Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

БИОГЕННАЯ МИГРАЦИЯ МАРГАНЦА В УСЛОВИЯХ ШАТУРСКОГО МАРГАНЦЕВОГО СУБРЕГИОНА БИОСФЕРЫ

ВАК РФ 04.00.03, Биогеохимия

Автореферат диссертации по теме "БИОГЕННАЯ МИГРАЦИЯ МАРГАНЦА В УСЛОВИЯХ ШАТУРСКОГО МАРГАНЦЕВОГО СУБРЕГИОНА БИОСФЕРЫ"



московские ОРДЕНА ЛЕНИНА ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ г ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. М. В» ЛОМОНОСОВА

ФАКУЛЬТЕТ ПОЧВОВЕДЕНИЯ

На правах рукописи

КОНОВА НАТАЛЬЯ ИВАНОВНА

УДК 550.7

БИОГЕННАЯ МИГРАЦИЯ МАРГАНЦА В УСЛОВИЯХ ЧИАТУРСКОГО МАРГАНЦЕВОГО СУБРЕГИОНА БИОС ФЕИ 04.00,03 - Вногеолпшя

Автореферат диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Москва - 1987

Работа выполнена г лаборатории биогеохимии Института геохимии и аналитической химии км. В.И.Вернадского АН СССР

Научный руководитель - доктор биологических наук

С.В.Летунова

Официальные оппоненты - доктор биологических наук

В.Д.Васильевская ■ кандидат биологических наук Г.Н.Саенко

Ведущее учреждение - Московский государственный педагогический институт ни. В.И.Ленина

Защита состоится " "_ 1988 р. в 15 чао. 30 хин.

на заседании специализированного совета Д053.05.57 МГУ имени Ы.В.Ломоносова (119899, Москва! ГСП, Ленинские горы, факультет почвоведения МГУ, Ученый совет),

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке факультета почвоведения МГУ.

Автореферат разослан 1988 года

Ученый секретарь специализированного совета ^ /'/ , Л.А.Гришина

'' / ■

Актуальность проблемы. Важную роль а ускорении научно-технического прогресса играют фундаментальные исследования в облает биогеохимии -науки, рассматривающей геохимическую среду и орга-' низма в единстве и изучающей роль живого вещества в миграции химических элементов в биосфере Земли. Понятие единства жизни и геохимической среды основывается на количественной изучении путей биогенной миграции химических элементов во всех звеньях биогеохимической пищевой цепи (почвообраэующие породы, почвы, илы, годы, воздух, микрофлора,.растения, корма, пищевые продукты, животные, человек). Биогеохимическая пищевая цепь, изменяющаяся в зависимости от условий геохимической среды, природа организмов и их потребность б химических элементах, пороговые концентрации этих элементов в природных объектах биосферы, в пределах между которыми организм способен регулировать процессы метаболизма, биологические реакции организмов га недостаток ила избыток химических элементов в среде, служат важными критериями биогеохимического районирования - нового метода экологического изучения строения биосферы и выявления ее гетерогенности. Биосфера, как глобальная экосистема, районируется с помощью таксонов биосферы:, регионов биосферы, субрегионов биосферы, биогеохимических провинций, которые характеризуются различными реакциями организмов на избыточное * или недостаточное содержание химических элементов в окружающей '■среде. ■ , -

Б последнее время в эволюции биосферы все больнее значение приобретает техногенная деятельность.человека, в результате которой тонны вещества выносятся с одних территорий и переотлагаются на других..В окружающей среде создаются новые геохимические условия. В связи о этим изучение баланса химических элементов отдельных территорий, выявление региональных миграционных потоков в

«кь-л-ли.™. ггд.'^

естественных и техногенных геохимических условиях является актуальной задачей, важной для характеристики геохимической обстановки локальных участков биосферы, выяснения особенностей происхождения биогеохимических провинций, их эволюции и выявления биологических реакций организмов на экстремальные геохимические условия. -

Цель и задачи исследования. Целью настоящего исследования явилось.биогеохющчеокое районирование Чиатурского марганцевого субрегиона биосферы и изучение биогенной миграции марганца в условиях этого субрегиона, характеризующегося высоким содержанием данного элемента в геохимической среде. Б задачи работы входило: X)'выявление особенностей аккумуляции, распределения и миграции марганца в.отдельных звеньях биогеохимической пищевой цепи (породах, почвах, почвенных микроорганизмах, растениях, ходах, лор-мах, пищевых продуктах); 2) изучение роли почвенной микрофлоры в биогенной миграции марганца; 3) выявление изменчивости растений в условиях естественной среды произрастания, обогащенной марганцем; 4) установление особенностей биологического круговорота марганца в лесных и луговых биогеоценозах в естественных и техногенных условиях; 5) оценка роли почвенно-растигельного покрова в перераспределении марганца в различных частях субрегиона под влиянием биогенной миграции и действия техногенных факторов геохимической среды; 6) шя?-,\гние биогеохимического строения марганцевого субрегиона.

Научная новизна. Впервые проведено биосферное районирование марганцевого субрегиона. На большом экспериментальном материале показана гетерогенность строения основных звеньев биогеохимической пищевой цени в условиях геохимической среды с разным содержанием марганца. Изучены размеры вовлечения марганца в биогенную

миграции биоыассо& почвенных микроорганизмов в зависимости от уровня содержания.этого элемента в среде обитания. Определено содержание марганца и железа » 186 гидах растений, относящихся к 56-тисенействаы. Установлены различия в накоплении данных элементов отдельными.таксономическими группами растений, обусловлен-, ные как видовой принадлежностью, так и экологическими условиями' произрастания.' Выделено 76 видов растений-концентоаторов марганца. Обнаружена химическая и морфологическая изменчивость растений, произрастающих в условиях среды; значительно обогащенной 1 данным элементом. Рассчитаны количественные характеристики биологического круговорота марганца и железа в естественных и техногенных условиях.' Показана возможная роль естественных и техногенных факторов в формировании вторичной марганцевой провинции.

- Практическая ценность. Полученные результаты расширяют представления о биогеохимических количественных закономерностях строения биосферы. Разработанные принципы биогеохимического районирования предгорных территорий, подверженных влиянию теяногенеаа, позволяют прогнозировать и своевременно выявлять геохимические условия, неблагоприятные для растительных и животных организмов, что может быть использовано при решении ряда практических задач сельского хозяйства, гигиены, ветеринарии и медицины. Установленные закономерности взаимоотношения организмов с геохимической средой имеют значение для разработки мероприятий по охране окружающей среды от вредного воздействия природных и техногенных геохимических факторов;

Публикации. По теме'диссертации имеется 10 публикаций.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 9 глав, выводов и приложения, содержит 85 страниц печатного текста, 30 рисунков, 33 таблица и список литературы из 214 наименований.

Апробация работы. Материалы исследований доложены на Всесо-

\

юзаои совещании "Миграция загрязняющих веществ в почвах« в системе почва-вода».почва-растение" (Обнинск, 1978); на УШ, IX Всесоюзных конференциях "Биологическая роль микроэлементов и их применение в сельском хозяйстве и медицине" (Ивано-Франковск, 1978; Кишинев, 1981); на конференции "Тяжелые металлы в окружающей среде" (Москва, 1979); на Координационных совещаниях Научного Совета АН СССР по проблемам микроэлементов в биологии (Москва, .1980, 1981); на Всесоюзной конференции ло биогеохимическому круговороту, веществ (Пущино, 1982)* на.Всесоюзной конференции ."Биоценоз в природе и промышленных"условиях" (Пуадко, 1985);.на заседаниях Научного Совета АН СССР по проблемах микроздементов в биологии (Москва, 1982, 1983). -

ОБЪЕКТЫ и МЕТОДУ ИССЛЕДОВАНИЯ ■ .

Исследования-проводились в районе Чиатура-Сачхер с кого марганцевого бассейна на Ве рхне-Иие ре хс кой возвышенности и в восточной части Колхидской низменности (Западная Грузия). Частоту взятия образцов определила первая категория сложности исследуемой территория (Зырин о соазт., 1976). Было заложено 200 ключевых участков, каждый из которых включал 1-3 почвенных разреза и характеризовал 200-250 га. Образцы почв отбирали до генетическим -горизонтам (до глубины 0,6-2,0 м) в трехкратной повторности. Отбор отдельных образцов на целинных участках и рудных отвалах проводили до нижней границы гумусового горизонта (0-20 см), на пахотных угодьях - до нижней границы пахотного и подпахотного слоев*. Дня исследования почвенной микрофлоры были взяты пробы почв из поверхностного слоя глубиной О-Ю см,, в некоторых случаях из разных горизонтов почвенного профиля. На площадках радиу-

ccu 8-10 ii в районе каждого почвенного разреза отбирали растительность (отдельные виды, в первую очередь эдификаторы и доминанты, среднюю фитоыассу надземных частей, корневые системы, "спад) (Родин с соавт,, 1968), Средняя проба каждого вида трав состояла из 10-20 растений, которые находились в фазе цветения, реже - плодоношения* В некоторых растительных популяциях были взяты для анализа отдельные особи. Средние пробы листьев и ветвей деревьев и кустарников характеризовали 5-Ю-растениЙ из разных мест описываемой площадки..На совхозных полях и приусадебных участках были собраны образцы местных пищевых продуктов (зелень, зерновые, овощи,.фрукты). Пробы природных (поверхностных и грунтовых) вод фильтровали' через Сеэзольный фильтр, который затем высушивали и сохраняли в бюксах для анализа взвеси. На изученной территории было отобрано 1687 проб почв и почвообразующих пород, ,2610 проб растительности, 185 проб природных вод, 109 проб кормов и пищевых продуктов.

Количественный учет почвенных микроорганизмов проводили как прямым микроскопическим методом с использованием светового микроскопа ЫБИ-6, так и методом посева на плотные питательные Ъреды. При использовании прямого метода количество бактерий учитывали методом Ввноградского в модификации Шульгиной (1926), длину грибного мицелия - методом мембранных фильтров ( нап«вп et al.,1974) в модификации Демкиной (1977), исходя из чего определяли их биомассу (Иирчинк, 1976), С целью определения количества марганца, вовлекаемого почвенной микрофлорой в биогенную миграцию, наращивание микробной биомассы проводили на почвенных средах, характеризующихся природными концентрациями, соотношениями и формами соединений этого металла (Летувова с соавт., 1978). Содержание кар-'

ганца в микробной биомассе определяли атомно-абсорбционным мето-2-/Ç2&

дом на спектрофотометре "Перкин-Элмер 403" (Лернер о соавт., 1978).

Определение марганца в почвах и почвообразущих породах, растениях, кормах, пищевых продуктах й природных водах осуществляли фотометрическим методом (Сендэл, 1964; Аринушкика» 1970; Половцева^ 1974) после предварительного разложения проб минеральными кислотами (Пейве, 1953; Калужская, 1959). Параллельно с марганцем во всех исследуемых образцах определяли железо (сумму ионов р«2* и Р«^4"), применял аммиачный вариант сульфоса-лицилового метода.(Аринушкина, 1970). Учет подвижных форм шар-ганца и железа в почвах (Пейве,. 1959; Цыпанова,'1980 и др.) проводили теми же методами в вытяжке 0,1 н раствора н2зо4 (Ринысис, 1963; ДоОрицкая, 1969). Результаты исследований обработаны' статистичеохи (Ильин, 1976). ■

Результаты исследований

Особенности миграциимарганда'в почвенном покрова и природных

водах • - .

По нашим данным, содорхание марганца в осадочных породах, имеющих наибольшее распространение в Чиатурском субрегионе биосферы, в 1,5-10 раз выше средних концентраций для аналогичных пород литосферы. Исследованные магматические породы, залегающие вблизи поверхности, главным образом, на окраинах субрегиона, характеризуются относительно невысоким его содержанием (720-920 мг/кг). Значительно обогащены марганцем-(до 20800 мг/кг) аллювиальные песчано-глинистые'и галечные отложения в низовьях . р.Квиршш, содержащие в 4 раза больше этого элемента, чем аналогичные отложения в районе марганцевого бассейна, откуда происходит его интенсивный вынос с речным стоком. Отношение Мц/ге

7 ■ "

варьирует от 0,01 до 0,04, но в отдельных объектах, например, в марганцевых лесках и песчаниках достигает 0,4. На отвалах сред-' нее отношение [¿п/ре составляет 1,3 (при колебаниях ог 0,05 до 10,60). Значительное обогащение марганцем почвообразувщих'пород изученного субрегиона является одним из главных геохимических факторов, определяющих уровень накопления данного элемента в почвенном покрове. -

Установлено, что содержание валовых форм марганца в изученных почвах колеблется от 500 до 120000-мг/кг, содержание подвижных'форм марганца - от II до 1672мг/кг. Однотипные почвы, сформировавшиеся на марганцевых породах в центре рудного поля, содержат в 10-15 раз больше марганца, чем на окраинах месторождения*. Марганец.достоверно накапливается в гумусовом и иллювиальном горизонтах дерновых, луговых и бурых лесных суглинистых почв (Кц 6,5-10,4). В распределении элемента по профилю перег-нойно-карбонатных почв отмечается второй максимум, приуроченный к карбонатным горизонтам (Кд 2,2). В профиле дерновых почв, сформированных на марганцевых рудах, происходит рассеяние этого элемента по сравнению с породой (Кд <1,0), Для этих же почв характерна и низкая относительная подвижность марганца (в-среднем 3,0%) при повышенном абсолютной его'Содержании (до 1872 ыг/кг). Величина отношения ыд/Ре во всех изученных почвах чаще всего не превышает 0,05-0,06. В дерновых слаборазвитых почвах на отвалах и марганцевых рудах ока значительно выше - от 0,07 до ■ 4,60 (при средней величине 0,25). Эти почвы характеризуются и максимальным отношением подвижных форм марганца и железа -2,46. Полученные данные позволили предположить, что в местах, распространения дерновых'слаборазвитых почв на отвалах и марганцевых рудах существуют условия, способствующие нарушению

железо-марганцевого обмена в растениях, произрастающих в данных ^геохимических условиях.

Установлено, что почвы низовьев р.Квирилы характеризуются менее значительным варьированием в содержании марганца, 'чем почвы в районе Чиатурокого бассейна'(от 2310 до 6720 иг/кг). В большинстве почвенных разрезов содержание марганца уменьшается от поверхностных горизонтов к нижележащим. В ряде почв отмечено накопление этого элемента в аллювиальных слоях вэ различной глубине (Kg 4-5). Среднее содержание подвижного марганца в почвах низовьев р.Квирилы несколько ниже, чем в районе месторождения (152 и 175 мг/кг соответственно). Как правило, распределение его подвижных форы ло почвенному профилю здесь повторяет распределение его валовой формы. Относительная подвижность элемента изменяется от ICÇ6 в верхних гумусовых горизонтах до 0,2-0,4^ в аллювиальных,.обогащенных марганце» слоях. Максимальное среднее отношение подвижных форм ыя/Fe (7,25) установлено в дерновых карбонатных пёсчаных'пойменных почвах. Средняя величина этого отйошения в почвах низовьев р.Квирилы^составляет 0,90."

г

Полученные данные свидетельствуют о том, что в изученных почвах существуют неблагоприятные для растений геохимические условия, аналогичные условиям.почв района марганцевых разработок. -

Детальное изучение почв Чиатурского субрегиона показало высокий фон содержания марганца (2364 мг/кг в районе Чиатура-Сачхерского марганцевого бассейна и 4770 мг/кг в районе переотложения марганца 'в пойме низовьев р.Квирилы), Впервые для почв субрегиона были составлены картосхемы содержания марганца в почвенном слое глубиной 0-40 см. В качестве основы использована крупномасштабная почвенная карта КИМ почвоведения и агрохимии Министерства сельского хозяйства Грузинской ССР.

Рассмотрев полученные результаты, мы предположили существование на участках с содержанием марганца г почвах свыше 2000 мг/кг локальных первичных марганцевых биогеохимических провинций в центре марганцевого бассейна и обширной вторичной биогеохимической провинции в низовьях р.Кварилы, причем образование последней во многом обусловлено привносим марганца с речным' стоком, на что указывает повышенное содержание элемента в аллювиальных наносах различного механического состава.'Существование марганцевых биогеохимических провинций подтвердилось наличием у организмов характерных биологических реакций, выявленных в процессе изучения последующих звеньев биогеохимической пищевой цепи. • .

Водная миграция марганца

Впервые составлены картосхемы содержания марганца в речных водах Чиатурского субрегиона биосферы, которые отражают влияние техногенеза на водное перемещение этого элемента. Установлено, что максимальным содержанием марганца (0,25-0,50 кг/л) характеризуются воды рек, дренирующих отвалы и загрязняющихся сбросами горно-обогатительных комбинатов.

Наши расчеты'показали (табл.1), , что в условиях субрегиона следствием возрастающей производственной деятельности человека является мощный поток марганца о годным стоком, загрязняющий -окружающую среду а оказывающий существенное влияние на формирование вторичной марганцевой биогеохимической провинции.

Роль почвенных микроорганизмов в биогенной миграции марганца в разных геохимических условиях

Показано, что в почвах изученного.субрегиона с микробной биомассой связано от 0,146 до 5,08 кг/га«марганца (0,00028-0,036^ от общего содержания металла в почвах и 0,03-0,29$ от

Таблица I

Годовой вынос марганца и железа с зодкым стоком, у/год

1 '¡Расход Марганец' Железо

{ воды, в раст-} в раст-|

Объект исследования 1 м3/сек ворен-! во ной |взве-виде 1 си ворен-1 зо ном ¡взве-виде ! си

р.Квирила (выше г.Сачхере) 15,4 21. . 104 10$ ' 350

р.Квирила (ниже г. Чи а туры) 21,6 342- 3516000 169 19000

р.Квирила' (г.Зестафони) 60,7 ' 430 390000 598 179000

р.Квирила (устье) ■ . 91,0 134 65000 322 18200

Сток наносов 2,05-Ю6 т/год (Владимиров, 1975) % от общего стока;

марганец железо

31,8 8,9

р.Риони (устье р.Квирилы)■ 130,0 71

р.Риони (г.Поти, выше

плотины) 405,0 ' 810

' 187 220 5420 64800 22200 724000

Сток наносов 32,2-10б т/год (Владимиров,' 1975) % от общего стока: -

марганец железо

0,2 2,6

содержания его подвижной формы). Биомасса бактерий концентрирует в 1,2-13 pas больше марганца, чем грибная биомасса. Количество марганца, вовлекаемое в биогенную миграцию, зависит от размеров микробной биомассы и ее колебаний, а также от уровня содержания элемента в почвах, причем в экстремальных геохимических условиях (512400-828000 кг/га марганца в почве) главное влияние на этот процесс оказывает последний фактор.

Расчеты показали, что в течение года микробная биомасса может вовлечь в биогенную миграцию в одних и тех же геохимических условиях в 4-25 раз больше марганца, чем биомасса растений

(табл.2). . ~

Результаты исследований имеют значение для понимания роли почвенных микроорганизмов в биогенных/циклах марганца в разных геохимических условиях и для разработки новых биогеохимических критериев оценки ответных реакций микроорганизмов на загрязнение окружающей среды этик элементом. -

Особенности накопления марганца растениями различного систематического положения, разных экологических групп и жизненных Форм *

На территория изученного субрегиона.содержание марганца в растениях варьирует в широких пределах: от 10 мг/кг на окраинах марганцевого бассейна до 7000 мг/кг на рудных отвалах. Древесная растительность накапливает марганца в среднем в 1,5 раза больше, чем травянистая. Среднее модальное содержание иар^. • ганца, принятое нами за фоновое, для травянистых, кустарниковых и древесных растений субрегиона составляет соответственно НО, 125 и 150 мг/кг воздушно-сухой массы (табл.З).,Величины отношения ün/Pe находятся в пределах,.необходимых для нормального развития растений (0,18-0,78). В экстремальных геохимических

. ■ Таблица 2

Роль'почвенной шкрофлоры и.растений в биогенной миграции .марганца в Чиатуроком субрегионе биосферы

Т

Объект

Место взятия образца

"П

т.5, и. Зеда- ¡т.28, н.Даркве-.

Ргани, злаковое! ти, бобовое . Г

. разнотравье,] разнотравье, бурая лесная¡дерновая слабосуглинистая [развитая почва

почва ) на отвале. I

Содержание.марганца в.почве, т/га

биомасса, т/га

содержание марганца в биомассе, кг/га

биомасса, т/га

содержание марганца в биомассе»* кг/га

Общее содержание марганца

в биомассе, кг/га

% от содержания в почве.

«

и >ч

2 О

« 1 в

я

й а а о

биомасса, т/га число генераций (а) продуктивность, I

¿> I

3 I

о» -о .

Содержание марганца в биомассе, кг/га

% от содержания в почве .

7,60 11,30

0,27 4,50

0,38

0,65 0,01

0,42 6

26,90

18,80' 0,25

3.80 16,40

8.81 2,90

3,40

12,21 0,32 ■

0,48 8

123,00

49,20 1,30

- Таблица 3

Содержание марганца г железа в растительности Шатурского субрегиона биосферы,

мг/кг воздушно-сухой массы ■ . .

Растительность - 1 Г Марганец ! Хелезо "Г I ! Mn/Fe, среднее

( в 1 { i ( i I • I \od i I ( i i

• Чиатурский субрегион биосферы i

Древесная3^ Кустарниковая*) 25* 12-7000 150 46-1620 191 0,78

35*' 10-162* 125 *5- *3*8 404 0,31

Травянистая ' ■ 1*55 12-5100 . НО 50-МвЮ 5% 0,18

а) первичные, биогеохимичеокие провинции

Древесная, 68 330-7000 652 106- 492 308 2,12

Кустарниковая 59 I6I-I62* 210 78-, 565 219 0,96 .

Травянистая 679 24-5100 350 62-10810 790 0,4*

б) вторичная баогеохиыическая провинция

Древесная. '52 105-2350 ." 79* ' 322- 1620 615 ■ 1,29

Кустарниковая 6* III- 866 406 57- 12*0 'б49 0,63

Травянистая » 92 61-2375 419 327- 2100 902 0,*7

х) содержание марганца в железа.в зелены* частях растений /

условиях величины отношения превышают

Среди древесной и кустарниковой растительности высоким содержанием марганца характеризуются семейства буковых (1287 мг/кг), кленовых (484 мг/кг) и вересковых (459 мг/кг). Содержание элемента в ветвях ниже, чем в листьях. Луговое разнотравье накапливает в 2-14 раз больше марганца, чем злаки и бобовые, В целом вся растительность отражает изменение содержания марганца. в почвах.и на окраинах субрегиона содержит на .20-8% меньше этого элемента, чем в центре. Величины отношения Ид/Ре свидетельствуют об общем увеличении интенсивности марганцевого обмена (в 2-3 раза)'в экстремальных условиях. Особенно это характерно для типичных гадрофитов и гигрофитов ( Ид/Ре 1,2-3,1), которые независимо от разнообразного видового состава аккумулируют, в 2-10 раз больше марганца, чем растения других экологических групп. Четко данные различия проявляются во вторичной биогеохимической провинции,'где наряду с.общим увеличением содержания марганца в почвах повышается и степень обводненности территории. * ' - - - '

Показано, чтоКб марганца.в изученных растениях колеблется от 0,01 до 86,48; кб железа - от 0,01 до 1,27. У травянистых растений, произрастающих на отвалах, Kg марганца минимальные. По сравнению с травами деревья и кустарники имеют в 3 раза бо- . лее высокие величины Kg марганца и в 1,5 раза меньшие величины Kg железа.

- В результате проведенных исследований впервые на большом экспериментальном материале дана сравнительная оценка роли различных систематических и экологичесвдх групп растений в вовлечении марганца.в биогенную миграцию в условиях природной среды, обогащенной этим элементом. Показано ведущее значение в данном ,

процессе древесной и кустарниковой растительности, ряда семейств травянистых растений (ситниковых, частуховых,__тодстянко- _

вых, сложноцветных), гидрофитов и гигрофитов. ■

Роль геохимических условий в накоплении марганца отдельными видами растений

•Результаты наших исследований показали, что уровень содержания марганца в почвах является главным геохимическим фактором, во многом определяющим межродовые-и межвидовые отличия в концентрировании этого элемента растениями. При переходе к почвам, более обогащенным марганцем, наряду с общим увеличением его накопления растет и размах межродовых колебаний в его содержании, достигающий максимума.в экстремальных условиях.

Растения, произрастающие на почвах с концентрацией марганца выше 1000 иг/кг, регулируют железо-марганцевый обмен за счет более энергичного поглощения ими железа ( цп/7* в растениях меньше ып/Ре в почвах),, приспосабливаясь к экстремальным геохимическим условиям. Последнее подтверждается появлением в различных систематических группах растений-концентраторов марганца, которые выдерживают эти концентрации без какого-либо ущерба для своего развития. Среди изученных 139 видов растений выделены виды, характеризующиеся небольшим извлечением марганца из почвы (до £50 мг/кг воздушно-сухой массы) в условиях обогащенной этим элементом среды, виды, накапливающие значительное его количество (до 4000 мг/кг воздуишо-сухоа массы) лишь в экстремальных условиях на отвалах, а также виды, являющиеся его достоянными концентраторами независимо от_условий произрастания. .

Чаыенчивость растений в условиях обогащенной марганцем среды . произрастания

Адаптивные реакции растений Чиатурокого субрегиона на избыток марганца в среде произрастания наили проявление.в разных"*"" аспектах:.видовом составе растительных сообществ, особенностях роста растений, их'способности концентрировать марганец и железо

У большинства видов растений, произрастающих на обнажениях

V

рудного горизонта и терриконах, обнаружены марганцевые ожоги различной площади и хлороз. Установлено, что хлорозные особи молокана содержат в 3,7 раза больше марганца, чем особи без вида* *

мого проявления'хлороза. Величины отношения Мц/Рв у нехлороз-ных особей лежат в диапазоне _значений от 0,41 до 48,4, у,хло-розных особей - от 1*1 до 28,4.

Во вторичной биогеохимической провинции хлороз у ольхи бородатой наблюдался при более интенсивном марганцевом обмене в ветвях ( ыд/ре 1,02) по сравнению с листьями ( Мд/ре 0,27). Нормальные листья ольхи имели более высокие' величины отношения ' ' ки/Рв * равные 0,3270,38. Отношение ип/?е в ветвях составляло 0,80.

* ч

. У растений, произрастающих на терриконах, наблюдалось из- -менение пигментации вегетативных и генеративных органов, угнетение роста,, изменение степени опушения листьев, стеблей, оберт ки корзинки, аномалия генеративных органов ("израстание оси" цветка, замещение язычковых цветков в корзинках удлиненными листочками обертки и др.). Число тератов на пробных'площадках . колебалось в течение вегетационного периода от 5% до 4С$ на I м2. Величины отношения Ио/Ре в тератологически измененных корзинках скерды достигали 0,95-1,02, в нормальных корзинках -0,27-0,36. .

Таким образом, на большой-экспериментальной материала показано наличие разнообразных биологических реакций растения на избыток марганца в среде произрастания» Чожно высказать предположение, что адаптация растительных популяций к избытку данного элемента может происходить путем изменения железо-марганцевого обмена в сторону повышения интенсивности марганцевого обмена*. Привычные концентраторы более энергично поглощают железо» отно- . шение Ип/Рв стабильно в пределах популяции и, как правило, меньше единицы. У непривычных концентраторов поглощение марганца у всех особей происходит в несколько раз интенсивнее» чем поглощение железа. Отношение Мп/Ре изменяется в широком диапазоне значений как у особей, образующих физиологические формы, так и у эндемичных особей*

Содержание марганца в кормовых растениях и пищевых продуктах

На окраинах субрегиона в укосах.трав естественных лугов содержание.марганца не превышает 60 мг/кг воздушо-сухой массы. По мере приближения к центру марганцевого бассейна травы обогащаются марганцем (до 1360-1540 ыг/кг). Среднее его количество для данной части субрегиона составляет 216,4 мг/кг. Содержание железа в среднем равна €82,3 иг/кг. Сеяные травы по сравнению о травами естественных лугов содержат в 2 раза меньше марганца и 1,5 раза меньше железа* Во вторичной биогеохимической провинции наименее обогащены марганцем бобово-разнотравные луга древних террас р.Квирилы (до 150 иг/кг), наиболее - травы заливных пойменных лугов (до 2375 мг/кг)* Аналогично марганцу изменяется содержание железа (от 327 мг/кг иа террасах до 6612 мг/кг в прирусловьи). Среднее содержание марганца для лугов вторичной провинции составляет 600,7 мг/кг,железа - 2093,6 мг/кг. По

- , " 18 результатам анализа укосов трав лугов.марганцевого субрегиона построены картосхемы.

Растительные корма и продукты литания являются важными звеньями биогеохимической пищевой цепи, которые непосредственно „ связывают органаза животных и человека с геохимической средой. Результаты исследований показали значительную обоганенность .марганцем растительных кормов субрегиона, а вследствие этого молока 'коров, что особенно характерно для вторичной биогеохимической .провинции, где расположены крупные молочные хозяйства.

Больше количества элемента обнаружены в образцах местных продуктов (зелени, овощей, фруктов, виноградных вин). Подсчитано,' что средние рационы питания взрослого, населения Чиатурского субрегиона в летне-осенний период содержат 25-27 мг марганца в' сутки. Непосредственный анализ суточных рационов из государственных учреждений дал более высокие результаты - 35,8-4-1,3 мг/сутки, что существенно превышает физиологические нормы (от 5 до 10 мг). Таким образом, повышенное содержание марганца в породах и поч-, вах изученного субрегиона приводит к обогащению им растительных продуктов питания и пищевых рационов.: Специальные ветеринарные и медицинские исследования, проведенные в Чиатурскоы субрегионе, выявили различные биологические реакции животных и человека на . избыток марганца в геохимической-среде (Ковальский с соавт., 1980; Хакимова, 1980). v

Вовлечение марганца в биогенную миграцию растительной биомассой в разных геохимических условиях

Дня оценки участия высшей растительности в миграции марганца мы рассчитали степень вовлечения его в биологический круговорот в естественных и техногенных условиях. В центральной, наиболее обогащенной марганцем зоне субрегиона фитомасса в лесных

биогеоценозах.удерживает максимальное количество марганца -свыше 113 кг/га, при, этом 105 кг/га связано с фитомассой многолетних надземных частей деревьев. Около 10% запасов этого элемента вовлекается в биологический круговорот о ежегодным приростом, 6% вновь возвращается^ почву о. спадом. Годовое накопление марганца составляет 4,5 кг/га, что значительно превышает его накопление в лесах на окраинах субрегиона и в низовьях р.Квирилы (0,2 кг/га). Процент вовлечения марганца в биологический круговорот, относительно содержания в почвах, близок к 0,2, что в 4-20 раз выше, чем у железа.

Ежегодно о надземной фитомассой лугов за счет выкашивания и поедания скотом отчуждается марганца от 0,? до 2;9 кг/га и железа ог 6,8 до, 15,4 кг/га. Ризомассой (корни до глубины 0,5 ы) депонируется марганца от 2,4 до 9,5 kr/га, железа - от 34,8 до 63,4 кг/га, В луговых биогеоценозах фитомассой вовлечено в биологический круговорот 0,003-0,006^ от запасов марганца в почве, железа - 0,001-0,002%. Такой же порядок величин харак-' теризует и агроценозы. - „ - -

При сравнении степени вовлечения марганца и железа в биологический круговорот со степенью 'водной миграции показано, что выноо элементов сводным стоком значительно меньше: марганца в лесных биогеоценозах в 11-18 раз, в луговых - в 2-9 раз," в агроценозах - в 2-5 раз; железа в лесных и луговых биогеоценозах - в 4-8 раз, в агроценозах - в 4-6 раз. Максимальное количество выносимого марганца приходится на районы марганцевых разработок..Здесь это количество соизмеримо о годовым выносом * железа. Таким образом, марганец и железо прочно удерживаются в биогенной, круговороте почвекно-растительным покровом.

В то же*время годовой вынос данных элементов о твердым

стоком превосходит захват приростом фитомассы растительности. Максимальное количество марганца и железа (от 0,03 до 1,8 т/га и от 0,02 до 1,2 т/га соответственно) мигрирует с твердым стоком в районе открытых разработок марганцевых руд, что свидетельствует- о -знача тельном влиянии техногенеэа на природные про-' цессы миграции химических элементов. Расчеты наглядно.показывают, что восстановление почвенного покрова и растительности на месторождении будет ограничивать выноо химических элементов с речным стоком и препятствовать загрязнению окружающей среды этим металлом. *

Биогеохимическое строение марганцевого субрегиона биосфера

Большой экспериментальный материал, полученный в результате детального изучения основных звеньев биогеохимической пищевой цепи, позволил построить картосхему биогеохими^еокого районирования марганцевого субрегиона биосферы. В районе разработок марганцевых руд мы выделяем первичные биогеохимические провин-* ции.(естественные и техногенные), образование которых связано с близким залеганием рудных слоев и извлечением на поверхность - земли отходов марганцевого производства. Вторичная провинция возникает в результате сноса соединений марганца первичных провинций с речным стоком и переотложеяия их в низовьях р.Квирилы.

Показано значительное обогащение марганцем всех звеньев биогеохимической пищевой цейи в условиях первичных и вторичной провинций (рис.1). Установленные биологические реакции организ-' мов на избыток марганца в геохимической среде на всех этапах глобального цикла миграции подтвердили существование на изученной территории биогеохимических провинций.

БЭ-а .' ^ б О с ;

Степень концентрирования марганца (Кд) в отдельных звеньях биогеохимической пищевой цепи в условиях Чиатурского субрегиона биосферы по сравнению о контрольным районом, а - первичные биогеохимические провинции; б - вторичная биогеохиыическая провинция;, с - субрегион (фоновая территория). Звенья биогеохимяческой пищевой цепи: I - породы; 2 - почвы; 3 - речные воды; Ц- - почвенные микроорганизмы; 5 - деревья и кустарники; б - травы; 7 - корма; 8 - продукты литания; 9 - рационы.

Полученные данные способствуют изучения возникновения эндемических заболеваний и разработке способов их предупреждения. Результаты исследований могут Сыть использованы при изучении закономерностей и механизмов влияния на организмы загрязнения окружающей среды металлами, для разработки мероприятий по охране биосферы от вредного действия техногенных факторов.'

вывода

I, Впервые выявлено би оге о хиыиче с кое строение Чиатурского субрегиона биосферы*, характеризующегося повышенным содержанием марганца в геохимической среде. В пределах марганцевого субрегиона выделены естественные и техногенные провинции (район разработки марганцевых руд) и вторичная биогеохимическая провинция (район вынооа и переотложения марганца в низовьях р.Квирилы).

2* Установлено значительное обогащение марганцем основных звеньев биогеохимической пищевой цепи (пород, вод, почв, почвой них микроорганизмов, растений, кормов и пищевых продуктов), обу словливающее различные биологические реакции организмов в условиях первичных и вторичной биогеохимических провинций.

3. Показано влияние геохимических факторов среды на растительные организмы. Впервые обнаружено.большое число видов растений-концентраторов марганца, что свидетельствует о малой чувствительности растительных организмов к данному элементу. В условиях биогеохимических провинций содержание марганца в расте ниях достигает верхних пороговых концентраций; у растений выявлены хорошо выраженные патологические реакции (ожоги, хлороз, -некроз, изменения генеративных органов). Высказаны соображения о^связи данных реакций'о нарушением. железо-марганцевого обмена в растительных организмах.

4. Установлено, что количество.марганца, вовлекаемое в биогенную миграцию наиболее активным звеном биогеохимической пищевой цели - микроорганизмами, зависит от уровня содержания марганца в лочвах, размеров микробной биомассы и ее колебаний. Впервые-даяа сравнительная оценка роли.микробной и растительной биомассы в вовлечении марганца в биогенную миграцию_в уело-

шях марганцевых биогеохинических провинций..

5. Установлено, что в результате нарушения почвенно-расти-тельного покрова при открытых разработках марганцевых руд значительно возрастает миграция рудных отходов с речным стоком, что способствует образованию вторичной биогеохимической провинции.

6. Показано, что количество марганца и.железа, вовлекаемое растительностью в биогенную миграцию, существенно превышает годовой вынос данных элементов о ионным стоком. Восстановление и сохранение растительности на месторождении снижает нежелательные' последствия крупных вмешательсть-человека в окружающую среду и является одним из решающих факторов в деле охраны биосферы.

Список работ, опубликованных по теме

диссертации . ■ ,

"" I. Естественные и техногенные провинции Чи а туре ко го марганцевого субрегиона биосферы // Биологическая роль микроэлементов и их применение в сельском хозяйстве я медицине: Тез. докл. 8-ой Всесоюз. кон., Ивано-Франковск, 1978,. Т.1. - С.35-36 (в соавт.).

2. Марганец и железо в системе почва-растение районов, загрязненных марганцем // Миграция загрязняющих веществ в почвах, в системе почва-вода, почва-растение: Тез. докл. Всесоюз. совещ., Обнинск, 1978. - С.16-18 (в соавт.).

3. Биогеохимические пищевые цепи в условиях Чиатурского марганцевого субрегиона биосферы // Биогеохимическое райониро- •; вание и геохимическая экология: Тр.'Еиогеохим. лаб. - П.: Наука, 1980. Т.18. - С.16&-169 (в соавт.).

4. Биологические реакции растений в условиях'Чиатурского марганцевого субрегиона биосферы. - Там же. - С.142-155 (в со-" авт.),

5. Миграция марганца г почвенно-растительноц покрове и природных* водах Чиатурского марганцевого субрегиона биосферы. -Там же. - С.7^-1X5 (в соавт.). ^

6. Марганец и железо в системе почва-растение в районах, загрязненных марганцем // Миграция загрязняющих веществ в почвах и сопредельных средах: 1р. 2-го Всесоюз. совет. - Л.: Наука, 1980. - С.214-220 (в соавт.).

7. О выносе и переотложении марганца в районе Чиатурского месторождения '// Тяжелые металлы в окружающей среде. - Ы»: Моск. ун-т, .1980. - С.88-91 (в .соавт.).

8* Роль растительности в биогенной миграции марганца в условиях Чиатурского марганцевого субрегиона биосферы // Биологическая роль микроэлементов и их применение в сельском хозяйстве и медицине: Тез. докл. 8-ой Всесоюэ. кон. - Кишинев: Штиинца, 1981. Т.1. - С.31-32 (в соавт.).

9. Биогеохишческне циклы марганца и железа в бассейне р.Квирилы (Западная Грузия) // БногеохимическиЯ круговорот ве- , цеств: Тез. докл. Всесоюз. кон. - Ц.: Наука, 1982. - С.(в со» . авт.).

10. О поведении марганца и железа молодых образований, гипер-генеза // Геохимия. - 1986, Й 6. - С.861-868 (в соавх.)»

1

ПолиВСДПо к плчлти

Л- ЩЧОЬ Формат 60x90/1 в.

Уев. чвч. л. 4,!Г л. 4,0

Т-рш ЮО «а._з_

Ордеи 'Звйе Почета'вэдвтльстк» Моспмсхого тшмрсчвть 103009, Москва, ул. Гяраввл, 5/7. ТшюгрЦан ощим 'Змк Пи»и" пцтжлп МГУ. И9898, Москва, Лмиеш горы.