Биогеохимические особенности поведения мышьяка в системе почва-мак голостебельный ( Papaver nudicaule L.) в антропогенных ландшафтах Забайкальского края

Мышьяк (As) – канцерогенный химический элемент, при длительном употреблении которого могут возникнуть опасные заболевания (кератоз, арсеникоз, онкологические, кожные и другие) [1]. Он поражает все органы и ткани человека, что приводит к необратимым изменениям в организме, инвалидности и смерти [2]. По данным Всемирной организации здравоохранения, более 100 млн человек в мире подвержены влиянию его опасных концентраций в грунтовых водах вследствие их природного загрязнения. К ним относятся страны Азии (Индия, Бангладеш, Китай, Таиланд, Вьетнам, Tайвань), а также США, Мексика, Чили, Аргентина, и другие. В грунтовых водах стран Южной и Юго-Восточной Азии установлено высокое природное содержание мышьяка и фтора, что вызывает арсеникоз и флюороз у местного населения [1]. С 1958 г. Всемирная организация здравоохранения активно занимается вопросами изучения его влияния на здоровье человека. Тем не менее проблема мышьякового загрязнения окружающей среды остается актуальной. Имеются сведения о его высоком содержании в основных продуктах питания в странах Юго-Восточной Азии [2].

Поскольку растения являются одним из звеньев трофической цепи, то исследование поведения мышьяка в системе почва–растение представляется особо важным.

Изучению мышьяка и его соединений посвящены труды многих ученых. Среди них наибольший вклад внесли В.С. Гамаюрова [7]; Н.И. Копылов и Ю.Д. Каминский (Мышьяк, 2004); Г.В. Мотузова (Соединения микроэлементов в почвах, 2009). Изучению его поведения в природных и техногенных системах Алтая и Сибири посвящены работы С.В. Бабошкиной и А.В. Пузанова (2003, 2007, 2008); Г.А. Белоголовы и О.Н. Гордеевой (2008–2010) и др. Тем не менее биогеохимия этого элемента изучена недостаточно.

В Забайкальском крае массы извлеченных из недр горных пород (не менее 340 млн т) с высоким содержанием токсичных элементов (мышьяка, свинца, цинка, кадмия, меди и др.) занимают более 4 тыс. га земель. Они сосредоточены в центральной и юго-восточной частях. Из них 4,5 тыс. тонн мышьяка складировано в отходах горнодобывающих предприятий [3].

Цель исследования. Изучение поведения мышьяка в системе почва-растение и выявление особенностей его биологического поглощения разными органами.

Объект и методы исследования. В течение полевых сезонов 2002-2010 гг. на территории Шерло-вогорского рудного района были отобраны пробы почв и растений. В данной работе приведены результаты исследования поглощения мышьяка в растениях на примере мака голостебельного (Papaver nudicaule L . ), поскольку он является пионерным видом, одним из первых заселяющим техногенные массивы.

Шерловогорский рудный район находится на юго-востоке Забайкальского края и входит в состав Бор-зинского административного района. Здесь около 300 лет функционировал горно-промышленный комплекс, в результате деятельности которого образовались техногенные массивы с высоким содержанием токсичных элементов, в том числе мышьяка [4].

Участки отбора проб представляют собой антропогенные ландшафты. На каждом участке наблюдения проводили по точкам. Почвенные пробы отбирали в соответствии с ГОСТ 17.4.4. 02-84. Растение делили на органы. Корни и наиболее запыленные части промывали сначала струей проточной воды, а после дистиллированной, и высушивали до воздушно-сухого состояния. Во избежание подвижности летучих элементов пробы растений не озоляли, а непосредственно переводили в раствор. Химический анализ растений выполняли аналитики В.Е. Зазулина, А.Ю. Лушникова, Е.М. Голубева и Д.В. Авдеев методом масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой на спектрофотометре ICP-MS Elan DRC II PerkinElmer в Хабаровском инновационно-аналитическом центре Института тектоники и геофизики им. Ю.А. Косыгина ДВО РАН. Рентгеновский флуоресцентный анализ (РФА) химического состава почв и технозёма выполнен в аналитической лаборатории ГИН БФ СО РАН (г. Улан-Удэ) на спектрометре VRA-30 Б.Ж. Жалсараевым, В.А. Ивановой, И.В. Боржоновой, И.В. Бардамовой и Ж.Ш. Ринчиновой.

Для подсчета коэффициента биологического поглощения (КБП) почву отбирали прямо из-под растений (корнеобитаемый слой) и принимали за КБП отношение содержания мышьяка в растении к среднему содержанию в корнеобитаемом слое на данном участке.

Рассматриваемая территория представляет собой преимущественно степное среднегорье с небольшими участками лесостепных ландшафтов в привершинной части. Согласно схеме физико-географического районирования, принадлежит Центрально-Азиатской пустынно-степной области, Монгольской степной провинции высоких равнин и гор [5]. В природном отношении объект расположен в пределах Борзинского степного округа [5].

Большая часть степных ландшафтов нарушена в результате геолого-разведочных, горнодобывающих, старательских работ и в настоящее время представляет собой сообщества на разных стадиях восстановления. На нарушенных участках доминируют полынно-разнотравные, ковыльно-вострецовые сообщества, обедненные, в составе травостоя которых отсутствуют лекарственные и редкие виды растений. Антропогенные комплексы находятся еще в ранней, неустойчивой стадии развития антропогенного ландшафта, т.е. здесь еще не произошло зарастание карьера и отвалов, не сформировался почвенно-растительный покров, свойственный данной природной зоне.

Мак голостебельный - многолетнее травянистое растение из семейства Papaveraceae . Имеет длительный срок вегетации, цветет летом. Главный корень сохраняется на протяжении всей жизни. Растет на щебнистых склонах южной экспозиции, на остепненных лугах, на вершинах сопок [6]. Он является пионерным видом растений, заселяющих нарушенные земли и техногенные массивы.

Антропогенные ландшафты в пределах района представлены природно-техногенным и карьерноотвальным ландшафтами. Природно-техногенный ландшафт - олово-вольфрам-висмут-бериллиевое месторождение Шерловая Гора, где идет старательская добыча самоцветов с применением самоходной землеройной техники. Карьерно-отвальный ландшафт - карьер, хвостохранилище, склады и отвалы бедных и забалансовых пород и руд. Поскольку мак голостебельный растёт только на Северном отвале, то в настоящей работе приведены данные только для этого участка.

Результаты исследований и их обсуждение. Полученные данные свидетельствуют о том, что в почвах и технозёмах антропогенных ландшафтов валовое содержание мышьяка значительно превышает ПДК и кларк (табл.1).

Мышьяк в системе почва–мак голостебельный

Таблица 1

Ландшафт	Название участка (тип почв)	Почва/технозём (число проб)			Мак голостебельный (число экземпляров в выборке)
		х, мг/кг	х/кларк	х/ПДК	х, мг/кг	х/кларк*
Природнотехногенный	Участок Поднебесных (щебнистая маломощная)	558 (15)	112	280	69,4 (60)	347
	Жила Новая (чернозем бескарбонатный)	1614 (56)	323	807	39 (165)	195
	Сопка Обвинская (щебнистая маломощная)	601 (36)	120	301	7,7 (90)	38,5
	Участок Пятисотка (щебнистая маломощная)	498 (5)	100	249	8 (60)	40
Карьерноотвальный	Северный отвал (технозём)	578 (7)	115	289	9,7 (120)	48,5

Примечание: х – среднее содержание; ПДК – предельно допустимая концентрация; * – растительный кларк по [8].

Несмотря на столь высокие его концентрации в почвах и технозёмах, мак голостебельный поглощает малую долю от его валового содержания. Тем не менее его среднее содержание в растении значительно выше растительного кларка и мировых фоновых концентраций (табл. 1), которые составляют 1,5–5 мг/кг [8]. Однако приведенные результаты хорошо согласуются с данными, полученными другими авторами, исследовавшими рудные районы [9]. На разных участках опробования в органах мака голостебельного установлены разные концентрации мышьяка (рис.).

Распределение мышьяка в органах мака голостебельного

На Жиле Новой и участке Поднебесных – они максимальные, до 610 растительных кларков. Такие высокие концентрации As в растении, по-видимому, обусловлены нахождением в питающей среде его обменных форм. На этих участках доля таких форм составляет – 46,1 и 41,4% [10]. Известно, что существует зависимость между его подвижностью в почвах и уровнем содержания в растениях [11]. Оно (растение) в таких условиях просто вынуждено поглощать столько As, сколько находится в почвенной влаге. А так как корень мака сохраняется на протяжении всей его жизни в отличие от листьев, то со временем содержание As может увеличиваться и достигать ураганных значений.

На других участках опробования его содержание в органах растения ниже, но варьирует довольно широко (от 0,3 до 31,3 мг/кг). Это может указывать на уменьшение доли обменных форм мышьяка в почве и технозёме. В целом на четырех участках из пяти отмечено накопление мышьяка корнями и листьями. И лишь в одном случае цветками – на сопке Обвинской.

Из анализа рисунке следует, что максимальное концентрирование As происходит в корнях и листьях. Это обусловлено непосредственным контактом корней с почвой и технозёмом, а также процессами фотосинтеза и образования основных жизненно важных веществ организма в листьях. Минимальные содержания мышьяка в стеблях связаны с их транспортными функциями, а повышенное в цветках и семенах указывает на безбарьерное накопление этого элемента.

КБП мышьяка маком варьирует широко, но не превышает 0,2 (табл. 2).

Таблица 2

Интенсивность биологического поглощения мышьяка органами мака голостебельного

Место отбора проб	КБП
	Корни	Стебли	Листья	Цветки	Семена
Жила Новая	0,2	0,02	0,1	0,02	0,03
Участок Поднебесных	0,04	0,02	0,1	-	-
Сопка Обвинская	0,005	0,003	0,005	0,05	-
Участок Пятисотка	0,02	0,001	0,05	0,001	-
Северный отвал	0,05	0,001	0,01	0,004	-

Максимальный КБП установлен для корней и листьев мака, растущего на Жиле Новой, и листьев с участка Поднебесных.

Выводы. Анализ поведения мышьяка в системе почва–растение показал, что он интенсивно вовлекается в биологический круговорот маком голостебельным. Растение накапливает до 122 мг/кг (610 растительных кларков) мышьяка в своих органах. Максимальное его концентрирование происходит в корнях и листьях, но в корнях, кроме концентрирования, наблюдается и накопление. Мак голостебельный можно считать безбарьерным видом растения по отношению к мышьяку.