ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ В РАСТЕНИЯХ И ПОЧВАХ НА СЕРПЕНТИНИТАХ ЮЖНОГО УРАЛА

HEAVY METAL IN PLANTS AND SOILS ON SERPENTINES OF SOUTHERN URALS

А.Ю.Тептина, А.Г.Пауков

A.Teptina, A.Paukov

Уральский Федеральный Университет

(620000, Екатеринбург, пр. Ленина, 51)

Ural Federal University

(620000, Russia, Ekaterinburg, Lenin av., 51)

e-mail: ateptina@gmail.com

В статье приводятся данные о содержании тяжелых металлов в почвах и растениях на ультраосновных породах Южного Урала. Несмотря на высокое содержание тяжелых металлов в почве, для большинства исследованных видов зафиксировано не высокое содержание металлов в надземной массе. Исследования позволили выделить 1 вид гипераккумулятор Ni (Alyssum obovatum) и один вид аккумулятор Ni (Alyssum tortuosum).

A data on a content of heavy metals in soils and plants on ultramafic rocks of Southern Urals is presented. Despite high levels of heavy metals in soils most species contain small amounts of heavy metals in shoots. Our studies revealed one hyperaccumulator (Alyssum obovatum) and one accumulator species (Alyssum tortuosum). 

Серпентинитовые почвы, формирующиеся на ультраосновных горных породах, широко распространены во всем мире [8, 9], характеризуются физическими и химическими особенностями, неблагоприятными для растений, которые проявляются в так называемом "серпентинитовом синдроме" [10]. Это явление обусловлено рядом факторов. В почвах наблюдается высокое содержание Mg и Fe, а также относительно высокие концентрации Ni, Cr и Со, обладающие токсическим эффектом на растения. При этом обычно низкое содержание основных питательных элементов, таких как N, P и K [8]. Почвы ультраосновных пород имеют высокие значения обменного Mg и низкие значения обменного Ca. Сдвиг соотношения Mg/Ca в пользу Mg отрицательно сказывается на растениях, особенно в условиях избытка других ионов [11].

Нами были исследованы ультраосновные массивы Южного Урала – Сугомакский, Кракинский, Медногорский и Хабарнинский. Массивы входят в зону главного уральского глубинного разлома и относятся к альпинотипной формации. В каждом массиве проводился сбор образцов растительного материала, было собрано 3-5 образцов каждого вида. В местах сбора растений также были собраны почвенные образцы на глубину 0-7(10) см. Почва высушивалась на воздухе. В дальнейшем в камеральных условиях проводилось определение актуальной кислотности, содержание обменных форм Са, Mg, Na, К (фотометрическим методом). Определение содержания металлов (Cr, Mg, Ni, As, Co) в пробах почв и растений проводилось методом атомно-эмиссионной спектроскопии с индуктивно связанной плазмой.

Сугомакский ультраосновной массив расположен в районе г. Кыштым, в Западно-Магнитогорской зоне. В его составе преобладают антигоритовые серпентиниты, тальк-карбонатные породы и серпентинизированные дуниты. Почвы в целом отражают особенности состава подстилающих горных пород. Проведенные нами анализы общего содержания тяжелых металлов в почвах Сугомакского массива показал повышенные концентрации Ni (360 мг/кг), при содержании 2000 мг/кг в горной породе [4]. Для Cr характерны самые высокие концентрации среди почв исследованных массивов (748,5 мг/кг). Содержание хрома в горных породах и почвах примерно одинаковое. Соотношение общего Mg/Ca составляет 11,65 (табл. 1).

Кракинский ультраосновной массив является одним из наиболее крупных на Урале гипербазитовых массивов. Расположен на территории Башкортостана, в Белорецком районе. В геоморфологическом отношении массив приурочен к северной части Зилаирского мегасинклинория, занимает в нем антиклинальное положение. Массив подразделяется на горные узлы Северный, Средний, Южный и Узянский. Относится к группе габбро-гипербазитовых массивов дунит-гарцбургитовой формации. Породы массива представлены гарцбургитами, дунитами, лерцолитами и их брекчиями, в краевых частях массива Крака расположены пироксениты [3]. Анализ почв Кракинского массива показал высокие концентрации никеля и хрома, причем концентрация никеля в почве самая высокая в исследованных массивах (565 мг/кг). Уровень хрома составил 495 мг/кг. Содержание Со невелико (36 мг/кг) (табл. 1).

Медногорский ультраосновной массив относится к Зилаирскому мегасинклинорию. Расположен северо-западнее города Медногорска Оренбургской области. Основная масса пород представлена гарцбургитовыми серпентинитами, серпентинизированными дунитами и пироксенитами. Почвы Медногорского массива содержат высокие концентрации никеля, особенностью является повышенное содержание кальция, почва вскипает от HCl и как следствие – сдвиг в соотношении Mg/Ca в сторону Ca.

Хабарнинский дунит-гарцбургитовый ультраосновной массив расположен западнее пос. Хабарное Оренбургской области. Относится к габбро-гипербазитовым массивам дунит-гарцбургитовой формации. Ультраосновные породы массива – пироксениты, гарцбургитовые серпентиниты, амфиболиты [5].

Таблица 1

Особенности состава серпентинитовых почв Южного Урала

Низкое содержание питательных веществ, катионный дисбаланс, высокая концентрация металлов, вместе с температурными эффектами, стрессами, связанными с недостатком влаги, почвенной несбалансированностью, приводит к формированию условий, ограничивающих рост и выживание растений на серпентинитовых местообитаниях. Растения вырабатывают механизмы устойчивости к неблагоприятным почвенным условиям, формируя особые стратегии поведения. Как реакция на высокие содержания металлов в почве формируется несколько групп видов: 1) гипераккумуляторы и аккумуляторы, накапливающие металлы в надземной массе, как при низком, так и при высоком содержании их в почве; 2) индикаторы, в которых концентрация металла отражает его содержание в окружающей среде; 3) исключители, у которых поступление металлов в растение ограничено, несмотря на их высокую концентрацию в окружающей среде и накопление в корнях [6, 7].

Сегодня в мире известно более 400 видов-гипераккумуляторов тяжелых металлов, относящихся к 45 семействам высших растений. 75% от всех известных гипераккумуляторов видов накапливают Ni [12].

Среди семейств, в состав которых входят виды-гипераккумуляторы, на Южном Урале встречаются Asteraceae, Brassicaceae, Caryophyllaceae, Euphorbiaceae, Rubiaceae, Violaceae. Проведенные исследования представителей данных семейств с использованием полуколичественного анализа с диметилглиоксимом показали накопление Ni только видами рода Alyssum семейства Brassicaceae. Эти виды входят в секцию Odontarrhena (C.A.Meyer) Hooker., представители которой в мире часто демонстрируют способность к повышенному накоплению тяжелых металлов.

Нами проведены аналитические исследования трех многолетних видов из рода Alyssum – A. obovatum (C.A.Meyer) Turcz., A. tortuosum Waldst. et Kit. и A. lenense Adams, встречающиеся на Южном Урале. Было показано значительное варьирование содержания металлов в надземной фитомассе. Самые низкие значения никеля были зафиксированы у A. lenense (27,8 мг/кг). Уровень накопления никеля соответствует видам, обладающим механизмами избирательного поглощения. Дальнейшие исследования на ультраосновных субстратах позволят уточнить эти выводы.

Исследования надземной массы двух других видов рода Alyssum показали более высокие концентрации Ni. Наиболее высокая концентрация Ni зафиксирована у A. obovatum, что ранее отмечалось для данного вида на Полярном Урале [2] и на Чукотке [1]. Так, на ультраосновных породах Южной Чукотки A. obovatum показал накопление 926-1308 мг/кг, что значительно ниже полученных нами данных (2016-6003 мг/кг). A. obovatum является видом-гипераккумулятором Ni, показавшем высокие уровни накопления во всех ультраосновных массивах. Данные, полученные нами для Среднего Урала, показали накопление Ni в наземной массе A. obovatum 818-1439 мг/кг.

В пределах Южного Урала в разных массивах отмечено варьирование уровня накопления никеля A. obovatum. Наибольшее количество обнаружено в растениях Кракинского массива (табл. 2). Содержание никеля в A. obovatum на Южном Урале показывает достоверное отличие от концентрации этого металла в почве.

Данные наших исследований и перечисленные литературные данные свидетельствуют о более высоких концентрациях никеля в южных районах, и эти значения не коррелируют с уровнем содержания никеля в почве. Возможно, это связано с большей аридностью климата на Южном Урале и косвенно может служить подтверждением осмотической гипотезы значения гипераккумуляции для растений.

Таблица 2

Содержание металлов в пробах р. Alyssum на ультраосновных почвах Южного Урала

* звездочкой отмечены достоверные различия с содержанием никеля в почве.

1. tortuosum на Южном Урале также показал повышенный уровень накопления никеля, составивший 91,53-321,71 мг/кг. Поскольку концентрация этого металла в его надземной части составляет менее 1000 мг/кг, данный вид не может быть отнесен к гипераккумуляторам, но в связи с тем, что он показал примерно в 5-10 раз повышенную по сравнению с обычными видами способность к накоплению никеля, он может быть отнесен к видам-аккумуляторам.

Расчет корреляции между содержанием металлов в пробах надземной фитомассы Alyssum obovatum показал, что, несмотря на различный уровень их поглощения, наблюдается положительная взаимная корреляция содержания никеля, хрома и магния и отрицательная - кальция (табл. 3).

Таблица 3

Корреляции между содержанием металлов в пробах алиссума

Изучение зависимости содержания металлов в почве и алиссуме показывает положительную корреляцию содержания магния и хрома и отрицательную – кальция. Никель в растениях недостоверно положительно коррелирует с его содержанием в почве и высоко – с содержанием кальция (табл. 4). Данные о корреляциях имеют предварительный характер, однако могут свидетельствовать о важной роли химизма почвы в определении химического состава растений.

Таблица 4

Корреляции между содержанием металлов в пробах алиссума и почв

Гипераккумуляторы металлов представляют огромный интерес в связи с их возможностью использования в целях фиторемедиации. Их изучение представляет теоретическое значение в связи с тем, что они генетически преадаптированы к высоким концентрациям тяжелых металлов и позволяют понять причины устойчивости видов к токсическим элементам в почве. Исследование растительных сообществ на почвах с естественным повышенным содержанием тяжелых металлов позволяет выделить виды, обладающие разными стратегиями поведения по отношению к металлам в почве, что в дальнейшем позволит проводить рекультивацию земель, содержащих тяжелые металлы, с использованием видов гипераккумуляторов.

Работа выполнена при поддержке РФФИ грант 11-04-00371а 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ: 

1. Алексеева-Попова Н.В. Элементарный химический состав растений Полярного Урала, произрастающих на разных горных породах // Бот. журн. 1970. Т. 55, № 9. С. 1304-1315.
2. Алексеева-Попова Н.В., Дроздова И.В. Особенности минерального состава растений и почв на ультраосновных породах Усть-Бельского горного массива. II. Растения // Бот. журн. 1996. Т. 81, № 5. С. 70-78.
3. Денисова Е.А. Структура ультраосновного массива Южного Крака // Изв. АН СССР. Сер. геол. 1990. № 1. С. 45-63.
4. Рыкус М.В., Бажин Е.А., Савельев Д.Е., Сначев В.И. Геология и геохимические особенности ультрабазитов и габброидов зоны сочленения Южного и Среднего Урала (Кыштымская площадь) // Геология и геофизика, 2009. Т.7, №1. С. 72-80.
5. Ферштатер Г.Б., Беа Ф. Геохимическая типизация уральских офиолитов // Геохимия, 1996. №3. С. 195-218.
6. Antosiewicz J.D.M. Adaptation of plants to an environmental polluted with heavy metal // Acta Soc. Bot. Pol. 1992. V. 61. P. 281-299.
7. Baker A.J.M. Accumulators and excluders: strategies in the response of plants to trace metals // J. Plant Nutr. 1981. V.3. P. 643-654.
8. Brooks R.R. Serpentine and its Vegetation. A Multidisciplinary Approch. Discorides Press, USA. 1987. 332 p.
9. Gigon A. Vergleich alpiner Rasen auf Silikat-und-Karbonatboden // Veroffentlich. des Geobot. Inst. Eidg. Techn. Hochschule. 1971. H. 48. S. 1-179.
10. Jenny H. The Soil Resource. Origin and Behaviour. Springer-Verlag. New York., USA. 1980. 377p.
11. Proctor J. Plant ecology of serpentine II. Plant response to serpentine soils // J. of Ecology. 1971. V. 59. P. 397-410.
12. Reeves R.D. Hyperaccumulation of trace elements by plants // Phytoremediation of metal-contaminated soils / NATO science series: IV: earth and environmental sciences, 2006. Vol. 68. Springer-Verlag. S. 25-52.