Современное развитие некоторых идей В. И. Вернадского

Исследования В.И. Вернадского [1] положили начало новому этапу в исследованиях биогеохимии и геохимической среды [2-29]. Значительное внимание уделялось накоплению новых фактов о содержании химических элементов в компонентах биосферы, о роли живых организмов в формировании параметров окружающей среды, о химико-биотических взаимодействиях [3-31]. В последние годы все большее значение приобретает также накопление новых данных о токсичности тех или иных химических элементов и их соединений, что стало актуальным ввиду нарастания опасностей загрязнения окружающей среды (например, [5, 30, 32]).

В.И. Вернадский в своих работах поднял ряд принципиально важных вопросов об организации биосферы и геохимической среды и выдвинул идеи, надолго определившие направления научного поиска. Среди таких вопросов следующие: 1) типология вещества в биосфере; 2) роль живого вещества в модификации окружающей среды; 3) биогенная миграция элементов [1].

Работами многих исследователей установлено, что биогенная миграция элементов [1-4] играет большую роль в формировании геохимической среды и элементного состава компонентов экосистем. Изучалась роль различных компонентов экосистем в миграции элементов, исследовался элементный состав биотических и абиотических компонентов окружающей среды [4, 5, 7-13]. Накоплены внушительные сведения о токсичности ряда химических элементов [4, 5, 10, 15]. Изучение количественных характеристик процессов и явлений, связанных с миграцией элементов, про-

должает оставаться актуальным и связано с приоритетными вопросами загрязнения окружающей среды в современных условиях техногенеза [4, 19]. В предыдущих работах установлена способность биомассы макрофитов иммобилизовывать некоторые элементы [26]. Выявлена также способность биодетрита иммобилизовывать редкоземельные элементы [27]. Автором были проведены дополнительные исследования вопросов миграции химических элементов и сформулированы выводы о некоторых особенностях экологической и биогеохимической роли детрита и других видов биогенного материала [7-10]. Связывание химических элементов с мортмассой привлекло внимание в связи с новыми концепциями о типологии вещества в биосфере [7-10].

Цель проведенных опытов – продолжить работы в этом направлении и проверить гипотезу о том, способна ли мортмасса водных макрофитов Myriophyllum aquaticum иммобилизовывать химические элементы, находящиеся в водной среде – такие, как палладий, скандий, титан, цирконий и другие. Полученные в данном исследовании результаты дали положительный результат и подтвердили справедливость проверяемой гипотезы.

Факты, полученных в экспериментах автора, дополнительно поддерживают изложенные в [710] положения. Это позволяет использовать новые результаты для анализа вопроса о том, как продолжается развитие идей В.И.Вернадского в отношении указанных в начале статьи вопросов.

Публикация подготовлена по материалам докладов автора на Биогеохимических чтениях памяти В.В. Ковальского (Москва, Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН, 2012) и на академических чтениях, посвященных 150-летию со дня рождения В.И.Вернадского (Тольятти, Самара, 13-14 марта 2013).

МЕТОДИКА

Инкубацию образцов мортмассы Myriophyllum aquaticum проводили в водных системах объемом 1 л. Использовали воду, очищенную в системе Barnstead, Nanopure Ultrapure Water System. Характеристика воды - 18 MΩ∙cm.

Добавление элементов в водную среду произведено до создания концентраций: палладий 0.5 мг/л, скандий 0.5 мг/л, титан, цирконий 1 мг/л. Были добавлены наночастицы окиси титана (TiO 2 ) в концентрации 20 мг/л.

Для проведения измерений в опытах использовали следующие реактивы:

Стандартный раствор палладия: Plasma Emission Standard, Spectrum®; 999.2 ppm (999.2 мкг в 1 мл) в 20% HCl. Производитель -Spectrum Chemical Mfg Corp., Garden, CA 90248, США.

Стандартный раствор скандия: Plasma Emission Standard, Spectrum®; 1000.2 ppm (1000.2 мкг в 1 мл) в 5% азотной кислоте. Spectrum Chemical Mfg Corp., США.

Стандартный раствор циркония: 1000 ppm (1000 мкг в 1 мл), в 10 % HCl. Spex Industries, Inc.; Edison, NJ 08820, США.

Аналогичным образом использовались стандартные растворы других химических элементов.

Наночастицы TiO 2 : диаметр 50 нм, площадь поверхности 325 м² /г. Производитель – Zhejiang Hongsheng Material Technology Co., Китай.

РЕЗУЛЬТАТЫ

В результате проведенных опытов выявлено следующее. После инкубации концентрация изученных элементов в мортмассе Myriophyllum aq-uaticum нарастала, о чем свидетельствуют данные, приведенные в таблице 1.

Как видно из таблицы 1, концентрация палладия в контрольном образце мортмассы Myriophyl-lum aquaticum (который инкубировали в аналогичной водной системе, но без добавления в водную среду палладия) составляла 1,89 ± 1.27 мкг/кг. После инкубации в водной среде, содержащей палладий, содержание этого элемента в образце мортмассы Myriophyllum aquaticum выросло в 5 раз и составило 9,59 ± 1,09 мкг/кг.

Аналогичным образом, в результате инкубации выросло содержание скандия. В контрольном образце содержание скандия было на уровне 0,09 ± 0,002 мкг/кг. После инкубации в водной среде, содержащей скандий, его содержание в мортмас-се Myriophyllum aquaticum выросло почти в 200 раз и составило 18,85 ± 2,19 мкг/кг.

Концентрация титана в контрольных образцах мортмассы составила в среднем 0,11 ± 0,03 мг/кг. После инкубации в водной среде с добавленным титаном, содержание титана в мортмассе Myrio-phyllum aquaticum выросло более чем в 500 раз и составило 59,11 ± 33.98 мг/кг.

Таблица 1. Содержание элементов в мортмассе водного макрофита Myriophyllum aquaticum. Примечание: St. Dev. - стандартное отклонение (standard deviation). Измерения сделаны Monique E. Johnson, J.F. Tyson. Эксперимент, включая разработку идеи опыта, дизайн опыта, создание систем для инкубации, инкубацию, отбор и подготовку образцов, проведен автором

Элементы	После добавления элементов в водную фазу и последующей инкубации, средняя концентрация	St. Dev.	Контроль (без добавления, элементов в водную среду) средняя концентрация	St. Dev .
Ce Церий, мкг/кг	60.00	24.37	Ниже порога обнаружения	-
Eu Европий, мкг/кг	51.46	18.95	Ниже порога обнаружения	-
In Индий, мкг/кг	19.59	5.97	Ниже порога обнаружения	-
Pd Палладий, мкг/кг	9.59	1.09	1.89	1.27
Ru Рутений, мкг/кг	5.60	2.05	Ниже порога обнаружения	-
Sc Скандий мкг/кг	18.85	2.19	0.09	0.00 2
Se Селен, мкг/кг	12.56	7.94	Ниже порога обнаружения	-
Ti Титан, мг/кг	59.11	33.98	0.11	0.03
U Уран, мкг/кг	22.67	6.02	Ниже порога обнаружения	-
Zr, Цирконий, мг/кг	15.48	9.01	0.19	0.15

Концентрация циркония в контрольной мор-тмассе составляла 0.19 ± 0,15 мг/кг. После инкубации в водной среде с добавленным цирконием содержание этого элемента в мортмассе Myrio-phyllum aquaticum выросло почти на 2 порядка и составило 15.48 ± 9,1 мг/кг.

Для ряда других элементов наблюдали также существенное увеличение их содержания в мор-тмассе после соответствующей инкубации. В контрольных образцах мортмассы Myriophyllum aq-uaticum содержание церия (Ce), европия (Eu), индия (In), рутения (Ru), селена (Se) и урана (U) было ниже предела обнаружения. После соответст- вующей инкубации в водной среде, в которую добавили эти элементы, их содержание в мор-тмассе Myriophyllum aquaticum уверенно измерялось и составило значения, приведенные в таблице 1.

Полученные данные о содержании ряда элементов в образцах растительного происхождения согласуются с данными литературы об измерениях концентрации указанных элементов в растениях (см. таблицу 2).

Таблица 2. Результаты измерения содержания некоторых из изученных в данной работе элементов в образцах растительного материала (данные различных авторов)

Элементы	Образцы материала растений	Концентрации на сухой вес	Ссылки
Палладий, скандий, цирконий, титан	Myriophyllum aquaticum	Содержание элементов в мортмассе растений Myrio-phyllum aquaticum – см. выше текст данной статьи	Данное исследование
Палладий Pd	Pinus radiata	15 ± 15 ppb в золе. Зола составляла 3% от сухого веса образцов фитомассы.	[17]
Скандий Sc	Различные виды растений	Из исследованных образцов многих видов растений лишь в 3% содержание было выше предела обнаружения. Обнаруженные концентрации были на уровне нескольких мкг/ кг (ppb ).	[29]
Титан Ti	Diandrostachia chryso-trix, Erythroxylum sp., Leandra aurea	3 - 9,5 мг/кг	[13]
Цирконий Zr	Томаты, корни Lycopersicon esculentum L.	2,60 - 7,96 мг/кг (растения томатов выращивали на почве); 2,84 мг/кг (растения выращивали на гидропонике)	[14]
Zr	Горох, корни Pisum sativum	1,08-1,15 (горох выращивали на почве); 0,58 (гидропоника)	[14]

Среди изученных в данной работе элементов был титан, который вносился в водную среду в форме наночастиц окиси титана.

Полученные в данной работе новые факты об иммобилизации титана мортмассой макрофита Myriophyllum aquaticum согласуются с опубликованными ранее сведениями о связывании органическим веществом ряда видов наночастиц [25].

При иммобилизации химических элементов мортмассой Myriophyllum aquaticum , которая находилась в водной среде, происходит соответствующее снижение концентрации этих элементов в водной фазе. Таким образом, в итоге вносился вклад в очищение водной среды от химических соответствующих элементов. Тем самым изучаемое явление вписывается в процессы самоочищения воды, охарактеризованные в публикациях [610, 18-25]. Подчеркнем, что самоочищение от наночастиц имеет особенно важное значение, поскольку доказана токсичность ряда видов наночастиц – например [28, 30].

Актуальность вопроса о судьбе изученных элементов в окружающей среде связана с их практическим использованием в промышленности и производстве различных изделий и материалов, что неизбежно создает новые виды загрязнения окружающей среды, в том числе водных объектов.

Полученные данные и результаты их анализа могут быть суммированы следующим образом.

• 1.    Полученные результаты на новых примерах (мортмасса широко распространенного вида водных макрофитов Myriophyllum aquaticum, химические элементы: палладий, скандий, цирконий, титан, церий, европий, индий, рутений, селен и уран) подтверждают, что мортмасса водных растений, входящая в состав природных экосистем, наряду с другими компонентами, может нести функцию депо или места, где происходит иммобилизации и секвестр химических элементов.

• 2.    Новые факты, полученные в опытах, согласуются с теоретическими представлениями о по-лифункциональной роли биоты в самоочищении воды [6, 20-24] и о типологии вещества в биосфере [7-10]. Изложенные новые факты поддерживают выводы, сделанные в предыдущих статьях [3338], подчеркивают актуальность исследований в области экотоксикологии и химико-биотических взаимодействий с участием токсичных веществ [5, 39 - 44].

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НОВЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ И ДАННЫХ НАУЧНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ В СВЯЗИ С РАЗВИТИЕМ ИДЕЙ

В.И. ВЕРНАДСКОГО

Представляет интерес заново вернуться к анализу тенденций в современном развитии некоторых идей В.И.Вернадского. Новые факты о химико-биотических взаимодействиях в биосфере суммированы в таблицах 1-5 в публикации [9] и таблице 1 в данной работе. Новые элементы теоретических положений суммированы в таблице 6 в публикации [9] и в выводах публикаций [7-10].

Проведенная автором экспериментальная работа и анализ фактов позволяют сделать следующие комментарии о развитии следующих положений Вернадского.

• 1.    Положение В.И.Вернадского о роли живого вещества как геологической силы , влияющей на лик Земли. Анализируя современное развитие этой концепции, можно отметить следующее: это положение детализировано, подтверждено и усилено на новом эмпирическом материале, в том числе фактами о водных экосистемах и организмах, полученных автором и систематизированных в теории самоочищения воды [6, 20, 21, 23, 24, 3538]. В частности, это положение усилено новыми фактами в области водной экологии и их обобщением в теории полифункциональной роль организмов в самоочищении воды [6, 20, 21, 23, 24, 35-38]

• 2.    Концепция В.И.Вернадского - биогенная миграция элементов . Предложенный анализ с учетом экспериментов автора и данных литературы ведет к дополнению этой концепции. Вывод из проведенной работы: автор прогнозирует, что будет становиться распространенной следующая формулировка: биогенная миграция и иммобилизация элементов (подробнее в разделе 4 данной работы).

• 3.    Концепция В.И.Вернадского - типология вещества в биосфере, которую Вернадский излагал в нескольких вариантах, не совпадающих друг с другом. Предложенный анализ с учетом опытов автора (и участников наших опытов и измерений): прогнозирует, что проведенная работа и продолжающиеся исследования ведут к дополнению последнего варианта типологии, принятой в последних итоговых публикациях Вернадского (подробнее в разделе 4 работы [9]). Автор прогнозирует, что будет распространяться новая типология вещества, в соответствии с которой выделяется живое вещество, косное вещество и третий тип вещества (экс-живое вещество или бывшее живое вещество) [7-10].

• 4.    Концепция В.И.Вернадского – аппарат биосферы. Вопросы регуляции аппарата В.И.Вернадским не были рассмотрены. Автор предлагает учитывать роль природных химических веществ, продуцируемых организмами, как экологических хеморегуляторов. Концепция экологических хеморегуляторов предложена и обоснована им в книге «Введение в биохимическую экологию» (М.: Изд-во Московского ун-та) [44].

• 5.    Практическое использование новых результатов способствует проводить следующее: более объективную и точную оценку антропогенных воздействий на окружающую среду, более осмысленный мониторинг химического загрязнения, совершенствование прогнозирования последствий загрязнения среды, укрепление научной базы технологий очищения водной среды и предотвращения загрязнения, сохранение качества воды и поддержание безопасности источников водоснабжения.

Измерения выполнены Monique E. Johnson, J.F. Tyson, при организационной поддержке B.Xing (Университет Массачусеттса, США). Работа поддержана грантом Программы Фулбрайта.