Содержание меди и цинка в системе «почва - растение» в условиях геохимической провинции Южного Урала (на примере Аchillea nobilis L.)

Ю жный Урал является медно-цинковой геохимической провинцией, где сосредоточено огромное количество месторождений черных и цветных металлов. На территории Республики Башкортостан (РБ) в Зауральском регионе от г. Учалы до г. Гай Оренбургской области локализовано до 70% меди, добываемой в России. Здесь ведется не только добыча полезных ископаемых, но и их обогащение. Биогеохимическая ситуация, обусловленная техногенным загрязнением, — деятельностью Белорецкого и Магнитогорского металлургических комбинатов, Учалинского, Бури-баевского, Сибайского (филиал УГОК) горнообогатительных комбинатов усложняет санитарно-гигиеническую обстановку региона.

Перспективность использования лекарственных растений принято оценивать по их химическому составу и фармакологическим свойствам. Однако использование многих ценных дикорастущих растений может быть затруднено или ограничено, вследствие их способности накапливать токсичные элементы в местах их естественного произрастания [11]. Усиление антропогенной нагрузки на окружающую среду создает проблему экологической чистоты ЛРС [5, 9, 10, 15]. Региональный характер исследования проблемы загрязнения лекарственного растительного сырья (ЛРС) обусловлен различиями природноклиматических и геохимических условий территорий, где осуществляется заготовка ЛРС [16, 17].

Исследование минерального состава ЛРС имеет в настоящее время двойственное значение. С одной стороны, сырье, содержащее богатый комплекс макро- и микроэлементов, представляет ценность как источник необходимых для организма веществ [6, 21]. С другой стороны, использование растений — природных адсорбентов и накопителей элементов, в том числе токсических, представляют опасность для здоровья человека, т.к., тяжелые металлы (ТМ) способны передаваться по цепочке «почва-растение-человек» [2, 14].

Возрастающая потребность в препаратах растительного происхождения и загрязнение окружающей среды требуют проведения комплексных региональных исследований по изучению влияния внешних условий на качество ЛРС, в том числе определения его экологической чистоты.

Имея большие ресурсы на Южном Урале, Achillea nobilis L. является перспективным лекарственным растением, и по этой причине исследование содержания в составе его сырья распространенных в регионе меди и цинка является актуальной задачей.

Целью работы является изучение в условиях геохимической провинции Южного Урала содержания меди и цинка в почвенных образцах и особенности их накопления в надземных и подземных частях A. nobilis L. произрастающих на этих почвах.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА

Полевые исследования проводились в период массового цветения A. nobilis L. в Зауральском регионе на территории РБ, Челябинской и Оренбургской областей на ценопопуляциях (ЦП), отдаленных друг от друга на несколько десятков километров.

С целью выявления влияния микроэлементно-го состава в местах произрастания Achillea nobilis L. нами отобраны образцы почв в 3-х повторностях. На тех же пробных площадях параллельно собраны надземные и подземные органы исследуемого вида, они высушены по требованиям Государственной фармакопеи [3] и просеяны через сито с размером ячеек в 1 мм. В лаборатории Центра Агрохимической службы «Башкирский» РБ (N POCC. PV. 0001.21 ПП24) методом атомной абсорбции определено содержание валовых и подвижных форм меди и цинка (мг/кг). Для определения содержания валовых форм ТМ в качестве экстрагента использовали 5М азотную кислоту, для кислоторастворимых подвижных форм — 1М HNO₃. Нами также изучено содержание Cu и Zn (мг/кг) отдельно в соцветиях, листьях, стеблях и корнях A. nobilis L.

Для определения аккумуляции исследуемых тяжелых металлов в тысячелистнике благородном использовали коэффициент биологического нако- пления (КБН), показывающий способность растений избирательно поглощать химические элементы. Его вычисляли по формуле

КБН

содержание элемента в растении содержание элемента в почве

Считается, что если КБН > 1, растение явля ется концентратом исследуемого элемента; если КБН < 1, вид не аккумулирует металл в своем организме [8].

Для выяснения изменчивости содержания ТМ в почвах и в растительном сырье был вычислен коэффициент вариации (CV,%). При этом учитывали, что если CV до 10% — низкая изменчивость признаков; от 11% до 20% - средняя; от 21% и выше — высокая [7].

Статистическая обработка полученных данных была проведена с помощью пакетов статистических программ Excel, 2003 и Statistica 6,0.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Содержание валовой формы меди в почвах Южного Урала варьирует от 16,7+1,14 (ЦП 7) до 67,3+0,52 мг/кг (ЦП 3) (CV = 45,9%). Предельно допустимая концентрация (ПДК) валового содержания меди в почве составляет 55,0 мг/кг [12]. На Южном Урале валовое содержание Cu не превышает ПДК, за исключением ЦП 3, расположенной около г. Баймак РБ, где концентрация меди составляет 67,3+0,52 мг/кг. Для этой территории характерен также очень высокий показатель кислоторастворимой подвижной формы меди, что, возможно, указывает на наличие месторождений цветных металлов (рис. 1).

Подвижные формы меди в почвах исследуемой территории колеблется от 4,4+0,18 (ЦП 11) до 34,2+2,24 мг/кг (ЦП 3) (C_V = 82,6%) и превышают ПДК, установленную на уровне 3,0 мг/кг [13]. В целом наблюдается очень высокая концентрация меди в почвах всей исследованной территории, но в то же время содержание элемента в органах A. nobilis L. не выходит за рамки фитотоксичной концентрации, за исключением одной ЦП, находящейся возле шоссейной дороги и характеризующейся повышенной влажностью почвы.

По классификации В.К. Гирфанова и Н.Н. Ря-ховской [4], почвы Южного Урала относятся к III, IV и V группе загрязненности по содержанию подвижной меди. III группа почв содержит от 5,1 до 10,0 мг меди на 1 кг, к этой группе можно отнести изученные нами ЦП 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, где превышение ПДК составляет 0,5-2,5 раза. IV группу составляют почвы с высоким содержанием элемента — от 10,1 до 20,0 мг/кг (ЦП 1, 2), где превышение ПДК составляет 3-4 раза. В V группу входят почвы с очень высоким содержанием подвижной меди (более 20,0 мг/кг), где превышение ПДК составляет 10-11 раз (ЦП 3).

Содержание меди в соцветиях A. nobilis L. колеблется от 6,8+0,17 до 12,6+1,75 мг/кг (C_V = 19,2%), в листьях — от 6,9+0,08 до 35,9+0,06 мг/кг (C_V = 68,4%), в стеблях — от 3,4+0,05 до 44,50,4 мг/кг (C_V = 99,3%), в корнях — от

9,5+0,09 до 42,2+0,05 мг/кг (CV = 65,6%). К сожалению, отсутствуют утвержденные органами сан-эпиднадзора показатели ПДК токсичных элементов в лекарственном растительном сырье. По этой причине для сравнения мы брали содержание меди, установленное для растений на уровне от 1 до 10 мг/кг сухой массы. Концентрация элемента выше 20 мг/кг считается токсичной [1].

Рис. 1. Содержание кислоторастворимой подвижной формы Cu в почвах исследованных цено-популяций Achillea nobilis L.

Содержание меди в соцветиях тысячелистника превышает норму в ЦП 3 (10,64+0,24 мг/кг), в ЦП 9 (10,12+0,30 мг/кг), в ЦП 11 (12,64+1,75 мг/кг); в листьях — в ЦП 4 (10,29+0,07 мг/кг), в ЦП 6 (12,92+0,05 мг/кг), в ЦП 9 (11,04+0,05 мг/кг); в стеблях — в ЦП 5 (13,96+0,08 мг/кг). В изученных нами ценопопуляциях медь в надземных частях растений не превышала токсическую концентрацию, за исключением ЦП 11 (в листьях — 35,89+0,06 мг/кг; в стеблях — 44,48+0,04 мг/кг), расположенной возле дороги с интенсивным движением.

Анализ содержания меди в органах тысячелистника благородного показал, что наибольшее количество меди сосредоточено в корнях (16,78+0,54 мг/кг). Дальше данный показатель уменьшается в ряду: листья (11,94+0,45 мг/кг) ^ стебли (10,59+0,37 мг/кг) ^ соцветия (8,88+0,28 мг/кг). Этот факт свидетельствует о том, что корневая система A. nobilis является концентратором меди и выполняет барьерную роль на пути транспортировки элемента в надземные органы (рис. 2). Изучение литературы по данной проблеме показывает, что у многих видов растений подземная часть блокирует поступление избыточного количества тяжелых металлов в надземные органы [2, 19, 20], что играет защитную функцию от токсического влияния ТМ.

Максимальные коэффициенты накопления в органах тысячелистника благородного обнаружены в ЦП 11, характеризующейся минимальным содержанием элемента в почвах, где КБHCu в корнях составляет величину 4,83; в стеблях — 10,13; в листьях — 8,18; в соцветиях — 2,88. Если высокое содержание меди в почвах способствует снижению показателя КБН, то низкое содержание элемента, наоборот, приводит к обратному результату — растения тысячелистника при этом начинают концентрировать металл в надземных и подземных частях (рис. 3). В условиях низкого содержания меди в почвах вид выступает как сверхконцентратор элемента, высокого — деконцентратор металла.

Рис. 2. Содержание меди в различных органах Achillea nobilis L.

мг/кг (ЦП 3) (CV = 60,7%), валовой формы -от 38,0±9,94 (ЦП 7) до 86,0±11,38 мг/кг (ЦП 6) (CV = 20,04%).

Рис. 4. Содержание меди в почвах и КБН элемента листьях Achillea nobilis L.

Рис. 3. Показатели КБН меди в различных органах Achillea nobilis L.

КБН меди в различных органах A. nobilis изменяется от 0,24 до 10,13, т.е. в зависимости от условий произрастания вид может играть роль накопителя и даже выступать качестве сверхконцентратора данного металла. Поэтому показатели КБН_Си в различных ценопопуляциях существенно отличаются.

Самой низкой величиной КБНСи характеризуется ЦП 3, где обнаружено максимальная для исследованной территории содержание меди в почвах. Также низкие коэффициенты накопления, не выходящие за 1, показали растения из ЦП 1 и 2, где почвам характерно соответствующее большое количество меди. Таким образом, интенсивность поглощения элемента снижается с увеличением его концентрации в почвах (рис. 4).

Это можно объяснить тем, что в растении имеются регуляторные механизмы поступления меди в организм: при низком содержании металла они способствует его транспортировке из почвы в растение, а при высоком наоборот, блокируют систему «почва-растение». Нужно отметить, что КБН меди в корнях наибольший по сравнению с другими органами, что свидетельствует о барьерной функции подземных органов в поглощении элемента.

Ю.В. Алексеев [1] отмечает, что цинк обладает сильной фитотоксичностью, которая обнаруживается только при существенном увеличении его содержания в почве. Содержание подвижной формы Zn в почвах исследуемой территории колеблется от 7,19±0,52 (ЦП 10) до 38,9±1,55

Рис. 5. Содержание кислоторастворимой подвижной формы Zn в почвах исследованных цено-популяций Achillea nobilis L.

ПДК валовой формы цинка в почвах составляет 100 мг/кг, подвижной формы — 23,0 мг/кг [12]. Превышение ПДК подвижной формы Zn в почвах исследуемой территории наблюдается в ЦП 2, 3, 6 (рис. 5).

В соцветиях цинк накапливается в пределах от 25,4±0,05 до 44,4±0,05 мг/кг (C_V = 15,6%), в листьях — от 30,9±0,05 до 66,4±0,04 мг/кг (C_V = 7,7%); в стеблях — от 13,4±0,09 до 40,6±0,05 мг/кг (C_V = 33,9%); в корнях — от 34,3±0,09 до 49,6±0,07 мг/кг (C_V = 15,1%). Во всех органах A. nobilis L. цинк не превышает ПДК, определенную Н.В. Прохоровой с соавторами [18] в интервале от 150,0 до 300 мг/кг для растений. ПДК цинка для овощей и фруктов по СанПиН 42-123-408986 определен на уровне 10 мг/кг сырой массы, что при условном перерасчете на сухую массу (из расчета 80% воды и 20% сухого вещества) приблизительно составляет 50 мг/кг. При сравнении содержания цинка в надземных и подземных частях A. nobilis L. с ПДК цинка, установленной для овощей и фруктов, показал, что его содержание в органах вида не превышает ПДК, за исключением ЦП 5, где этот показатель в листьях составляет 66,36±0,04 мг/кг, ЦП 6 (56,55±0,04 мг/кг) и ЦП 10 (59, 88±0,04 мг/кг).

Содержание цинка больше в соцветиях (35,5± 1,71 мг/кг) A. nobilis L., чем в корнях (40,4±0,70 мг/кг), стеблях (25,6±0,45 мг/кг) и листьях (44,1±1,90 мг/кг) (рис. 6). Такая же кар- тина характерна близкому к A. nobilis виду — A. asiatica, изученному Г.А. Ягафаровой [20] в условиях Зауральского региона Республики Башкортостан.

Рис. 6. Содержание цинка в различных органах Achillea nobilis L.

Ценопопуляции

Рис. 7. Аккумуляция цинка в различных органах Achillea nobilis L.

КБН_2п во всех органах выходит за пределы единицы, и колеблется в пределах от 1,02 до 8,81, что свидетельствует о концентрирующей роли растения относительно данного металла (рис. 7). При этом барьерная функция подземных органов выражена слабо (КБН_2п от 1,33 до 4,77). В общей картине интенсивности поглощения выделяются листья (КБН_2п от 1,44 до 8,81) и соцветия (КБН_2п от 1,09 до 5,90).

ВЫВОДЫ

• 1.    Медь в почвах Южного Урала превышает ПДК во всех исследованных ценопопуляциях, а цинк местами (ЦП 2, 3, 6) выходит за пределы нормы.

• 2.    Содержание меди в органах Achillea nobilis L. не выходит за рамки фитотоксичной концентрации (за исключением одной ценопопуляции, характеризующейся высокой влажностью почвы).

• 3.    Рассматривая закономерности распределения по органам тысячелистника благородного изученных металлов, следует обратить внимание на такие факты: содержание меди по органам Achillea nobilis L. уменьшается в ряду — корни ^ листья ^ стебли ^ соцветия, цинка — листья ^ корни ^ соцветия ^ стебли.

• 4.    Подземные органы Achillea nobilis L. выполняют барьерную функцию по отношению меди, но не препятствует транспортировке цинка в надземную часть.

• 5.    Achillea nobilis L. является концентратором цинка во всех органах (КБН > 1). Чем больше меди в почвах, тем меньше ее содержание в органах растения.

• 6.    Возможности заготовки Achillea nobilis L. в условиях геохимической провинции Южного Урала требует дальнейшего исследования.