Распределение тяжелых металлов в растительном покрове Яман-Касинского месторождения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Оренбургский государственный университет», г. Оренбург

Распределение тяжелых металлов в растительном покрове Яман-Касинского месторождения

Черняхов В.Б., Калинина О.Н.

Ранее уже рассматривалось распределение тяжелых металлов в породах палеозоя и почвенном покрове Яман-Касинского месторождения [1, 2].

Не меньший интерес представляют закономерности распределения этих компонентов в растительном покрове, являющимся составной частью сопряженной природной цепи.

Концентрации химических элементов в растениях, произрастающих на липарито-дацитовых порфирах, вмещающих рудное тело рассматриваемого месторождения, обусловлены типом минерализации и видовой принадлежностью растений. Следствием первого факта является повышенное содержание основных типоморфных элементов, свойственных колчеданным месторождениям, во всех растениях, т. е. имеет место групповая концентрация химических элементов растениями. Следствием второго факта является наличие некоторой избирательности в концентрации химических элементов отдельными видами растений.

Медь. Наиболее высоким содержанием Cu отличаются представители двух биоформ - кустарников и полукустарничков, концентрации которых в три и более раза превышают среднее содержание этого элемента в золе растений, принятое для Южного Урала и называемое также региональным кларком растений. В ветвях Caragana frutex, Spiraea crenata и Artemisia marschalliana концентрации Cu в 5-18 раз превышают региональный кларк растений (РКР). Способность концентрировать медь отдельными видами у этих биоформ выражена сильнее, чем у отдельных видов деревьев и травянистых растений (дерновинных злаков и стержнекорневых травянистых многолетников), характеризующихся величинами содержаний, близких к РКР (таблица 1). Следовательно, концентрация химических элементов зависит не только от глубины проникновения и степени развития корневых систем. В этом отношении весьма показательна жизненная форма древесных растений. В пределах лесной зоны, где деревья являются зональной жизненной формой, концентрации многих элементов в золе древесных пород действительно наиболее четко отражают химический состав почв и подстилающих их горных пород. Однако древесные породы при произрастании в нехарактерных для них условиях концентрируют химические элементы в более низких количествах, чем растения зональных биоформ.

Таблица 1 - Среднее содержание химических элементов, n10^-3 % (Ca, Mg в %), в золе растений, приуроченных к липарито-дацитовым порфирам Яман-Касинского месторождения.

* Для каждого вида в числителе указывается содержание элементов в ветвях или стеблях, а в знаменателе - в листьях.

Виды растений одной биоформы, близкие по экологическим требованиям, одинаково хорошо отражают геохимические особенности горных пород. Сравнение концентраций микроэлементов в листьях Artemisia austriaca и А. marschalliana, отобранных на одних и тех же площадках в пределах интрузии липарито-дацитовых порфиров, вмещающих рудное тело, показало, что среднее содержание химических элементов в обоих видах близки между собой (таблица 2).

яман касинский растение медь

Таблица 2 - Среднее содержание микроэлементов, n10^-3 %, в золе листьев Artemisia marschalliana и А. austriaca

Как видно из таблицы 2, что ф² характеризуется значениями, лежащими ниже критических. Существенное различие между средними содержаниями (и их дисперсиями) отмечаются в листьях полыни лишь для Zn. Для этого элемента ф² превышает принятое критическое значение.

Виды растений одной биоформы, но отличающиеся по экологическим особенностям, эквивалентной характеристики геохимической специфики среды обитания не дают. Например, у степного ксеромезофила Spiraea crenata содержание большинства химических элементов значительно выше, чем у лесного евримезофила Rosa cinnamomea (таблица 1).

Биоморфа травянистых многолетников имеет в целом самую низкую концентрирующую способность по отношению к Cu. Вместе с тем у отдельных представителей этой биоморфы отмечаются биологические реакции, обусловленные воздействием полиметаллической рудной минерализацией. В контуре рудного тела при аномальных содержаниях в почве Cu, Zn, Pb, составляющих соответственно 1510^-3, 3010^-3, 1010^-3 %, встречаются экземпляры Veronica incana с измененной окраской венчика, имеющего вместо обычных синих розовые лепестки венчика. Цветки с розовыми венчиками составляют соцветие-кисть полностью. Ветви, листья и цветки таких растений характеризуются высокими концентрациями 5010^-3 %, 610^-3 %, и 810^-3 %. Экземпляры с неизменной окраской венчика, произрастающие совместно с измененными экземплярами, имеют в отдельных органах (стеблях) также повышенные концентрации - 3010^-3 %. Содержание Cu в листьях - 210^-3 %, а в цветках - 510^-3 %. Повышение концентрации меди в экземплярах с неизменной окраской венчика в пределах рудного поля наблюдалось часто. За пределами рудного поля содержание Cu в золе Veronica incana несколько превышает КРК.

При выявлении причин эндемических изменений большое значение приобретает определение пороговых концентраций химических элементов, выше или ниже которых появляются определенные биологические эффекты. Для Zn нижняя пороговая концентрация составляет 310^-3 %, верхняя - 710^-3 %. Содержание Zn в почве, где отмечены морфологические изменения Veronica incana, относится, таким образом, к пороговым концентрациям. Содержание Pb в почвах также, по-видимому, достигает пороговых концентраций.

Появление эндемических изменений у растений зависит не только от пороговых концентраций этих элементов в среде, но и от многих сопутствующих факторов: соотношения в почве микроэлементов, климатических и метеорологических условий, приспособленности растений к геохимической среде и др.

При неблагоприятном сочетании указанных факторов регулирующие системы растений, главнейшими из которых являются системы депонирования, выделительная, барьерные, система распределения микроэлементов между органами и тканями, система синтеза биологически активных соединений и другие, не справляются с избыточным количеством металлов, в результате возникают дисфункции, приводящие к морфологическим и физиологическим изменениям. Число морфологически измененных экземпляров Veronica incana на Яман-Касинском месторождении невелико - 5 % всех особей.

Распределение меди в различных органах растений является нейтральным или малоконтрастным акропентальным. В условиях рудного поля контрастность акропентального распределения увеличивается. Наибольшие концентрации наблюдаются в корнях растений. При нормальных содержаниях Cu в почвах (310^-3 %) в корнях содержится приблизительно в 1,5-2 раза больше меди, чем в надземных частях, на аномалиях - в 3,3-8 раз более у Galatella villosa и в 10 раз у Artemisia marschalliana. Содержание Cu в стеблях и листьях у рассматриваемых видов примерно одинаково. Старые органы, какими являются прошлогодние стебли у Artemisia marschalliana, по сравнению со стеблями текущего года отличаются более высокими концентрациями.

Цинк. Особенности поглощения Zn растениями в основном благоприятны для использования его в качестве биогеохимического индикатора рудных месторождений. Это один из наиболее контрастных химических элементов в отношении поглощения его различными видами растений, произрастающих в одинаковых условиях. На месторождении все опробованные растения в значительной степени обогащены этим элементом, у большинства видов концентрации Zn в 20-60 раз превышают РКР. В условиях ортоэлювиальных ландшафтов наибольшие концентрации отмечаются у кустарника Spiraea crenata, составляющие соответственно в стеблях и листьях - 116,610^-3 % и 71,510^-3 %. Различия в концентрировании цинка отдельными видами одной и той же биоморфы существенны. Особенно это проявляется на примере полукустарничков - Thymus marschallianus, Artemisia marschalliana и Artemisia austriaca, произрастающих в одинаковых условиях. Среднее содержание Zn у Thymus marschallianus в стеблях в два раза превышают средние содержания Zn у Artemisia austriaca и в 5 раз у Artemisia marschalliana. Концентрирующая способность Artemisia austriaca относительно Artemisia marschalliana выявляется более ярко при сопоставлении их концентраций в пробах, отобранных на одних и тех же площадках.

В супераквальных и трансэлювиально-аккумулятивных ландшафтах в связи с большой миграционной способностью цинка им обогащены и древесные породы. Среднее содержание Zn в ветвях Betula pendula составляет 127,510^-3 %. Из травянистых растений высоким содержанием цинка выделяются в условиях рудного поля морфологически и физиологически измененные экземпляры Veronica incana. Содержание Zn в таких экземплярах составляет 5010^-3 %. Как и Cu, Zn, а также Pb в почвах на площадках отбора таких экземпляров в три раза превышает пороговые концентрации, равные 710^-3 %.

Распределение цинка по органам характеризуется теми же особенностями, что и распределение меди. Содержание цинка в корнях Artemisia marschalliana почти в три раза превышает содержание в стеблях и листьях и соответственно составляет 38,1810^-3 %, 13,4110^-3 % и 13,8210^-3 %. У травянистых растений несколько иные соотношения - в корнях Galatella villosa цинка содержится в два раза больше, чем в стеблях, и в 4,4 раза больше, чем в листьях. В старых органах содержание Zn увеличивается. Стебли прошлого и текущего года у Artemisia marschalliana содержат Zn в контуре рудного тела на отдельных площадках соответственно - 10010^-3 % и 310^-3 %, 2010^-3 % и 610^-3 %, 10010^-3 % и 4010^-3 %.

Свинец. В пределах месторождения наблюдается обогащение Pb всех произрастающих здесь растений. Однако, степень этого обогащения неодинакова у видов различных жизненных форм. Самые высокие концентрации имеют кустарники - Caragana frutex и Spiraea crenata - 27,310^-3 % и 62,210^-3 %, что в 7-15 раз превышает РКР по этому элементу. Виды полыней (Artemisia austriaca и Artemisia marschalliana, отобранные на одних и тех же площадках) не отличаются по концентрирующей способности свинца, у кустарников избирательность к поглощению свинца выражена более резко, у злаков и травянистых многолетников она вновь сглаживается. Распределение свинца в отдельных органных растениймалоконтрастное акропентальное. Корни Artemisia marschalliana содержат Pb в 1,5 раза больше, чем стебли и в 3 раза больше, чем листья. У Galatella villosa соотношение между указанными органами соответственно равны 2 и 3,6. старые органы (стебли прошлого года) заметно обогащены этим элементом по сравнению со стеблями текущего года и соответственно составляют в контуре рудного тела на 1 площадке 4010^-3 % и 210^-3 %, на 3 площадке - 610^-3 % и 210^-3 %, 5010^-3 % и 310^-3 %.

Серебро. На Яман-Касинском месторождении этим элементом обогащены все виды растений, за исключением травянистых многолетников. Из последних серебро содержится лишь в золе петрофила Galatella villosa. Средние концентрации Ag у большинства растений в 3-7 раз превышают РКР по этому элементу. Однако, максимальные содержания Ag у ряда растений в контуре рудного тела достигают высоких величин. Так, у Koeleria crisiata они составляют 110^-3 %, а у Galatella villosa 310^-3 %.

Серебро более или менее равномерно распределено в различных органах растений. У полукустарничков содержание серебра в корнях и листьях одинаково, в стеблях несколько меньше. Однако, в стеблях прошлого года у Artemisia marschalliana содержание серебра значительно превышает его содержание в стеблях текущего года и соответственно составляет 0,1-0,210^-3 %, тогда как в стеблях текущего года содержание серебра составляет 0,03-0,0410^-3 % или ниже чувствительности спектрального анализа. У Amygdalus nana максимальные концентрации серебра имеют ветви, а у Artemisia austriaca, Koeleria crisiata - листья. Поэтому при биогеохимических исследованиях можно использовать надземную часть полностью у полукустарничков и злаков, прошлогодние ветви Artemisia marschalliana и одно- двухлетние ветви кустарников, листья и одно- двухлетние побеги древесных пород.

Молибден. Содержание Мо в растениях на месторождении ниже РКР, равного 210^-3 %. Биологическая аккумуляция Мо лучше выражена у таких биоморф, как полукустарнички, дерновинные злаки и травянистые многолетники. Однако, и у этих величины содержаний не превышают РКР. Лишь у Echinops ritro содержание Мо равно региональному кларку, а у Filipendula vulgaris, Veronica incana и Artemisia austriaca содержание Мо превышает его и равно соответственно 510^-3 % и 2010^-3 %. Вообще же при нормальных содержаниях Мо в почвах растения мало отличаются друг от друга по его концентрации в золе одинаковых организмов. Даже бобовые, которые многими исследователями относятся к растениям-концентратам, отличаются от большинства опробованных видов не более чем в 1,2-2 раза. Наибольшие содержания Мо находятся в конях растений. В надземной части распределение Мо носит безипетальный характер - листья содержат больше Мо, чем стебли.

Олово. Встречаемость Sn в золе опробованных растений 20 %. Концентрация этого элемента у растений на рассматриваемом месторождении ниже регионального кларка. Растения проявляют некоторую изобретательность в накоплении Sn. Наибольшей концентрирующей способностью обладают кустарники, полукустарнички и травянистый петрофил Galatella villosa. Модальные содержания олова у отдельных видов указанных биоморф составляют 0,0510^-3 %. Максимальные содержания Sn более дифференцированы у видов растений, относящихся к разным биоморфам. У Caragana frutex над рудным телом они составляют 210^-3 %, у полукустарничков и травянистых растений 0,110^-3 %. Распределение Sn по органам растений является малоконтрастным акропентальным. Наибольшие концентрации Sn наблюдаются в корнях растений, что проявляется в первую очередь в частоте обнаружения значимых концентраций этого элемента. Частота встречаемости Sn в подземных органных растений составляет 40 %. Из надземных органов более пригоджны к биогеохимическому опробованию одно- двухлетние ветви кустарников.

Висмут. Встречаемость Bi в золе растений ввиду низкой чувствительности спектрального анализа на этот элемент невысокая - 5 %. В растениях он обнаружентолько над эпицентром рудного тела. Его содержания составляют 0,1-0,310^-3 %.

Никель. Средние содержания Ni в большестве опробованных растений находиться ниже РКР. Лишь кустарники, приуроченные к малосформировавшимся черноземам обыкновенным ортоэлювиальных ландшафтов, содержат Ni в количествах, превышающих РКР. Содержание Ni в этих условиях у Caragana frutex, Spiraea crenata, Cotoneaster melanocarpa составляет 4,0-6,3510^-3 %. Ni характеризуется малоконтрастным акропентальным распределением в органах растений. Несколько большие его концентрации характерны для золы корней и старых ветвей. Стебли текущего года и листья отличаются по содержанию Ni незначительно.

Кобальт. Встречаемость Со в золе опробованных растений составляет 85 %. Лучше его концентрируют деревья, кустарники и полукустарнички. А в общем его содержание в опробованных растениях близко к нормальным 0,3-1,010^-3 %. В подземных органах Со содержится несколько больше, чем в стеблях и листьях.

Хром. Этот элемент в пределах месторождения растениями концентрируется слабо. Содержание его примерно одинаково у всех растений. Модальное значение 110^-3 %. Максимальные (единичные) содержания достигают 410^-3 %. В корнях Cr содержится в больших количествах, чем в надземных органах.

Заканчивая характеристику уровня рассеяния химических элементов, отметим, что растения в пределах месторождения обогащены среди липарито-дацитовых порфиров основными халькофильными элементами Cu, Zn, Pb.

Те же самые растения, произрастающие на диабазах, характеризуются более низким уровнем рассеивания основных рудообразующих и типоморфных элементов Cu, Zn, Pb. Имеющиеся отдельные отклонения обусловлены влиянием местных геохимических ландшафтов и связанными с ними вторичными наложенными солевыми ореолами рассеяния. В свою очередь растения на диабазах отличаются более высокими содержаниями Ni и некоторых других седорофильных элементов.

Список литературы

1. Черняхов, В.Б., Калинина, О.Н. Ореолы экологически опасных химических элементов в горных породах Яман-Касинского месторождения: материалы Всероссийской научно-практической конференции «Интеграция науки и практики в профессиональном развитии педагога» / Оренбургский гос. ун-т. - Оренбург: ОГУ, 2010. - 263 с. ISBN 978-5-7410-1047-1

2. Черняхов, В.Б., Калинина, О.Н. Геохимические особенности почвенного покрова Яман-Касинского месторождения: материалы международной научной конференции «Наука и образование: фундаментальные основы, технологии, инновации» / Оренбургский гос. ун-т. - Оренбург: ОГУ, 2010. - 362 c. ISBN 978-5-7410-1062-4

Размещено на Allbest.ru