 200 150 1500 20 50 100 300 10 150
|| Cetraria 150 100 2000 15 30 100 300 10 100
Cladonia 150 100 5000 10 30 150 300 10 150
S 2 S. о Cetraria 50 50 2000 10 10 50 100 5 70
£ а. ~ Cladonia 50 70 3000 3 15 70 300 7 100
5 § 2 Cetraria 15 50 5000 2 10 50 500 5 70
телыюсть: г. Якутск (30 мг/кг), г. Удачный (30 мг/кг), г. Нсрюнгри - 3-я зона (50 мг/кг), 2-я зона (150 мг/кг), 1-я зона (200 мг/кг); в лишайниках рода Cetraria: г.Удачный (2 мг/кг), г. Нерюнгри -3-я зона (15 мг/кг), г. Якутск (20 мг/кг), г. Нсрюнгри - 1-я зона (150 мг/кг), 2-я зона (300 мг/кг). В Вилюйском улусс в зоне зеленого массива содержание V в слоевище лишайников сравнительно наименьшее: по роду Cladonia - 5 мг/кг, Cetraria - 3 мг/кг. Полученные данные показывают, что при снижении воздействия антропогенных факторов на окружающую среду содержание V в лишайниках в целом снижается.
Источником поступления хрома в организм является окружающая среда. Низкие его концентрации положительно влияют на рост растений. Норма содержания Cr в растениях равняется 0,1-0,5 мг/кг, а 5-30 мг/кг является токсичным [11]. Во всех исследуемых лишайниках содержание хрома намного превышает допустимую норму для растений. Так, по содержанию хрома в лишайниках мы получили следующую последовательность исследованных зон в возрастающем порядке по роду Cladonia: г. Нерюшри - 3-я зона (70 мг/кг), г. Якутск (70 мг/кг),
2-я зона (100 мг/кг), 1-я зона (150 мг/кг), г. Удачный (150 мг/кг); по роду Cetraria: г. Удачный (5 мг/кг), г. Нерюнгри - 2-я зона (50 мг/кг), г. Нерюшри -
3-я зона (50 мг/кг), г. Нерюшри - 1-я зона (100 мг/кг), г. Якутск (150 мг/кг). В Вилюйском улусе в слоевищах лишайников рода Cladonia содержание хрома составляет 20 мг/кг, Cetraria - 50 мг/кг. В доступной нам литературе мы не нашли прямых доказательств того, что хром входит в состав металлоферментов или является их активатором. Отмечено, что у людей, проживающих в местностях, где в почве отсутствует хром, наблюдается эндемический зоб, недостаток хрома вызывает также сахарный диабет при нормальном содержании инсулина в крови [12].
Кобальт является одним из широко распространенных элементов. Его содержание в почве, по данным А.П.Виноградова, зависит от условий местности [11]. Кобальт необходим для фиксации сине-зелеными водорослями молекулярного азота. При влиянии техногенного 'загрязнения накапливается в небольших количествах, в частности в растениях, произрастающих в местах сжигания угля и мазута [11]. Последовательность возрастания содержания Со в слоевище лишайников рода Cladonia следующая: окрестности г. Якутска (1,5 мг/кг), г. Нерюшри -3-я зона(3 мг/кг), г. Удачный (7 мг/кг), 2-я зона (10 мг/кг), г. Нерюнгри - 1-я зона (20 мг/кг); рода Cetraria - г. Якутск (1,5 мг/кг), г. Удачный (1,5 мг/кг), г. Нерюнгри - 3-я зона (2 мг/кг), 2-я зона (10
мг/кг), 1-я зона (15 мг/кг). В слоевище лишайников родов Cladonia и Cetraria Вилюйского улуса содержание кобальта составляет 2 мг/кг. Наибольшее содержание Со, по нашим данным, наблюдается в лишайниках, произрастающих в окрестностях г. Нерюнгри.
Выявленное благотворное воздействие никеля на рост растений указывает на его участие в определенных функциях растений [12]. При избытке Ni резко снижается абсорбция питательных веществ, тормозится рост растений и нарушается метаболизм, подавляются процессы фотосинтеза и транспирации [11]. Повышение содержания никеля в почве приводит к росту его содержания в растениях, что вызывает уродство растений. Содержание Ni в лишайниках рода Cladonia возрастает в следующем порядке: окрестности г. Якутска (1,5 мг/кг), г. Нерюнгри - 3-я зона (15 мг/кг), г. Удачный (20 мг/кг), г. Нерюнгри - 2-я зона (30 мг/кг), г. Нерюнгри - 1-я зона (50 мг/кг); Cetraria - окрестности г. Якутска (10 мг/кг), г. Нерюнгри - 2-я зона (10 мг/кг), 3-я зона (10 мг/кг), 1-я зона (30 мг/кг). В лишайниках рода Cladonia Вилюйского улуса содержание его составляет 5 мг/кг, Cetraria - 3 мг/кг. Содержание Ni в лишайниках рода Cetraria, произрастающих в окрестностях г. Удачный, не отмечено.
Медь концентрируется в зеленых листьях растений, так как она необходима для образования и стабилизации в них хлорофилла, присутствует в комплексных соединениях с низкомолскулярными органическими веществами, участвует в фотосинтезе [11]. При недостатке меди в почвах у растений развивается хлороз листьев, наблюдаются потеря тургора, задержка роста. Во всех исследованных нами пробах лишайников содержание Си бьшо выше допустимой концентрации. В лишайниках рода Cladonia в Вилюйском улусе оно составило 30 мг/кг, Cetraria - 50 мг/кг. Так как лишайники способны накапливать элементы в количествах, заметно превышающих их физиологические потребности, то, по-видимому, такая концетрация является нормой для данных растений.
Цинк входит в состав многих ферментов, например, дегидрогеназ, фосфогидролаз, участвует в формировании проницаемости мембран, повышает устойчивость растений к сухим и жарким погодным условиям [11]. Дефицит Zn вызывает заболевание растений, приводит к карликовости [12]. Загрязнение окружающей среды цинком заметно влияет на концентрацию этого элемента в тканях растений. В исследованных нами лишайниках содержание Zn оказалось наименьшим в окрестностях г. Удачный, где слоевище лишайни-
НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ, 2007. №3 16. Заказ №276
СОЛОВЬЕВА. КУДИПОВА, КУЗЬМИНА
ков рода Cladonia содержало 150 мг/кг, Cetraria -50 мг/кг. Возможно, это связано с типами почв исследуемых зон, так как известно, что Zn лучше усваивается в кислых почвах.
Молибден играет огромную роль в связывании атмосферного азота, входя в состав металло-протеинов - нитрогеназ. Доступность Мо для растений во многом зависит от pH среды и условий дренирования почв. В условиях техногенного загрязнения уровни содержания Мо в растениях заметно увеличиваются [11]. По нашим данным, наибольшее содержание Мо оказалось в исследуемых лишайниках, произрастающих в окрестностях г. Нерюнгри. При этом также наблюдается снижение концентрации Мо в зависимости от удаления от источника антропогенного воздействия (угледобыча). Так, в лишайниках рода Cladonia в 1-й зоне - 10 мг/кг, 2-й - 10 мг/кг, 3-й - 7 мг/кг; Cetraria - в 1-й зоне 10 мг/кг, 2-й - 5 мг/кг, 3-й - 5 мг/кг.
Известно, что свинец является токсичным элементом, но при этом входит в состав всех тканей и органов [12]. Имеются сообщения о стимулировании роста растений некоторыми солями свинца при его низких концентрациях [12]. Основные источники поступления свинца в окружающую среду - металлургическая промышленность, продукты сгорания угля и плавок, выхлопные газы автомобилей [13]. В норме содержание свинца в тканях растений находится в пределах 5-10 мг/кг, при содержании более 30 мг/кг РЬ является токсичным. Во всех исследованных нами пробах лишайников содержание РЬ превышало данный норматив. При этом также наблюдалась тенденция к снижению содержания РЬ в зависимости от снижения антропогенного воздействия на окружающую среду.
Бурное развитие всех отраслей промышленности не только в России, но и во всем мире идет без учета промышленных выбросов в атмосферу, экологической культуры возделывания земель. Одна из основных функций почвы в отношении жизнедеятельности живых организмов - обеспечение растений (мхов, лишайников) необходимой дозой микроэлементов. Биогенные металлы необходимы в составе тканей организмов для протекания биохимических процессов только в строго определенных дозах [12]. Даже биогенные переходные металлы при поступлении в организм в больших количествах становятся токсичными.
Таким образом, данные по содержанию микроэлементов в лишайниках родов Cladonia и
Cetraria позволяют сделать заключение, что ряд повышения концентрации металлов не является стабильной величиной. Он изменяется в зависимости от уровня антропогенной нагрузки, которую испытывает окружающая среда. Полученные результаты закладывают основу для проведения дальнейших исследований по изучению влияния экологических особенностей условий произрастания на состояние микроэлементного состава в слоевищах лишайников.
Литература
1. Саввинов Д.Д., Сазонов H.H. Микроэлементы в северных экосистемах: на примере Республики Саха (Якутия). - Новосибирск: Наука, 2006. - 208 с.
2. Шадрина Е.Г., Вольперт Я.Л., Данилов В.А. Шадрин Д.Я. Ьиоиндикацпя воздействия горнодобывающей промышленности на наземные экосистемы Севера. - Новосибирск: Наука, 2003. - 110 с.
3. Кузнецова В.Ф. Эпифитные лишайники как индикаторы загрязнения атмосферного воздуха газообразными поллютантами, тяжелыми металлами, радионуклидами: Дис. ... канд. биол. наук. - Нижний Новгород, 2004,- 161 с.
4. Инсарова И.Д. Влияние тяжелых металлов на лишайники // Проблемы экологического мониторинга и моделирования экосистем. Т. 6. - Л.: Гидромстеоиз-дат, 1983.-С. 101-113.
5. Блюм ОБ.. Тютюнник Ю Г. Исторический аспект регионального мониторинга тяжелых металлов в атмосфере, осуществляемый методом БГХА-индикации //Проблемы экологического мониторинга и моделирования экосистем. Т. 12. - Л.: Гидрометео-издат, 1989.-С. 73-87.
6. Ветров В.А.. Кузнецова А.П. Микроэлементы в природных средах, районе озера Байкал. - Новосибирск: СО РАН НИЦ ОИ1ТМ, 1997. - 234 с.
7. Чевычелов А.П. Поглощение микроэлементов эпигейными лишайниками Южной Якутии // Известия Сибирского отделения АН СССР. Сер. Биологических наук. Вып. 2. - 1990.--С. 39-44.
8. Ковальский В В. Геохимическая экология. - М.: Наука, 1974.-299 с.
9. Отчет о результатах «Геохимической съемки масштаба 1:200000 на территории места Q-50-XXV1II», выполненный ГУН ЯПСЭ на основании хоздоговора с БКГРЭ в 1996-1997 гг.- Якутск, 1998.-С. 170-194.
10. Ильин В. Б. Тяжелые металлы в системе почва-растения. - Новосибирск: Наука, 1991,- 151 с.
11. Кабата-Пендиас А., Нендиас X. Микроэлементы в почвах и растениях. - М.: Мир, 1989. - 439 с.
12. Биккулова A T. Иишуратова Г.М. Биоэлементо-логия s-,p-,d- элементов. - СПб.: Наука, 1999. - 256 с.
13. Безуглова О.С.. Орлов Д.С. Ьиогеохимия. Учебник для студентов высших учебных заведений. Серия Учебник, учебные пособия. - Ростов-на Дону: Феникс, 2000. - 320 с.
