Наряду с древесной растительностью на проявление тех или иных почвенных процессов и, соответственно, на перераспределение микроэлементов в почвенной толще, значительное влияние оказывает травянистый покров. Скорость данного процесса зависит не только от уровня химического загрязнения среды (прежде всего почвы) и особенностей накопления химических элементов различными видами, но и от состава сообщества, обилия и массы его компонентов [2]. На территории Восточного Казахстана, в пределах которого располагается Семипалатинское Прииртышье, имеются источники бериллия естественного и искусственного происхождения. Бериллий, по пищевым цепям, начальным звеном которых являются травянистые растения, может попасть в организм человека. Сегодня очень остро стоит проблема оценки функционального состояния лесных фитосистем Семипалатинского Прииртышья с целью определения их экологической емкости и прогноза их способности выдерживать антропогенные нагрузки без необратимых нарушений. Все выше изложенное явилось основой для выбора цели настоящего исследования - выявить степень накопления бериллия различными видами травянистых растений соснового бора Семипалатинского Прииртышья.
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 [8]. Латинские названия растений даны по Арыстангалиеву С. А. и др. [1].
В ходе исследования было определено валовое содержание бериллия 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. Содержание бериллия во всех пробах определяли атомно-абсорбционным методом.
Растения избирательно поглощают элементы, а интенсивность поглощения характеризуется отношением количества элемента в золе растений к его количеству в почве или горной породе (или литосфере в целом). Этот предложенный Б. Б. Полыновым показатель А.И. Перельман назвал коэффициентом биологического поглощения Ах : Ах = lx/nx, где lx - содержание элемента (x) в золе растения, nx - в горной породе или почве, на которой произрастает данное растение. Наиболее широко используется Ах - отношение содержания элементов в золе растений к их валовым содержаниям в почвах [6], отражающее потенциальную биогеохимическую подвижность элементов. Элементы с Ах > 1 «накапливаются» живым веществом. Остальные элементы, у которых Ах < 1 лишь «захватываются» [Перельман, 1989].
Для характеристики распределения элементов между живым веществом и окружающей средой были вычислены коэффициенты накопления (Кн1) [Глазовский, 1987] и (Кн2) [3]. 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 бериллия из корней в надземную часть растений рассчитывали коэффициент перехода (Кп), равный отношению содержания бериллия в надземной фитомассе к таковому в корнях [3]: 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 [9].
Отдельные виды групп растений обнаруживают разную способность к накоплению тяжелых металлов. При этом экологические условия среды определяют уровень содержания элементов, т.е. фитогеохимический фон, а природа вида обусловливает колебания в накоплении химических веществ растениями [5]. Данные о среднем содержании тяжелых металлов в растительных объектах у разных авторов значительно различаются [Алексеев, 1987; Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989]. Исследования показали, что по всем пунктам отбора превышений средних концентраций бериллия, относительно фоновых его значений для растений равных 0,1-0,3 мг/кг сухой массы (Панин, 2000) не обнаружено, однако были зафиксированы аномальные концентрации для растений по верхним границам его содержания. Содержание бериллия ниже фона было зафиксировано в травах семейства Заразиховые, представители которого, являясь растениями-паразитами, растут чужеядно, на корнях других растений, с которыми срастаются вздутыми основаниями своих стеблей, что, несомненно, отражается на их химическом составе [Цвелёв, Терёхин, 1981]. Максимально высокие концентрации бериллия (Ве=1,458) обнаружены в травах, произрастающих в сосновом бору в окрестностях с. Сосновка Бескарагайского района, что может быть следствием того, что сосновые леса Бескарагайского района в конце 1990-х начале 2000 годов подвергались воздействию мощных пожаров, вносящих коренные изменения в лесные экосистемы [7]. Повышенные средние концентрации бериллия были зафиксированы в травах соснового бора в Бородулихинском районе (0,229±0,01, при размахе концентраций 0,015-0,694), находящемся в непосредственной близости к городу Усть-Каменогорску, в котором в 12. 09. 1990 г. произошел крупный выброс бериллия в атмосферу. Превышение ПДК достигало 60...890 раз, при значениях ПДК для воздуха в пересчёте на бериллий 0,001 мг/м³ [10].
Установленные пределы накопления бериллия изученными семействами трав позволили ранжировать их в убывающем порядке, мг/кг сухого вещества: розоцветные (0,321) > лилейные (0,245) > осоковые (0,171) > лютиковые (0,151) > тутовые (0,136) ≥ бобовые (0,135) ≥ норичниковые (0,133) > мареновые (0,130) > подорожниковые (0,124) ≥ хвощевые (0,123) > ворсянковые (0,120) > сложноцветные (0,114) > злаковые (0,109) > зонтичные (0,087) > крестоцветные (0,063) > гвоздичные (0,056) > маревые (0,050) > заразиховые (0,049). Адаптация к высоким концентрациям элементов приводит к появлению видов концентраторов (и сверхконцентраторов) отдельных элементов [Ловкова, Рабинович, Пономарева, 1989]. Концентрации бериллия близкие к аномальным для растений (выше 0,300 мг/кг) выявлены для представителей семейств лилейные (0,530), розоцветные (0,526), сложноцветные (0,378), злаковые (0,325) и бобовые (0,322).
Растения суши способны к повышенному накоплению отдельных элементов в определенных органах и тканях. Содержание ТМ в растениях определяется биологическими особенностями и наличием в них функциональных барьеров на границах корень - стебель, стебель - лист, стебель - репродуктивные органы [Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989]. В работах многих авторов [3, 4] указывается, что концентрации ТМ в надземных органах, как правило, меньше, чем в корнях тех же видов. Предполагается, что поступающие в корни элементы могут прочно фиксироваться, не переходя полностью в надземную часть. При проникновении ТМ в корни растений происходит их хелатирование и, как следствие, уменьшение подвижности [Антонов-Каратаев, Цурюпа, 1961; Кауричев, 1965]. Исследователями установлено, что к акропетальному накоплению бериллия склонны травы из семейств: осоковые, злаковые, лилейные, лютиковые, розоцветные, бобовые, сложноцветные, мареновые, норичниковые, тутовые, подорожниковые. А травы из семейств: маревые, гвоздичные, крестоцветные, зонтичные, хвощевые, наоборот, в большей степени аккумулируют бериллий в своих надземных частях.
Установлено, что валовое содержание бериллия в боровых песках составляет 1,84±0,11 при размахе варьирования 0,62-2,40 мг/кг, а по отношению кислоторастворимой его формы к валовому содержанию изученные пески относятся к категории фоновых почв (Be кислотораств./валовое = 0,5 %). Полученные результаты позволяют предположить, что растения способны активнее поглощать бериллий не из почвы, а из атмосферного воздуха. Рассчитанные коэффициенты накопления Кн1 и Кн2, изменяющиеся от 0,07-0,09 относительно валового содержания бериллия, и до 1,8-32,2 - по подвижным его формам доказывают, что даже в условиях незагрязненных почв травянистые растения накапливают бериллий в высоких концентрациях. Основное поглощение элемента идет за счет подвижных, более доступных для растений форм, о чем свидетельствует коэффициент перераспределения (Кп=0,6). По показателю КБП (0,8) бериллий, согласно рядам биологического поглощения, разработанным А. И. Перельманом [Перельман, 1989], является элементом слабого накопления, среднего захвата и, очевидно, не играет существенной роли в общем круговороте веществ в лесной экосистеме.
ВЫВОДЫ
- Среднее содержание бериллия в исследованных травянистых растениях соснового бора находится в пределах фона, однако в травах семейств: лилейные, розоцветные, сложноцветные, злаковые и бобовые зафиксированы аномальные для растений концентрации бериллия по верхним пределам его содержания.
- Травы соснового бора, произрастающие на боровых песках, относящихся к категории фоновых почв, способны накапливать бериллий в высоких концентрациях. Поглощение элемента из почвы идет за счет подвижных его форм, а также из атмосферного воздуха.
- Согласно рядам биологического поглощения бериллий является элементом слабого накопления и среднего захвата и не играет существенной роли в общем круговороте веществ в лесной экосистеме.
Рецензенты
- Гетманец И. А., д.б.н., зав. кафедрой общей экологии Челябинского государственного университета, г. Челябинск.
- Лихачев С. Ф., д.б.н., профессор, декан факультета экологии Челябинского государственного университета, г. Челябинск.