Сетевое издание
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

СОДЕРЖАНИЕ CD В ТРАВАХ СОСНОВОГО БОРА СЕМИПАЛАТИНСКОГО ПРИИРТЫШЬЯ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

Сибиркина А.Р. 1
1 ФГБОУ ВПО Челябинский государственный университет
Большинство травянистых растений дикой флоры, в том числе и сосновых боров, являются лекарственными и используются человеком. Однако, часто отсутствует достоверная информация о химическом составе растений конкретных географических регионов. В данной работе изучено содержание кадмия в травах соснового бора Семипалатинского Прииртышья. Кадмий не входит в число необходимых для растений элементов, однако он эффективно поглощается как корневой системой, так и листьями. Рассчитанные коэффициенты накопления и перераспределения свидетельствуют о том, что, произрастая даже на фоновых, не загрязненных почвах, травянистые растения, вследствие нарушения или ослабления барьерной функции корня по отношению к соединениям кадмия, способны накапливать его в значительных количествах. Установлено, что кадмий для травянистых растений является элементом энергичного накопления.
Семипалатинское Прииртышье
сосновый бор
травы
кадмий
1. Арыстангалиев С.А., Рамазанов Е.Р. Растения Казахстана. - Алма-Ата: «Наука» КазССР, 1977. - 288 с.
2. Бабкин В.В., Завалин А.А. Физиолого-биохимические особенности аспекта действия тяжёлых металлов на растения // Химия в сельском хозяйстве. - 1995. - № 5. - С.17-21.
3. Безель В.С., Жуйкова Т.В. Химическое загрязнение среды: вынос химических элементов надземной фитомассой травянистой растительности // Экология. - 2007. - № 4. - С. 259-267.
4. Безель В.С., Жуйкова Т.В., Позолотина В.Н. Структура ценопопуляций одуванчика и специфика накопления тяжелых металлов // Экология. - 1998. - № 5. - С. 376-382.
5. Калимова И.Б. Токсическое действие тяжелых металлов и устойчивость к ним проростков: автореф. дис. ... канд. биол. наук. - СПб., 2009. - 17 с.
6. Куценогий К.П., Чанкина О.В. и др. Постпирогенные изменения элементного состава лесных горючих материалов и почв в сосновых лесах Средней Сибири // Сиб. экол. журн. - 2003. - № 6. - С. 735-742.
7. Лукина Н.В., Никонов В.В. Поглощение аэротехногенных загрязнителей растениями сосняков на северо-западе Кольского полуострова // Лесоведение. - 1993. - № 6. - С. 34-41.
8. Плохинский Н.А. Биометрия. - М.: Изд-во Моск. университет, 1975. - 367 с.
9. Совместный приказ Министерства здравоохранения (№ 99 от 30.01.2004 г.) и Министерства охраны окружающей среды (№ 21-п от 27.01.2004 г.).
10. Устемиров К.Ж. Лесокультурная оценка гарей в Прииртышье и разработка мер по улучшению условий их обсеменения с целью восстановления сосновых насаждений: автореф. дис. ... канд. сельскохоз. наук. - Алматы, 2010. - 22 с.
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.                                                                  

Библиографическая ссылка

Сибиркина А.Р. СОДЕРЖАНИЕ CD В ТРАВАХ СОСНОВОГО БОРА СЕМИПАЛАТИНСКОГО ПРИИРТЫШЬЯ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН // Современные проблемы науки и образования. – 2012. – № 1. ;
URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=5440 (дата обращения: 24.09.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074