Scientific journal
Modern problems of science and education
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

THE MAINTENANCE OF СD IN THE GRASS OF PINE FORESTS NEAR THE IRTISH RIVER IN SEMEY IN KAZAKHSTAN REPUBLIC

Sibirkina A.R. 1
1 FSBEIVT Chelyabinskiy state university
The Majority rubbed wild flora, including of pine forests, are medicinal and are used person. However, often is absent reliable information on chemical composition of the plants concrete geographical region. In work learn contents cadmium in the grass of pine forests near the Irtysh River in Semey. The Cadmium does not rank along required for plants element, how-ever he is effectively absorbed both root system, and sheet. The Calculated factors of the ac-cumulation and redistributions are indicative of that the barrier at, sprouting even on background ground, herbs, in consequence of breach or weakening to functions root to join cadmium, capable to accumulate him(it) in quite a numbers. It Is Installed that cadmium for rubbed is an element of the eager accumulation.
the Irtysh River in Semey
pine forests
grass
cadmium
Организмы различных трофических уровней, в том числе и травянистые растения, активно участвуют в стабилизации экосистем, выступая как в роли геохимических барьеров, так и в качестве природных депо химических элементов [3].  Считается, что кадмий не входит в число необходимых для растений элементов, однако он эффективно поглощается как корневой системой, так и листьями. Химический состав растений определяется той средой, в которой они произрастают [2]. Кадмий можно отнести к числу приоритетных загрязнителей окружающей среды Семипалатинского Прииртышья Восточно-Казахстанской области Республики Казахстан, является биотоксичным, высоко мобильным в почвах и доступным для растений элементом. Большинство растений дикой флоры, в том числе и соснового леса Семипалатинского Прииртышья, являются лекарственными. Данных по содержанию кадмия и других тяжелых металлов в растениях соснового бора Семипалатинского Прииртышья очень мало, хотя они служат основой для оценки региональных биологических ресурсов и масштабов их нарушенности. Высокая токсичность кадмия и слабая изученность его содержания в травянистых растениях, произрастающих в реликтовом сосновом бору Семипалатинского Прииртышья, послужили основанием для проведения данного исследования.

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

  1. 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.
  2. 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.
  3. 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.