Влияние радионуклидов и тяжелых металлов на физиологические характеристики хвои сосны обыкновенной на Кольском полуострове

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)

 

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, 134}Cs, 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.