Аккумуляция Ni представителями семейства Brassicaceae на почвах ультраосновных пород Южного и Среднего Урала

В течение последних десятилетий активно обсуждаются проблемы, связанные с особенностями экологии растений, произрастающих на ультраосновных горных породах (серпентинитах) [11], [14], [21]. Почвы ультраосновных пород во всем мире считаются стрессовыми условиями для произрастания растений и характеризуются недостаточным содержанием основных питательных элементов, в том числе Ca, и высоким уровнем тяжелых металлов (Ni, Co, Cr и др.) в концентрациях, потенциально токсичных для растений. Хотя в разных почвенно-климатических условиях концентрации химических элементов в почвах и их подвижность могут несколько варьировать, в целом особенности геохимии серпентинитовых почв остаются постоянными. Кроме неблагоприятного минерального состава, наблюдается постоянный недостаток влаги, ин

тенсивная инсоляция и значительный перепад температур на поверхности почвы. В результате складываются крайне суровые условия для существования растений, что приводит к формированию так называемого серпентинитового синдрома, обусловленного действием комплекса негативных факторов на ультраосновном субстрате [10], [11], [16].

В процессе эволюции растения выработали ряд стратегий, позволяющих им произрастать в условиях повышенного содержания металлов в почве. A. Baker [5], исследуя содержание никеля в растениях, предложил выделять следующие виды: исключители, индикаторы и аккумуляторы. Исключители обладают механизмами, препятствующими поглощению и проведению Ni из корней в надземную массу. Концентрация металла в надземных тканях индикаторов может быть повышенной (до 100 мг/кг сухой массы) и коррелирует с уровнем его содержания в почве. Для аккумуляторов характерно повышенное содержание Ni в надземных тканях (> 100 мг/кг). В дальнейшем была выделена группа гипераккумуляторов [12] – видов, способных накапливать значительные концентрации Ni (> 1000 мг/кг), а термин аккумуляторы [7] или гемиаккумуляторы [9] было предложено применять для растений, накапливающих от 100 до 999 мг/кг сухой массы. Для других металлов также были установлены градации в их накоплении в надземной массе, так, гипераккумуляторы способны накапливать Cd более 100 мг/кг, Co, Cu, Pb – 1000 мг/ кг, Mn, Zn – 10000 мг/кг сухой массы [18].

В мире известно более 500 таксонов, способных накапливать повышенные концентрации тяжелых металлов (As, Cd, Co, Cr, Cu, Mn, Ni, Pb, Sb, Se, Tl, Zn) в надземной массе [20], [23]. Гипераккумуляторы тяжелых металлов распространены на обогащенных металлами почвах в тропическом и умеренном климате, известны представители из Южной Африки, Новой Каледонии, Латинской и Северной Америки, Европы [6], [18]. Большинство гипераккумуляторов встречаются на почвах ультраосновных пород.

Более 75 % известных гипераккумуляторов тяжелых металлов накапливают Ni, остальные накапливают Zn, Pb, Cd, Co, Cu, Mn или Se [20]. Ряд гипераккумуляторов способны накапливать более одного металла. Около 25 % известных сегодня гипераккумуляторов относятся к семейству Brassicaceae, большинство из них являются представителями родов Alyssum и Noccaea, в основном они накапливают Ni, реже другие металлы. Значение таких видов для фиторемедиации загрязненных почв трудно переоценить. В условиях умеренного климата растения, накапливающие металлы, встречаются редко, в связи с этим актуальным становятся поиск но- вых видов и изучение особенностей накопления видами металлов. Исследования накопления Ni в надземной массе растений в России ранее проводились на Полярном Урале [1], Кавказе [2] и Чукотке [3].

Цель нашего исследования – выявление особенностей накопления Ni представителями семейства Brassicaceae на ультраосновных породах Южного и Среднего Урала.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ

Исследования проводились в петрофитно-степных сообществах ультраосновных массивов от 57º50’ до 51º00’ с. ш. На Среднем Урале были исследованы Алапаевский и Пышминский, на Южном Урале – Сугомакский, Карабашский, Ильменский, Калканский, Миндякский, Кракин-ский, Ишкининский, Халиловский и Хабарнин-ский ультраосновные массивы (табл. 1). Исследованные массивы принадлежат к офиолитовой (альпинотипной) формации, первичные породы в них представлены гарцбургитами, дунитами, реже – лерцолитами [13].

Исследовались открытые участки массивов, занятые петрофитно-степной растительностью со слаборазвитыми сильнощебнистыми почвами. Исследования проводились по стандартной методике на пробных площадках 10 м2. Все представители семейства Brassicaceae, произрастающие в петрофитно-степных сообществах, в полевых условиях предварительно были проанализированы на повышенное содержание Ni в надземных тканях с использованием полу-количественного диметилглиоксимового теста: фрагмент листовой пластинки раздавливался на фильтровальной бумаге, предварительно смоченной диметилглиоксимом (1% раствор в этаноле). Диметилглиоксим с солями Ni образует красный нерастворимый осадок диметилглиоксимата ни-

Таблица 1

Характеристика исследованных ультраосновных массивов

№ Массив Координаты Высота (м) Горные породы 1 Хабарнинский 51°10.99’N,58°11.47’Е 300–400 серпентинит 2 Халиловский 51°24.74’N,58°09.07’Е 300–400 дунит, гарцбургит 3 Ишкининский 51°27.26’N,58°17.70’Е 300–400 гарцбургит 4 Кракинский 53°50.57’N,58°40.70’Е 750–950 гарцбургит 5 Миндякский 54°01.19’N,58°46.77’Е 500–600 пироксенит 6 Калканский 54°24.18’N,59°22.93’Е 500–600 гарцбургит, дунит 7 Ильменский 55°08.14’N,60°13.97’Е 250–350 серпентинит 8 Карабашский 55°29.16’N,60°15.22’E 500–600 гарцбургит 9 Сугомакский 55°45.06’N,60°26.95’Е 650–750 серпентинит 10 Пышминский 56°50.05’N,60°54.61’Е 200–250 гарцбургит 11 Алапаевский 57°44.37’N,61°28.59’Е 100–150 гарцбургит, дунит келя – (C4H7O2N2)2Ni, являющегося внутрикомп-лексным соединением. Окрашивание свидетельствует о повышенном содержании Ni в тканях растений [19].

В лаборатории были проведены исследования способности накопления Ni 13 представителями семейства Brassicaceae – 6 многолетних видов ( Alyssum obovatum , A. tortuosum , A. litvinovii , A. lenense , Noccaea thlaspidioides , Cardaria draba ) и 7 одно- и малолетних видов ( A. turkestanicum , Lepidium densiflorum , L. ruderale , L. perfoliatum , Camelina microcarpa , Erysimum canescens , Thlaspi arvense ).

В пределах исследованных массивов было собрано по 5–10 проб надземных побегов каждого из исследованных видов. Из-под каждого растения были взяты пробы почв из корнеобитаемого слоя на глубине 0–10 см, очищены от остатков органики и камней, высушены до воздушно-сухого состояния, затем просеяны через сито 1 мм. Для собранных образцов была определена актуальная кислотность по стандартной методике. Для дальнейшего анализа пробы почвы просеивались через сито 0,25 мм. Пробы почвы и побеги растений высушивались в сушильном шкафу и взвешивались. Полученные пробы озо-лялись с 1 мл HF, 5 мл HNO3, 2 мл HCl и 2 мл воды в системе микроволновой пробоподготовки. После обработки стаканы с содержимым охлаждали до комнатной температуры, добавляли 7 мл 4 % борной кислоты, количественно переносили в мерную колбу вместимостью 25 мл и доводили до метки деионизированной водой. Полученный раствор анализировали на атомно-эмиссионном спектрометре с индуктивно-связанной плазмой iCAP 6500 Thermo Scientific методом градуировочного графика. Оценку результатов проводили методами статистического анализа с использованием программы Statistica 6.0.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Почвенный покров на выходах ультраоснов-ных горных пород значительно отличается от зонального типа почв. Процессы формирования почвы на каменистом субстрате зависят от многих факторов: климата, времени, рельефа, биотического фактора, а также химического состава материнской породы. В результате совместного действия этих факторов на выходах ультраоснов-ных горных пород формируются примитивнощебнистые, грубоскелетные почвы. По характеру гидротермического режима почвообразования почвы склонов относятся к субаридно-субгу-мидным (степным, ксеролесым) с содержанием гумуса в горизонте А до 5–7 %. Геохимические особенности почв определяются особенностя- ми подстилающих пород. На Среднем и Южном Урале формирование ультраосновных почв происходит на магматических интрузивных горных породах – дунитах (состоящих преимущественно из зерен оливина), пироксенитах (состоящих из пироксена), перидотитах (образованных из оливина и пироксена), а также на метаморфических горных породах – серпентинитах (состоящих из серпентина, образующегося из оливинсодержа-щих магматических горных пород) [13].

В целом для почв исследованных массивов нами было отмечено низкое содержание основных макроэлементов, таких как Са, высокие концентрации Fe, Mg, Ni, Mn, Cr, Cu и Zn и высокие значения соотношения Mg/Са (табл. 2). Повышенные концентрации Fe и Mg в пробах почвы обусловлены геохимией пород, основу которых составляет железо-магниевый минерал оливин. В почвах нами отмечено значительное варьирование Mg (0,8–5,7 %). Уровень содержания Са по сравнению с Mg в большинстве исследованных почв был крайне низок. Ограниченная доступность Са считается важным фактором, определяющим формирование серпентинитовой флоры во всем мире. Концентрация этого металла в пробах почвы варьировала от 0,06 до 9,9 %, что является вполне типичным для почв ультраосновных пород мира [20]. Соотношение Mg/Ca во всех пробах превышало 1,0, максимальные значения достигли 82,37. Ультраосновные почвы Среднего и Южного Урала обладают нейтральной или слабощелочной реакцией среды, варьирующей в небольших пределах от 6,14 до 8,19, что также соответствует литературным данным [17].

Концентрации отдельных химических элементов в почвах варьируют как внутри массивов, так и между ними. Самые высокие концентрации Mg были отмечены на Южном Урале (Хабарнинс-кий, Халиловский, Ишкининский и Калканс-кий массивы), а также в Пышминском массиве на Среднем Урале. Высокие концентрации Fe зафиксированы для Кракинского, Миндякско-го и Хабарнинского массивов. Максимальные концентрации Ni в почвах массивов отмечены в Хабарнинском (1454 мг/кг) и Пышминском (4086 мг/кг) массивах, при возможном диапазоне варьирования, известном для почв ультраосновных пород от 500 до 8000 мг/кг [20]. Максимальные концентрации Zn в почве (325 мг/кг) были зафиксированы в Сугомакском массиве. Вдвое меньшие концентрации характерны для Калканского (176 мг/кг) и Ишкининского (154 мг/кг) массивов. Содержание Co достигало 110 мг/кг в Ишкинин-ском и 93 мг/кг в Миндякском массивах, максимальные концентрации Cr были зафиксированы

Таблица 2

Среднее содержание элементов в почвах ультраосновных массивов, мг/кг

№ массива*	Ca	Fe	Mg	Cd	Co	Cr	Cu	Mn	Ni	Zn	Mg/Ca
1	5275,97	17306,35	34587,24	0,21	54,88	136,89	39,84	786,51	667,40	46,78	6,64
2	3416,86	19818,10	48701,51	0,46	62,51	473,63	52,99	617,67	706,81	71,33	14,32
3	3312,82	22956,65	50670,05	0,84	86,50	229,73	165,00	1040,61	649,73	101,03	15,52
4	2110,40	29147,22	29039,96	0,01	68,43	260,61	13,64	981,08	777,69	41,56	13,89
5	4865,28	26292,37	15298,86	0,08	72,19	429,98	23,55	1306,51	471,44	49,56	3,35
6	4816,23	17534,08	38251,73	0,69	54,52	329,98	52,21	1387,29	524,45	137,22	8,01
7	3790,50	7986,10	28892,06	0,13	40,81	123,57	33,46	626,13	630,02	96,99	7,72
8	3843,62	51294,17	45803,49	23,17	71,04	–	3634,08	1589,77	863,66	2556,07	11,92
9	4196,73	13025,98	11278,99	1,82	53,04	309,47	53,22	1066,79	473,73	154,47	2,84
10	1137,17	9256,09	45127,74	0,01	42,38	213,13	20,39	1290,09	1027,50	31,18	44,33
11	3455,35	8590,51	10662,34	0,15	36,71	122,18	26,11	977,61	591,79	90,01	3,13
Max	9920,71	30417,13	56763,37	4,6	109,89	582,92	247,23	1871,83	1453,02	324,63	82,37
Min	645,45	5407,33	8200,19	0,01	20,70	41,78	11,55	447,13	150,27	29,18	2,10

Примечание. * – номера массивов в данной и последующих таблицах приведены в соответствии с табл. 1.

в Миндякском и Калканском массивах (583 и 432 мг/кг соответственно). По своему составу почвы Хабарнинского, Миндякского, Алапаевского и Сугомакского массивов наиболее близки типичному составу почв серпентинитов [20]. Значительные концентрации металлов были отмечены в почвах Карабашского ультраосновного массива, находящегося в зоне непосредственного влияния Карабашского медеплавильного комбината, уже более столетия загрязняющего атмосферу выбросами SO2 и пылью, содержащей тяжелые металлы. В почвах Карабашского массива были отмечены повышенные концентрации Fe, Cu и Zn. Содержание химических элементов в почвах ультраосновных массивов представлено в табл. 2.

Несмотря на то что почвы ультраосновных пород Южного и Среднего Урала демонстрируют сходство химического состава с ультраосновны-ми почвами других регионов мира, уровни содержания металлов (Fe, Mg, Cr, Ni и др.) остаются вблизи или на нижней границе показателей, характерных для ультраосновных почв в мире.

Своеобразие геохимии почв ультраосновных пород определяет состав и потенциальную доступность элементов для растений. Большинство исследованных видов показали низкие уровни накопления Ni в надземных побегах (табл. 3). Девять из тринадцати видов не поглощают избыточного количества металлов из почвы, что позволяет говорить о них, как об исключителях . В основном низкие значения были зафиксированы для одно-, двулетних растений. Среди многолетних видов к исключителям относится Alyssum lenense из секции Alyssum (9,1–54,99 мг/кг) .

Остальные виды показали тенденцию к значительному накоплению Ni в надземных побегах. Высокие концентрации Ni были показаны для многолетних представителей рода Alyssum , и особенно для A. obovatum . Этот вид является гипераккумулятором Ni, показывающим высокие уровни накопления во всех исследованных нами ультраосновных массивах. Наибольшие концентрации были отмечены для растений Кракинского массива (6008 мг/кг), немного меньшее количест-

Таблица 3

Максимальные концентрации Ni, зафиксированные в надземной массе представителей семейства Brassicaceae на почвах ультраосновных пород

В целом на Южном Урале содержание Ni у A. obovatum достоверно выше, чем значения, полученные нами для массивов Среднего Урала. Более высокие концентрации Ni отмечены в южных районах и не коррелируют с уровнем содержания Ni в почве. Возможно, это связано с большей аридностью климата на Южном Урале и косвенно может служить подтверждением гипотезы, связывающей способность к гипераккумуляции никеля с повышенной засухоустойчивостью вида [8].

Значительное превышение концентрации практически для всех металлов было отмечено для A. obovatum в пределах Карабашского ультраосновного массива, что обусловлено значительными концентрациями загрязняющих веществ в почве, однако растения из этой точки существенно не отличались от остальных по уровню накопления никеля (табл. 4).

Повышенный уровень накопления Ni в надземных побегах отмечен для Alyssum tortuosum на Южном Урале. В пределах Хабарнинского массива этот вид показывает уровни накопления, близкие к значению видов-гипераккумуляторов, содержание Ni в надземной массе растений варьировало от 354,71 до 1789,34 мг/кг. В большей части исследованных популяций этот вид продемонстрировал себя как гемиаккумулятор, показывая, по сравнению с Хабарнинским массивом, в два раза меньшие концентрации – максимум составил для растений Халиловского массива 741,44 мг/кг и 514,86 мг/кг для особей Ишкинин-ского массива. Таким образом, мы можем говорить о наличии межпопуляционной изменчивости в уровнях накопления Ni данным видом.

К группе гемиаккумуляторов также можно отнести Alyssum litvinovii и Noccaea thlaspidioides , продемонстрировавших повышенный уровень накопления Ni. Концентрации Ni для A. litvino-vii варьировали от 131,43 до 160,61 мг/кг, для N. thlaspidioides – от 158,86 до 231,64 мг/кг сухой массы. Анализ проб N. thlaspidioides также показал повышенное содержание Zn, диапазон значений которого составил 159,04–250,54 мг/кг. Так как для данных видов были изучены популяции только в пределах одного из известных массивов, дальнейшие исследования позволят детальнее проанализировать способность к накоплению Ni.

Alyssum obovatum , A. tortuosum и A. litvinovii , продемонстрировавшие повышенное накопление Ni в надземных побегах, относятся к секции Odontarrhena , для представителей этой секции в мире давно известна способность к гипераккумуляции Ni [18]. Еще один вид – Noccaea thlas-pidioides ( Thlaspi cochleariforme DC.) [4], [15], для которого нами были зафиксированы повышенные концентрации Ni, относится к секции Pterotropis и также имеет ряд родственных видов, являю-

Таблица 4

Средние концентрации химических элементов в надземных побегах растений почв ультраосновных пор од (мг/кг сухой массы)

№ массива

Са

Fe

Mg

Cd

Co

Cr

Cu

Mn

Ni

Zn

Alyssum tortuosum

1	23638	288	1078	0,07	3,08	40,84	5,31	22,85	850,47	18,39
2	20361	461	1659	0,15	3,01	35,17	5,27	24,12	368,50	14,24
3	27308	339	1245	0,13	7,05	29,53	7,26	30,63	429,18	16,62

Alyssum obovatum

4	20666	420	1859	0,13	3,59	35,44	4,05	22,73	1948,85	20,99
5	18306	291	1203	0,20	2,45	36,93	4,06	18,63	1583,00	26,48
6	22104	233	1310	0,15	1,20	33,84	5,24	21,73	964,62	33,21
7	22009	290	1982	0,15	1,84	33,68	4,40	29,25	1349,97	25,50
8	34920	903	5145	5,76	6,67	–	188	28,38	934,83	566,75
9	16000	407	1399	0,52	12,90	31,19	5,65	154,25	915,28	83,96
10	17637	929	2654	0,24	3,80	49,41	6,01	108,40	2011,82	27,05
11	12039	358	2416	0,37	1,53	36,42	4,13	37,08	1133,16	47,77

Noccaea thlaspidioides

9      I 4758   I   173 221    957 22   1,85 22   25,45 22    5,10   I   17,11 22    103,25 22     91,92    I    1,85

Alyssum litvinovii

2       I   26725   I  2077"2  2491“2  0,14"2   4,94 I   42,63   I   11,16 I   44,22 I    144,87    I    14,08

Зависимость содержания Ni в почве и надземной массе растений для а) Alyssum obovatum и б) A. tortuosum

щихся гипераккумуляторами тяжелых металлов [1], [18].

Проведенный корреляционный анализ показал, что уровни концентрации Ni в целом связаны с содержанием их в почве (рисунок). Для большинства популяций Alyssum obovatum и A. tortuosum была установлена прямая либо экспоненциальная зависимость содержания Ni в надземной массе и почве. Исключением стали две популяции A. obovatum из Сугомакского и Кракинского массивов и две популяции A. tor-tuosum из Хабарнинского и Халиловского массивов, которые характеризовались нетипичным для данных видов уровнем накопления Ni. Особи популяций Сугомакского, Кракинского и Хабар-нинского ультраосновных массивов отличаются высоким содержанием Ni в надземной массе, тогда как популяция Халиловского массива – пониженными.

ВЫВОДЫ

• 1.    Проведенный анализ показал, что геохимические характеристики почв ультраосновных пород Среднего и Южного Урала в целом схожи

• 2.    Способность накопления тяжелых металлов

• 3.    Для A. tortuosum было отмечено значительное межпопуляционное варьирование уровней накопления Ni, особенно высокие концентрации были зафиксированы в популяциях Хабарнин-ского ультраосновного массива, особи которых показали способность к гипераккумуляции Ni в надземных побегах.

с особенностями ультраосновных почв других регионов мира. Исследованные почвы характеризуются типично ультраосновными свойствами, проявляющимися в низком содержании основных макроэлементов (Са, К, Р, Na), высоких концентрациях Fe, Mg, Ni и Mn и повышенных Cr, Mg, Cu и Zn. Низкое содержание в почвах Ca и высокие концентрации Mg проявляются в смещении соотношения Mg/Са в сторону Mg, что также характерно для почв ультраосновных пород.

характерна исключительно для многолетних растений. На Южном и Среднем Урале выявлен один гипераккумулятор Ni ( Alyssum obovatum ) и три гемиаккумулятора Ni ( A. tortuosum , A. litvinivii , Noccaea thlaspidioides ). Остальные виды оказались исключителями.

* Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 16-04-13146А и частично программы 211 Правительства Российской Федерации, соглашение № 02.A03.21.0006.

ACCUMULATION OF NI BY SPECIES OF BRASSICACEAE ON ULTRAMAFIC SOILS