Введение
Тяжелые металлы являются одним из загрязнителей, оказывающих значительное влияние на природные экосистемы. Несмотря на то что многие из них необходимы для жизнедеятельности организмов как микроэлементы, их накопление в окружающей среде и загрязнение биосферы ведут к негативным последствиям для природных экосистем [1, с. 39]. За последние годы было опубликовано множество исследований, посвященных распространению тяжелых металлов, их миграции, накоплению и влиянию на живые организмы [2, 3, 4]. Среди них олово представляет особый интерес, его широкое использование в промышленности приводит к постоянному увеличению объемов добычи и вместе с тем к загрязнению в окружающей среды [5, 6].
Целью исследования явилось изучение уровней накопления олова и других микроэлементов в почвенно-растительном покрове природно-техногенных экосистем восточной части Иссык-Кульской области.
Материал и методы исследования
Для исследования содержания олова и других микроэлементов были отобраны образцы почвы и растительности исследуемого региона. Отбор почвенных проб проводился в соответствии с нормативами ГОСТ 17.4.4.02-84 [7]. Растительные образцы были взяты с тех же участков, что и почвенные. Всего было проанализировано 36 почвенных и 24 растительные пробы. Содержание микроэлементов в почвах и растениях определяли методом эмиссионного спектрального анализа в центральной лаборатории Министерства природных ресурсов, экологии и технического надзора Кыргызской Республики. Статистическую обработку данных проводили с использованием программы StataMP-64.
Результаты исследования и их обсуждение
Сведения о распределении олова в земной коре показывают его высокие концентрации в глинистых отложениях (6–10 мг/кг) и низкие – в ультраосновных и известковых породах (0,35–0,50 мг/кг). Олово образует лишь ограниченное количество собственных минералов, основным из которых является касситерит, обладающий высокой устойчивостью к процессам выветривания. Хотя главным источником олова в почвах считаются материнские породы, его концентрация в верхних слоях почвы практически не отличается. В стандартных почвенных образцах уровень олова составляет около 4,5 мг/кг, в то время как, согласно данным А.П. Виноградова (1957), кларк олова оценивается в 10 мг/кг [8, с. 217]. Результаты исследований показали, что содержание олова в прибрежных почвах восточной части Прииссыккулья варьирует в пределах 1–2 мг/кг. В почвах города Каракол и других населенных пунктов региона содержание олова составляет 2–4 мг/кг. Существенных различий уровней накопления олова по типам почв не установлено. В укосах дикорастущих растений содержатся незначительные концентрации олова, преимущественно данный микроэлемент обнаруживается в корневой системе растений (табл. 1). Средние содержания других микроэлементов в почвах прибрежной зоны восточного Прииссыккулья представлены в таблице 2.
Таблица 1
Статистические характеристики содержания олова в почвах и растениях прибрежной зоны восточного Прииссыккулья
|
Вид образца |
х ± m (мг/кг) |
D |
σ |
V, % |
Предел колебаний (мг/кг) |
|
Почва |
1,44±0,17 |
0,076 |
0,29 |
20,1 |
1,0–2,0 |
|
Растения (надземная часть) |
0,12±0,03 |
0,003 |
0,05 |
41,6 |
0,07–0,21 |
|
Растения (корневая система) |
0,20±0,03 |
0,003 |
0,05 |
25 |
0,16–0,31 |
Таблица 2
Средние содержания микроэлементов в почвах прибрежной зоны восточного Прииссыккулья
|
Микроэлемент |
х ± m (мг/кг) |
D |
σ |
V, % |
Предел колебаний (мг/кг) |
|
Mn |
460±88,4 |
13777,7 |
123,6 |
26,7 |
300–700 |
|
Ni |
7,4±2,1 |
8,4 |
2,9 |
28,6 |
3–12 |
|
Co |
4,7±1,06 |
2,01 |
18,1 |
1,5 |
3–7 |
|
Ti |
4700±799,8 |
1122222,2 |
1118,0 |
17,0 |
3000–7000 |
|
V |
72,0±11,9 |
306,6 |
16,6 |
16,5 |
50–90 |
|
Cr |
61,0±14,7 |
387,7 |
20,6 |
24,2 |
40–90 |
|
Zr |
81,0±14,7 |
1076,6 |
9690,0 |
32,8 |
50–150 |
|
Cu |
20,4±6,5 |
75,1 |
9,2 |
32,2 |
12–30 |
|
Pb |
24,4±7,6 |
103,8 |
10,7 |
31,3 |
12–40 |
|
Zn |
69,0±33,7 |
2165,5 |
47,2 |
48,8 |
30–120 |
Рис. 1. Кларк концентрации микроэлементов для почв прибрежной зоны восточного Прииссыккулья
Согласно полученным результатам, содержание микроэлементов в почвах региона удовлетворяет существующим биогеохимическим критериям по отношению к кларковым значениям по А.П. Виноградову (1957). Так, например, содержание марганца, никеля, кобальта, ванадия, хрома, циркония, титана, меди, цинка варьирует в пределах показателей кларка, а свинца – выше 2,4 раз, но не превышает ПДК (32 мг/кг) в почве (рис. 1).
В последние годы было проведено множество исследований, направленных на изучение накопления микроэлементов в почвах и растительности региона. Так, Т.Э. Токтоева (2018) установила, что концентрации тяжелых металлов (Pb, Cd, Cu, Zn) в почвах агроэкосистем Прииссыккулья соответствуют фоновым значениям [9]. Результаты А.В. Кенжебаевой (2021) показали, что почвы восточного Прииссыккулья обладают высокой, повышенной и средней устойчивостью к загрязнению Сu, Pb, Cd. Содержание данных тяжелых металлов в почве не представляет опасности для растениеводческой продукции [10].
С давних времен высокогорный регион бассейна реки Сары-Джаз являлся перспективным центром горнорудной деятельности, где находятся ряд месторождений олова, вольфрама, полиметаллов, а также редких и рассеянных элементов. Одним из крупнейших является олово-вольфрамовое месторождение «Трудовое», находящееся в высокогорной зоне восточной части Иссык-Кульской области. Вулканогенно-терригенно-карбонатные породы прорваны массивами гранитов, вмещающих 23 рудные зоны, включающие 191 жильное рудное тело. Здесь преобладают рудные тела кварц-турмалинового состава, главными рудными минералами являются касситерит, шеелит, вольфрамит. Содержание олова колеблется от 0,1 до 1,0%, триокиси вольфрама – 0,1–0,76%, флюорита – до 12,7%. Отдельные участки оловянных руд месторождения частично разрабатываются малыми предприятиями [11, с. 198]. Согласно литературным данным, в почвах в районах с оловорудной минерализацией возможно содержание микроэлементов в количестве на порядок выше по отношению к фоновым показателям [5]. Результаты исследований показали, что содержание олова в верхнем слое почвы (0–10 см) на территории олово-вольфрамового месторождения «Трудовое» колеблется от 4 до 13 мг/кг, а на некоторых участках, где складируются горные породы, концентрация олова в почве достигает 200 мг/кг [12]. Предполагается, что в результате эрозионных процессов происходит частичное перемещение мелкообломочного материала горных пород с территории месторождения на более низкие участки рельефа, где в отдельных пробах почвы наблюдается увеличение содержания олова, а также других микроэлементов: никеля, кобальта, меди, свинца и висмута. Важно отметить, что содержание олова и свинца в почве тесно коррелирует (r=0,96), что указывает на взаимосвязь концентраций данных элементов. В растениях, произрастающих на территории месторождения, концентрация олова в надземной части варьирует в пределах 3–8 мг/кг, а в корневой системе – от 5 до 20 мг/кг (табл. 3).
Таблица 3
Статистические характеристики содержания олова в почвах и растениях олово-вольфрамового месторождения «Трудовое»
|
Вид образца |
х ± m (мг/кг) |
D |
σ |
V, % |
Предел колебаний (мг/кг) |
|
Почва |
7,6±4,6 |
14,3 |
3,7 |
48,6 |
4–13 |
|
Растения (укос) |
4,6±2,8 |
5,3 |
2,3 |
50 |
3–8 |
|
Растения (корневая система) |
10,8±8,8 |
50,7 |
7,1 |
65,7 |
5–20 |
Рис. 2. Коэффициенты накопления микроэлементов в укосах растений бассейна реки Сары-Джаз
Результаты исследований показали, что апробированные виды растений накапливают микроэлементы в различных концентрациях. Необходимо отметить, что олово накапливается в основном в корневой системе растений относительно их надземной части. Согласно рассчитанному критерию Стьюдента (t), среднее содержание олова в растениях, произрастающих на территории месторождения, статистически достоверно превышает содержание олова в растениях прибрежной зоны восточного Прииссыккулья: для корневой системы t=3,64 (p<0,05), для надземной части t=4,3 (p<0,05). В растительных образцах, помимо олова, присутствуют такие микроэлементы, как Be, V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Ag, Pb. Уровни накопления данных элементов в растениях соответствуют установленным биогеохимическим критериям. По данным исследований Б.М. Дженбаева (2019), докембрийские углистые сланцы в бассейне реки Сары-Джаз имеют высокую концентрацию селена (10–30 мг/кг), в отдельных случаях в почвах также фиксируются повышенные концентрации мышьяка, свинца и никеля. Для сланцев и лиддитов характерно обогащение селеном, медью и молибденом. Однако, несмотря на высокое содержание данных микроэлементов в сланцах, их участие в биогеохимическом цикле ограничено, о чем свидетельствуют низкие коэффициенты накопления микроэлементов растениями, значения которых не превышают 1 (рис. 2). По результатам нейтронно-активационного анализа, почвы данного региона обогащены цирконием, сурьмой, ураном, лантаном, неодимом и рядом других редких и рассеянных элементов [13].
Специалисты лаборатории биогеохимии Института биологии НАН КР провели исследование по изучению микроэлементного состава разных видов растений, собранных на Сары-Джазских сыртах. Результаты исследования показали, что уровень накопления микроэлементов в доминантных видах растений региона изменяется в зависимости от условий их произрастания. В горно-луговых условиях все изученные растения отличались повышенным содержанием меди (Cu) и низким содержанием кобальта (Co) и молибдена (Mo). Уровни содержания микроэлементов (Cu, Co, Mo, Ni, Pb, Zn) также различаются в экологически разнородных группах растений. Микроэлементный состав растений и почв горных склонов различается в зависимости от абсолютной высоты и экспозиции [14, с. 246].
Заключение
Результаты исследований показали, что уровень накопления олова и других микроэлементов в почвах и растительности восточной части Иссык-Кульской области соответствует естественным показателям. Особое внимание привлекает высокогорная зона данного региона, где находятся ряд месторождений олова, триоксида вольфрама, полиметаллов. Оловянные жилы мощностью до несколько десятков сантиметров и раздувы здесь редки, а содержание в почвах олова относительно невысокое. В условиях олово-вольфрамового месторождения «Трудовое» не установлено ярко выраженной биогенной миграции олова в почвенно-растительном покрове. С экологической точки зрения данный высокогорный регион представляет интерес в связи с уникальной ассоциацией редких химических элементов в природных объектах.