Металлы в дикорастущих растениях татарстана и факторы, определяющие их содержание
На правах рукописи
СИБГАТУЛЛИНА Мадина Шавкатовна
МЕТАЛЛЫ В ДИКОРАСТУЩИХ РАСТЕНИЯХ ТАТАРСТАНА
И ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ИХ СОДЕРЖАНИЕ
Специальность 03.00.16 – экология
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата биологических наук
Казань – 2009
Работа выполнена в ГБУ Институт проблем экологии и недропользования Академии наук Республики Татарстан
Научный руководитель: доктор биологических наук, профессор
Зялалов Абдуллазян Абдулкадырович
Официальные оппоненты: доктор биологических наук, профессор
Хохлова Людмила Петровна
кандидат биологических наук, доцент
Капитонова Ольга Анатольевна
Ведущая организация: Институт биологии Уфимского научного центра РАН
Защита состоится 17 сентября 2009 г. в 14.30 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.081.19 при ФГОУ ВПО «Казанский государственный университет им. В.И. Ульянова-Ленина» по адресу: 420008, Республика Татарстан, г. Казань, ул. Кремлевская, д. 18.
Отзыв на автореферат в двух экземплярах с подписями, заверенными гербовой печатью, просим направлять по адресу: 420008, Республика Татарстан, г. Казань, ул. Кремлевская, д. 18, КГУ, диссертационный совет ДМ 212.081.19.
Факс: (843) 238-76-01; e-mail: [email protected]
С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке им. Н.И. Лобачевского Казанского государственного университета по адресу: г. Казань, ул. Кремлевская, 35.
Автореферат разослан «___»______________ 2009 г.
Ученый секретарь диссертационного совета,
кандидат биологических наук, доцент Р.М. Зелеев
Актуальность. В мире ежегодно производятся сотни миллионов тонн химических продуктов. Разными путями эти вещества или продукты их частичных биологических превращений, чаще всего токсичного характера, концентрируются в биосфере в колоссальных количествах и значительно влияют на экологическое равновесие (Квеситадзе и др., 2005). Тяжелые металлы являются одним из особо опасных для живых организмов классов поллютантов (Ильин, 2007). В связи с этим возникает необходимость в исследованиях меры загрязненности ими различных компонентов биосферы и в первую очередь растений естественных экосистем как основной составляющей растительных ресурсов и начального звена биогенного круговорота микроэлементов. В последнее десятилетие вновь возрастает интерес к методам фитотерапии. Все более широкое распространение в лечебно-профилактических учреждениях получают фитобары и применение фитококтейлей. Известно, что около 80% населения планеты применяют лекарственные растения для лечения различных заболеваний (Woods, 1999). Однако в связи с нарастанием техногенного загрязнения окружающей среды, особенно в пригородных зонах крупных городов, не только снижается качество лекарственного растительного сырья, но оно может представлять и экотоксикологическую опасность, в том числе по содержанию в нем тяжелых металлов, отличительной чертой которых является способность накапливаться по пищевой цепи. Установление уровня содержания металлов (биофильных элементов и тяжелых металлов) в дикорастущих (лекарственных и кормовых) травянистых растениях, произрастающих в различных по техногенной нагрузке районах, актуально в области практического экологически безопасного использования растительных ресурсов.
Цель данной работы – выявление зависимости содержания биофильных элементов и тяжелых металлов в дикорастущих травянистых растениях Республики Татарстан от их биологических особенностей и экологических факторов.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
- определить фоновое содержание биофильных элементов (Cu, Fe, Zn, K, Ca) и тяжелых металлов (Pb, Cd) в дикорастущих (лекарственных и кормовых) растениях РТ;
- изучить межвидовые различия в аккумуляции Cu, Fe, Zn, K, Ca и Pb, Cd дикорастущими растениями;
- оценить экологическую безопасность дикорастущих лекарственных растений по содержанию в них Pb и Cd;
- установить органоспецифичность содержания металлов в дикорастущих растениях;
- исследовать влияние эдафических и фитоценотических условий на аккумуляцию биофильных элементов и тяжелых металлов дикорастущими растениями;
6) определить сопряженность содержания биофильных элементов и тяжелых металлов в растениях с типами адаптивных стратегий.
Научная новизна. Впервые дана биогеохимическая характеристика 90 видов дикорастущих (лекарственных и кормовых) травянистых растений естественных фитоценозов Республики Татарстан (РТ).
Впервые проведена оценка экологической безопасности дикорастущих растений РТ как потенциальных источников лекарственного растительного сырья по содержанию в них Pb и Cd.
На большом фактическом материале установлена органоспецифичность содержания биофильных элементов и тяжелых металлов в дикорастущих растениях.
Определен характер зависимости содержания исследуемых элементов от эдафических и фитоценотических условий среды, техногенной нагрузки.
Выявлены особенности содержания биофильных элементов и тяжелых металлов в растениях с различной степенью выраженности адаптивных типов стратегий. Получены новые сведения о сопряженности аккумуляции ряда микроэлементов с типами адаптивных стратегий растений.
Практическая значимость. Представленная в работе биогеохимическая характеристика 90 видов травянистых растений естественных фитоценозов 6 районов РТ и г. Казани позволяет выявить благоприятные и неблагоприятные с точки зрения экологической безопасности растительности районы для заготовки и использования лекарственного растительного сырья.
Результаты работы могут быть использованы при биоиндикации экологического состояния почв и дикорастущих растений, а также могут быть учтены при проведении биогеохимического картографирования и районирования территории РТ.
Обнаружены лекарственные растения в Зеленодольском районе с высоким содержанием тяжелых металлов, использование которых в терапевтических целях может нанести ущерб здоровью человека.
Полученные в работе результаты представляют значительный интерес с точки зрения прогнозирования динамики экосистем под влиянием нарастающего техногенного воздействия.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Фоновое содержание нормируемых элементов в дикорастущих травянистых растениях РТ значительно ниже ПДК в пищевых продуктах и МДУ в кормах.
2. Наиболее значимыми факторами, влияющими на особенности аккумуляции биофильных элементов и тяжелых металлов в дикорастущих растениях РТ, являются видовая специфичность, эдафический фактор и уровень техногенной нагрузки.
3. Органоспецифичность содержания Pb и Cd в дикорастущих растениях РТ определяется уровнем техногенной нагрузки.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались и обсуждались на международных научных конференциях «Ломоносов» (Москва, 2007, 2008), «Сахаровские чтения 2007 года: экологические проблемы XXI века» (Минск, 2007), "Экология и безопасность жизнедеятельности промышленно-транспортных комплексов ELPIT 2007» (Тольятти, 2007), «Экология и научно-технический прогресс» (Пермь, 2007), «Проблемы биологии, экологии, географии, образования: история и современность» (Санкт-Петербург, 2008), на всероссийских научных конференциях "Автотранспортный комплекс - проблемы и перспективы, экологическая безопасность" (Пермь, 2007), «Современные вопросы природопользования: агропромышленный комплекс и лесное хозяйство» (Казань, 2008), «Симбиоз Россия-2008» (Казань, 2008), «Биосфера Земли: прошлое, настоящее, будущее» (Екатеринбург, 2008), на республиканской научной конференции «Актуальные экологические проблемы РТ» (Казань, 2007).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 работ, в том числе 1 статья в рецензируемом журнале, рекомендованном ВАК.
Личный вклад автора. Автором лично осуществлены: разработка программы исследований, отбор проб почв и растений в полевых условиях, пробоподготовка образцов, проведение 14 196 элементоопределений методом атомно-абсорбционной спектрометрии и пламенной фотометрии, обработка, интерпретация результатов исследований. Научные положения и выводы формировались совместно с научным руководителем.
Структура и объем исследований. Диссертационная работа состоит из введения, 3 глав, заключения, выводов, библиографического списка, включающего 233 источника, в том числе 57 на иностранных языках. Работа изложена на 154 страницах, содержит 22 таблицы, 46 рисунков, 4 приложения.
Благодарности. Работа выполнена в Институте проблем экологии и недропользования Академии наук РТ под руководством д.б.н., профессора А.А. Зялалова, которому автор выражает благодарность за помощь, советы и научные консультации на всех этапах выполненных исследований.
Особую благодарность и признательность автор выражает зав. лабораторией биогеохимии ИПЭН АН РТ, к.б.н. Д.В. Иванову за внимание, помощь, внимательное прочтение рукописи, полезные предложения и советы.
Автор благодарит доцента кафедры общей экологии факультета географии и экологии КГУ, к.б.н. Г.А. Шайхутдинову за помощь при составлении названий фитоценозов; Л.В. Фомину за помощь при определении видов растений; ассистента кафедры общей экологии факультета географии и экологии КГУ, к.б.н. В.Е. Прохорова за помощь при определении экологических групп растений с разными типами регуляции водного обмена.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
Дана общая характеристика биофильных элементов и тяжелых металлов, приведена физиологическая роль исследованных элементов в организме растения и человека, рассматриваются источники их поступления в окружающую среду и пути поступления в растения, проанализированы литературные данные по аккумуляции тяжелых металлов в дикорастущих растениях, рассмотрены типы адаптивных стратегий растений по Раменскому-Грайму и по отношению к фактору влажности. Приводятся литературные данные по содержанию микроэлементов и тяжелых металлов в дикорастущих растениях различных регионов России, мира и РТ. Выявлено противоречие литературных данных по вопросу транслокации микроэлементов и тяжелых металлов в органы дикорастущих растений.
ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
2.1. Природно-климатические условия Республики Татарстан. Приводится краткая физико-географическая характеристика республики, особенности гидрографии, почвообразующих пород и почв, климатических условий и растительности.
2.2. Объекты исследований. Изучение содержания биофильных элементов и тяжелых металлов проводилось на дикорастущих травянистых растениях луговых и лесных фитоценозов в 6 административных районах РТ, а также растениях урбофитоценозов г. Казани. Следует отметить, что все пробные площадки (за исключением пробных площадок в урбофитоценозах) закладывались вдали от возможных источников загрязнения. Всего было заложено 15 пробных площадок (№ 1 - № 6 в Зеленодольском районе, № 7, № 11 – в г. Казани, № 8 – в Верхнеуслонском, № 9, № 10 – в Бугульминском, № 12, № 13 – в Пестречинском, № 14 – в Альметьевском, № 15 – в Мамадышском районах).
В составе флоры исследуемых пробных площадок обнаружено 90 видов 35 семейств растений. Идентификацию типов адаптивных (экологических) стратегий растений проводили по работам J. Grime et. al (1988) и D. Frank, S. Klotz (1988).
2.3. Методика отбора растительных и почвенных образцов и их первичная пробоподготовка. В каждом фитоценозе закладывалась одна пробная площадка размером 10 м2. Растения отбирали в летние периоды 2006-2007 гг. вместе с корневой системой. Всего было отобрано 160 проб растений различных видов. Собранные растения разделяли на отдельные органы (корни, стебли, листья и цветы), высушивали до воздушно-сухого состояния. Образцы почвы (0-20 см) отбирали методом конверта (ГОСТ 17.4.4.02-84). Всего было отобрано 75 проб почв. В почве определяли содержание подвижных и валовых форм Cu, Fe, Zn, Pb, Cd, обменных форм К и Са, кислотность, содержание гумуса, наличие карбонатов и гранулометрический состав.
2.4. Методика определения металлов в растительных и почвенных образцах. Минерализацию растительных образцов проводили методом сухого озоления в муфельной печи при температуре 4500С. После озоления биофильные элементы и тяжелые металлы экстрагировались 20%-й HCl (ГОСТ 26929-94). Подвижные формы соединений микроэлементов и ТМ в почвах извлекали ацетатно-аммонийным буферным раствором с рН 4,8 (РД 52.18.289-90), валовые - 5М азотной кислотой (РД 52.18.191-89). Определение обменных форм К и Са в почве осуществляли по Кирсанову (Практикум …, 2001) с помощью 0,2 н. раствора HCl. В полученных растворах определяли содержание тяжелых металлов методом атомно-абсорбционной спектрометрии на приборе AAS-30 и К, Са методом пламенной фотометрии на приборе Flapho-var. Определение актуальной кислотности почвы проводили в соответствии с общепринятыми методиками (Практикум …, 2001). Содержание гумуса в почве определяли по ГОСТ 26213-84.
Всего проанализирован 661 образец 90 видов дикорастущих травянистых растений и 15 образцов почвы. Повторность определения 3-х кратная.
Для оценки меры поглощения исследованных элементов растениями были рассчитаны следующие коэффициенты: КБП – коэффициент биологического поглощения (отношение содержания элемента в золе растений к содержанию его в горной породе или почве); КН – коэффициент накопления (отношение содержания элемента в сухой массе растений к содержанию его подвижных форм в почве); Ккб – коэффициент корневого барьера (отношение содержания элемента в корне к содержанию его в надземных органах растения) (Плеханова, 2007).
В таблицах и на рисунках представлены средние значения с их стандартными ошибками (Лакин, 1980). Достоверность различий между вариантами оценивали по критерию Краскела-Уоллиса (Лакин, 1980). Корреляционный анализ данных проводился с использованием коэффициентов корреляции Пирсона (r) и Спирмена (rS) (Лакин, 1980; Рокицкий, 1973). Математическая, статистическая обработка данных и построение гистограмм проводились с помощью стандартных пакетов Microsoft Exel 2007 и Statistica 6.0 (StatSoft, Inc. 2001).
ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
3.1. Содержание биофильных элементов и тяжелых металлов в почвах исследованных участков
Поток тяжелых металлов в растения зависит от разных факторов: уровня загрязнения почвы, валового содержания, концентрации в почве их подвижной формы (Roberts, Johnson, 1978; Ильин, 1991), способности корня поглощать элементы и тем самым вовлекать их в биологическую миграцию (Добровольский, 1983). В работе исследовалось содержание валовой и подвижной форм микроэлементов в почве, а также содержание обменных форм К и Са.
Содержание элементов в почве исследуемых площадок отличается значительной вариабельностью, причем содержание подвижных форм изменяется в большей степени (табл. 1). Это обусловлено различием эдафических условий на исследуемых пробных площадках – типом почвы, ГМС, содержанием гумуса и кислотностью, характеристика которых приведена в таблице 2.
За региональное фоновое содержание микроэлементов в почве и наземной растительности может быть принято как выборочное среднее, которое включает в себя аномальные значения содержания, так и медиана (50-й центиль), из величины которой эти значения исключены (Лакин, 1990; Иванова, 2008; Басова, 2008). За фоновые значения в работе приняты медианные значения содержания элементов в почве и растительности, соответствующие 50-% частоте на кривой распределения.
Таблица 1
Средние и медианные значения содержания биофильных элементов (БЭ) и тяжелых металлов (ТМ) в почве
| Подвижная форма БЭ и ТМ, мг/кг сухого веса | ||||||
| Среднее (n=15) | Медиана | Среднее (n=11) | Медиана | Среднее (n=3) | Медиана | |
| РТ | Западное Предкамье | Восточное Закамье | ||||
| Cu | 0.4±0.3 | 0.1 | 0.5±0.4 | 0.1 | 0.03±0.01 | 0.02 |
| Fe | 51.0±15.8 | 16.5 | 63.0±18.3 | 43.4 | 2.7±1.01 | 3.5 |
| Zn | 3.0±1.1 | 1.5 | 3.7±1.3 | 2.0 | 0.1±0.01 | 0.1 |
| Pb | 1.0±0.4 | 0.5 | 1.3±0.5 | 0.7 | 0.2±0.01 | 0.2 |
| Cd | 0.13±0.05 | 0.04 | 0.15±0.06 | 0.05 | 0.03±0.01 | 0.04 |
| Валовая форма БЭ и ТМ, мг/кг сухого веса | ||||||
| Cu | 7.4±2.0 | 5.39 | 6.5±2.4 | 4.7 | 11.0±1.78 | 9.3 |
| Fe | 7864±1493 | 7464 | 5640±1099 | 5332 | 16759±1410 | 17140 |
| Zn | 14.8±2.7 | 13.20 | 14.7±3.5 | 12.1 | 15.1±0.69 | 15.3 |
| Pb | 5.5±1.4 | 4.31 | 6.1±1.7 | 4.9 | 3.04±1.09 | 4.0 |
| Cd | 0.3±0.1 | 0.07 | 0.3±0.1 | 0.11 | 0.07±0.03 | 0.07 |
| Обменная форма БЭ, мг/кг сухого веса | ||||||
| K | 115±25 | 125 | 106±31 | 59 | 150±19 | 138 |
| Са | 5113±1427 | 3819 | 3749±1463 | 1602 | 10571±2344 | 10849 |
Как следует из полученных результатов, вследствие большей плодородности и большей буферной емкости почвы, содержание биофильных элементов в почвах исследованных площадок в Восточном Закамье оказалось выше, а содержание Pb и Cd – ниже, чем в почвах Западного Предкамья.
Сравнение полученных в работе значений регионального фона с известными нам литературными данными по содержанию валовых форм микроэлементов в почвах РТ (Даутов и др., 1991; Иванов и др., 1994; Григорьян и др., 1994; Озол и др., 1999; Ильязов и др., 2006; Иванова, 2008) показало, что содержание Cu, Zn, Fe, Pb, Cd оказалось ниже литературных данных, как в почвах Предкамья, так и в почвах Закамья.
Таблица 2
Характеристика пробных площадок по комплексу изученных
эдафических факторов
| № ПП | Почва | Район | Тип фито-ценоза | Содержа-ние гумуса, % | ГМС | рН |
| 1 | Светло-серая лесная | Зеленодольский | Л | 2.00 | легкий суглинок | 6.23 |
| 2 | Светло-серая лесная | Зеленодольский | Л | 1.50 | легкий суглинок | 5.72 |
| 3 | Дерново-подзолистая | Зеленодольский | ЛХ | 0.80 | супесь | 4.33 |
| 4 | Дерново-подзолистая | Зеленодольский | ЛХ | 0.70 | супесь | 4.25 |
| 5 | Дерново-подзолистая | Зеленодольский | ЛХ | 1.30 | супесь | 4.40 |
| 6 | Дерново-подзолистая | Зеленодольский | П | 0.80 | супесь | 4.27 |
| 7 | Урбанозем | г. Казань | УБФ | 1.00 | глина | 7.15 |
| 8 | Серая лесная | Верхнеуслонский | Л | 3.30 | средний суглинок | 5.35 |
| 9 | Чернозем выщелоченный | Бугульминский | Л | 4.30 | средний суглинок | 5.03 |
| 10 | Дерново-карбонатная типичная смытая | Бугульминский | Л | 7.20 | тяжелый суглинок | 7.58 |
| 11 | Урбанозем | г. Казань | УБФ | 2.90 | средний суглинок | 7.83 |
| 12 | Аллювиальная дерновая | Пестречинский | Л | 2.50 | супесь | 7.48 |
| 13 | Дерново-подзолистая смытая | Пестречинский | ЛШ | 2.30 | средний суглинок | 4.56 |
| 14 | Чернозем типичный | Альметьевский | Л | 7.80 | тяжелый суглинок | 7.55 |
| 15 | Светло-серая лесная | Мамадышский | ЛШ | 3.40 | средний суглинок | 5.68 |
Примечание. Л – луговой фитоценоз, ЛХ – лес хвойный, ЛШ – лес широколиственный, П – прогалина, УБФ – урбофитоценоз.
Наибольшее содержание подвижных форм Cu, Zn и Pb обнаружено в почвах урбофитоценозов (тип почвы – урбанозем). Высоким содержанием подвижного Fe характеризуются почвы хвойных фитоценозов (тип почвы – дерново-подзолистая), а Cd – почвы лугового фитоценоза в Зеленодольском районе (тип почвы – светло-серая лесная). Наибольшим содержанием K в почве отличаются почвы широколиственного фитоценоза (тип почвы – светло-серая лесная, дерново-подзолистая смытая), а Ca – почвы площадок луговых фитоценозов (тип почвы – светло-серая лесная). Наименьшее содержание Cu обнаружено в почвах луговых (тип почвы – светло-серая лесная) и лесных (тип почвы – дерново-подзолистая) фитоценозов в Зеленодольском районе, Fe, Zn, Pb – в почве луговых фитоценозов (тип почвы – светло-серая лесная). В почве хвойных лесов Cd обнаружен не был. Наименьшее содержание K и Ca обнаружено в почве прогалины в хвойном лесу (тип почвы – дерново-подзолистая).
Сравнение значений содержания подвижных форм металлов в почве со шкалой, предложенной А.И. Обуховым (1992) указывает на то, что исследуемые участки отличаются «низким» содержанием доступных форм Cu (<0.2 мг/кг). Содержание подвижных форм Zn в почве большей части пробных площадок характеризуется как «очень низкое» (<1 мг/кг) и «низкое» (1-2 мг/кг). «Высокая» (1.5-5 мг/кг) концентрация подвижного Pb свойственна урбаноземам и светло-серой лесной почве в Зеленодольском районе. В светло-серых лесных почвах луговых фитоценозов в Зеленодольском районе обнаружено «слабое загрязнение» (0.5-1 мг/кг) подвижными формами Cd.
Для выявления взаимосвязи между валовой и подвижной формами элементов в почвах были рассчитаны коэффициенты корреляции (табл.3). Высокая положительная корреляционная связь обнаружена для содержания валовой и подвижной форм Cd, для Fe она отрицательная. Известно, что Fe с легкостью формирует нерастворимые гидроксиды, что делает его недоступным для растений (Halvorsan, Lindsay, 1972; Cline et al., 1982). Следовательно, повышенное содержание в почве прочно связанного железа в составе оксидов снижает содержание его подвижных форм в почве.
Таблица 3
Коэффициенты корреляции (rS) между содержанием валовых (в) и подвижных (п) форм элементов в почвах (n=15)
| Cuв | Feв | Znв | Pbв | Cdв | |
| Cuп | 0.23 | 0.08 | 0.14 | 0.52 | 0.24 |
| Feп | -0.76 | -0.89 | -0.68 | -0.22 | -0.47 |
| Znп | 0.08 | -0.23 | 0.38 | 0.59 | 0.49 |
| Pbп | -0.13 | -0.47 | -0.07 | 0.25 | -0.06 |
| Cdп | 0.51 | 0.38 | 0.78 | 0.65 | 0.84 |
Примечание. Выделенные жирным шрифтом коэффициенты корреляции значимы при р<0.05.
При корреляционном анализе данных по содержанию подвижных форм металлов в почвах и по ее кислотности обнаружили отрицательную корреляцию между величиной рН и содержанием Fe (rS=-0.63). В кислых почвах создаются благоприятные условия для восстановления Fe3+ до Fe2+, что способствует повышению растворимости соединений железа (Битюцкий, 2005). Известно также, что дефицит Fe часто существует в почвах с высокими значениями рН, наличием карбонатов, низким содержанием органического вещества и в песчаных почвах (Lindsay, Schwab, 1982). Не было обнаружено зависимости между содержанием подвижных форм Pb и Cd и кислотностью почвы.
Обнаружена значимая (р<0.05) отрицательная зависимость между содержанием в почве гумуса и содержанием подвижных форм Fe (rS=-0.84) и Pb (rS=-0.66). Известно, что Pb и Cd в гумусированных горизонтах почвы аккумулируются в составе органического вещества (Водяницкий, 2008). Следовательно, содержание органического вещества в почве для Fe и Pb является в большей степени определяющим фактором их подвижности, чем рН.
Долю доступных для поглощения растениями микроэлементов в почве определяли как процентное содержание подвижных форм элементов от содержания их валовых форм. Расположение элементов по доступности соответствовало ряду (%): Cd (47.2) >> Pb (19.4) = Zn (19.3) > Cu (3.8) Fe (3.0). Установлено, что максимальная доступность в исследованных почвах характерна для Cd, минимальная – для Fe. Предыдущими исследованиями почв Татарстана (Иванов и др., 1994; Григорьян и др., 1994) было также выявлено повышенное содержание в них кадмия, что является природной геохимической особенностью региона.
3.2. Содержание биофильных элементов и тяжелых металлов в дикорастущих растениях
3.2.1. Фоновое содержание биофильных элементов и тяжелых металлов в дикорастущих растениях РТ
Содержание биофильных элементов и тяжелых металлов в растениях отражает биогеохимическую ситуацию республики. В таблице 4 приведены данные по содержанию исследуемых металлов в растениях, произраставших на различных типах почв.
Таблица 4
Содержание биофильных элементов и тяжелых металлов в растениях, произраставших на различных типах почв, мг/кг сухого веса
| Почва (район, тип фитоценоза) | n | Cu | Fe | Zn | Pb | Cd | K | Ca |
| Светло-серая лесная (Мамадышский, ЛШ) | 7 | 2.3±0.3 | 76.9±12.7 | 10.2±1.8 | 0.1±0.01 | 0.1±0.01 | 8077 ±1483 | 4443 ±958 |
| Дерново-подзолистая (Зеленодольский, ЛХ, П) | 33 | 2.9±0.2 | 79.6±5.9 | 24.5±3.3 | 2.6±0.4 | 0.1±0.01 | 2944 ±365 | 2345 ±279 |
| Урбанозем (г. Казань, УБФ) | 24 | 4.2±0.6 | 93.7±9.9 | 13.4±1.1 | 1.2±0.3 | 0.1±0.01 | 3289 ±205 | 6310 ±1508 |
| Серая лесная (Верхнеуслонский, Л) | 14 | 4.3±0.6 | 47.5±6.3 | 8.5±1.0 | 0.5±0.2 | 0.2±0.01 | 2328 ±348 | 2281 ±405 |
| Чернозем выщелоченный (Альметьевский, Л) | 12 | 5.3±0.6 | 78.4±10.9 | 12.4±1.2 | 0.5±0.1 | 0.1±0.01 | 3488 ±416 | 3400 ±476 |
| Дерново-карбонатная типичная смытая (Бугульминский, Л) | 8 | 6.7±0.9 | 202.9±42.0 | 13.5±2.9 | 1.0±0.2 | 0.1±0.01 | 3464 ±473 | 3014 ±511 |
| Аллювиальная дерновая (Пестречинский, Л) | 14 | 2.4±0.3 | 48.3±5.7 | 6.4±0.8 | 0.1±0.01 | 0.02±0.01 | 7271 ±888 | 3839 ±423 |
| Дерново-подзолистая смытая (Пестречинский, ЛШ) | 7 | 2.0±0.3 | 73.7±12.6 | 12.6±2.4 | 0.3±0.1 | 0.2±0.00 | 10846 ±5441 | 4011 ±869 |
| Чернозем типичный (Бугульминский р-н, Л) | 13 | 3.9±0.5 | 101.2±18.3 | 7.7±0.8 | 0.2±0.01 | 0.03±0.00 | 6706 ±392 | 4249 ±431 |
| Светло-серая лесная (Зеленодольский р-н, Л) | 27 | 2.8±0.3 | 57.1±6.0 | 16.4±1.7 | 5.6±0.4 | 1.1±0.1 | 2516 ±191 | 1884 ±174 |
Примечание. Л – луговой фитоценоз, ЛХ – лес хвойный, ЛШ – лес широколиственный, П – прогалина, УБФ – урбофитоценоз.
Как следует из полученных результатов, наибольшим содержанием Cu и Fe отличаются растения на дерново-карбонатной типичной почве в Бугульминском районе, Zn – растения на дерново-подзолистой почве в Зеленодольском районе, Pb и Cd – растения на светло-серой лесной почве в Зеленодольском районе, K – растения на дерново-подзолистой смытой в Пестречинском районе, а Ca – растения на урбаноземах в Казани.
Расчет критерия Краскела-Уоллиса указывает на значимость различий по содержанию всех элементов между растениями, произраставших на разных типах почв (р<0.00001).
В таблице 5 приведены значения выборочного среднего и медианные значения содержания изученных металлов в дикорастущих растениях.
Таблица 5
Региональное фоновое содержание биофильных элементов и тяжелых металлов
в дикорастущих растениях
| РТ (n=160) | |||||||
| Cu | Fe | Zn | Pb | Cd | K | Ca | |
| Среднее выборочное | |||||||
| В золе, мг/кг | 61.2±3.1 | 1246±63 | 257.3±20 | 35.2±4.8 | 5.5±0.9 | 59938 ±2430 | 46443 ±2499 |
| В сухом веществе, мг/кг | 3.6±0.2 | 79.7±4.4 | 14.4±0.9 | 2.0±0.1 | 0.3±0.01 | 4192 ±237 | 3416 ±274 |
| Медиана | |||||||
| В золе, мг/кг | 55.9 | 1013 | 161.1 | 9.7 | 1.1 | 51013 | 41169 |
| В сухом веществе, мг/кг | 3.0 | 63.5 | 10.8 | 0.7 | 0.1 | 3317 | 2759 |
| Западное Предкамье (n=113) | |||||||
| Cu | Fe | Zn | Pb | Cd | K | Ca | |
| Среднее выборочное | |||||||
| В золе, мг/кг | 58.5±3.6 | 1175±65 | 284±24 | 42.8±5.9 | 6.9±1.24 | 58096 ±2816 | 46283 ±3023 |
| В сухом веществе, мг/кг | 3.1±0.2 | 69.8±3.4 | 15.3±1.1 | 2.2±0.3 | 0.4±0.04 | 4047 ±283 | 3358 ±338 |
| Медиана | |||||||
| В золе, мг/кг | 48.5 | 988 | 178 | 16.0 | 1.1 | 49086 | 39302 |
| В сухом веществе, мг/кг | 2.6 | 62.5 | 12.6 | 1.2 | 0.1 | 3307 | 2526 |
| Восточное Закамье (n=33) | |||||||
| Cu | Fe | Zn | Pb | Cd | K | Ca | |
| Среднее выборочное | |||||||
| В золе, мг/кг | 71.8±5.3 | 1520±169 | 154±15.1 | 7.1±1.1 | 1.0±0.1 | 67026 ±4489 | 47058 ±3460 |
| В сухом веществе, мг/кг | 5.1±0.4 | 117.6±15.3 | 10.8±0.9 | 0.5±0.04 | 0.1±0.01 | 4750 ±366 | 3641 ±279 |
| Медиана | |||||||
| В золе, мг/кг | 75.4 | 1321 | 138 | 4.5 | 0.9 | 62208 | 48112 |
| В сухом веществе, мг/кг | 5.4 | 83.8 | 9.8 | 0.3 | 0.1 | 4757 | 3632 |
Показано, что для большей части элементов региональный фон ниже, либо существенно не превышает среднего уровня содержания элементов в наземной растительности мира (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989; Ильин, 1991; Добровольский, 2003; Лархер, 1978). Zn и Cu в растениях большинства исследованных площадок содержатся в недостаточном или дефицитном количестве. Региональный фон Fe близок к нижней границе среднепланетарных значений (Добровольский, 1983; Ильин, 1991; Битюцкий, 2005). Фоновое содержание К и Са оказалось ниже среднепланетарных значений, содержание Pb и Cd соответствует им.
Полученные данные по концентрации Cu в растениях Закамья согласуются с литературными данными по содержанию Cu в растительности Закамья РТ (Валеева, 2004; Иванова, 2008), но по содержанию Zn, Pb и Cd оказались ниже. Содержание Pb и Cd в растениях Закамья согласуется с данными Р.Г. Ильязова (2006), а содержание Pb в растениях Предкамья – с данными Д.В. Иванова (1997).
Региональный фон Cu, Fe, K и Ca в растениях Закамья выше, чем в растениях Предкамья, а содержание Zn, Pb и Сd ниже вследствие повышенного содержания биофильных элементов в почве Закамья при сравнении с почвами Предкамья.
3.2.2. Межвидовые особенности содержания биофильных элементов и тяжелых металлов в дикорастущих растениях
Отражением физиологических процессов, протекающих в растительном организме, является наличие определенных взаимосвязей в аккумуляции различных элементов между собой. Корреляционный анализ данных по содержанию металлов в дикорастущих растениях выявил антагонизм между содержанием K и Ca, с одной стороны, и Pb и Cd, с другой (табл. 6).
Са, наряду с Р и Mg – главный антагонистический элемент в отношении поглощения многих микроэлементов (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989), существенно снижающий поглощение Cd корнями разных видов растений (Jarvis et al., 1976; Kawasaki, Moritsugu, 1987; Jensen, 1997). Pb и Cd в большинстве случаев также тормозят поглощение как катионов, так и анионов (Серегин, Иванов, 2001). Корреляционный анализ показал наличие синергических взаимодействий в растениях между различными элементами – Cu и Fe, Cu и Zn, Zn и Pb, Pb и Cd. При комбинированном действии Cd и Pb чаще наблюдается синергизм и редко антагонизм (Серегин, Иванов, 2001).
Таблица 6
Коэффициенты корреляции (r) между содержанием элементов в дикорастущих растениях (n=160)
| Cu | Fe | Zn | Pb | Cd | K | Ca | |
| Cu | 0.51 | 0.23 | -0.10 | -0.04 | 0.00 | 0.21 | |
| Fe | 0.51 | 0.07 | -0.11 | -0.15 | 0.08 | 0.21 | |
| Zn | 0.23 | 0.07 | 0.25 | 0.16 | -0.03 | 0.04 | |
| Pb | -0.10 | -0.11 | 0.25 | 0.45 | -0.27 | -0.07 | |
| Cd | -0.04 | -0.15 | 0.16 | 0.45 | -0.18 | -0.20 | |
| K | 0.00 | 0.08 | -0.03 | -0.27 | -0.18 | 0.19 | |
| Ca | 0.21 | 0.21 | 0.04 | -0.07 | -0.20 | 0.19 |
Примечание. Выделенные жирным шрифтом коэффициенты корреляции значимы при р<0.05.
Известно, что на аккумуляцию химических элементов растениями влияет целый комплекс факторов (Ильин, 1985, 1991). Важнейшие среди них – видовые особенности растений (Шильников, 1994; Cheng, 2003; Eriksson, 1990). Сравнительный анализ данных по содержанию элементов в растениях указывает на значительную вариабельность этого показателя в различных видах растений. Концентрация Cu в растениях разных видов отличается в 31 раз, Fe – в 28 раз, Zn – в 62 раза, Pb в 1659 раз, Cd – в 1764 раза, K – в 21 раз, Ca – в 380 раз (табл. 7). Значительная вариабельность содержания металлов прослеживается и в пределах одной пробной площадки: в растениях некоторых площадок коэффициент вариации (Cv) содержания Cu достигает 75%, Fe и Zn – 65%, Pb – 147%, Cd – 195%, K – 63%, Ca – 98%. Следовательно, накопление элемента в растениях разных видов зависит от специфики протекающих в растительном организме биохимических процессов, позволяющих регулировать его количество даже при одинаковой концентрации в почве. Неодинаковое накопление элементов является результатом избирательного их поглощения растениями, количественной характеристикой которого является величина КБП.
Таблица 7
Минимальные и максимальные значения содержания биофильных элементов и тяжелых металлов в дикорастущих растениях
| Элемент | Содержание, мг/кг сухого веса | Вид | Район | № ПП | |
| Cu | min | 0.39±0.01 | Полевица тонкая (Agrostis tenuis) | Зеленодольский | 2 |
| max | 12.12±0.01 | Полынь обыкновенная (Artemisia vulgaris) | г. Казань | 11 | |
| Fe | min | 16.05±0.01 | Щавель конский (Rumex confertus) | Пестречинский | 12 |
| max | 456±0.05 | Тимьян ползучий (Thymus serpyllum) | Бугульминский | 10 | |
| Zn | min | 1.82±0.03 | Щавель конский (Rumex confertus) | Пестречинский | 12 |
| max | 113±0.08 | Чистотел большой (Chelidonium majus) | Зеленодольский | 6 | |
| Pb | min | 0.02±0.01 | Синяк обыкновенный (Echium vulgare) | Пестречинский | 12 |
| max | 33.17±0.01 | Вьюнок полевой (Convolvulvus arvensis) | Зеленодольский | 1 | |
| Cd | min | 0.003±0.001 | Цикорий обыкновенный (Cichorium intybus) | г. Казань | 7 |
| max | 4.41±0.08 | Вьюнок полевой (Convolvulvus arvensis) | Зеленодольский | 1 | |
| K | min | 736±0.05 | Брусника (Vaccinium vitis-idaea) | Зеленодольский | 4 |
| max | 15493±0.02 | Щитовник мужской (Dryopteris filix-mas) | Мамадышский | 15 | |
| Ca | min | 98.91±0.02 | Вейник наземный (Calamagrostis epigeios) | Зеленодольский | 1 |
| max | 37571±0.07 | Лопух паутинистый (Arctium tomentosum) | г. Казань | 7 | |
В соответствии с классификацией А.И. Перельмана (1975) при КБП>1 элементы накапливаются в растениях, а при КБП<1 только захватываются. Следовательно, растения с КБП>1 можно отнести к концентраторам, а с КБП<1 – деконцентраторам. По величине КБП исследуемые элементы можно расположить в следующем порядке: Zn (32.5) > Cu (22.3) > Cd (20.5) > Pb (9.9) > Fe (0.4). В соответствии со шкалой И.А. Авессаломовой (1987) к элементам энергичного накопления (КБП>10) относятся Zn, Cu, Cd, к элементам сильного накопления (10>КБП1) – Pb, к элементам слабого накопления и слабого захвата (1>КБП0.1) – Fe.
Виды с КБП>100 были отнесены к интенсивным концентраторам элементов. Интенсивными концентраторами Cu являются черника, брусника, костяника, земляника; деконцентраторами – вейник наземный, хвощ лесной, копытень европейский. Концентраторы Zn – земляника лесная, брусника, вейник лесной; деконцентраторы Zn не обнаружены. Концентраторы Pb – зверобой продырявленный, вьюнок полевой, земляника лесная; деконцентраторы – цикорий обыкновенный, трехреберник непахучий, синяк обыкновенный и др. Концентраторы Cd – тысячелистник обыкновенный, ландыш майский, зверобой продырявленный; деконцентраторы – бедренец камнеломка, лопух паутинистый, марь белая. Интенсивных концентраторов Fe среди исследованных растений не обнаружено – 85% проб растений относятся к деконцентраторам. Возможно, это обусловлено преобладанием в почве труднодоступных форм железа для растений.
Обнаружить влияние внешних факторов на содержание металлов в растениях позволило сравнение концентраций металлов в растениях видов, встречающихся в нескольких биотопах. Среди 90 исследуемых видов растений 42 вида встречались на разных пробных площадках. Содержание некоторых металлов в растениях одних и тех же видов, произраставших на нескольких площадках, значительно отличалось, в то время как в растениях других видов оставалось практически одинаковым. Например, содержание Pb в растениях вьюнка полевого (Convolvulvus arvensis) на разных пробных площадках отличалось в 369 раз, а в растениях земляники зеленой (Fragaria viridis), трехреберника продырявленного (Tripleurospermum perforatum) и копытня европейского (Asarum europaeum), также произраставших на нескольких пробных площадках, значительно не различалось. Содержание Cd в растениях вьюнка полевого (Convolvulvus arvensis) различалось в 882 раза, а в растениях трехреберника продырявленного (Tripleurospermum perforatum), пролесника многолетнего (Mercurialis perennis), иван-чая узколистного (Chamerion angustifolium), зверобоя продырявленного (Hypericum perforatum), вероники широколистной (Veronica teucrium), таволги обыкновенной (Filipendula vulgaris), свербиги восточной (Bunias orientalis), подмаренника душистого (Galium odoratum) оставалось одинаковым.
Cледует отметить, что трехреберник продырявленный (Tripleurospermum perforatum) и подмаренник душистый (Galium odoratum) на всех пробных площадках по содержанию всех элементов за исключением Fe и K для трехреберника (Tripleurospermum perforatum) и Pb – для подмаренника (Galium odoratum), практически не отличались.
Такое значительное варьирование уровней содержания металлов в растениях одного вида свидетельствует о влиянии на процесс аккумуляции не только биологических особенностей, но и внешних факторов, в том числе эдафических, которые будут рассмотрены ниже.
3.2.3. Оценка экологической безопасности дикорастущих растений по содержанию в них тяжелых металлов
Содержание тяжелых металлов в дикорастущих растениях, как источнике лекарственного растительного сырья, является важнейшим показателем биологического и гигиенического качества растений. Для оценки безопасности дикорастущих растений для здоровья человека данные по концентрации тяжелых металлов сравнивали со значениями ПДК нормируемых элементов: Pb (6 мг/кг) и Cd (1 мг/кг) (СанПин 2.3.2.1078-01). При этом было обнаружено превышение уровней ПДК Pb и Cd в некоторых растениях Зеленодольского района. Значительное превышение ПДК Pb обнаружено в растениях вьюнка полевого (Convolvulvus arvensis) (33.2 мг/кг) – в 5.5 раза. В растениях нивяника обыкновенного (Leucanthemum ircutianum) (12.0 мг/кг), зверобоя продырявленного (Hypericum perforatum) (12.7 мг/кг) и лапчатки серебристой (Potentilla argentea) (12.6 мг/кг) превышение ПДК Pb составило в 2 раза, в растениях вейника наземного (Calamagrostis epigeios) (18.5 мг/кг) – в 3.1 раз (ПП №1). В растениях площадки №2 в Зеленодольском районе обнаружено превышение ПДК Pb в растениях земляники лесной (Fragaria vesca) (11.5 мг/кг) в 1.9 раз. Обнаружено превышение ПДК Pb в 1.2 раза в растениях линнеи северной (Linnaea borealis) (7.4 мг/кг), произраставших на ПП №3 в хвойном лесу в Зеленодольском районе.
Содержание Cd в некоторых растениях Зеленодольского района также превышало ПДК. В растениях мать-и-мачехи обыкновенной (Tussilago farfara) и крестовника Якова (Senecio jacobaea) содержание Cd было выше ПДК в 1.3 раз, в растениях бедренец-камнеломки (Pimpinella saxifraga), льнянки (Linaria vulgaris), подмаренника мягкого (Galium mollugo) в 1.2, 1.5 и 1.6 раза, соответственно. В растениях полевицы (Agrostis tenuis) концентрация Cd превышала ПДК в 2.3 раза, в растениях земляники лесной и вьюнка в 4.1 и 4.4 раза соответственно. В растениях прогалины в хвойном лесу превышение концентраций Cd выявлено в растениях тысячелистника (Achillea millefolium) и ландыша (Convallaria majalis) в 1.3 и в 2.0 раза.
Во всех вышеперечисленных видах растений обнаружено также значительное превышение МДУ Pb (5 мг/кг) и Cd (0,3 мг/кг) в кормах: до 6.6 раз свинца и до 14.6 раз кадмия (СанПин 2.1.7.573-96).
Концентрация Pb и Cd в растениях остальных исследованных площадок, в том числе в урбофитоценозах, оказалась значительно ниже ПДК в пищевых продуктах и МДУ в кормах. Высокие уровни содержания Pb и Cd в растениях Зеленодольского района могут быть обусловлены повышенным региональным фоном Pb и Cd в почвах Предкамья (Иванов и др., 1994; Григорьян и др., 1994). Кроме того, они могут свидетельствовать и об аэротехногенном поступлении этих металлов. Господствующими направлениями ветра в регионе являются южное и юго-западное, в летний период увеличивается повторяемость западных и северо-западных ветров (Климат …, 1983). Местоположение пробных площадок в Зеленодольском районе попадает под воздействие выбросов крупных предприятий г. Зеленодольска, а при смене направления ветра - предприятий г. Казани. В частности, работами А.Р. Валетдинова с соавторами (2007, 2008) выявлен повышенный уровень загрязнения тяжелыми металлами снежного покрова указанных территорий.
Несмотря на повышенное содержание как валовых, так и подвижных форм Cu, Zn и Pb в почвах урбофитоценозов, содержание этих элементов в растениях не превышает фоновых. В условиях нейтрального рН почвенного раствора растворимость большинства ионов металлов ограничена вследствие их седиментации или в результате связывания с оксидами, гидроксидами, карбонатами или фосфатами, глинистыми минералами или органическим веществом (Markiewicz-Patkowska, 2005). Таким образом, отсутствие превышения ПДК металлов в растениях урбофитоценозов может быть обусловлено слабощелочной реакцией их почв, наличием карбонатов, и, следовательно, слабой подвижностью микроэлементов.
В целом региональное фоновое содержание нормируемых элементов в дикорастущих растениях не превышает ПДК в продуктах питания и МДУ в кормах. По результатам наших исследований экологически безопасными по содержанию тяжелых металлов Pb и Сd являются исследованные дикорастущие растения в Верхнеуслонском, Пестречинском, Мамадышском, Бугульминском и Альметьевском районах.
3.2.4. Аккумуляция биофильных элементов и тяжелых металлов в различных органах дикорастущих растений
В растениях имеется корневой барьер, препятствующий транслокации тяжелых металлов в надземные органы (Ягодин, Говорина, 1995; Ramos et al., 2002). Для обнаружения наличия корневого барьера в исследуемых растениях был рассчитан коэффициент корневого барьера Ккб (Плеханова, 2007). Значения данного коэффициента выше единицы указывают на наличие корневого барьера при поглощении элементов растениями. В наших исследованиях мы получили противоречивые результаты. Единственный элемент, для поступления которого характерен барьерный тип, это Fe. Аккумуляция его в корнях наблюдалась у 81 % исследованных растений. Около половины исследованных растений (49 %) аккумулировали Cu в надземных органах. Zn накапливался в надземной части у 62 % растений, Pb и Cd – у 48 % и 41 % растений. К и Ca преимущественно накапливались также в надземных органах – у 92 % и 78 % растений соответственно. Данные, описывающие преимущественное накопление биофильных элементов в надземных частях растения встречаются и в литературе (Дибирова, Ахмедова, 2005; Стрекалова, 2007; Денисова, 2006).
Отсутствие корневого барьера при поглощении Cu и Zn большинством исследованных растений, возможно, связано с недостаточным содержанием этих элементов в почве.
В связи с тем, что у некоторых лекарственных растений терапевтическим эффектом обладают только определенные органы, в работе исследовалось распределение элементов по органам растений. На рисунках 1–3 приведены данные по содержанию элементов в различных органах растений, из которых видно, что наибольшим содержанием Cu, Zn, Pb и Cd отличаются генеративные органы большинства изученных растений, Fe – корни. Стебли выполняют функции проводящих путей, поэтому в них происходит наименьшее накопление микроэлементов. Аккумуляция Zn в генеративных органах обусловлена тем, что Zn играет важную роль в формировании генеративных органов и плодоношении (Школьник, 1974). K преимущественно аккумулируется в цветах и листьях, Ca - в листьях.
Дикорастущие растения были отобраны с пробных площадок в трех регионах, различающихся по уровню техногенной нагрузки (техногенная нагрузка оценивалась по «Карте экологической ситуации РТ» (1994) и по «Карте предрасположенности территории РТ к проявлению неблагоприятных ситуаций» (2002)): в пригородной зоне Казани и Зеленодольска (Казанско-Зеленодольский промышленный регион), на территории Восточного Закамья (нефтедобывающей регион) и на территориях, значительно удаленных от воздействия промышленных выбросов (фон).
Распределение всех элементов, за исключением Pb и Cd, по органам в растениях регионов с различной техногенной нагрузкой значительно не отличается. Следует отметить, что в растениях фоновых территорий содержание Pb и Cd в корнях превышает содержание этих элементов в генеративных органах. Pb и Cd в условиях Казанско-Зеленодольского промышленного и нефтедобывающего регионов аккумулируются преимущественно в генеративных органах. Возможно, такое распределение Pb и Cd по органам растений в пригородной зоне промышленного региона обусловлено аэральным их поступлением.
Расчет критерия Краскела-Уоллиса указывает на значимость различий по содержанию всех элементов (р<0.0001) между органами дикорастущих растений за исключением Сd.
Рис. 1. Распределение микроэлементов по органам дикорастущих растений, мг/кг сухого веса
Рис. 2. Распределение Pb и Cd по органам дикорастущих растений, мг/кг сухого веса
Рис. 3. Распределение макроэлементов по органам дикорастущих растений,
мг/кг сухого веса
3.2.5. Эдафические и фитоценотические факторы накопления биофильных элементов и тяжелых металлов дикорастущими растениями
Одним из факторов, определяющих характер аккумуляции металлов растениями, является содержание их подвижных форм в почве. Однако некоторыми авторами обнаружено, что содержание микроэлементов в растениях не зависит от содержания их подвижных форм в почве (Шихова, 1997; Старова, 1998, 2003; Валеева, 2004) или связь их не проявляется при статистическом анализе.
Корреляционный анализ данных по содержанию металлов в растениях и почвах показал наличие значимой положительной зависимости между содержанием Zn, Pb, Cd, K и Ca в растениях и содержанием подвижных форм этих элементов в почве (табл. 8). Между содержанием Zn, Pb и Cd в растении и содержанием в почве K и Ca обнаружена значимая отрицательная связь. В главе 3.2.2 (табл. 6) было показано наличие антагонизма между содержанием в растениях К и Са с одной стороны, и Pb и Cd, с другой. Следовательно, повышенное содержание K в почве также как и Ca оказывает ингибирующее влияние на транслокацию в растения некоторых металлов, и, что особенно важно, опасных токсикантов – Pb и Cd.
Выявленная нами особенность почвенного K снижать поступление микроэлементов в растения подтверждается некоторыми литературными данными, согласно которым повышенное содержание К в среде приводит к снижению коэффициентов накопления Cu, Zn и Cd (Суслина, Анисимова и др., 2006), а также к снижению поступления Pb в растения (Chen, 2007).
Таблица 8
Коэффициенты корреляции (rS) между содержанием биофильных элементов и тяжелых металлов в растениях и концентрацией их подвижных форм в почве (n=160)
| Содержание подвижных форм элементов в почве | ||||||||
| Cu | Fe | Zn | Pb | Cd | K | Ca | ||
| Содержание элементов в растениях | Cu | 0.03 | -0.31 | -0.16 | -0.05 | 0.01 | 0.10 | 0.18 |
| Fe | -0.05 | -0.09 | -0.18 | 0.04 | -0.19 | 0.01 | 0.14 | |
| Zn | 0.03 | 0.29 | 0.24 | 0.37 | 0.08 | -0.40 | -0.40 | |
| Pb | -0.21 | 0.37 | 0.33 | 0.63 | 0.12 | -0.68 | -0.61 | |
| Cd | -0.31 | 0.11 | 0.43 | 0.32 | 0.71 | -0.37 | -0.53 | |
| K | -0.003 | -0.21 | -0.28 | -0.46 | -0.14 | 0.40 | 0.47 | |
| Ca | 0.18 | -0.27 | -0.19 | -0.18 | -0.15 | 0.22 | 0.32 | |
Примечание. Выделенные жирным шрифтом коэффициенты корреляции значимы при р<0.05.
Выявлена значимая (р<0.05) отрицательная корреляция между содержанием в почве гумуса и содержанием Zn ( rS=-0.71) и Pb (rS=-0.65) в растениях. Коэффициент корреляции между величиной рН и содержанием элементов в растениях также указывает на наличие значимой (р<0.05) отрицательной зависимости между этими показателями для Zn, Pb, Cd, но менее выраженной (rS=-0.27, rS=-0.31, rS=-0.35 соответственно). Обнаруженные особенности подтверждают вышеописанные закономерности о преимущественном влиянии органического вещества на подвижность Pb в почве, и, соответственно, на доступность его растениям.
Интенсивность поступления химических элементов в растения из почвы отражают коэффициенты накопления. По величине коэффициента накопления растениями биофильные элементы и тяжелые металлы можно расположить в ряд: K (144.1) > Cu (124.9) > Zn (34.7) > Fe (22.4) > Ca (6.7) > Pb = Cd (2.6).
Величины коэффициентов накопления (КН) Cu изменялись в диапазоне от 0.3 для свербиги восточной (Bunias orientalis) до 940.0 для бодяка щетинистого (Cirsium setosum ); КН Fe – от 0.2 для ландыша майского (Convollaria majalis) до 668.7 для тимьяна ползучего (Thymus serpyllum); КН Zn – от 0.5 для свербиги восточной (Bunias orientalis) до 390.4 для цикория обыкновенного (Cichorium intybus); КН Pb – от 0.01 для цикория обыкновенного (Cichorium intybus) и трехреберника продырявленного (Tripleurospermum perforatum) до 16.2 для вьюнка полевого (Convolvulus arvensis); КН Cd – от 0.06 для цикория обыкновенного (Cichorium intybus) до 81.5 для ландыша майского (Convollaria majalis); КН K – от 5.7 для ковыля перистого (Stippa pennata) до 2864 для люпина многолистного (Lupinus polyphyllus); КН Ca – от 0.03 для ежи сборной (Dactylis glomerata) до 79.4 для черноголовки обыкновенной (Prunella vulgaris).
Луговые растения отличаются интенсивным накоплением Cu, Fe и Zn, растения хвойных лесов – Pb, а растения прогалины – Cd, K и Ca. Наименьшая интенсивность аккумуляции Cu, Zn, Pb, Cd и K характерна для растений урбофитоценозов.
Высокая вариабельность коэффициентов накопления свидетельствует об изменчивости почвенных условий произрастания растений. Различие между величинами КН биофильных элементов и тяжелых металлов более чем на порядок указывает на предпочтительное поглощение жизненно необходимых элементов по сравнению с токсикантами. Таким образом, наиболее высокая степень накопления в растительности свойственна элементам с низким региональным фоном. В условиях малого содержания элемента в почве, растение поглощает все имеющееся количество доступных для него форм этого элемента (Ивлев, 1986).
Анализ средневидовых величин содержания элементов в растениях различных типов фитоценозов показал, что наименьшими концентрациями Cu и Pb отличаются растения широколиственных лесов. Растения этих же биотопов характеризуются и высоким содержанием К. Следует отметить также, что растениям широколиственного леса свойственно высокое значение зольности – 13.2 %. Самые низкие значения зольности наблюдаются в растениях хвойного леса – 4.5 %. Эти особенности подтверждаются литературными данными (Перельман, 1975). Растения урбофитоценозов отличаются более высоким содержанием Cu, Fe и Ca, а также занимают второе место по зольности – 8.5 %. Для растений, произраставших в луговых фитоценозах, характерно повышенное содержание Cu. Наибольшее содержание Zn обнаружено в растениях прогалины в хвойном лесу, а Pb – в растениях луговых фитоценозов в Зеленодольском районе.
3.2.6. Аккумуляция биофильных элементов и тяжелых металлов дикорастущими растениями в зависимости от типов адаптивных стратегий
Известно, что в зависимости от условий и адаптивных способностей растений изменяется их химический состав. В связи с этим мы предположили, что содержание химических элементов в растениях определенным образом связано с их типами стратегий адаптации. За основу была выбрана классификация типов адаптивных стратегий растений Раменского-Грайма.
Среди исследованных дикорастущих растений были выявлены следующие типы адаптивных стратегий: С – конкурентый; R – рудеральный; S – стресс-толерантный; CR – тип стратегии с сочетанием свойств конкурентности и рудеральности; CS – тип стратегии с сочетанием свойств конкурентности и стресс-толерантности; CSR – тип стратегии с сочетанием свойств первичных типов стратегий. Преобладающим типом стратегии является конкурентный тип (n=54), второе место занимают виды со стратегией CSR (n=32) и третье – виды со стратегией CS (n=24).
Расчет критерия Краскела-Уоллиса показал значимость различий по содержанию металлов между растениями разных типов адаптивных стратегий только для Zn (p=0.02). Следовательно, об особенностях аккумуляции остальных элементов растениями различных типов адаптивных стратегий можно говорить лишь как о тенденции. Одним из критериев дифференциации растений по типам адаптивных стратегий является перераспределение материально-энергетических ресурсов между процессами воспроизведения и поддержанием активности воспроизводящей особи (Усманов и др., 2001). Zn играет важную роль в формировании генеративных органов и плодоношении растений (Школьник, 1974), а также имеет прямое влияние на процессы роста (Чернавина, 1970), следовательно, растения различных типов адаптивных стратегий проявляют избирательность в накоплении этого элемента.
Рис. 4. Содержание Zn в растениях различных типов адаптивных стратегий, мг/кг сухого веса
Большее содержание Cu, Zn, Pb свойственно для растений с типами стратегий СR/CSR и CSR, Cd – для CR, а K и Ca – для S. Растения стресс-толеранты отличаются высоким значением зольности. В литературе (Пьянков и др., 2001б; Юмагулова, 2007) имеются сведения о том, что в ряду SRC уменьшается показатель зольности, а в ряду RCS увеличивается содержание микроэлементов и уменьшается количество растворимых сахаров. При исключении промежуточных типов стратегий по показателю зольности наши данные совпадают с литературными (Пьянков и др., 2001б; Юмагулова, 2007): S (9.3%)R (7.7%)C (7.1%), а по металлам тенденция прослеживается для Cu, Zn, Pb и Ca:
Cu, мг/кг: R (3.0)C (3.4)S (3.6); Zn, мг/кг: R (11.1)C (12.4)S (15.0);
Pb, мг/кг: R (0.4)C (1.4)S (1.6); Ca, мг/кг: R (2711)C (3775)S (4844).
Таким образом, несмотря на то, что продуктивность стресс-толерантов, по Грайму (Grime, 1974; Grime, 2001), ограничена вследствие низкой скорости роста из-за обитания в условиях стресса, доля участия зольных элементов в создании органического вещества у них выше, чем у конкурентов.
Растения промежуточных типов стратегий проявили тенденцию к более интенсивной аккумуляции некоторых элементов. Известно (Миркин, 2005), что в многовидовых сообществах, характеризующихся высокой фитоценотической сомкнутостью, растения занимают более узкое положение на оси эдафического фактора. Выше было отмечено, что исследованные экосистемы характеризуются преобладанием видов растений с конкурентным типом стратегии. В этих условиях виды с высокой способностью к дифференциации ниш, к которым можно отнести виды со стратегиями CR, CR/CSR, CSR, начинают более интенсивно использовать оставшиеся на их долю ресурсы, и, соответственно, интенсивнее накапливать химические элементы.
Поскольку влажность почвы является одним из факторов, обеспечивающих поступление химических элементов из почвы в растения, в работе изучалось содержание элементов в растениях с различной способностью регулировать водный обмен. Среди исследуемых дикорастущих растений были идентифицированы следующие экологические группы: мезофиты (n=136), ксерофиты (n=18), мезогигрофиты (n=4).
Расчет критерия Краскела-Уоллиса показал значимость различий по содержанию элементов между растениями разных экологических групп только для Fe, Zn, Cd, К и Ca (р<0.001).
Как следует из таблицы 9, мезогигрофиты отличаются минимальным содержанием элементов (кроме Fe), мезофиты – максимальным.
Таблица 9
Содержание металлов в растениях различных экологических групп,
мг/кг сухого веса
| Экологические группы растений | Cu | Fe | Zn | Pb | Cd | K | Ca |
| Мезофиты (n=136) | 3.6±0.2 | 77.8±3.9 | 15.1±1.0 | 1.9±0.2 | 0.4±0.01 | 4306±259 | 3630±313 |
| Ксерофиты (n=18) | 3.7±0.6 | 104.4±24.1 | 11.4±1.8 | 1.8±0.1 | 0.1±0.02 | 3770±636 | 2296±343 |
| Мезогигрофиты (n=4) | 1.9±0.4 | 30.4±5.4 | 6.3±1.8 | 1.6±0.4 | 0.01±0.01 | 2895±481 | 1897±137 |
Минеральные соединения переносятся главным образом с восходящим током воды. Скорость восходящего водного тока в растении связана с испаряющей деятельностью надземных органов (Жолкевич и др., 1989). Отсюда можно предположить, что растения с повышенным уровнем транспирации накапливают элементы в большем количестве. Согласно нашим данным эта закономерность прослеживается для мезофитов, отличающихся большей интенсивностью транспирации при сравнении с ксерофитами. Мезогигрофиты, характеризующиеся максимальной интенсивностью транспирации по сравнению с остальными группами растений, отличаются меньшим содержанием элементов. Это может быть связано как с недостатком их численности, особенностями эдафических условий, т.е. уровнем увлажнения в момент сбора растений, а также биологическими особенностями видов-мезогигрофитов. К мезогигрофитам были отнесены черника (Vaccinium myrtillus) и щавель конский (Rumex confertus). Черника на всех пробных площадках отличалась минимальным содержанием элементов по сравнению с остальными видами на этих же пробных площадках. А щавель конский – вид, для которого свойственно минимальное содержание Fe и Zn, а также низкое содержание остальных элементов. Таким образом, в условиях малой выборки группы мезогигрофитов низкое содержание элементов в них обусловлено скорее биологическими особенностями видов.
ВЫВОДЫ
1. Фоновые концентрации большинства металлов в дикорастущих растениях РТ ниже среднего уровня содержания элементов в наземной растительности мира. Региональный фон нормируемых элементов значительно ниже ПДК в пищевых продуктах и МДУ в кормах. По фоновому содержанию металлов в растениях построен следующий ряд (мг/кг сухого веса): К (3317) > Са (2759) > Fe (63.5) > Zn (10.8) > Cu (3.0) > Pb (0.7) > Cd (0.1).
2. Изученные виды травянистых растений обладают различной способностью накапливать отдельные микроэлементы. Преобладающая часть исследованных растений является концентраторами Cu, Zn, Pb и Cd (KБП>1) и деконцентраторами Fe (КБП<1). Интенсивными концентраторами Cu, Fe и Cd являются черника и брусника, Cu, Fe и Zn – костяника, Pb – брусника.
3. В дикорастущих лекарственных растениях локального участка в Зеленодольском районе РТ повышено содержание нормируемых элементов. Интенсивно аккумулирующими Pb (2.0-5.5 ПДК) видами являются нивяник иркутский, зверобой продырявленный, лапчатка серебристая, вейник наземный, вьюнок полевой. Накопителями Cd (1.3-4.4 ПДК) являются мать-и-мачеха обыкновенная, льнянка обыкновенная, подмаренник мягкий, полевица тонкая, земляника лесная, вьюнок полевой.
4. Органоспецифичность Pb и Cd зависит от уровня техногенной нагрузки на территорию: при ее отсутствии Pb и Cd накапливаются в корневой системе, в условиях техногенной нагрузки – в генеративных органах. Fe отличается акропетальным распределением, Cu и Zn преимущественно накапливаются в генеративных органах, К – в генеративных органах и листьях, Са – в листьях.
5. Специфичность аккумуляции металлов дикорастущими растениями определяется фитоценотическими условиями произрастания: растения широколиственных лесов преимущественно накапливают K, луговые растения – Cu, растения прогалины в лесу – Zn, растения урбофитоценозов – Cu, Fe, Ca.
6. Исследованные почвы отличаются низкой обеспеченностью подвижными формами Cu и Zn. Содержание Zn, Pb, Cd, K, Ca в растениях положительно коррелирует с содержанием их подвижных форм в почве. С увеличением содержания в почве К и Са, органического вещества и понижением кислотности почвы снижается доступность Zn, Pb и Cd для растений.
7. Содержание Zn в растениях сопряжено с типом их адаптивной стратегии по Раменскому-Грайму. Растения промежуточных типов стратегий склонны к более интенсивной аккумуляции Zn, Cu, Pb, Cd. Содержание Zn, Cd, К, Ca в растениях снижается в ряду: мезофиты ксерофиты мезогигрофиты, Fe – в ряду ксерофиты мезофиты мезогигрофиты.
СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
- Сибгатуллина, М.Ш. Особенности транслокации тяжелых металлов в растения в зависимости от типа экологической стратегии [Текст] / М.Ш. Сибгатуллина // Материалы XIV Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Ломоносов". – М.: СП "Мысль", 2007. – Том I. – С. 163.
- Сибгатуллина, М.Ш. Оценка загруженности поллютантами лекарственных растений в пригородной зоне г. Казани [Текст] / М.Ш. Сибгатуллина, А.А. Зялалов // Материалы 7-й Международной научной конференции "Сахаровские чтения 2007 года: экологические проблемы XXI века". – Минск: МГЭУ им. А.Д. Сахарова, 2007. – С. 109.
- Сибгатуллина, М.Ш. Стратегии адаптации ряда лекарственных растений Республики Татарстан [Текст] / М.Ш. Сибгатуллина // Материалы всероссийской научно-технической конференции "Автотранспортный комплекс - проблемы и перспективы, экологическая безопасность". – Пермь: Изд-во Перм. гос.-тех. ун-та, 2007. – С. 368-371.
- Сибгатуллина, М.Ш. Видовые особенности и эдафические факторы накопления тяжелых металлов лекарственными растениями пригородной зоны г. Казани [Текст] / М.Ш. Сибгатуллина, А.А. Зялалов // Сборник трудов первого международного экологического конгресса (третьей международной научно-технической конференции) "Экология и безопасность жизнедеятельности промышленно-транспортных комплексов ELPIT 2007». – Тольятти, 2007. – Tом 1.– C. 395-400.
- Сибгатуллина, М.Ш. Предварительная оценка состояния загруженности тяжелыми металлами лекарственных растений Татарстана [Текст] / М.Ш. Сибгатуллина, А.А. Зялалов // Тезисы докладов VII республиканской научной конференции «Актуальные экологические проблемы Республики Татарстан». – Казань: Отечество, 2007. – C. 184-185.
- Сибгатуллина, М.Ш. Содержание тяжелых металлов в лекарственных растениях лесных фитоценозов Республики Татарстан [Текст] / М.Ш. Сибгатуллина, А.А. Зялалов // Материалы IV Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Экология и научно-технический прогресс». – Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2007 г. – С. 121-124.
- Сибгатуллина, М.Ш. Тяжелые металлы в дикорастущих растениях пригорода Казани [Текст] / М.Ш. Сибгатуллина, А.А. Зялалов // Материалы Всероссийской научно-практической конференции «Современные вопросы природопользования: агропромышленный комплекс и лесное хозяйство». – Казань: Изд-во КазГАУ, 2008. – С. 153-156.
- Сибгатуллина, М.Ш. Факторы и характер аккумуляции металлов-поллютантов лекарственными растениями [Электронный ресурс] / М.Ш. Сибгатуллина // Материалы докладов XV Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов». – М.: Изд-во МГУ; СП МЫСЛЬ, 2008. – 1 электрон. опт. диск (CD-ROM); 12 см. - Систем. требования: ПК с процессором 486 +; Windows 95; дисковод CD-ROM; Adobe Acrobat Reader. [Адрес ресурса в сети интернет: http://www.lomonosov-msu.ru/2008/.]
- Сибгатуллина, М.Ш. Экологическая безопасность лекарственных растений РТ [Текст] / М.Ш. Сибгатуллина, А.А. Зялалов // Материалы второй международной научно-практической конференции «Проблемы биологии, экологии, географии, образования: история и современность». – СПб.: ЛГУ им. А.С. Пушкина, 2008 – С. 225-227.
- Сибгатуллина, М.Ш. Разнообразие лекарственных растений Татарстана и их экологическая безопасность [Текст] / М.Ш. Сибгатуллина, А.А. Зялалов // Биология: традиции и инновации в ХХI веке: Материалы I Всероссийского конгресса студентов и аспирантов-биологов «Симбиоз Россия-2008» с международным участием. – Казань: Изд-во КГУ, 2008. – С. 121-126.
- Сибгатуллина, М.Ш. Опыт классификации растений Татарстана по адаптивным стратегиям и оценка их сродства к тяжелым металлам [Текст] / М.Ш. Сибгатуллина // Материалы конф. молодых ученых «Биосфера Земли: прошлое, настоящее, будущее» ИЭРиЖ УрО РАН. – Екатеринбург: Изд-во «Гощицкий», 2008. – С. 270-271.
- Сибгатуллина, М.Ш. Аккумуляция металлов дикорастущими луговыми растениями различных типов экологических стратегий [Текст] / М.Ш. Сибгатуллина // Вестник Казанского государственного аграрного университета. – 2008. – №3. – С. 121-128.
- Сибгатуллина, М.Ш. Биофильные и техногенные элементы в лекарственных растениях пригородной зоны [Текст] / М.Ш. Сибгатуллина, А.А. Зялалов // Растительные ресурсы (принято в печать).
