Библиографическое описание:

Кизеев А. Н. Влияние радионуклидов и тяжелых металлов на физиологические характеристики хвои сосны обыкновенной на Кольском полуострове // Молодой ученый. — 2010. — №4. — С. 116-121.

ВВЕДЕНИЕ

Проблема техногенного загрязнения окружающей среды в последнее время является актуальной. Особенно острой проблемой является воздействие промышленных выбросов на лесные экосистемы Кольского полуострова [5]. Сосна обыкновенная является одной из основных лесообразующих пород на Кольском Севере [14]. Для того чтобы дать правильную оценку и прогноз существования древостоев в зонах действия крупных промышленных предприятий, необходимо знать механизмы воздействия поллютантов на ассимиляционный аппарат сосны, которая отличается высокой чувствительностью к загрязнению окружающей среды.

Целью данной работы было изучение совместного влияния радионуклидов и тяжелых металлов на физиологические характеристики хвои сосны обыкновенной в центральной части Кольского полуострова.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

Объектом исследований послужила хвоя сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.), произрастающей в индустриально развитых районах центральной части Кольского полуострова, и являющейся здесь одной из главных лесообразующих пород. В работе детальному исследованию подвергалась двухлетняя хвоя, которая у вечнозеленых растений несет основную фотосинтетическую нагрузку, а также передает продуцируемые органические вещества в репродуктивные и запасающие органы [8].

Отбор растительных образцов проводили ежемесячно (с июня по сентябрь) с 2004 по 2008 г.г., в соответствии с общепринятыми методиками [13], на стационарных пробных площадках, представляющих собой сосняки кустарничково-лишайниковые V и Vа класса бонитета, произрастающие на подзолистых Al-Fe-гумусовых почвах [11, 12]. Площадки были приурочены: к 30-километровой зоне действия Кольской АЭС (КАЭС, г. Полярные Зори), и к зоне влияния медно-никелевого комбината «Североникель» (г. Мончегорск). Древесная растительность на данных площадках была типизирована [7], в зависимости от степени ее повреждения выбросами комбината «Североникель» (табл. 1).

 

Таблица 1

Местоположение стационарных пробных площадок в сосновых лесах центральной части Кольского полуострова

Проб-ные площа-дки

Координаты

Район

расположения

площадки

Расстояние от

КАЭС,

км

Расстояние от комбината «Североникель», км

Тип

состояния

леса*

1

67°50¢

32°47¢

г. Мончегорск

44.5

9

ТП

2

67°49¢

32°46¢

42.5

11

ТР

3

67°38¢

32°42¢

река Чуна

22

32

ИД

4

67°32¢

32°19¢

река Пиренга

11

48

5

67°22¢

32°26¢

г. Полярные Зори

10

63

НД

6

67°21¢

32°25¢

г. Кандалакша

12.5

77

Примечание. *ТП – техногенная пустошь с единичными живыми деревьями; ТР – стадия техногенного редколесья; ИД – стадия интенсивной дефолиации; НД – стадия начальной дефолиации.

 

Таксационное описание древостоев на данных площадках приведено в таблице 2.

Таблица 2

Таксационные характеристики древостоев на исследуемых пробных площадках (данные Мончегорского и Зашейковского лесхозов)

Пробные площадки

Состав

пород

Средняя высота,

м

Средний диаметр,

см

Запас

растительности, м3/га

живые

сухие

1

5С5Б

7

8

12

60

2

10С

8

9

21

5

3

7С3Б

8

11

36

3

4

10С

10

16

88

-

5

8С2Е+Б

12

18

32

-

6

7С3Е

11

16

35

-

 

На этих же площадках в период максимального снегонакопления (конец марта – начало апреля) отбирали образцы снега, согласно общепринятым методикам [15, 16].

Концентрации тяжелых металлов (мг/кг, мг/л: Ni, Cu, Co, и др.) в отобранных образцах определяли методом атомно-абсорбционной спектрофотометрии [7]. Определение наиболее радиотоксичных нуклидов (Бк/кг, Бк/л: 7Be, 40K, 226Ra, 228Th, 238U, 137, 134Cs, 90Sr и др.) в пробах проводили с помощью сертифицированной аппаратуры – радиологического комплекса «Прогресс-АБГ», а также α-β-радиометра УМФ-1500Д [3].

В хвое сосны определяли физиологические характеристики – оводненность и содержание пигментов. Оводненность хвои находили термовесовым способом, высушивая растительный материал до абсолютно сухого веса при 105 °С [10]. Количественное определение содержания хлорофиллов и каротиноидов в хвое проводили в общей спиртовой вытяжке по модифицированной методике Нибома [6]. Концентрацию пигментов измеряли на спектрофотометре CФ – 26 и рассчитывали по стандартным формулам для 96% этанола [18].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

В результате проведенных исследований было установлено, что в хвое сосны обыкновенной и в снежном покрове содержатся природные радионуклиды рядов урана-238 (238U, 226Ra и 214Pb), и тория-232 (232Th, 228Ac, 212Bi и 208Tl), а также 7Be и 40K. Из техногенных радионуклидов в измеримых количествах был обнаружен 137Cs, другие радионуклиды (22Na, 60Co, 106Ru, 133Ba, 140La) отсутствовали (табл. 3).

Таблица 3

Содержание радионуклидов в хвое сосны обыкновенной в исследуемом градиенте техногенного загрязнения, Бк/кг сухой массы

Проб-ные площа-дки

238U

226Ra

214Pb

232Th

228Ac

212Bi

208Tl

7Be

40K

137Cs

1

2.6

4.2

32

7

5

3.2

2.5

15

39

1.6

2

2.6

2.7

8.5

3.8

2

1.2

1.3

9

27

1.6

3

3

7.5

4.4

2.8

18

13

1.7

23

42

1.3

4

3.3

8.7

3.6

7.3

11

3.2

3.3

28

53

3.4

5

1.2

1.3

2.1

6.4

3

1.2

1.3

23

35

1.5

6

1.6

2.6

1.2

3.7

4.3

1.5

1.7

25

23

1.7

 

Основным источником поступления радиоактивных элементов рядов урана-238 и тория-232 в хвою сосны в исследуемых районах могла быть почва, в которую они попадают из почвообразующих пород и грунтовых вод, хотя возможно и атмосферное поступление этих радионуклидов. Радионуклид космического происхождения 7Be поступал в хвою, главным образом, из стратосферы вместе с воздушными массами, атмосферными осадками и аэрозолями. В большом количестве в хвое сосны содержался природный радионуклид 40K. Накопление 137Cs хвоей было связано с естественным круговоротом продуктов деления, поступивших в атмосферу и почву от испытаний ядерного оружия, проводившихся ранее на полигонах планеты, от глобального загрязнения атмосферы выбросами Чернобыльской АЭС, и возможно, от КАЭС [3]. Концентрации радионуклидов в хвое сосны на пробных площадках существенно варьировали. Максимальное накопление 238U, 226Ra, 232Th, 208Tl, 7Be, 40K и 137Cs было обнаружено на площадке 4 (район р. Пиренга) (табл. 3).

В снежном покрове в измеримых количествах были обнаружены природные и техногенные радионуклиды (232Th, 214Pb, 7Be и 137Cs). Содержание этих радионуклидов в снеге также варьировало на разных пробных площадках (табл. 4).

Таблица 4

Содержание радионуклидов в снежном покрове в исследуемом градиенте техногенного загрязнения, Бк/л

Пробные площадки

214Pb

232Th

7Be

137Cs

1

1.3

1.8

10.1

1.5

2

0.5

0.4

9.7

0.2

3

0.5

1.2

3.9

0.2

4

0.4

1.7

8.2

1.1

5

0.3

1.8

12.7

2

6

0.2

2.8

1.9

0.8

 

Накопление радионуклидов в снежном покрове было меньше, чем в хвое. Это видно исходя из соотношений между содержанием радионуклидов в хвое и в снеге. Величины этих соотношений составляли: для 137Cs от 1 до 6, для 214Pb от 5 до 20, для 232Th от 1 до 8, и для 7Be от 1 до 12. Такую разницу в концентрациях радионуклидов в хвое и в снеге можно объяснить различной продолжительностью периодов их накопления. По сравнению с хвоей, накопление радионуклидов в снеге на площадке 4 было относительно низким (табл. 3-4). Об этом свидетельствуют пониженные значения соотношений содержания радионуклидов в хвое и в снеге в районе р. Пиренга. Для 137Cs величина соотношения составляла 3, для 214Pb – 8, для 232Th – 4, и для 7Be – 3.5.

Содержание тяжелых металлов в хвое сосны обыкновенной и в снежном покрове также варьировало на разных пробных площадках. Максимальные концентрации Ni, Cu, Co, Fe и Pb в хвое сосны наблюдались вблизи г. Мончегорска (площадки 1 и 2). При этом максимальная концентрация Zn в хвое была обнаружена южнее - на площадке 3, несмотря на то, что его главным источником также является комбинат «Североникель». Повышенная концентрация Mn в хвое сосны была отмечена на площадке 6 (табл. 5).

Таблица 5

Содержание тяжелых металлов в хвое сосны обыкновенной в исследуемом градиенте техногенного загрязнения, мг/кг сухой массы

Пробные площадки

Ni

Cu

Co

Fe

Pb

Zn

Mn

1

141

62

4.6

86

3.8

15

111

2

139

58

4.6

79

3.6

16

164

3

27

14

0.8

75

1.1

45

717

4

5

5

0.2

62

0.3

43

820

5

4

5

0.2

62

0.3

31

870

6

3

4

0.2

58

0.2

28

966

 

Исследование пространственной изменчивости накопления рассматриваемых элементов в снежном покрове показало в целом экспоненциальный характер его убывания с севера на юг во всех случаях (табл. 6).

Таблица 6

Содержание тяжелых металлов в снежном покрове в исследуемом градиенте техногенного загрязнения, мг/л

Пробные площадки

Ni

Cu

Co

Fe

Pb

Zn

Mn

1

0.15

0.10

0.004

0.02

0.004

0.004

0.002

2

0.006

0.004

0.002

0.005

0.002

0.002

0.001

3

0.002

0.003

0.001

0.004

0.001

0.002

0.005

4

0.001

0.002

0.001

0.003

0.001

0.001

0.001

5

0.001

0.001

0.001

0.001

0.001

0.001

0.001

6

0.001

0.001

0.001

0.001

0.001

0.001

0.001

 

Накопление тяжелых металлов в снеге было меньше, чем в хвое. Об этом свидетельствуют величины соотношений между содержанием металлов в хвое и в снеге. Величины этих соотношений составляли: для Ni от 3200 до 24000, для Cu – от 600 до 15000, для Co от 200 до 2000, для Fe – от 3000 до 58000, для Pb – от 200 до 2000, для Zn – от 4000 до 32000, и для Mn – от 47000 до 96000. Такую разницу в концентрациях тяжелых металлов в хвое и в снеге также можно объяснить различной продолжительностью периодов их накопления.

Судя по характеру пространственной изменчивости соотношений тяжелых металлов в хвое и в снеге, видно, что для всех элементов, кроме Zn, площадка 4 отличалась пониженными значениями данного показателя. Для Ni и Cu величина соотношения составляла 2000, для Co и Pb - 400, для Fe – 20000, для Zn – 32000, и для Mn – 4500. Это свидетельствует о пониженном поглощении этих металлов фотосинтезирующими органами сосны, тогда как в случае с Zn наблюдалась противоположная картина повышенного поглощения.

Сопоставляя эти данные с результатами накопления природных и техногенных радионуклидов, можно предположить, что избирательное поглощение тяжелых металлов в районе р. Пиренга может быть обусловлено влиянием радионуклидов, т.к. на этой площадке происходит их максимальное накопление в хвое. В связи с этим представляет интерес рассмотреть физиолого-биохимические характеристики ассимиляционного аппарата сосны обыкновенной на данной площадке (табл. 7).

Таблица 7

Физиолого-биохимические характеристики хвои сосны обыкновенной в исследуемом градиенте техногенного загрязнения

Пробные площадки

Содер-жание

воды,

%

Содержание

суммы

хлоро-филлов,

мг/г

сырой массы

Содержание

суммы

кароти-ноидов,

мг/г

сырой массы

Соотно-шение

хлоро-

филла a

к хлоро-

филлу b

Соотно-

шение

каро-

тиноидов

к хлоро-

филлам

1

50.9

0.38

0.107

3.6

0.28

2

49.3

0.45

0.116

3.1

0.26

3

49.5

0.42

0.111

3.4

0.26

4

49.9

0.34

0.096

3.6

0.28

5

47.7

0.39

0.106

3.6

0.27

6

48.3

0.44

0.114

3.5

0.25

 

Хвоя сосны обыкновенной на площадке 4 характеризовалась повышенной оводненностью и пониженным содержанием хлорофиллов и каротиноидов (табл. 7), что, по-видимому, было обусловлено преимущественной окислительной деградацией хлорофилла a в этих условиях. Все изменения в пигментном комплексе хвои происходили, в основном, за счет уменьшения хлорофилла b, о чем свидетельствуют максимальные величины соотношения между хлорофиллами a и b.

Снижению содержания пигментов в хвое на площадке 4, вероятно, способствовало усиление окислительных процессов в хвое, под действием максимального накопления в хвое радионуклидов. Это подтверждается повышенным соотношением каротиноидов к хлорофиллам (табл. 7), поскольку известно, что каротиноиды выполняют функции защитных соединений (антиоксидантов) по отношению к хлорофиллам в условиях, способствующих интенсивному радикалообразованию, в т.ч. под действием радиоактивного излучения [1, 9].

Увеличение соотношения хлорофилла a к хлорофиллу b на площадке 4, также могло свидетельствовать об адаптивных перестройках фотосинтезирующего аппарата, только на более высоком уровне - ультраструктуры хлоропластов, указывая на увеличение содержания в них гранальных структур [17], что является хорошо известной адаптивной реакцией у растений. Вместе с другими физиолого-биохимическими характеристиками, эти перестройки указывают на уменьшение физиологического возраста растительных тканей (локальное омоложение) [4], и переход растений сосны к адаптивной стратегии активного типа [2].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных исследований были выявлены особенности накопления природных и техногенных радионуклидов в хвое сосны обыкновенной и в снежном покрове в центральной части Кольского полуострова. Накопление радионуклидов в хвое сосны превышало их накопление в снеге. Максимальное содержание радионуклидов 238U, 226Ra, 232Th, 208Tl, 7Be, 40K и 137Cs в хвое было отмечено в районе р. Пиренга.

Максимальное содержание большинства тяжелых металлов в хвое сосны и в снеге было отмечено вблизи комбината «Североникель». С увеличением расстояния от комбината их концентрации уменьшались. На площадке 4 наблюдалось пониженное поглощение хвоей Ni, Cu, Co, Fe, Pb и Mn, и повышенное - Zn.

В районе р. Пиренга происходили изменения физиолого-биохимических характеристик хвои сосны. Здесь была отмечена повышенная оводненность растительных тканей, сопряженная с пониженным содержанием пигментов, повышенными величинами соотношений между пигментами. Аномальное накопление тяжелых металлов в хвое в зоне максимальной активности радиационного фактора на площадке 4, возможно, было сопряжено со структурными перестройками фотосинтетического аппарата на субклеточном уровне, что свидетельствует об уменьшении физиологического возраста хвои и о переходе растений в данных условиях к неспецифической активной адаптационной стратегии.

Литература

1.                   Гродзинский Д.М. Радиобиология растений. - Киев: Наукова думка, 1989. - 384 с.

2.                   Зауралов О.А. Два типа устойчивости растений // Проблемы и пути повышения устойчивости растений к болезням и экстремальным условиям среды в связи с задачами селекции. В 2 ч. – Л.: Изд-во ВИР, 1981. – Ч. 1. – С. 9-11.

3.                   Кизеев А.Н., Жиров В.К., Никанов А.Н. Влияние промышленных эмиссий предприятий Кольского полуострова на ассимиляционный аппарат сосны // Экология человека. – 2009. - №1. – С. 9-14.

4.                   Кренке Н.П. Теория циклического старения и омоложения растений и практическое ее применение. – М.: Сельхозгиз, 1940. – 135 с.

5.                   Крючков В.В., Макарова Т.Д. Аэротехногенное воздействие на экосистемы Кольского Севера. - Апатиты: Изд-во КФ АН СССР, 1989. - 96 с.

6.                   Лимарь Р.С., Сахарова О.А. Быстрый спектрофотометрический метод определения пигментов листьев (по Нибом¢у) // Методы комплексного изучения фотосинтеза. - Л.: Изд-во ВИР, 1973. - С. 260-270.

7.                   Лукина Н.В., Никонов В.В. Питательный режим лесов северной тайги: природные и техногенные аспекты // Апатиты: Изд-во Кольского Научного Центра РАН, 1998. - 316 с.

8.                   Лукьянова Л.М., Локтева Т.Н., Булычева Т.М. Газообмен и пигментная система растений Кольской Субарктики // Апатиты: Изд-во КФ АН СССР, 1986. - 127 с.

9.                   Мерзляк М.Н. Активированный кислород и окислительные процессы растительной клетки // Итоги науки и техники. Сер. Физиол. раст. – 1989. - Т. 6. - 404 с.

10.               Николаевский В.С. Оценка газоустойчивости растений // Диагностика устойчивости растений к стрессовым воздействиям (Методическое руководство). // Л., 1988. - С. 100-108.

11.               Раменская М.Л. Анализ флоры Мурманской области и Карелии // Л.: Наука, 1983. - 216 с.

12.               Цветков В.Ф., Семенов Б.А. Сосняки Крайнего Севера // М.: Агропромиздат, 1985. - 116 с.

13.               Черных Н.А., Сидоренко С.Н. Экологический мониторинг токсикантов в биосфере // М.: Изд-во РУДН, 2003. – 430 с.

14.               Ярмишко В.Т. Сосна обыкновенная и атмосферное загрязнение на Европейском Севере. – СПб.: Изд-во НИИ химии СПб государственного университета, 1997. – 210 с.

15.               Derome J., Niska K., Lindroos A.-J., & Valikangas P. The ion-balance monitoring plot network // The Lapland Forest Damage Project/ Russian-Finnish cooperation report. The Finnish Forest Research Institute, Rovaniemi Research Station, Rovaniemi, 1993 – a. - P. 49-57.

16.               Derome J., Nikonov S., Lindroos A.-J., Niska K. & Valikangas P. Snowpack quality in Finnish Lapland and the western part of the Kola Peninsula in March 1991 // The Lapland Forest Damage Project/ Russian-Finnish cooperation report. The Finnish Forest Research Institute, Rovaniemi Research Station, Rovaniemi, 1993 – b. - P. 98-111.

17.               Lichtenthaller H.K. Adaptation of leaves and chloroplasts to high quanta fluence rates // Photosynthesis VII. Photosynthesis and Productivity, Photosynthesis and Environment. - 1981. - Balaban Int., Sci Services, Philadelphia. Pa. – P. 273-287.

18.               Lichtenthaller H.K., Wellburn A.R. Determinations of total carotenoids and chlorophylls a and b of leaf extracts in different solvents // Biochem. Soc. Trans. - 1983. - Vol. 11. - No. 5. - P. 591-592.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle