Содержание к диссертации
Введение
1. ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ В ПОЧВАХ И РАСТЕНИЯХ
1.1. Содержание и особенности распределения некоторых тяжелых металлов в почвах и растениях
1.1.1. Медь 8
1.1.2. Цинк 13
1.1.3. Железо 21
1.1.4. Марганец 27
1.1.5. Свинец 33
1.1.6. Кадмий 40
1.2. Миграция тяжелых металлов в системе «почва - растение» 48
1.3. Адаптация растений к загрязнению окружающей среды тяжелыми металлами 58
2. УСЛОВИЯ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
2.1. Характеристика эколого-географических условий Южного Урала
2.1.1. Особенности рельефа и геологического строения Южного Урала 71
2.2.Тысячелистник азиатский - ценное лекарственное растение 77
2.3. Отбор почв, растительного материала тысячелистника азиатского и описание пробных площадок 84
2.4. Полевые исследования 88
2.5. Методы анализа почвы 89
2.6. Методы анализа растительного материала тысячелистника азиатского 90
2.7. Анализ содержания тяжелых металлов в органах тысячелистника азиатского 90
2.8. Методы определения биологически активных веществ в растительном сырье тысячелистника азиатского 91
- Содержание и особенности распределения некоторых тяжелых металлов в почвах и растениях
- Адаптация растений к загрязнению окружающей среды тяжелыми металлами
- Характеристика эколого-географических условий Южного Урала
Введение к работе
Актуальность темы. Южный Урал - специфическая биогеохимическая провинция, для которой характерно уникальное сочетание территорий различной степени антропогенной нарушеныости с разнообразным спектром полиметаллического оруденеыия: техногенные геохимические аномалии накладываются на природные, что увеличивает разнообразие экологических условий. Регион является одним из основных промышленных районов России: здесь находятся богатейшие месторождения черных и цветных металлов, разработка которых ведется издавна. В то же время Южный Урал славится обилием лекарственных трав. Анализ имеющихся данных показывает, что лекарственные растения региона недостаточно исследованы на содержание токсичных веществ. Особенно мало сведений о распределении тяжелых металлов по различным органам растений.
Изучение влияния природных и антропогенных комплексов среды обитания на различные участки метаболизма полезных растений еще долго будет оставаться в кругу интересов теоретиков, так и практиков.
Регуляция накопления отдельных групп лекарственных веществ в условиях специфических геохимических провинций изучена крайне фрагментарно: нет общих закономерностей влияния отдельных металлов, а тем более их комбинаций на отдельные фрагменты метаболических сетей, нет и ясной картины проявления видоспецифичности таких реакций (Усманов, Рахманкулова, Кулагин, 2002).
В силу этого целесообразно сосредоточить внимание на проблеме влияния элементов в почвах ме дно-цинковой провинции Южного Урала на формирование растений и накопление ими. некоторых лекарственных веществ, что вызывает необходимость изучения содержания тяжелых металлов в растительном лекарственном сырье.
Одним из важнейших лекарственных трав, используемых в народной и
5
традиционной медицине, является широко распространенный на Южном Урале
тысячелистник азиатский - Achillea asiatica Serg., имеющий обширный
диапазон лечебного действия. Ведущими биологически активными веществами
тысячелистника азиатского являются антоцианиды и сесквитерпеновые
лактоны - азулены, обладающие противовоспалительной,
противоаллергической и антибактериальной активностью (Калинкина, 2000; Аминсва, 2003). Растение широко используется как кровоостанавливающее, ранозаживляющее, противосудорожное, антиаллергическое, маточное, аппетитное, желчегонное, сердечное средство в научной медицине. Находит применение в ветеринарии, в пищевой, ликеро-водочной, парфюмерной промышленности (Минаева, 1970; Мексанова и др., 1979; Турова и др., 1987; Задорожньш и др., 1988; Петков и др.. 1988; Крылов и др., 1988; Атлас. ..,1989; Акопов, 1990; Георгиевский и др., 1990; Ulubelen et al, 1990; Крылов, Юсубов и др., 2000).
Широкое применение тысячелистника азиатского делает актуальным его исследование с целью определения экологической чистоты сырья, а также выяснения характера накопления специфических загрязнителей Южного Урала в данном лекарственном растении.
Цель работы - выявить особенности распределения меди, цинка, марганца, железа, свинца и кадмия в органах тысячелистника азиатского и определить влияние геохимических особенностей почв на содержание биологически активных веществ.
Для достижения этой цели необходимо решение следующих задач:
1. Определить содержание тяжелых металлов в образцах почвы и выявить
распределение их в органах Achillea asiatica Serg., собранных в различных
эколого-ценотических условиях.
2. Проследить связь содержания тяжелых металлов в растении
морфологическими показателями тысячелистника азиатского и эдафическими
условиями его произрастания, раскрыть видоспецифичность аккумуляции их в
растении.
3. Выяснить барьерную роль корневой системы тысячелистника азиатского в
трансформации тяжелых металлов в системе «почва - растение» на основании
определения коэффициента биологического накопления (КБН).
4. Определить взаимосвязь содержания биологически активных веществ от
концентрации тяжелых металлов в почве и различных органах данного вида.
Научная новизна. Впервые в условиях Южного Урала проведены комплексные исследования содержания меди, цинка, марганца, железа, свинца и кадмия в системе «почва - растение» в органах тысячелистника азиатского. Определен коэффициент биологического накопления тяжелых металлов в растениях как показатель барьерной функции подземных органов. Проведен детальный морфологический анализ и установлены корреляционные взаимосвязи биометрических показателей растения с содержанием изученных элементов. На основе интегрального анализа исследованных ценопопуляций Achillea asiatica Serg. установлена «роза тяжелых металлов» для наиболее распространенных металлов в регионе - меди и цинка.
Практическая значимость. Детальное изучение содержания тяжелых металлов в различных органах тысячелистника азиатского в зависимости от их содержания в почве позволяет провести топографию мест заготовки сырья, а также паспортизацию угодий с указанием содержания в почве потенциально опасных для здоровья человека элементов. Полученные данные помогут разработать научно обоснованные предельно-допустимые концентрации (ПДК) элементов и внести дополнения в инструкции по заготовке Achillea asiatica Serg.
Материалы исследований используются при преподавании курсов экологии, ботаники, лекарственного ресурсоведения. Информация, содержащаяся в данной работе полезна биологам, экологам, работникам санитарных служб, лесного хозяйства, заготовителям лекарственного сырья.
Апробация работы. Основные положения диссертации апробированы на научной практической конференции «Неделя науки» (Сибай, 2004); на Всероссийской научно-практической конференции «Уралэкология. Природные ресурсы - 2005» (Уфа - Москва, октябрь 2005 г.); на V Международной научно-практической конференции «Экология и безопасность жизнедеятельности» (Пенза, декабрь 2005г.); на II Всероссийской научной конференции «Принципы и способы сохранения биоразнообразия» (Йошкар-Ола, 28-31 января 2006 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 научных работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 3
глав, заключения, выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена
на 201 странице, включая 11 таблиц, 44 рисунка, 11 приложений. Список
литературы включает 264 источника, в том числе 41 иностранных.
* * *
Автор выражает искреннюю признательность доценту А.А. Аминевой,
профессорам И.Ю. Усманову, СИ. Янтурину, Я.Т. Суюндукову за
неоценимую помощь, дружеское участие и постоянную поддержку на всех этапах работы. Также благодарит начальника отдела химического анализа кормов, растениеводческой и пищевой продукции Центра агрохимической службы «Башкирский» Р.И. Баязитову за оказанную помощь при проведении анализов.
1. ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ В ПОЧВАХ И РАСТЕНИЯХ
Содержание и особенности распределения некоторых тяжелых металлов в почвах и растениях
В глобальном масштабе содержание меди в почвах земного шара измеряется от ОД до 3700 мг/кг, при этом максимум на кривой его распределения приходится на интервал 5-50 мг/кг. Лучше всего обеспечены медью красноземы и желтоземы, песчаные и органические почвы характеризуются низким содержанием этого элемента (Кабата-ГТендиас А., Пендиас X., 1989). Содержание меди в почвах, относящихся к одному генетическому типу, весьма изменчивое.
В группу с содержанием меди в количестве 10-20 мг/кг выделены суглинистые луговые и аллювиально-луговые почвы, перегнойно-карбонатные, черноземы и каштановые почвы. К группе почв, имеющих 20-30 мг/кг валовой меди, отнесены черноземы слабогумусные, горно-лесные бурые почвы. В группу почв, имеющих валовой меди 25-30 мг/кг, включены лугово-черноземные и луговые глинистые почвы, а также малогумусные карбонатные черноземы (Тонконоженко, 1973).
Между количеством меди и содержанием в почве гумуса четкой связи нет. В профиле черноземов и лугово-черноземных почв медь более или менее равномерно распределена по всем горизонтам. В черноземах выявлена небольшая аккумуляция микроэлементов в перегнойио-аккумулятивном горизонте. Количество обменной меди находится в зависимости от количества коллоидной фракции почвы, т.е. величины емкости поглощения. В кислых почвах обычно содержание обменно-поглощенной меди минимальное (Гирфанов, Ряховская, 1975).
Я.В. Пейве и Н.Н. Иванова (1953), М.В. Каталымов (1965) считают, что факторами, увеличивающими подвижность меди, являются внесение физиологически кислых удобрений, создание условий, способствующих накоплению в почве нитратов, и ускорение минерализации органических веществ. Медь более подвижна при низком значении рН, а при рН выше 5,0 она выпадает в вкде гидроокиси. Известкование и внесение больших доз фосфатов, снижают подвижность меди в почве (ТТейве, 1961).
Количество меди в растениях колеблется от 0,5 до 50,0 мг/кг сухого вещества. По данным MB. Каталымова (1965), количество меди в растениях одного и того же вида при выращивании на различных почвах различается в 2-8 раз. Содержание меди в растениях, как правило, больше в первой половине вегетации, чем в более поздние фазы (Евстратьева, 1973). Больше всего меди содержится в листьях и семенах, меньше - в корнях и совсем мало - в стеблях растений. В листьях растений она распределяется довольно равномерно. Распределение меди в пределах корневой системы зависит от ее запаса в почве. Так, по данным Г.Р. Озолиня и Л.П. Лапиня (1983), при низкой концентрации ионов меди их распределение происходит равномерно между зародышевыми и узловыми корнями, а при средней и высокой - они преимущественно аккумулируются в зародышевых корнях. По мнению авторов, наличие узловых корней у злаков является одним из факторов, обусловливающих их устойчивость к высоким концентрациям меди в питательной среде. В семенах наибольшее количество меди сосредоточено в зародыше и семенных оболочках, меньше - в эндосперме. В корнях этот элемент связан в основном с клеточными стенками и крайне мало подвижен. Заметная доля меди, присутствующей в листьях, связана в пластоцианине. Медь в растениях не реутилизируется (Шеуджен, 2003). В зерне риса содержится меди 2,6 - 7,9 мг/кг, корнях - 2,0 - 47,9, в листьях и стеблях - 1,5-6,4 мг/кг сухой массы. Вынос этого элемента урожаем риса составляет 50-70 г/га (Гамаюнова, 1964; Тонконоженко, 1973; Багдасаров, 1977; 1991; Шеуджен, 1985; 1991; 1992; 2001).
Медь поступает в растения в форме катиона или хелатных соединений. В растительном организме она присутствует в виде ионов и комплексных органических соединений, Доля последних составляет примерно 2/3 общего количества меди, содержащегося в растении (Школьник, 1974). В организме растений медь чаще всего связана с митохондриями и играет существенную роль в биохимических процессах. Она непосредственно входит в состав фермента лакказы, катализирующего окисление гидрохинона и производных (Власюк, 1969). Медь является компонентом аскорбиноксидазы, катализирующей окисление аскорбиновой кислоты. Она входит в состав полифенолоксидазы, фермента, участвующего в присоединении электрона к фенолам. Полифенолоксидаза регулирует содержание и активность в растениях ауксинов и ингибиторов роста фснольной природы. Это лежит в основе способности меди повышать устойчивость растений к полеганию и неблагоприятным условиям среды. Физиологическая роль меди в значительной степени определяется также ее вхождением в состав урикоодазы, фермента, производящего окисление мочевой кислоты. К медьсодержащим энзимам относится и тирозиназа, фермент, осуществляющий синтез пигмента меланина за счет окисления аминокислоты тирозина. О їсутствие данного фермента вызывает альбинизм - отсутствие у растений зеленой окраски. Потемнение битых картофелин и яблок также вызывается тирозинозой. Помимо всего этого медь входит в состав низкомолекулярного белка пластоцианина (Мутускин,1970; Островская, 1961). Последний активно участвует в переносе электронов между первой и второй фотосистемами. В связи с этим понятно значение меди для процесса фотосинтеза.
Адаптация растений к загрязнению окружающей среды тяжелыми металлами
Для понимания механизмов морфофизиологической адаптации растений при загрязнении окружающей среды металлами, а также для прогнозирования изменений, связанных с повышением концентрации токсикантов в растительном субстрате необходимо изучить действие отдельных металлов-загрязнителей на растения (Кулагин, 2003).
В основе токсического действия металлов лежит их связывание с функциональными группами, в особенности с SH-груштами, которые определяют активность большого числа различных ферментов. Степень токсичности разных металлов коррелирует с прочностью их связи с SH-группами. Изучение влияния на рост корня различных ТМ показывает, что несмотря на то, что отдельные металлы различаются по своей токсичности, существуют общие закономерности их действия: узкий диапазон действующих концентраций, отсутствие существенного усиления эффекта со временем, а также устойчивость ветвления корня на фоне сильного ингибирования роста главного корня (Иванов и др., 2003).
Действие металлов на растение начинается с поступлением их в клетку и может проявляться на разных уровнях организации.
Повреждения растений и нарушения растительных сообществ особенно значительны в окрестностях предприятий цветной и черной металлургии.
Токсическое действие металлов проявляется в угнетении роста, снижении биологической продуктивности, хлорозах и некрозах.
На растения обычно оказывает действие сразу несколько тяжелых металлов, поэтому имеет смысл рассматривать их в комплексе.
Высокие концентрации Си, Ni, Zn ИЛИ Cd в питательной среде вызывают хлороз железа у растений в результате прямого или косвенного взаимодействия этих тяжелых металлов с железом в листьях. Большое накопление таких металлов, как Си, Ni, Zn и Со, в хлорозных листьях по сравнению с неподверженными хлорозу отмечено у растений местной флоры в окрестностях медно-никелевого комбината. Этот хлороз скорее всего вызывается угнетением передвижения железа из корней в надземную часть из-за высоких концентраций Си и Ni. Пораженные листья накапливают больше металлов, чем здоровые.
При атмосферном загрязнении металлами могут наблюдаться морфологические изменения у растений. Отмечены мелколистность, морщинистость и искривление листовых пластинок, сокращение междоузлий, морфологическая изменчивость долей цветка.
У неадаптированных растений под влиянием высоких концентраций развиваются тератологические (уродливые) и угнетенные формы. По наблюдениям Н.С. Петруниной (1974), обычно поражаются около 10-20% экземпляров, но в некоторых случаях отмечалось до 50% и более. Морфологические изменения обнаруживаются и у адаптированных растений. У них генеративные органы развиваются нормально, и последующие поколения могут сохранять приобретенные признаки.
Воздействие избыточного содержания микроэлементов сопровождается также изменениями анатомического строения растений. Чаще всего поражается проводящая система. Наиболее заметные нарушения обнаруживаются у растений, лишенных механизмов, регулирующих повышенную концентрацию элементов. Н.С. Петрунина (1974) отмечает, что избыточное содержание хрома сказывается на уменьшении размеров клеток и общем недоразвитии проводящей системы.
Высокое содержание никеля в угнетенных формах грудницы татарской отражается на строении листа, в клетках которого разрушаются хлоропласты. Под влиянием высокой концентрации свинца и цинка в стеблях мака проводящие сосуды и млечники сдавлены и искривлены.
Большие концентрации металлов в почвах угнетают рост корней, препятствуют прорастанию семян и выживанию сеянцев и саженцев растений. Высокая концентрация меди в почвах является причиной угнетения роста корней, гибели проростков многих видов и интоксикации растительности в целом. Токсичный для корней уровень Си в почве отмечен на расстоянии до 30 км от источника загрязнения. По-видимому, одной из причин токсичности металлов для корней является угнетение роста растяжением. Возможно, что тяжелые металлы могут влиять и на меристематический рост корня. При проращивании семян растений иа загрязненных ТМ обнаружено значительное увеличение анафаз с мутациями в меристематических клетках корней
Увеличение концентрации металлов в воздухе и почве приводит к обеднению флоры вследствие выпадения чувствительных видов. В результате формируются сообщества с резко ограниченным числом видов или даже моноценозы. Для таких сообществ характерны обычные виды местной флоры, которые переносят большие концентрации металлов или благодаря исходно высокой металлоустойчивости вида в целом, или в результате формирования устойчивых к металлам популяций.
Характеристика эколого-географических условий Южного Урала
Южный Урал - тектонически-стабильный регион. В рельефе Южного Урала с запада на восток выделяют: 1) Уфимское плоскогорье; 2) Собственно Уральские горы; 3) Зауральский пенеплен. К востоку Зауральская равнина переходит в широкую Западно-Сибирскую низменность. На высокую горную часть приходится 24% территории области. Приподнятые равнинные участки занимают 42% территории, а участки с пониженным рельефом - 34% (Мукатанов, 2002).
Протяженность Южного Урала с севера на юг 600 - 650 км. Ширина меридионального расположения горных хребтов составляет около 200 км. Здесь сформировались различные по составу и происхождению западные, центральные, восточные хребты, нагорное Южно-Уральское (Зилаирское) плоскогорье, высокогорья Иремель-Ямантауского узла и представлены различные ландшафты, характерные для высотных поясов горных областей.
Для региона Южного Урала характерно большое разнообразие состава горных и почвообразующих пород. Среди них выделяются магматические ультраосновные и основные с высоким содержанием окислы кремния (45 -65%). Ультраосновные представлены дунитом и перидотитом, основные -габбро и базальтами, средние - диоритом и сиенитом, кислые - гранитами и пегматитами. Среди осадочных пород встречаются конгломераты, песчаники, алевриты - они, как правило, кислые. Из карбонатных минералов развит доломит и известняк. Широкое распространение имеют метаморфические породы - кварциты, гнейсы, мрамор, сланцы.
Андезиты и порфириты (хребты Ирендык, Крыкты) обогащены окислами кремния, алюминия, железа, магния, кальция, а также микроэлементами.
Скальные породы Зауральского пенеплена палеозойского складчатого фундамента, выступающего на поверхность в районе гор, обнажены лишь в отдельных местах. Большая часть перекрыта молодыми рыхлыми континентальными и морскими осадками, а также образованиями коры выветривания. Граниты, особенно широко развитые в этой части Урала, в силу своей физической крепости выступают на фоне равнины в виде гряд, отдельных холмов или экзотических скал. Эти породы слагают Урало-Тобольский водораздел (Фаткуллин, 1984).
Южный Урал сложен горными породами палеозойского и допалеозойского возраста. Сложное геологическое строение района и наличие крупных рудоносных зон и поясов способствовало его дифференциации, проявляющейся в существовании геохимических аномалий, все компоненты которых характеризуются повышенным содержанием ряда тяжелых металлов (ТМ). На исследуемой нами территории в основных чертах эндогенной металлургии Южного Урала выделяются три зоны - Юлукско-Тубинская меднорудная, Б аймак-Бур ибаевская смешанно-меднорудная и Красноуральская-Сибай-Гайская меднорудная с крупными медиокольчеданными месторождениями и геохимическими аномалиями. Проведенные работы подтвердили существование здесь природной никелево-медно-цинковой биогеохимической провинции со значительным содержанием Ni, Zn, Си в первичных и вторичных ореолах рассеяния (Опекунова, 2001).
Южный Урал - один из основных промышленных районов России. На протяжении многих лет природные ландшафты испытывают здесь сильное антропогенное воздействие, связанное с добычей и переработкой минеральных ресурсов. Интенсивная производственная деятельность человека, освоение и разработка месторождений полезных ископаемых, урбанизация, агропроизводство и другие виды хозяйственных преобразований вносят существенные коррективы в содержание и соотношение химических элементов в геохимической среде и организмах, нарушают биогенные циклы химических элементов, приводят к образованию различных биогеохимических эндемий.
Климат Южного Урала определяется положением его в центре Евроазиатского материка, большим удалением от морей и. океанов. На формирование климата существенное влияние оказывают Уральские горы, которые создают препятствие на пути движения воздушных атлантических масс. Все это определяет значительную континентальность и сухость климата, особенно Южного Зауралья. Особенности климата горно-лесной зоны определяются расположением ее в умеренных широтах, глубиной материка и высотой местности от 350 до 1640 м.
