Микроэлементы (Cu,Zn,Ni,Pb) в гумусовых веществах черноземов и каштановых почв Западного Забайкалья

Бодеева, Елена Алексеевна

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Микроэлементы (Cu,Zn,Ni,Pb) в гумусовых веществах черноземов и каштановых почв Западного Забайкалья
ВАК РФ 03.02.13, Почвоведение

Автореферат диссертации по теме "Микроэлементы (Cu,Zn,Ni,Pb) в гумусовых веществах черноземов и каштановых почв Западного Забайкалья"

005018399

На правах рукописи

Бодеева Елена Алексеевна

МИКРОЭЛЕМЕНТЫ (Си, Ъп, N1, РЬ) В ГУМУСОВЫХ ВЕЩЕСТВАХ ЧЕРНОЗЕМОВ И КАШТАНОВЫХ ПОЧВ ЗАПАДНОГО ЗАБАЙКАЛЬЯ

03.02.13 -почвоведение

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

0 . _ ^ Г-Г,Г,

\ 2 ¿Гіґ /-0ІА

Улан-Удэ 2012

005018399

Работа выполнена в лаборатории биохимии почв ФГБУН Института об щей и экспериментальной биологии СО РАН

Научный Чимитдоржиева Галина Доржиевна, доктор сель-

руководитель: скохозяйственных наук, профессор ФГБУН Института общей и экспериментальной биологии СО РАН

Официальные Абашеева Надезвда Ефимовна, доктор биологиче-оппоненты: ских наук, профессор ФГБУН Института общей и . экспериментальной биологии СО РАН

Хутакова Светлана Владимировна, кандидат биологических наук, ст. преподаватель ФГОУ ВПО Бурятской государственной сельскохозяйственной академии им. В.Р. Филиппова

Ведущая Научно-исследовательский институт прикладной

организация: экологии Севера ФГАОУ ВПО «Северо-Восточный федеральный университет им. М.К. Аммосова»

Защита состоится 27 апреля 2012 г. в 14-00 на заседании диссерта ционного Совета Д. 003.028.01 в ФГБУН Института общей и экспери ментальной биологии Сибирского Отделения РАН по адресу: 670047, Улан-Удэ, ул. Сахьяновой, 6; факс (3012) 433034; e-mail ioeb@biol.bscnet.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Бурятского на учного центра СО РАН.

Автореферат разослан 26 марта 2012 г. и размещен на официально сайте института http://igaeb.bol.ru и в сети Интернет на официально сайте ВАК Министерства образования и науки Российской Федераци http://vak2.ed.gov.ru

Ученый секретарь диссертационного совета, д-р биол. наук

М.Г. Меркушева

Введение

Актуальность. Поведение металлов в почвах (закрепление, перераспределение, высвобождение) является одной из основных актуальных задач изучения микроэлементов в системе почва - гумусовые вещества -растение (Водяницкий, 2012). Поскольку микроэлементы (МЭ) влияют на развитие растений и активность микроорганизмов, то все почвенные биохимические процессы накопления, трансформации, переноса органических соединений во многом зависят от уровня содержания разных микроэлементов. В результате интенсифицируются процессы гумусооб-разования. На накопление и распределение микроэлементов активно влияют многие факторы формирования почвенного профиля (Ковда, 1973; Орлов, 1998).

Гумусовые кислоты и их производные, обладая огромной поглотительной способностью, оказывают воздействие на миграцию и аккумуляцию элементов (Башкин, Касимов, 2004). Взаимодействие между гумусовыми веществами и металлами осуществляется путем ионного обмена, сорбции на поверхности, хелатообразования, коагуляции и пепти-зации. Однако гумусовые вещества различаются по интенсивности связывания микроэлементов (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989). Известно, что в минеральных почвах более 50 % общего содержания микроэлементов может удерживаться органическим веществом, связываясь преимущественно фульвокислотами (Степанова, 1976), тогда как гуминовыми кислотами этот механизм обеспечивается лишь около 20 % от уровня их общей биопротекторной активности (Чуков, 2001). В результате этих процессов нормализуется экологическая обстановка в системе почва-растение. Изученность интенсивности связывания гумусовыми веществами микроэлементов для почвенно-экологических условий Западного Забайкалья крайне мала (Нимбуева, 2007; Чимитдоржиева и др., 2012).

Общая площадь пастбищ на каштановых почвах Западного Забайкалья составляет около 459 тыс. га, на черноземах - 19 тыс. га. Поэтому изучение соединений микроэлементов с гумусовыми веществами черноземов и каштановых почв под естественной растительностью имеет важное значение для исследования особенностей процессов вовлечения металлов в миграционные циклы, выведения их из миграции и закрепления в почве, т.к. они влияют на продуктивность и качество трав.

Цель работы: изучить содержание и распределение микроэлементов (Си, Ъп, №, РЬ) в гумусовых веществах черноземов и каштановых почв Западного Забайкалья.

В задачи исследования входило:

■ дать характеристику основных свойств черноземов и каштановых почв, состава гумуса.

■ изучить содержание МЭ: а) в почвообразующих породах; б) почвах; в) растительности (надземной и подземной фитомассе).

■ определить содержание МЭ в гумусовых веществах: гуминовых кислотах, фульвокислотах, негидролизуемом остатке (гумине).

■ дать сравнительную оценку связывания МЭ гумусовыми веществами черноземов и каштановых почв.

Защищаемые положения:

¡.Уровень накопления микроэлементов в черноземах и каштановых почвах Западного Забайкалья обусловлен разной степенью обогащенно-сти ими почвообразующих пород, а также основными свойствами почв.

2. Микроэлементы (Си, N1, РЬ) в основном связаны минеральной частью, а 2г\ равномерно распределен в органическом и минеральном веществе черноземов и каштановых почв.

3.Си, №, РЬ преимущественно связываются фульвокислотами, за исключением Ъа, который в черноземах связан гуминовыми кислотами, в каштановых почвах - негидролизуемым остатком, что обусловлено содержанием гумуса, его составом и химической природой гумусовых веществ.

Научная новизна. Выявлены уровни концентрации Си, N1, РЬ в гумусе и минеральной матрице черноземов и каштановых почв. Впервые определено их содержание и распределение в гумусовых веществах: гуминовых кислотах, фульвокислотах и гумине в зависимости от состава гумуса. Установлено, что цинк в черноземах большей частью связан с гуминовыми кислотами, а в каштановых почвах - с гумином. Аккумуляция гумусовыми веществами меди, никеля и свинца в основном убывает в следующем ряду: фульвокислоты - гуминовые кислоты - гумин.

Теоретическая и практическая значимость. Выявленные закономерности накопления и распределения Си, Ъп, РЬ в гуминовых кислотах, фульвокислотах и гумине криоаридных почв вносят новые данные в природу гумусовых веществ. Полученные результаты могут быть использованы в качестве исходных данных для экологического мониторинга состояния почвенного и растительного покровов, а также для разработки мероприятий по оптимизации микроэлементного состава многолетних трав на пастбищах.

Апробация работы. Результаты и основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международных науч-

ных конференциях «Научные основы сохранения водосборных бассейнов: междисциплинарные подходы к управлению природными ресурсами» (Улан-Удэ, 2004), «Современные проблемы загрязнения почв» (М., 2010), на региональной конференции студентов, аспирантов вузов и научных организаций Дальнего Востока России «Актуальные проблемы экологии, морской биологии и биотехнологии» (Владивосток, 2010).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 работ, в т.ч. 4 статьи в рецензируемых журналах.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из 127 страниц компьютерного набора, содержит введение, 5 глав, список литературы, 7 таблиц, 15 рисунков, 5 приложений. Список использованной литературы включает 249 наименований, в том числе 23 на иностранном языке.

Личный вклад автора. Диссертация является обобщением личных материалов автора, полученных в результате полевых и экспериментальных лабораторных исследований в 2008-2011 гг. в ФГБУН Институте общей и экспериментальной биологии СО РАН.

Глава 1. Микроэлементы в системе порода - почва - растения

В главе на основе литературных данных приведены источники поступления МЭ, их биологическая роль, фитотоксичность, основные закономерности аккумуляции в почвах, факторы, определяющие миграцию элементов в системе почва-растение и взаимодействие их с органическим веществом.

Глава 2. Природные условия формирования черноземов и каштановых почв

По литературным источникам дана характеристика основных факторов почвообразования черноземов и каштановых почв в Удинской, Иволгинской, Гусиноозерской, Тугнуйской котловин Забайкалья: рельефа, почвообразующих пород, климата, растительности.

Объекты и методы исследований. Работа выполнена в 2008-2011 гг. на территории Селенгинского среднегорья (Республика Бурятия). Объектами исследований являлись целинные черноземы следующих районов: Мухоршибирского (р.1), сформированные на пролювиально-делювиальных отложениях, Хоринского (р.2) - на делювиальных суглинках, Селенгинского (р.З) - на элювиально-делювиальных образованиях; каштановые почвы: Заиграевского (р.4) - на элювиальных супесях, Иволгинского (р.5) - на пролювиальных песчаных отложениях, Мухоршибирского (р.6) - на пролювиально-делювиальных наносах.

Физико-химические свойства почв изучали общепринятыми методами (Аринушкина, 1970; Агрохимические ..., 1975), углерод гумуса почвы - микрохромовым методом Тюрина; фракционный состав гумуса -методом И.В. Тюрина в модификации В.В. Пономаревой и Т.А. Плотниковой (1975).

Для экстракции гумусовых веществ (ГВ) использовали метод Гримме (Grimme, 1967). Навески почв, не содержащие растительных остатков, подвергали многократной обработке смесью 0,5н NaOH с 0,01 M ЭДТА до обесцвечивания раствора над почвой после центрифугирования. После того, как извлечение ГВ смесью NaOH и ЭДТА прекращалось, навеску почвы обрабатывали сначала 0,01н. HCI, затем Н2Одист до получения бесцветного раствора. Экстракты объединяли и доводили до определенного объема. Две трети объема раствора брали для осаждения ГК, которое проводили в течение 24 ч при рН 1,5-2 и температуре 80°. После центрифугирования и промывания осадок гуминовых кислот (ГК) растворяли с помощью 0,02н. NaOH. Фильтрат после осаждения ГК, отнесли к группе фульвокислот (ФК). В 200 мл вытяжки по Гримме и отдельно в 100 мл ГК и ФК после выпаривания на водяной бане и озоления осадков смесью H2SO4 и HCIO4, растворения в горячей воде и доведения объема до 100 мл, определяли микроэлементы (МЭ). В негидролизуемом остатке (НО) количество микроэлементов определяли по разнице между их содержанием в гумусовых веществах и суммой элементов в ГК и ФК. После выделения темной органической части из навески почвы, оставшаяся светлая часть нами принималась за минеральную составляющую, в которой также отдельно определялись эти элементы.

Количество надземной и подземной фитомассы учитывали по Н.А. Панковой (1965). Содержание МЭ в породах, почвах, растениях и гумусовых веществах выявляли согласно (Агрохимические..., 1975) с конечным определением на атомно-абсорбционном спектрофотометре А Analist 400 фирмы Perkin Elmer. Обработка экспериментальных данных выполнена в среде электронной таблицы Microsoft Excel 2003 из пакета Microsoft Office.

Глава 3. Характеристика почв

Для черноземов свойственны легко- и среднесуглинистый гранулометрический состав, сумма поглощенных оснований - 20-34 мг экв/100 г почвы. Содержание гумуса составляет 4-5-9 % с резким убыванием вниз по профилю. Для верхних горизонтов характерна реакция среды, близкая к нейтральной и слабощелочной (табл.1).

Таблица 1. Основные физико-химические показатели черноземов и каштановых почв Западного Забайкалья

Разрез, котловина Горизонт Глубина, см Частицы <0,01 мм, % рН Поглощенные основания Гумус, % N. %

Са м§+

мг-экв/ЮОг почвы

Черноземы

Р.1. Туг-нуй-ская А, 0-33 30 6,7 24,9 4,8 5,3 ' 0,35 8,7

АВ 33-50 21 7,0 20,6 4,2 1,4 0,10 8,0

Вю 50-75 18 7,9 20,0* 0,4 - -

Вк2 75-137 18 8,3 22,0* 0,2 - -

Ск 137-170 18 8,3 18,0* 0,1 - -

Р. 2. Удин екая А, 0-30 34 7,9 29,1 4,9 9,0 0,44 11,8

АВ 30-50 32 8,0 29,4 4,6 8,5 0,39 12,5

Вкі 50-90 29 8,2 28,0* 0,7 0,01 -

Вк2 90-130 48 8,4 27,0* 1,5 0,03 -

Ск 130-150 38 8,3 28,0* 1,6 0,03 -

Р.З. Гуси-но-озер-ская А 0-18 30 6,8 16,1 4,2 3,5 0,22 9,3

АВ 18-36 29 7,2 13,9 3,5 2,2 0,14 9,3

в, 36-65 28 7,4 8,4 2,4 0,7 0,05 -

Вк 65-105 28 8,3 16,0* 0,2 - -

ск 1 105-150 26 8,9 15,0* - - -

Каштановые почвы

Р.4. Удин екая А 0-21 27 6,4 15,0 4,1 2,6 0,18 8,3

АВ 21-36 27 6,7 14,5 3,9 1,4 0,10 8,1

Вк 36-82 28 7,3 17,5* 0,2 - -

Ск 82-150 22 8,3 16,0* - - -

Р.5. Ивол-гин-ская А 0-21 22 6,8 13,4 3,7 2,1 0,14 8,6

АВ 21-46 15 7,1 12,8 3,1 1,1 0,06 7,9

Вк 46-106 15 8,3 12,0* 0,1 - -

ск 106-150 16 8,4 12,0* - - -

Р.6. Туг-нуй-ская А, 0-26 28 6,7 14,6 3,9 2,2 0,17 7,7

АВ 26-44 22 6,9 13,9 3,3 1,3 0,09 8,3

В 44-70 19 7,2 10,8 3,1 0,7 - -

Вк 70-88 16 8,0 16,0* 0,2 - -

Ск 88-150 15 8,4 14,0* 0,1 - -

Примечание: ^емкость поглощения; - не определяли

Каштановые почвы, функционирующие в условиях более жесткого режима увлажнения, характеризуются небольшой мощностью гор. А,

легким гранулометрическим составом, низкой емкостью катионного обмена, содержание гумуса равно 2,1-2,6 %.

Для черноземов Западного Забайкалья характерен преимущественно фульватно-гуматный тип гумуса, для каштановых почв - гуматно-фульватный (табл. 2). Общим для этих типов почв является высокое содержание гумина.

Таблица 2. Состав гумуса гор. А черноземов и каштановых почв (% к С0бШ.)

Разрез Глубина, см с НО Сгк/С^к

Черноземы

1 0-33 3,1 27,7 26,8 45,5 1,0

2 0-30 5,2 39,1 30,7 42,0 1,3

3 0-22 2,0 28,7 33,7 37,6 0,9

Каштановые почвы

4 0-21 1,5 26,7 31,9 41,4 0,8

5 0-21 1,2 23,4 28,9 47,7 0,8

6 0-26 1,3 25,0 30,7 44,3 0,8

Глава 4. Микроэлементы в системе: порода - почва - растение

Источником поступления МЭ в почвы служат различные горные породы, на которых формируется почвенный покров. В процессе выветривания и почвообразования происходит перераспределение химических элементов (Ковда, 1973).

Почвообразующие породы. Количество МЭ в породах определяется наличием в них минералов - носителей и минералов - концентраторов микроэлементов (Сеничкина, Абашеева, 1986).

Содержание Си в породах (рис. 1) легкого гранулометрического состава невысокое: в пролювиально-делювиальных отложениях (р. 1) — 15,8 мг/кг, в элювиально-делювиальных образованиях (р.З) - 17,0 в элювиальных супесях (р.4) - 12,2, в пролювиальных песчаных отложениях (р.5) - 8,6, в пролювиально-делювиальных наносах (р.6) - 10,7, а в породах тяжелого состава (делювиальные суглинки, р.2) - 35,0 мг/кг. Последняя величина превышает средние региональные данные (Гуляева, 2002; Убугунов, Кашин, 2004), но ниже кларка литосферы - 47 мг/кг (Виноградов, 1962). Итак, почвообразующие породы почв обеднены медью и выявлена ее связь с гранулометрическим составом.

Количество гп в породах легкого гранулометрического состава также небольшое, кроме делювиальных суглинков - 116,8 мг/кг (рис. 2) при кларке литосферы 83 мг/кг. Возможно, это связано с повышенным содержанием продуктов выветривания базальтов.

18, 8

"uZ 20 15,8 С 11,2

2 0 - i, п 4,9 П

40 20

р.4

19,5

12,2

9,9

4,5

-EL,

Черноземы р.2

35,0

31,1

17,5

4,6

, П ,

Каштановые почвы р.5

8,6 8,1 ш И п 2л5

р.З

17,018,6

10,3

3,3

р.6

10,7 84

i й п 1j

Рис. 1. Содержание меди, мг/кг. Здесь и далее: 1 - почвообразующая порода, 2 -почва, 3 - подземная масса, 4 - надземная масса

Р-]

Черноземы р.2

200 * юо

I-2

117,0

55,0

60,1

25,3 2о g

П , т ,

108,0

32,9 27 8

^П.П,

р.З

,, л50,8

Ш , ki, п , п ,

р.4

Каштановые почвы Р.5

р.6

200 п

^ 100 -

59,0

21,7 га 22.418,1

JZL

J~l , п

33,8

51,0

i 18.916,6

п , гч ,

37,8'

46,9

кЛ

18'° 15,9

п , п ,

1234 1234 1234

Рис. 2. Содержание цинка, мг/кг

Концентрация Ni в породах приближается к среднему региональному содержанию (26 мг/кг) - от 11,9 на элювиальных супесях до 29,2 мг/кг на пролювиально-делювиальных щебнистых суглинистых отложениях, исключением являются делювиальные суглинки (45,6 мг/кг) с более тяжелым гранулометрическим составом (рис. 3). Содержание Ni в породах ниже кларка литосферы (58 мг/кг). Пониженное его количество в породах региона обусловлено, по-видимому, тем, что они состоят главным образом из кварца (70-75 %), который характеризуется наи-

меньшей концентрацией рассеянных элементов, в том числе и N1 (Кашин, 2002).

Черноземы

р.1 Р.2 р.З

100 50

29,2

32,1

2,2

49,4

45,6

Я 2,5

0,4 § Я °>6

21,7 15,0 „ 1,6

Е10_

0,4

р.4

Каштановые почвы Р.5

100 !

* 50 г

21,2 я 1'5

0,3

30,8 23,0 д 1,9

0,4

р.6

22,6 20,0 1,6

12 3 4

1 2 3

12 3 4

Рис. 3. Содержание никеля, мг/кг.

{£ 25 \

р.)

28,5

1 р.4

Черноземы р.2

р.З

35,0

44,8

32,4

2,4 0,7

Каштановые почвы Р.5

р.6

31,8

"18 Г"*" 0 5

I 1,7 0,6 1 1 1 1——1

.33,5

1,8 0,7

29,3

31,0

1,5 0,5

12 3 4

12 3 4 Рис. 4. Содержание РЬ, мг/кг

12 3 4

Содержание РЬ в породах изменяется от 18,0 до 44,8 мг/кг в зависимости от их гранулометрического состава. Максимальное - в делювиальных суглинках - 44,8, наименьшее - на элювиальных супесях - 18,0 мг/кг (рис. 4), что выше кларка литосферы (12 мг/кг) и близко к данным среднего регионального (33,7 мг/кг). Таким образом, почвообразующие

породы обогащены свинцом, и отмечена зависимость его количества от их гранулометрического состава г=0,54.

Микроэлементы в органогенном слое почв. Как известно, унаследованный почвами от материнских пород количественный состав МЭ претерпевает значительные изменения под совокупным воздействием всех факторов почвообразования (Ковда и др., 1959; Мотузова, 2008).

Содержание Си в гор. А мало- и среднегумусных черноземов составило 18,8 и 18,6 мг/кг, что ниже среднего регионального значения (23,3 мг/кг), вследствие обедненности пород этим элементом (рис. 1). В высо-когумусных черноземах количество меди равно 31,1 мг/кг, что в 1,3 раза превышает среднее региональное значение за счет высокого ее содержания в породе (34,7 мг/кг).

В гумусовом горизонте каштановых почв концентрация Си составляет: 8,4, 11,8, 19,5 мг/кг по трем разрезам, что значительно ниже среднего значения для почв Забайкалья (Гуляева, 2002; Иванов, 2007).

Трансформация меди из пород в органогенные горизонты почв незначительна, коэффициент ее аккумуляции (Кэа) варьирует от 0,4 до 0,9. Содержание меди в почвах ниже ПДК (55 мг/кг) и находится в зависимости от количества ее в породе (г=0,6-0,9).

В черноземах концентрация превышает значение для почв, которое составляет 51 мг/кг (Ковальский, Андрианова, 1970). В средне- и ма-логумусных черноземах количество цинка равно 60,1 и 50,8 мг/кг (рис. 2). Наибольший уровень содержания цинка обнаружен в высокогумус-ной почве (р.2) - 108,0 мг/кг, вследствие значительного его содержания в породе. Корреляция между количествами цинка в породе и в почве довольно тесная г=0,9. Эта величина близка для черноземов Еравнинской котловины (Сеничкина, Абашеева, 1986).

В каштановых почвах вследствие обедненности цинком пород его содержание ниже ПДК (100 мг/кг) и равно 46,9-59,0 мг/кг. Установлена корреляционная связь с гранулометрическим составом и количеством элемента в породе, г=0,9.

В черноземах выявлена зависимость содержания N1 от гранулометрического состава почвы и от количества его в почвообразующей основе. Корреляционная связь между содержанием никеля в породе и в почве тесная (г=0,9). Наибольшее количество № 49,4 мг/кг (рис. 3) обнаружено в высокогумусных черноземах, формирующихся на суглинках, в которых содержится никеля 45,6 мг/кг. В органогенном слое черноземов

концентрация никеля варьирует от 21,7-32,1 мг/кг, что выше средних региональных значений.

Количество никеля в каштановых почвах меньше по сравнению с черноземами. Наибольший уровень содержания N1 в этих почвах наблюдается в р.5 - 30,8 мг (здесь же выявлено его максимальное количество в породе), средний - в р.6, наименьший - в р.4 (21,2 мг/кг). Установлена тесная связь количества никеля в породе и в почве, г=0,8.

Несмотря на то, что содержание никеля в органогенном слое почв ниже ПДК (85 мг/кг), Кэа N1 составил 1,1-1,4 в черноземах и 1,1-1,7 в каштановых почвах, что свидетельствует о биогенном его накоплении.

Уровень содержания РЬ в органогенном горизонте средне- и мало-гумусных черноземов (рис. 4) превышает ПДК (30 мг/кг) вследствие его биогенного накопления, а также не исключен аэрогенный привнос металла. Количество свинца в высокогумусных черноземах (29,5 мг/кг) практически равно ПДК, что обусловлено значительным содержанием элемента в подстилающей породе - 44,8 мг/кг. Здесь не выявлена связь элемента в почве от его концентрации в породе.

Для каштановых почв также отмечено высокое содержание РЬ (31,0-33,5 мг/кг), превышающее ПДК (рис. 4), что связано с повышенным содержанием элемента в породах.

Микроэлементы в минеральной части почв. Масса разных типов почв на 90-99 % состоит из минерального вещества. По этой причине средний элементарный состав почвенной толщи мощностью 0,5-1,0 м, за исключением С и И, обусловлен составом минерального вещества. Это вещество очень разнородно и его компоненты играют неодинаковую роль в геохимии и биогеохимии педосферы (Добровольский, 2003).

Содержание Си в минеральной части черноземов равно: р.1 - 11,0, р.2 - 17,4, р.З - 11,7 мг/кг, что составляет соответственно от ее валового количества в почве: 59, 56, 63 %. Медь связана с минеральной частью каштановых почв на 63-66 %. Полученные относительные значения свидетельствуют о том, что в черноземах и каштановых почвах значительная часть Си связана с минеральным веществом.

Zя в минеральной части черноземов составляет от его валового содержания (в %): 46, 47, 56, т.е. в этих почвах цинк почти равномерно распределен в гумусовых веществах и минеральной основе. В минеральном веществе каштановых почв количество 2п равно (мг/кг) - 35,4 (р. 4), 27,0 (р. 5), 20,1 (р. 6), а его доля соответственно составляет: 60; 53; 43 % от его валового содержания, в среднем - 52 %. Таким образом, Ъх\ в

черноземах и в каштановых почвах почти равномерно распределен в гумусовых веществах и минеральной основе.

Минеральная часть гумусово-аккумулятивного горизонта черноземов содержит М (мг/кг): среднегумусный - 17,1, высокогумусный - 25,2 и малогумусный - 12,9. Его доля от валового содержания элемента в почве практически одинакова - 51-59 %, что зависит от свойств N1 и возможных форм связей с минеральными соединениями.

Содержание N1 в минеральном веществе каштановых почв варьирует в небольших пределах - 13,0-18,3 мг/кг. Его доля от валового содержания элемента в почве, как и в черноземах, почти одинакова - 58-61 %.

Уровень концентрации РЬ в минеральном веществе черноземов находится в прямой корреляции с его количеством в почве. В минеральной части почв аккумулируется значительная доля свинца - 61-65 %. По-видимому, последнее объясняется тем, что свинец является металлом с переменной валентностью (+2 и +3), это позволяет ему более активно вести себя в минеральной среде.

Количество РЬ, связанного с минеральной частью каштановых почв равно 20-22 мг/кг, доля его от валового содержания элемента составляет 65-66 %. Следовательно, в черноземах и каштановых почвах свинец, как медь и никель в большей степени связан с минеральной частью.

Микроэлементы в растительности. Являясь важной составной частью живого вещества, растительность участвует в процессах миграции и превращениях химических элементов на поверхности Земли. Биопродуктивность пастбищ на черноземах и каштановых почвах Западного Забайкалья низкая, с широким диапазоном отношения надземной фито-массы к подземной (Меркушева, 2004)

Количество Си в надземной фитомассе степных ценозов варьирует в пределах 3,3-4,9 мг/кг, сухостепных- 1,3-4,5 мг/кг (рис. 1). Наибольшее ее содержание выявлено в фитомассе разнотравно-злаковой ассоциации на высокогумусных черноземах - 4,6 мг/кг, наименьшее - в тонконого-во-ковыльной на среднегумусных черноземах - 3,3; в фитомассе разнотравно-злакового сообщества на каштановых почвах наибольшее ее содержание составляет 4,5 мг/кг, наименьшее - в полынно-разнотравно-злаковом фитоценозе - 1,3 мг/кг, что связано с ее количеством в почве. Коэффициент корреляции между содержанием меди в органогенном слое почв и количеством ее в надземной массе травянистой растительности равен 0,79, а между содержанием Си в органогенном слое почв и количеством ее в золе растений - 0,94.

В корневой массе медь накапливается более интенсивно и находится в зависимости от содержания ее в почве (г=0,97), поскольку Си является элементом интенсивного биологического поглощения. Надземная фито-массатрав обеднена медью вследствие наличия барьерности.

Количество ¿Ги в надземной массе степных сообществ составило 20,1-27,8 мг/кг, в сухостепных- 15,9-18,1 мг/кг (рис. 2). Наибольший уровень содержания элемента (27,8 мг/кг) обнаружен в разнотравно-злаковой ассоциации на высокогумусных черноземах, наименьший -в тонконогово-ковыльной на среднегумусных черноземах, 20,1 мг/кг. Коэффициент корреляции между содержанием элемента в почве и количеством ее в надземной массе травянистой растительности равен г=0,93. В корневой массе травянистых сообществ содержание Ъл выше, чем в надземной. Ограниченное поступление Ъл в надземную часть свидетельствует о наличии защитных механизмов (Ковалевский, 1974).

КБП цинка надземной массой колеблется в пределах 2,4-3,2 в степной растительности и 2,1-2,6 в сухостепной. Однако, несмотря на высокий КБП, его количество в фитоценозах ниже средней концентрации в растениях континентов (Добровольский, 2003). В сухостепной растительности содержание Ъх\ можно отнести к дефицитному - менее 20 мг/кг (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989) (рис. 2).

М, наряду с Си и Ъп, выступает как элемент, необходимый растительному организму, который в надземной массе степных ценозов аккумулируется в пределах 0,35-0,55, сухостепных - 0,29-0,42 мг/кг (рис. 3). Содержание N1 в растениях коррелирует с его количеством в почве (г=0,96), также тесна связь между содержанием N1 в почве и в золе растений (г=0,93). В корнях N1 накапливается более интенсивно и находится в прямой связи с его содержанием в почве, г=0,95, в золе корней - 0,97.

Количество N1 в фитоценозах ниже средней концентрации в растительности континентов - 2,0 мг/кг (Добровольский, 2003), максимально допустимого (3 мг/кг) по СанПин (1996). Содержание его можно оценить как дефицитное - менее 2 мг/кг (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989). N1 является элементом среднего захвата (Добровольский, 2003). КБП никеля находится в пределах 0,4-0,6 в степной растительности, 0,3-0,4 в сухостепной, в корнях - 0,9-1,2 и 0,6-0,9 соответственно, т.е. он является элементом среднего захвата.

Количество РЬ в надземной массе трав, произрастающих на черноземах, составило 0,7-0,8; на каштановых почвах - 0,5-0,7 мг/кг, что ниже средней концентрации в растительности континентов - 1,25 мг/кг (Добровольский, 2003) и находится в пределах нормальных концентраций -0,1-5,0 мг/кг (Минеев, 1988). Таким образом, РЬ, несмотря на его значительное содержание в органогенном слое почв, вследствие низкого его биологического поглощения, не накапливается в растениях. Корреляция между количеством РЬ в почвах и в надземной фитомассе средняя (г=0,57). Поступление ограниченного количества свинца в надземную массу свидетельствует о наличии избирательных механизмов.

Глава 5. Микроэлементы в гумусовых веществах

Основными компонентами гумуса являются гуминовые и фульво-кислоты, их соли, а также гумин - своеобразный комплекс сильно поли-меризованных высокомолекулярных гумусовых кислот, связанных с высокодисперсными минеральными частицами. Гумусовые кислоты и их производные благодаря особенностям молекулярного строения активно влияют на миграцию и аккумуляцию химических элементов в педосфе-ре. По этой причине гумусовые вещества являются важной частью механизма регулирования миграционных потоков (Орлов, 1998; Добровольский, 2003).

Количество меди в ГВ черноземов равно (мг/кг): малогумусных -6,9, среднегумусных - 7,8, высокогумусных - 13,7 (рис. 5), что составляет 37-44 % от содержания меди в органогенном слое. Поскольку растительность содержит небольшое количество меди, то и в гумусовых веществах почвы ее мало. Отмечена корреляция содержания элемента в ГВ с его уровнем в почве (г=0,9).Из гумусовых веществ большая часть Си (59-65 %) связана ФК, с ГК - не более 25 %, а с гумином - 16-28 % от общего содержания.

В гумусе каштановых почв находится мало меди, всего 3-7 мг/кг, что составляет 34-38 % от валового ее количества, из которого связано с ФК - 38-54 %, ГК - 19-35, НО - 25-27 % от ее содержания в гумусе. Аналогичные величины были получены П.Г. Адерихиным и М.Г. Копае-вой (1979, 1981).

В ГВ черноземов содержание цинка находится в пределах 22,2-57,9 мг/кг (рис. 6). Эти данные коррелируют с его количеством в почве (г=0,9). Цинк с гумусовыми веществами связан на 54 % от валового содержания в почве.

Рис. 5. Си в гумусовых веществах черноземов (а, б, в) и каштановых почв (г, д, е). Здесь и далее: над чертой -мг/кг; под чертой - %.

В малогумусных черноземах (р.З) относительная доля его содержания несколько ниже (44 %), что связано как с невысоким количеством гумуса и относительно большой долей фульвокислот (табл. 2). Цинк в гумусовых веществах черноземов закреплен: ГК - 38-42, ФК - 33-34, НО - 24-30%. В связи со сходством химических свойств Ъх\ и Са, а также вследствие большой емкости поглощения гуминовыми кислотами происходит лучшее связывание с ними цинка, в результате чего образуются труднорастворимые гуматы 7лл (Веригина, 1962).

»1 Р-' 5) Ч-2 в) р.5

Рис. 6. 7п в гумусовых веществах черноземов (а, б, в) и каштановых почв (г, д, е). Содержание 2п в ГВ каштановых почв варьирует от 5,5 до 7,4, что составляет 40-57% относительно содержания в гор.А. Гуминовые кислоты и фульвокислоты связывают цинк практически с одинаковой ин-

I тенсивностью: ФК - 7,4-7,9 мг/юг, что составило 27-33 %, ГК - 6,1-7,4 мг или 23-31, наибольшее количество Ъл обнаружено в гумине - 35-50 % от валового содержания в гумусе. Все это, возможно, объясняется преобладанием в каштановых почвах ФК над ГК при значительном количестве гумина в гумусе в силу криоаридных условий.

Никель преимущественно связан с минеральной основой почв, и в то же время легко вступает в соединение с ГВ (41-49 %), образуя растворимые комплексные вещества. Необходимо отметить, что большая часть (37-52 %) никеля из ГВ черноземов связана с ФК (рис. 7). Это явление вполне закономерно, поскольку они обладают большей дисперсностью и I значительным количеством функциональных групп, чем ГК. Способ-| ность к комплексообразованию у ФК выше, чем у ГК. В гумине никеля содержится 21-28 %, а в ГК - 27-34 % от валового количества его в ГВ.

а} р.1 б) р.2 в) р.з

и каштановых почв (г, д, е)

Гумус каштановых почв аккумулирует 39-42% №. Элемент почти в равных количествах распределяется по группам гумусовых веществ: ФК - 3,2-4,3 мг/кг или 34-39 %, ГК - 2,5-3,6 мг или 29-31 % и НО - 2,6-4,7 мг или 32-37 % от общего содержания в гумусе.

Почвенные гумусовые вещества способны образовывать комплексы с ионами свинца. При этом поглощение РЬ полностью или частично происходит за счет вытеснения других ионов. В свою очередь, связанный с ГВ металл может быть полностью или частично вытеснен по механизму ионного обмена.

Гумусовые вещества черноземов аккумулируют 36-39 % РЬ от его количества в почве, что в абсолютных значениях составляет 11,4-12,7 мг/кг, т.е. он преимущественно связан с минеральной частью (рис. 8). Свинец обнаружен в гумусе в основном в составе ФК - 5,0-7,2 мг/кг, что составило 43-63 %, в НО - 26-27 % и на ГК приходится всего 11-30% от его общего количества в тумусе.

а| р.1 б| р.2 в) р,3

и каштановых почв (г, д, е).

В гумусовых веществах каштановых почв содержание свинца составляет 11 мг/кг, или 34-35 % от валового количества в почве. Большая доля свинца связана с ФК - 38-44 %, меньшая с ГК - 26-33 %. В гумине концентрируется 29-31 % свинца, т.е. его распределение в гуминовых веществах равнозначное.

Гумусовые вещества почв способны связывать значительное количество микроэлементов, которое зависит, в первую очередь, от содержания гумуса, от его группового состава и химических свойств каждого элемента.

Выводы:

1. В Забайкалье формируются черноземы преимущественно фуль-ватно-гуматного типа гумуса и каштановые почвы - гуматно-фульватного. Для этих типов почв характерно высокое содержание гу-мина.

2. Подстилающие почвообразующие породы легкого гранулометри-

ческого состава, за исключением делювиальных суглинков, обеднены Си, Zn, № и обогащены РЬ, количество которого превышает кларк литосферы.

3. Содержание микроэлементов в органогенном горизонте черноземов и каштановых почв низкое, кроме свинца (выше ПДК). Металлы в основном связаны с минеральной частью (%): Си - 56-66, № - 51-61; РЬ - 61-66 от валового их количества, а Zn почти равномерно распределен в гумусовых веществах и минеральной основе (43-60).

4. Травы степных и сухостепных фитоценозов накапливают Си, Хп, N1 и РЬ, в количествах не превышающих ПДК, а концентрации меди, цинка и никеля являются дефицитными для трав.

5. Различие по связыванию микроэлементов гумусовыми веществами черноземов и каштановых почв обусловлено разным содержанием гумуса, его составом, а также свойствами конкретного элемента.

6. В гумусовых веществах микроэлементы (Си, РЬ) преимущественно связываются фульвокислотами. Повышенное содержание гумуса в черноземах и фульватно-гуматный его тип обусловили преимущественное связывание Zn гуминовыми кислотами, тогда как в каштановых почвах он адсорбирован гуминами.

7. Гумусовые вещества почв различаются по интенсивности аккумуляции микроэлементов: в черноземах N1 и РЬ убывают в ряду: ФК—»ГК—>НО; Си - ФК ->НО -»ГК; - ГК-> ФК-> НО; в каштановых -СииРЬ- ФК->ГК-^НО, М - ФК—> НО-> ГК, 2п - НО^ ФК-» ГК.

Список опубликованных работ по теме диссертации:

Статьи в рецензируемых журналах:

1. Чимитдоржиева Э.О. Современное гумусное состояние черноземов Забайкалья / Э.О. Чимитдоржиева, Е.А. Бодеева // Агрохимический вестник. - 2011. - №4. - С. 34-36.

2. Чимитдоржиева Э.О. Гумус каштановых почв Тугнуйской котловины Забайкалья / Э.О. Чимитдоржиева, Е.А. Бодеева // Плодородие. -2011. - С. 16-17.

3. Бодеева Е.А. Си, Ztl, N1 в каштановых почвах Забайкалья / Е.А. Бодеева// Агрохимический вестник. -2012. -№ 1. - С. 35-37

4. Чимитдоржиева Г.Д. Тяжелые металлы (медь, свинец, кадмий) в органической части серых лесных почв Бурятии / Г.Д. Чимитдоржиева, А.З. Нимбуева, Е.А. Бодеева // Почвоведение. - 2012. - № 2. - С.166-172.

Статьи и тезисы в других изданиях:

1. Бодеева Е.А. Антропогенная нагрузка на среду и здоровье населения / Е.А. Бодеева, Т.Н. Чимитдоржиева, О.Д. Доржиева // Научные основы сохранения водосборных бассейнов: междисциплинарные подходы к управлению природными ресурсами: Тез. междунар. конф. - Улан-Удэ, 2004.-С 126.

2. Чимитдоржиева Э.О. Плодородие черноземов и каштановых почв Забайкалья / Э.О. Чимитдоржиева, Е.А. Бодеева // Актуальные проблемы экологии, морской биологии и биотехнологии. - Владивосток, 2010. - С. 222-224.

3. Чимитдоржиева Г.Д. Тяжелые металлы (свинец, кадмий и цинк) на территории Республики Бурятия / Г.Д. Чимитдоржиева, Е.А. Бодеева // Современные проблемы загрязнения почв: Мат-лы III междунар. научн. конф. - М., 2010. - С. 462-464.

Подписано в печать 21.03.2012 г. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Объем 1,2 печ. л. Тираж 100. Заказ № 51.

Отпечатано в типографии Изд-ва Федерального государственного бюджетного учреждения науки БНЦ СО РАН 670047 г. Улан-Удэ ул. Сахьяновой, 6.

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Бодеева, Елена Алексеевна, Улан-Удэ

61 12-3/958

СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ РОССИИИСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

НАУКИ

ИНСТИТУТ ОБЩЕЙ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ БИОЛОГИИ

На правах рукописи

Бодеева Елена Алексеевна

МИКРОЭЛЕМЕНТЫ (Си, Ъп, №, РЬ) В ГУМУСОВЫХ ВЕЩЕСТВАХ ЧЕРНОЗЕМОВ И КАШТАНОВЫХ ПОЧВ ЗАПАДНОГО ЗАБАЙКАЛЬЯ

03.02.13 - почвоведение

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель: д.с-х.н., проф. Чимитдоржиева Г.Д.

Улан-Удэ-2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение..............................................................................■••

Глава 1. Микроэлементы в экосистемах (литературный обзор)

1.1 .Биологическая роль микроэлементов.................................6

1.2 Микроэлементы в породе, почве и растениях.....................10

1.3 Взаимодействие микроэлементов с гумусовыми вещества- 18

ми почв.......................................................................................

Глава 2. Природные условия формирования черноземов и каштановых почв, объекты и методы исследований

2.1.Удинская котловина........................................................................................................23

2.2. Иволгинская котловина..............................................26

2.3. Тугнуйская котловина............................................................................34

2.4. Гусиноозерская котловина................................................40

2.5. Объекты и методы исследований..................................................................46

Глава 3. Характеристика почв

3.1. Черноземы...................................................................49

3.2. Каштановые..................................................................................................................62

Глава 4. Микроэлементы в системе: порода - почва - растение - гумусовые вещества почв

4.1. Микроэлементы в почвообразующей породе..................................74

4.2. Микроэлементы в органогенном слое почв........................................78

4.3. Микроэлементы в минеральной части почв....................................81

4.4. Микроэлементы в растительности.............................- 84

Глава 5. Микроэлементы в гумусовых веществах черноземов и каш- 96

тановых почв........................................................................

Выводы .........................................................................................................................................................106

Литература..................................................................................................................................................................Ю7

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. Поведение металлов в почвах (закрепление, перераспределение, высвобождение) является одной из основных актуальных задач изучения микроэлементов в системе почва - гумусовые вещества - растение (Водяницкий, 2012). Поскольку микроэлементы (МЭ) влияют на развитие растений и активность микроорганизмов, то все почвенные биохимические процессы накопления, трансформации, переноса органических соединений во многом зависят от уровня содержания разных микроэлементов. В результате интенсифицируются процессы гумусообразования. На накопление и распределение микроэлементов активно влияют многие факторы формирования почвенного профиля (Ковда, 1973; Орлов, 1998).

Гумусовые кислоты и их производные, обладая огромной поглотительной способностью, оказывают воздействие на миграцию и аккумуляцию элементов (Башкин, Касимов, 2004). Взаимодействие между гумусовыми веществами и металлами осуществляется путем ионного обмена, сорбции на поверхности, хелатообразования, коагуляции и пептизации. Однако гумусовые вещества различаются по интенсивности связывания микроэлементов (Каба-та-Пендиас, Пендиас, 1989). Известно, что в минеральных почвах более 50 % общего содержания микроэлементов может удерживаться органическим веществом, связываясь преимущественно фульвокислотами (Степанова, 1976), тогда как гуминовыми кислотами этот механизм обеспечивается лишь около 20 % от уровня их общей биопротекторной активности (Чуков, 2001). В результате этих процессов нормализуется экологическая обстановка в системе почва-растение. Изученность интенсивности связывания гумусовыми веществами микроэлементов для почвенно-экологических условий Западного Забайкалья крайне мала (Нимбуева, 2007; Чимитдоржиева и др., 2012).

Общая площадь пастбищ на каштановых почвах Западного Забайкалья (Республика Бурятия) составляет около 459 тыс. га, на черноземах - 19 тыс. га. Поэтому изучение соединений микроэлементов с гумусовыми веществами черноземов и каштановых почв под естественной растительностью имеет

важное значение для исследования особенностей процессов вовлечения металлов в миграционные циклы, выведения их из миграции и закрепления в почве, т.к. они влияют на продуктивность и качество трав.

Цель работы: изучить содержание и распределение микроэлементов

(Си, гп, №, РЬ) в гумусовых веществах черноземов и каштановых почв Западного Забайкалья.

В задачи исследования входило:

■ дать характеристику основных свойств черноземов и каштановых почв, состава гумуса.

■ дать сравнительную оценку связывания МЭ гумусовыми веществами черноземов и каштановых почв.

Защищаемые положения:

1.Уровень накопления микроэлементов в черноземах и каштановых почвах Западного Забайкалья обусловлен разной степенью обогащенности ими почвообразующих пород, а также основными свойствами почв.

2. Микроэлементы (Си, N1, РЬ) в основном связаны минеральной частью, а Хп равномерно распределен в органическом и минеральном веществе черноземов и каштановых почв.

3. Си, РЬ преимущественно связываются фульвокислотами, исключением является гп, который в черноземах связан гуминовыми кислотами, в каштановых почвах - негидролизуемым остатком, что обусловлено содержанием гумуса, его составом и химической природой гумусовых веществ.

Научная новизна. Выявлены уровни концентрации Си, Хп, №, РЬ в гумусе и минеральной матрице черноземов и каштановых почв. Впервые определено их содержание и распределение в гумусовых веществах: гуминовых кислотах, фульвокислотах и гумине в зависимости от состава гумуса. Уста-

новлено, что цинк в черноземах большей частью связан с гуминовыми кислотами, а в каштановых почвах - с гумином. Аккумуляция гумусовыми веществами меди, никеля и свинца в основном убывает в следующем ряду: фуль-вокислоты - гуминовые кислоты - гумин.

Теоретическая и практическая значимость. Выявленные закономерности накопления и распределения Си, гп, №, РЬ в гуминовых кислотах, фульвокислотах и гумине криоаридных почв вносят новые данные в природу гумусовых веществ. Полученные результаты могут быть использованы в качестве исходных данных для экологического мониторинга состояния почвенного и растительного покровов, а также для разработки мероприятий по оптимизации микроэлементного состава многолетних трав на пастбищах.

Апробация работы. Результаты и основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международной конференции «Научные основы сохранения водосборных бассейнов: междисциплинарные подходы к управлению природными ресурсами» (Улан-Удэ, 2004), Международной научной конференции «Современные проблемы загрязнения почв» (М., 2010), на региональной конференции студентов, аспирантов вузов и научных организаций Дальнего Востока России «Актуальные проблемы экологии, морской биологии и биотехнологии» (Владивосток, 2010).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 работ, в т.ч. 4 статьи в рецензируемых журналах.

Глава 1. МИКРОЭЛЕМЕНТЫ В ЭКОСИСТЕМАХ (литературный обзор)

1.1.Биологическая роль микроэлементов

Почвы и живые организмы содержат почти все элементы, входящие в периодическую систему Д.И. Менделеева. Но по количественным уровням диапазон содержания их колебаний очень велик: от десятков процентов до 10'3-10~5.

К МЭ относят химические элементы, облигатные для животных и растительных организмов (по А.П. Виноградову), содержание которых измеряется величинами порядка пТ0~2-пТ0"5%. Также их называют «следовые», «малые», «редкие», «рассеянные».

К числу микроэлементов относятся все элементы 5, 6, 7-го периодов системы Д.И. Менделеева, большая часть элементов 4-го периода и некоторые элементы 2-го периода. Обычно это 1л, В, Б, V, Сг, Мп, Со, №, Си, Ъп, Ът, Мо, Ag, 8п, I, Сэ, W, Аи, Вь Многие другие нередко относят к потенциально токсичным; таковы ртуть, свинец, кадмий. Несмотря на это, любые элементы при их высоком содержании могут стать токсичными, а «токсичные» при очень малых концентрациях не оказывают вредного воздействия на растения и животных. Иными словами, нет токсичных элементов, а есть их токсичные концентрации (Орлов, 2005).

Особое значение приобрело загрязнение биосферы группой поллютан-тов, получивших название «тяжелые металлы» (ТМ). К ним относят более 40 химических элементов периодической системы Д.И. Менделеева с атомными массами выше 50 а.е.м. Иногда тяжелыми металлами называют элементы,

которые имеют плотность более 7-8 тыс. кг/м (кроме благородных и редких). Группа элементов, обозначаемых ТМ, активно участвует в биологических процессах, многие из них входят в состав ферментов. Набор тяжелых металлов во многом совпадает с перечнем «микроэлементов» (Орлов, 2005). В зависимости от концентрации в природной среде их определяют или как мик-

роэлементы, или как ТМ (Протасова, Щербаков, 2003; Шишов и др.,1991).

Токсичное действие повышенных концентраций ТМ заключается в том, что они легко реагируют с биомолекулами, особенно с белковыми макромолекулами, в связи с тем, что ионы металлов высоко реакционноспособ-ны, а в белковых макромолекулах имеются многочисленные функциональные группы (Некоторые вопросы..., 1993).

В живых организмах микроэлементы входят в состав ферментов, гормонов, витаминов и других жизненно важных соединений, необходимы! для многих важнейших биохимических процессов, недостаток элементов замедляет эти процессы и даже останавливает их. Для белкового, углеводного и жирового обмена необходимы Мо, Те, У, Со, \У, В, Мп, гп; в синтезе белков участвуют М& Мп, Ре, Со, Си, N1, Сг; в кроветворении - Со, Си, Мп № Ъг в дыхании - Мё, Мп, Ре, Со, Си, 2п. Недостаток того или иного необходимого для растений микроэлемента вызывает нарушения обмена веществ и приводит к заметному снижению урожая и качества продукции (Войнар, 1960).

Следует отметить, что влияние МЭ на живые организмы весьма разнообразно. Это обусловлено, во-первых, их химическими особенностями, во-

вторых, отношением к ним организмов и, в- третьих, условиями окружающей среды.

Ниже приводим краткую характеристику биологической роли и влияния на живые организмы изученных нами МЭ.

Медь является составной частью ряда важнейших ферментов - поли-фенолоксидазы, аскорбиноксидазы, лактазы, цитохромоксидазы и дегидроге-назы Она усиливает интенсивность дыхания, оказывает стабилизирующее влияние на хлорофилл, предохраняя его от разрушения, и играет большую роль в процессах фотосинтеза, углеводного и азотного обмена. В растениях, испытывающих недостаток меди, содержится меньше редуцирующих Сахаров и крахмала. Значение меди в синтезе белка доказано многими исследователями (Школьник, 1974; Власюк, 1969; Власюк и др., 1984). Недостаток ее в растениях вызывает отклонение от нормального развития, признаками чего

является задержка роста, хлороз листьев, потеря тургора и увядание, задержка стеблевания и цветения, уменьшение урожая или гибель растения. При изучении взаимодействия марганца и меди в хлоропластах М. Padua, A. Cas-miro (1994) заметили, что при наличии первого ослабевала или устранялась токсичность меди. В животных организмах элемент оказывает специфическое воздействие на процессы гемоглобинообразования и дыхания, недостаток приводит к возникновению анемии и заболеваний костной системы (Ковальский, 1974).

Цинк является незаменимым микроэлементом для живых организмов Участвует в синтезе нуклеиновых кислот и входит в состав многих ферментов. Первые данные о механизмах, лежащих в основе биологической активности цинка, объяснялись тем, что он входит в состав карбоангидразы эритроцитов. В настоящее время цинк найден более чем в 200 металлоферментах, участвующих в самых различных метаболических процессах (Авцын и др.' 1991). Цинксодержащий фермент карбоангидраза участвует в акте дыхания' Каталитическое действие оказывает цинк на окислительно-восстановительные процессы в клетках (Школьник, 1974). Физиологическая роль цинка у растений тесно связана с его участием в азотном и углеводном обмене, образовании хлорофилла, фотосинтезе, повышении таких ферментов как фосфатаза, альдолаза, энолаза, цитохромредуктаза (Пейве, 1961). Недостаток цинка приводит к разрушению и окислению ростовых веществ, вызывает задержку роста растений и нарушение физиологических процессов.

Никель. Биохимическая роль никеля не вполне выяснена, хотя он широко распространен в растительных организмах, что дает основание предположить сходное их воздействие на физиологические процессы. Ni является катализатором окисления лецитина и линолевой кислоты, подобно некоторым другим металлам, ускоряет процесс окисления сульфгидрильных групп в дисульфидные группы. У животных дефицит никеля вызывает отклонения в развитии. Наиболее обычным признаком фитотоксического воздействия никеля является хлороз (Школьник, 1974).

Никель - незаменимый компонент фермента уреазы и потребляется клубеньками бобовых растений, в которых в форме уреидов переносится от корней в надземную часть (Polacco, 1977). По данным И.А. Чернавиной (1970), никель является стабилизирующим фактором для антоциановых пигментов, действие era связано с резким активированием аскорбат-фенол окси-Даз. Механизм токсического действия никеля „а растении до конца не выяснен, хотя отмечались ослабление роста растений и их повреждение при избытке никеля в течение длительного периода.

Свинец. Хотя нет данных, свидетельствующих о том, что свинец жизненно необходим дая роста каких-либо видов растений, имеется много сообщений о стимулирующем действии на рост солей свинца, главным образом, Pb(NOs)2 при низких концентрациях. Более того, описаны эффекты торможения метаболизма растений, возникающие из-за низких уровней содержания свинца (Алексеев, 1987). Установлено, что свинец сильно связывается в стенках клеток, при этом пектиновая кислота становится более активным сорбентом. Таким образом, свинец существенным образом влияет на эластичность и пластичность стенок клеток, ведет к возрастанию твердости тканей.

Токсичное действие органо-металлических соединений свинца для растений связано в основном с нарушением фундаментальных биологических процессов, таких, как фотосинтез, рост, митоз и т.п. (Ягодин, 1990,1995).

При свинцовом токсикозе у животных и человека, в первую очередь поражаются органы кроветворения (анемия), нервная и сердечно - сосудистая' системы, почки. Угнетается активность многих ферментов, нарушаются процессы метаболизма и биосинтеза. Указанные патологии возможны при повышении концентрации свинца свыше 0,03 мг/л в воде, 0,2-0,5 мг/кг сухого

вещества в зерне, 20-40 мг/кг сухого вещества в пастбищной траве и кормах (Ильин, Сысо, 2001).

Таким образом, МЭ имеют важное биологическое значение для живых организмов и их физиологическая роль в процессах обмена веществ у растений, животных и человека разнообразна. Несмотря на это, любые элементы

при высоком содержании могут стать токсичными, а «токсичные» элементы в очень малых концентрациях не оказывают вредного воздействия на растения и животных. Иными словами, нет токсичных элементов, а есть их токсичные концентрации (Орлов, 2005).

1.2. Микроэлементы в породе, почве и растениях

Микроэлементный состав почв оказывает большое влияние на их плодородие, а также является важнейшим показателем химического состояния почв, их свойств и генезиса. Формирование микроэлементного состава почв подчиняется определенным закономерностям, обусловленным действием многих факторов, и является результатом сложных и многообразных биогеохимических процессов (Протасова, Щербаков, 2004).

Основной источник микроэлементов в почве - почвообразующие породы. Почвы приобретают характерное для них содержание и профильное распределение их в результате преобразования исходных пород почвообразовательным процессом (Добровольский, 2003; Ильин, Сысо, 2001).

Различные типы изверженных пород характеризуются разным количеством микроэлементов. Ультраосновные и основные �

Информация о работе

Бодеева, Елена Алексеевна
кандидата биологических наук
Улан-Удэ, 2012
ВАК 03.02.13

Диссертация

Микроэлементы (Cu,Zn,Ni,Pb) в гумусовых веществах черноземов и каштановых почв Западного Забайкалья - тема диссертации по биологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы