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.

Основные термины (генерируются автоматически): хвое сосны, сосны обыкновенной, хвое сосны обыкновенной, тяжелых металлов, снежном покрове, Кольского полуострова, хвои сосны обыкновенной, техногенных радионуклидов, пробных площадках, части Кольского полуострова, хвое радионуклидов, характеристики хвои сосны, центральной части Кольского, градиенте техногенного загрязнения, исследуемом градиенте техногенного, Накопление радионуклидов, Содержание радионуклидов, ассимиляционный аппарат сосны, районе р, Содержание тяжелых металлов.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle