Отбор проб проводили в летне-осенний период (август - сентябрь) 2007 года на различных участках семипалатинского равнинного и бугристого песчаных лесных районов: в окрестностях г. Семей с углублением в лес на 500-1500 м к западу и северо-западу от города, в Бескарагайском районе (в районах сел Бегень и Сосновка), в Бородулихинском районе.
Всего в исследуемых районах было обнаружено 52 вида травянистых растений из 18 семейств. При отборе, транспортировке, хранении и подготовке растительных проб для анализа были использованы методические указания, инструкции, опубликованные во многих научных работах и утвержденные в стандартах. Латинские названия растений даны по Арыстангалиеву С.А. и др. [1].
В пределах ленточных боров располагаются равнинные и бугристые боровые пески, своеобразные лесостепные осолоделые слабогумусированные рыхлопесчаные почвы, промытые от карбонатов на большую глубину. Почвообразующими породами являются древнеаллювиальные песчаные отложения, перевеянные в районах с бугристым рельефом. Были определены валовое содержание кадмия в почве и его подвижные формы: кислоторастворимая (1н. раствор НСl), обменная (ацетатно-аммонийный буфер с рН 4,8), водорастворимая (бидистиллированная вода). Всего проанализировано 78 почвенных и 417 растительных проб.
Были вычислены коэффициент биологического поглощения (КБП) - отношение концентрации химического элемента в живом организме растений (в золе) к концентрации его в среде (валовое содержание в почве) [Ильин, Степанова, 1982], показатель биотичности элементов (ПБЭ) - отношение содержания элемента в растениях к кларку земной коры. По аналогии с КБП элементы со значениями ПБЭ, равными 0,3 и выше, играют наиболее существенную роль в биологическом круговороте веществ в экосистеме [Глазовский, 1987]. Для характеристики распределения элементов между живым веществом и окружающей средой были вычислены коэффициенты накопления (Кн1) [Глазовский, 1987] и (Кн2) [4]. Коэффициент накопления (Кн1) - отношение концентрации элемента в воздушно-сухой массе органов растения (мг/кг) к концентрации валовой и подвижных форм соединений элемента в почве (мг/кг). Кн1 близок к КБП, но поглощение является физиологическим процессом, а накопление - результат как поглощения, так и внутреннего перераспределения химических элементов. Если Кн1 меньше 1, то превалирует загрязнение растений из почвы, если больше - 1, то кроме поступления в растительную продукцию металлов из почвы имеет место загрязнение из атмосферы. Коэффициент накопления (Кн2) выражает отношение содержания элемента в корнях к таковому в почве: Кн2 = Скорни : Спочва, где Скорни - содержание элемента в корнях, Спочва - содержание элемента в почве. Коэффициенты накопления были рассчитаны относительно валового содержания кадмия в почвах и его подвижных форм.
Для характеристики процессов перехода кадмия из корней в надземную часть растений рассчитывали коэффициент перехода (Кп), равный отношению содержания кадмия в надземной фитомассе к таковому в корнях [4]: Кп = Слистья : Скорни, где Слистья - содержание элемента в листьях, Скорни - содержание элемента в корнях.
Полученные экспериментальные данные были обработаны вариационно-статистическими методами, которые описаны в руководстве Плохинского Н.А. с помощью программы Microsoft Excel [8].
В растительном покрове соснового бора преобладают осоковые, степные дерновинные злаки и разнотравье. Все живые организмы выполняют концентрационную функцию, которая неразрывно связана с нахождением элементов в среде обитания. Данные о содержании кадмия в травах соснового бора представлены в таблице 1.
Таблица 1. Содержание кадмия в травах соснового бора Семипалатинского Прииртышья по пунктам отбора, мг/кг
|
Пункты отбора |
x‾‾ ±m x‾ (Сv,%) _________________ min-max |
|
|
в сухом в-ве |
в золе |
|
|
1 |
2 |
3 |
|
В районе с. Бегень, n = 90 |
0,130±0,007 (169,10) 0,003-0,983 |
1,132±0,066 (121,47) 0,050-4,500 |
|
В районе с. Бегень, n = 45 (горельник 2007 г.) |
0,097±0,005 (278,55) 0,015-0,197 |
1,435±0,083 (65,41) 0,100-3,100 |
Продолжение таблицы 1
|
1 |
2 |
3 |
|
В районе с. Сосновка, n = 108 |
0,179±0,010 (118,55) сл.-0,663 |
2,155±0,125 (127,14) сл.-13,000 |
|
В районе г. Семей, n = 120 |
0,200±0,011(184,53) сл.-2,173 |
2,971±0,172 (135,67) сл.-14,000 |
|
Бородулихинском районе, n = 54 |
0,165±0,009 (223,64) сл.-1,148 |
2,18±0,126 (169,82) сл. - 11,000 |
|
Среднее |
0,154±0,008 (194,87) сл.- 2,173 |
1,914±0,111 (123,90) сл. - 14,000 |
Максимально высокие концентрации кадмия были обнаружены в травах, произрастающих в сосновом бору в окрестностях г. Семей и в районе с. Сосновка (Бескарагайский район), что находится в 170 км к западу от г. Семей по преобладающей розе ветров. Как показали исследования, фитоценоз соснового бора в данных пунктах отбора, отличается максимально высокими концентрациями не только кадмия, но и других элементов, что может быть следствием влияния антропогенных факторов. В частности, сосновые леса Бескарагайского района в конце 1990-х начале 2000 годов подверглись воздействию мощных пожаров. По данным космической съемки только за период с 1995 по 2002 гг. пожарами в борах Прииртышья уничтожено 162 тыс. га сосновых лесов, что составляет 34 % их площади [10]. Пожары являются одним из наиболее существенных факторов, вносящих коренные изменения в лесные экосистемы [6]. Кроме того, следует отметить, что ВКО, в состав которого входит и Семипалатинское Прииртышье, в силу исторически сложившегося экономического развития, связанного с преобладанием цветной металлургии и горнодобывающей промышленности, является одним из наиболее неблагополучных регионов в Казахстане, что, несомненно, нашло отражение в формировании химического состава лесных фитоценозов. Содержание кадмия в травах по всей исследуемой территории составляет примерно 2,0-4,0 его ПДК (0,05-0,1мг/кг), приведенного в работе Н. В. Лукиной и В. В. Никонова [7]. Химический состав среды формирует и химический состав организмов, закрепляя его в генетическом аппарате, что позволяет говорить о видоспецифичности накопления металлов в живых организмах. Растения, отражая видовые особенности содержания химических элементов, несут, вместе с тем, локальную окраску состава среды их обитания. Уровни содержания кадмия в травянистых растениях, относящихся к различным семействам, представлены в таблице 2.
Таблица 2. Содержание кадмия в травянистых растениях из различных семейств, мг/кг сухого вещества
|
Семейства |
x‾‾ ±m x‾ (Сv,%) _________________ min-max |
||
|
растение в целом |
корни |
надземная часть |
|
|
1 |
2 |
3 |
4 |
|
Осоковые, n=9 Cyperaceae J. St. Hill. |
0,079±0,005 (80,06) 0,007-0,194 |
0,085±0,005 (111,62) 0,007-0,194 |
0,073±0,004 (104,78) 0,050-0,098 |
|
Злаковые, n=33 Gramineae Juzz. |
0,395±0,008(144,61) 0,003-2,410 |
0,366±0,020 (130,12) 0,098-0,538 |
0,421±0,024 (170,14) 0,003-2,410 |
|
Лилейные, n=9 Liliaceae Hall. |
0,032±0,002(77,62) 0,009-0,062 |
0,009±0,0005 (4,12) 0,009-0,010 |
0,051±0,003 (5,19) 0,048-0,053 |
|
Маревые, n=12 Chenopodiaceae Less. |
0,265±0,015(58,48) 0,119-0,458 |
0,166±0,010 (58,72) 0,110-0,178 |
0,298±0,017 (57,17) 0,119-0,458 |
|
Гвоздичные, n=12 Caryophyllaceae Juzz. |
0,165±0,009(98,87) 0,019-0,627 |
0,131±0,007 (43,19) 0,089-0,0193 |
0,176±0,010 (106,33) 0,019-0,627 |
|
Лютиковые, n=15 Ranunculaceae Juzz. |
0,211±0,012(146,17) сл.-0,471 |
0,006±0,0003 (4810,37) 0,059-0,471 |
0,239±0,014 (151,57) сл.-1,148 |
|
Крестоцветные, n=36 Crucifera Juzz. |
0,134±0,008(56,35) 0,024-0,164 |
0,094±0,005 (23,19) 0,070-0,112 |
0,147±0,008 (56,64) 0,024-0,164 |
|
Розоцветные, n=21 Rosaceae Juzz. |
0,469±0,027(87,82) 0,031-0,983 |
0,430±0,023 (76,61) 0,050-0,625 |
0,499±0,027(102,84) 0,031-0,983 |
|
Бобовые, n=30 Leguminosae Juzz. |
0,042±0,002(84,25) 0,005-0,096 |
0,031±0,016 (95,31) 0,006-0,067 |
0,050±0,003 (77,46) 0,005-0,096 |
|
Зонтичные, n=12 Umbelliferae Moris. |
0,129±0,007(51,70) 0,073-0,223 |
0,092±0,005 (13,64) 0,087-0,112 |
0,141±0,007 (4,08) 0,073-0,223 |
|
Сложноцветные, n=132 Compositae (Vaill.) Adans. |
0,194±0,011(200,45) 0,001-2,173 |
0,309±0,017 (210,48) 0,006-2,173 |
0,156±0,009 (163,50) 0,001-0,980 |
|
Ворсянниковые, n=12 Dipsacaceae Lindl. |
0,035±0,002(16,31) 0,025-0,040 |
0,040±0,002 (31,78) 0,025-0,045 |
0,033±0,002 (17,28) 0,027-0,038 |
|
Мареновые, n=12 Rubiaceae Juzz. |
0,063±0,004(182,38) 0,005-0,235 |
0,006±0,0003 (5,14) 0,003-0,007 |
0,082±0,004 (160,88) 0,005-0,235 |
Продолжение таблицы 2
|
1 |
2 |
3 |
4 |
|
Норичниковые, n=36 Scrophulariaceae Lindl. |
0,047±0,003(73,71) 0,001-0,092 |
0,002±0,0001 (29,81) 0,0015-0,002 |
0,062±0,003 (41,87) 0,027-0,092 |
|
Тутовые, n=12 Moraceae Lindl. |
0,033±0,002(23,86) 0,024-0,051 |
0,041±0,002 (26,32) 0,035-0,051 |
0,030±0,002 (22,24) 0,024-0,037 |
|
Хвощовые, n=6 Eguisetaceae Rich. |
0,147±0,008(54,85) 0,058-0,236 |
0,067±0,004 (2,14) 0,058-0,071 |
0,228±0,012 (4,54) 0,117-0,236 |
|
Заразиховые, n=6 Orobanchaceae Lindl. |
0,066±0,004(57,50) 0,054-0,078 |
- |
0,066±0,004(57,50) 0,054-0,078 |
|
Подорожниковые, n=12 Plantaginaceae Lindl. |
0,036±0,002(27,00) 0,025-0,046 |
0,044±0,002 (5,64) 0,028-0,46 |
0,032±0,002 (7,85) 0,025-0,036 |
|
Среднее для 18 семейств, n=417 |
0,141±0,007 (84,56) сл.-2,410 |
0,113±0,007 (334,01) 0,0015-2,173 |
0,155±0,009 (72,88) сл.- 2,410 |
В настоящее время имеются многочисленные данные, свидетельствующие о том, что разные виды растений проявляют различную устойчивость к действию загрязняющих веществ [5]. Среднее содержание кадмия в изученных 18 семействах травянистых растениях не превысило его фонового значения (0,4 мг/кг), представленного в работе М.С. Панина [Панин, 2000]. Содержание кадмия выше фона, отмечено для трав из семейства Розоцветные, примерно на 17,2%, концентрации, близкие к аномальным значениям кадмия в растениях (2,3 мг/кг) [Панин, 2000], выявлены у представителей семейства Злаковые и Сложноцветные. О способности растений семейства Сложноцветные концентрировать соединения тяжелых металлов указывается и в работах В.С. Безеля с соавторами [4]. Растения семейства сложноцветные, являясь эволюционно более продвинутыми, обладают широкой нормой реакции, что способствует их более полной адаптации к условиям химического стресса. Очевидно, растения семейства Злаковые также можно отнести к растениям сверхконцентраторам. Толерантность и адаптация некоторых растительных видов к повышенным содержаниям кадмия, хотя они и возможны с точки зрения охраны окружающей среды, представляют угрозу для здоровья человека. На основании санитарно-гигиенических показателей (мутагенность, канцерогенность) кадмий относится к элементам I класса опасности (высокотоксичные) [Методические рекомендации..., 1982] и оказывает исключительно негативное воздействие на живые организмы. Основная причина токсичности связана с нарушением у растений энзиматической активности, подавлением образование хлорофилловых пигментов. Видимые симптомы заражения - это задержка роста, повреждение корневой системы, хлороз листьев, красно-бурая окраска их краёв или прожилков. Химические элементы через клеточные мембраны входят в органические соединения клеток, образуя биокомплексы, либо могут связываться на поверхности клеток в концентрациях, в десятки и сотни раз превышающих их содержание в среде. Адаптация к высоким концентрациям элементов приводит к появлению видов - концентраторов (и сверхконцентраторов) отдельных элементов. Среднее содержание кадмия в изученных семействах травянистых растений превышает ПДК в 1,4-2,8 раза (ПДК Cd = 0,05-0,10 мг/кг сухого вещества) [7].
Основным звеном в круговороте химических элементов в биосфере является почвенный покров, сведения о содержании кадмия в боровых песках представлены в таблице 3.
Таблица 3. Валовое содержание и подвижные формы кадмия в боровых песках соснового бора Семипалатинского Прииртышья (глубина 1-20 см, n=78), мг/кг
|
Валовое содержание |
Подвижные формы |
||
|
Кислоторастворимая |
Обменная |
Водорастворимая |
|
|
0,167±0,008 0,002 - 1,82 |
0,032±0,0017 0,0015-0,115 |
0,006±0,0018 0,003-0,028 |
0,006±0,0002 0,002-0,059 |
Примечание. В таблице в числителе -x‾‾ ±m x‾, в знаменателе - min-max.
Содержание кадмия в боровых песках в 3,0 раза ниже его ПДК (0,5 мг/кг) для почв Казахстана [9]. Исходя из соотношения подвижных форм кадмия к его валовому содержанию, установлено, что доступность его для растений невелика (всего 8,98 %), а по отношению кислоторастворимая форма: валовое содержание изученные пески относятся к категории фоновых почв (Cdкислот. форма/валовое сод. = 19,16 %). Растения суши способны к селективной концентрации - повышенному накоплению отдельных элементов в определенных органах и тканях. Более высокие концентрации кадмия в корнях по сравнению с надземной частью зафиксированы для растений семейств Осоковые, Сложноцветные, Ворсянниковые и Подорожниковые, для остальных изученных растений - максимальные концентрации характерны для надземной части (таблица 2). У этих растений наблюдается нарушение или ослабление барьерной функции корня по отношению к соединениям кадмия, о чем свидетельствуют рассчитанные коэффициенты накопления (Кн1 = 0,8; 4,4-23,5; Кн2 = 0,7; 3,5-18,8 для валового содержания и подвижных форм, соответственно) и коэффициент перераспределения (Кп = 1,4). Загрязнение травянистых растений кадмием происходит не только из почвы, но и из атмосферы. По показателю КБП (11,46) кадмий, согласно рядам биологического поглощения, разработанным А.И. Перельманом [Перельман, 1989], является элементом энергичного накопления и играет существенную роль в общем круговороте веществ в лесной экосистеме (ПБЭCd = 1,1).
ВЫВОДЫ
- Рассчитанные коэффициенты накопления и перераспределения свидетельствуют о том, что, произрастая даже на фоновых, незагрязненных почвах, травянистые растения, вследствие нарушения или ослабления барьерной функции корня по отношению к соединениям кадмия, способны накапливать его в значительных количествах.
- Содержание кадмия в травянистых растениях, произрастающих в сосновом бору Семипалатинского Прииртышья, составляет примерно 2,0-4,0 раза его ПДК, но не превышает его фоновых значений для Восточно-Казахстанского региона.
- Растения семейств Осоковые, Сложноцветные, Ворсянниковые и Подорожниковые характеризуются акропетальным типом накопления кадмия, для остальных растений изученных семейств выявлен базипетальный тип накопления.
Рецензенты:
- Гетманец И.А., д.б.н., зав. кафедрой общей экологии Челябинского государственного университета, г. Челябинск;
- Сатаева А.Р., д.б.н., профессор, зав. кафедрой экологии и защиты окружающей среды Семипалатинского государственного университета имени Шакарима, г. Семей.