Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Содержание и распределение селена в агроландшафтах Северного Зауралья

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Содержание и распределение селена в агроландшафтах Северного Зауралья"

На правах рукописи

БАРАБАНЩИКОВА Людмила Николаевна

СОДЕРЖАНИЕ И РАСПРЕДЕЛЕНИЕ СЕЛЕНА В АГРОЛАНДШАФТАХ СЕВЕРНОГО ЗАУРАЛЬЯ

Специальность 03.02.08 - экология (биология)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

5 ДЕК 2013 005543599

ТЮМЕНЬ-2013

005543599

Работа выполнена на кафедре общей химии Государственного аграрного университета Северного Зауралья

Научный руководитель: заслуженный деятель науки РФ,

доктор биологических наук, профессор, Комиссаров Игорь Дисанович

Официальные оппоненты: Сысо Александр Иванович,

доктор биологических наук, зам. директора по научной работе Института почвоведения и агрохимии Сибирского отделения РАН

Синдирева Анна Владимировна,

доктор биологических наук, доцент, Омский государственный аграрный университет имени П. А.Столыпина, профессор кафедры экологии, природопользования и биологии

Ведущая организация: Институт экологии растений и животных

УрО РАН

Защита состоится «25» декабря 2013 г. в 13-00 часов на заседании диссертационного совета Д 220.064.02 при Государственном аграрном университете Северного Зауралья по адресу:

625003, г. Тюмень, ул. Республики, д. 7.

Тел./факс: (3452) 46-87-77; E-mail: dissTGSHA@mail.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного аграрного университета Северного Зауралья

Автореферат разослан «25» ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Литвиненко Н.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Питание населения является важной государственной задачей, т.к. это одна из основных проблем в социальной политике любого государства. Современная жизнь диктует более глубокое понимание культуры питания, которая выражается не только количеством, но и качеством продуктов. Особенно актуальна проблема обеспеченности и сбалансированности продуктов питания по микроэлементам, в том числе селену.

Недостаток селена в пище является патогенным фактором ряда заболеваний человека и животных, в то же время потребление микроэлемента в избыточных количествах является токсичным для теплокровных живых организмов (Ермаков В.В., Ковальский В.В. 1974; Авцын А.А. и др., 1991).

Основными звеньями пищевой цепи переноса селена являются почва - растения - животные - человек. Эта схема определяет зависимость уровня обеспеченности селеном человека и животных от геохимической характеристики почвы. В мире существуют биогеохимические провинции глубокого дефицита и токсических концентраций микроэлемента. На территории Северного Зауралья до настоящего времени не проводилось системных исследований по изучению особенностей распределения селена в компонентах экосистем - почвах, сельскохозяйственных растениях и животных.

Цель исследований - изучение содержания и распределения селена в основных компонентах агроландшафтов Северного Зауралья.

В процессе исследования решались следующие задачи:

1. Выяснить уровень содержание и распределение селена в основных типах почв изучаемой территории;

2. Определить валовое содержание селена в торфяных почвах, выявить его связи с ботаническим составом, степенью разложения, рН и зольностью;

3. Оценить роль гуминовых кислот в закреплении селена в торфяных почвах;

4. Исследовать содержание селена в растительной продукции;

5. Изучить содержание селена в системе: почва - растение (корм) -животное - продукция (молоко), на примере реального сельскохозяйственного производства.

Научная новнзна. Впервые в условиях Северного Зауралья определено содержание и ;'■' распределение селена в различных типах почв. Обнаружена зависимость накопления микроэлемента в растительной продукции от почвенно-климатических условий. Проведены системные исследования содержания и распространения селена в цепи: почва -растение (корм) - животное — продукция (молоко).

Практическая значимость. На основе анализа растительной продукции были выявлены территории с недостатком селена, что необходимо учитывать при оценке структуры питания и качества кормов. Материалы диссертации используются в учебном процессе Государственного аграрного университета Северного Зауралья при изучении курсов «Органическая химия» и «Пищевая химия».

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Накопление селена в почвах Северного Зауралья имеет биогенный характер и колеблется от 187 до 973 мкг/кг, что превышает величину кларка.

2. Содержание микроэлемента в растительной продукции изученной территории изменяется в зависимости от почвенно-климатических условий с тенденцией увеличения концентраций от подтаежной зоны к южной лесостепи.

3. При удовлетворительном уровне содержания селена в отдельных элементах пищевой цепи, в сыворотке крови и молоке высокопродуктивных коров обнаружен дефицит селена.

Апробация. Результаты исследований представлены и обсуждены на международной научно-практической конференции «Биогеохимия элементов и соединений токсикантов в субстратной и пищевой цепях агро-и аквальных систем» (Тюмень, 2007); международной научно-практической конференции, посвященной 420-летию земледелия Зауралья «Перспективы инновационного развития АПК» (Тюмень, 2010); региональной научно-практической коференции молодых ученых «Инновационное развитие АПК Северного Зауралья» (Тюмень, 2013).

Личное участие. Полевые исследования, сбор и подготовка проб к физико-химическим анализам, определение селена во всех исследуемых образцах, анализ, обобщение и интерпретация полученных результатов осуществлялись лично автором.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 7 научных работ, которые отражают основное содержание диссертации, из

них 3 статьи в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Структура н объем работы. Диссертационная работа изложена на 125 страницах печатного текста. Работа состоит из введения, обзора литературы, условий, объектов и методов исследования, результатов исследований, выводов. Работа иллюстрирована 22 таблицами, 19 рисунками и 16 приложениями. Список литературы включает в себя 206 источников, в том числе 58 работ зарубежных авторов.

Благодарности. Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю, заслуженному деятелю РФ, д.б.н., профессору И.Д. Комиссарову.

Автор выражает искреннюю благодарность за помощь в освоении методики определения селена в объектах окружающей среды зав. лаборатории биогеохимии окружающей среды Института геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН заслуженному деятелю РФ, д.б.н., профессору В.В. Ермакову.

Автор выражает искреннюю признательность д.б.н., доценту Югорского государственного университета М.П. Сартакову, руководству и сотрудникам ФГУ ГСАС «Тюменская» за помощь в проведении полевых работ.

Автор благодарит коллектив кафедры общей химии ГАУ Северного Зауралья за доброжелательное отношение и дружескую поддержку.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Введение

Обоснована актуальность, сформулирована цель и задачи диссертационной работы, научная новизна, практическая значимость. Поставлены положения, выносимые на защиту.

1 Обзор литературы

В данной главе описаны химические свойства селена. Его содержание и распределение в почвообразующих породах и почвах. Значение селена для растений. Влияние недостатка и избытка микроэлемента на организм животных и человека.

2 Условия, объекты и методика исследований

2.1 Почвенно-климатическая характеристика исследуемой территории

Северное Зауралье, на территории которого расположена основная часть Тюменской области, представляет собой составную часть обширной Западно-Сибирской равнины. Исследования проводились на территории средней тайги Ханты-Мансийского АО, таежно-лесной и лесостепной зоне юга Тюменской области.

Подзона средней тайги. Почвенный покров средней тайги не отличается большим разнообразием. Для этой территории характерно сложное сочетание аллювиальных, дерновых, луговых и болотных почв. Зональный тип болот в подзоне — выпуклые олиготрофные верховые сфагновые. Климат умеренный континентальный, характеризующийся быстрой сменой погодных условий. Зима продолжительная с устойчивым снежным покровом. Годовое количество осадков - 400-620 мм.

Юг Северного Зауралья представлен двумя зонами: таежно-лесной, включающей подзоны южной тайги и подтайги; лесостепной - подзоны северной и южной лесостепи.

Таежно-лесная зона. Подзона южной тайги занимает северную половину сельскохозяйственной зоны области. В нее входят Вагайский, Тобольский, Уватский и частично Ярковский и Нижнетавдинский районы.

В южной части подзоны распространены серые лесные почвы, сформированные на облёссованных и бескарбонатных породах. Климат умеренно теплый хорошо увлажненный. В подзоне южной тайги выпадает сравнительно немного осадков 400-450 мм в год, из них около 350 мм в теплый период. Район слабо освоен, под сельскохозяйственными угодьями находится 6,2% территории.

Подзона подтайги располагается на северной окраине Ишимской и восточной окраины Туринской равнины. В нее входят основная часть Нижнетавдинского и Ярковского районов, а также Юргинский, Сорокинский и Викуловский районы. Климат подзоны сходен с предыдущей подзоной, но несколько более теплый. Большая часть пашни находится на серых лесных - 45%, луговых - 30% и черноземах выщелоченных — 7%.

Лесостепная зона. Подзона северной лесостепи занимает второе место после южной тайги (21% территории области). В нее входят Тюменский, Исегский, Ялуторовский, Заводоуковский, Упоровский, Омутинский, Голышмановский, Ишимский, Абатский районы.

Климат подзоны теплый, удовлетворительно увлажненный. Под пашню в основном используются черноземы выщелоченные - 36%, серые лесные почвы - 30% и луговые - 25%.

Подзона южной лесостепи расположена на самом юге сельскохозяйственной зоны области. В нее входит четыре района -Армизонский, Бердюжский, Казанский и Сладковский. Подзона небольшая, ее площадь 8,2% описываемой территории. Климат подзоны теплый, увлажнение недостаточное. Структура почвенного покрова представлена черноземами и лесными почвами.

2.2 Объекты и методы исследований

Работа выполнялась на кафедре общей химии ГАУ Северного Зауралья. Объектами изучения являлись основные типы почв Северного Зауралья, растения, сыворотка крови и продукция (молоко) коров.

Для анализа распределения селена в почвах и растениях использовали образцы почв и растений, отобранные с реперных участков ФГУ ГСАС "Тюменская" и ФГУ ГС АС "Ишимская".

В целях изучения содержания и закономерностей накопления селена в торфяных почвах были отобраны пробы торфов расположенных в зоне средней тайги и лесостепной зоне Северного Зауралья. В качестве объектов исследования нами были также использованы препараты гуминовых кислот и липидов, выделенных из поверхностных слоев торфов.

С целью определения накопления селена, в зависимости от почвенно-климатических условий в период с 2009 по 2011 годы были отобраны образцы почв и зерна озимых культур (пшеницы, ржи и тритикале) с трех сортоучастков области: Нижнетавдинского (подтаежная зона), Ялуторовского (северная лесостепь) и Бердюжского (южная лесостепь).

Изучение содержания селена в системе: почва - растения (корм) -животное — продукция (молоко) было выполнено в июле 2012 года на базе ФГУП «Учхоз ТГСХА». Для анализа отбирались пробы пахотных

горизонтов почв, воды и кормов учебно-опытного хозяйства. Для изучения содержания селена в сыворотке крови и молоке была сформирована группа высокопродуктивных коров черно-пестрой породы из 10 голов с учетом возраста, живой массы, уровня продуктивности и физиологического состояния. Взятие крови производили из хвостовой вены. Пробы молока были отобраны общепринятым способом.

Оценка содержания белка в зерне озимой пшеницы сортов Новосибирская 32 и Новосибирская 51 проведена Западно-Сибирским межрегиональным центром по комплексной оценке испытываемых сортов Государственной Комиссии по испытанию и охране селекционных достижений г. Барнаул, ГОСТ 10846-91.

Селен определяли спектрофлуориметрически после разложения образцов смесью хлорной и азотной кислотами с последующим восстановлением селена до Se (IV) соляной кислотой и образованием пиазоселенола в реакции селенита с 2,3-диаминонафталином, с помощью анализатора «Флюорат 02-2М» (МУК 4.1.033-95). Для устранения мешающего влияния железа в почвенных образцах, анализируемый раствор пропускали через ионообменник с силыюкислым катеонитом КУ-2.

Статистическая обработка полученных результатов проведена с использованием программного обеспечения Microsoft Excel.

3 Содержание селена в основных типах почв Северного Зауралья

Кларк селена в почве по А.П. Виноградову 1-Ю"6 % (1957). Уровень содержания селена в почвах различных генетических типов зависит от состава почвообразующих пород, окислительно-восстановительных и щелочно-кислотных условий почв.

Основными почвами изученной территории являются: выщелоченные черноземы, серые лесные почвы, луговые и аллювиальные типы почв. Результаты содержания селена в различных типах почв представлены в таблице 1. Среднее содержание селена для почв составляет 447±179 мкг/кг. Минимальное значение концентрации селена (223мкг/кг) отмечается в образцах серой лесной почвы, а максимальное (973мкг/кг) - в образцах глинистой луговой почвы.

Таблица 1 - Содержание общего селена в различных типах почв

Тип почвы Глубина взятия образца, см Мин. значение, мкг/кг Макс, значение, мкг/кг Среднее значение, мкг/кг Стандарт, отклонение, мкг/кг

Чернозем выщелоченный 0-30 257 693 426 138

Серая лесная 0-30 223 598 374 101

Луговая 0-30 841 973 907 66

Аллювиальная 0-30 423 580 502 79

Таким образом, по средней концентрации селена (мкг/кг), почвы основных типов Северного Зауралья можно расположить в следующей последовательности: луговая (907) > аллювиальная (502) > чернозем выщелоченный (426) > серая лесная (374).

Для оценки уровня содержания селена в почвах приняты следующие пороговые значения концентраций микроэлемента: менее 125 мкг/кг -область селенодефицита; 125-175 мкг/кг - маргинальная недостаточность; 175-3000 мкг/кг - область оптимума; более ЗОООмкг/кг - область избытка (Tan J., Zhu W. Et al., 2002). Исходя из этого можно сделать заключение, что во всех исследуемых типах почв Северного Зауралья содержание селена находится в условной области оптимума.

В наших исследованиях обнаружена существенная положительная корреляция между концентрацией микроэлемента и гумусом для выщелоченного чернозема (г=0,71 при Р < 0,02) и средняя положительная корреляция для серых лесных почв (г=0,44).

Знание только валового содержания микроэлементов в почвах не дает полной картины обеспеченности растений этими элементами. Подвижность селена в почвенно-растительном комплексе, в основном, связана с водорастворимыми или обменными формами этого микроэлемента (Ермаков В.В., 2004). По нашим данным в водную вытяжку из различных почв переходит селена от 6,5 до 35,8 мкг/кг, что составляет 1,5-9,1% от содержания его валовых форм.

Представляет интерес распределение селена в почвенных профилях. На рисунках 1, 2 представлено распределение селена в двух профилях чернозема выщелоченного. Содержание микроэлемента во всем почвенном профиле выщелоченного чернозема Тюменского стационара №1 (Учхоз ТГСХА) изменялось от 187 до 382 мкг/кг.

Se мкг/кг

IDO ЧМ SI

Рисунок 1- Распределение селена по профилю чернозема выщелоченного. Тюменский стационар №1 (Учхоз ТГСХА)

Рисунок 2- Распределение селена по профилю чернозема выщелоченного. Заводоуковский район, г. Заводоуковск

Максимальное содержание селена (382 мкг/кг) наблюдается в горизонте А пах., что надо полагать, является следствием его биогенного накопления. Затем происходит постепенное уменьшение содержания микроэлемента, а в толще горизонта В3 (90-185 см) его концентрация снова возрастает до 328 мкг/кг. При переходе к горизонту С валовое содержание селена постепенно уменьшается.

Такие же закономерности прослеживаются в черноземе выщелоченном Заводоуковского района (рисунок 2). Наблюдается два пика аккумулирования селена на глубине 0-29 и 53-78 см. Содержание микроэлемента составляет здесь соответственно 767 и 573 мкг/кг, а в других горизонтах его значительно меньше.

В серых лесных почвах гумусовый горизонт развит слабо, в силу вымывания составляющих его веществ в нижнюю часть почвенного профиля. Содержание селена в профиле серой лесной почвы Нижнетавдинского района колеблется в пределах от 209 до 334 мкг/кг (рисунок 3). Максимальная концентрация элемента равная 334 мкг/кг наблюдается в А пах. горизонте, затем происходит постепенное уменьшение содержания селена от поверхности к донной части профиля.

В луговой глееватой почве Тобольского района высокие концентрации селена в горизонте А пах. и Ai (808 и 757 мкг/кг) могут являться следствием его биогенного накопления. Затем происходит резкое

убывание селена вниз по профилю и наименьшее его значение отмечается в горизонте С равное 350 мкг/кг (рисунок 4).

Рисунок 3 - Распределение селена по профилю серой лесной почвы. Нижнетавдинский район, с. Малые Велижаны

Рисунок 4 — Распределение селена по профилю луговой почвы. Тобольский район, с. Ворогушино

Северное Зауралье, на территории которого расположена основная часть Тюменской области, относится к обширной Западно-Сибирской равнине и характеризуется высоким уровнем заболоченности. Содержание селена было изучено в почвах различных видов торфов расположенных в зоне средней тайги (ХМАО) и крупных торфяных месторождений «Боровое» и «Тарманы», расположенных в зоне северной лесостепи Северного Зауралья.

В средней тайге болотные системы в основном состоят из биогеоценозов олиготрофного типа. Здесь встречаются древесные, древесно-осоковые, осоковые, травяные (вахтовые, шейхцериевые и пушицевые варианты), гипновые, сфагновые и травяно-сфагновые торфы, со степенью разложения от 5 до 65%. Большая часть торфов средней тайги относятся к нормальнозольным.

Ботанический состав торфов низинного месторождения «Боровое» сравнительно разнообразен. Наиболее широко представлены осоки, тростник, которые в некоторых случаях формируют в чистом виде и в сочетании целые участки торфяной залежи. Наряду с ними встречаются

остатки вахты, хвоща, шейхцерии, гипнума, коры березы, сосны. Большинство торфов месторождения «Боровое» характеризуется высокой степенью разложения, которая превышает 30%. Основная масса торфов относится к нормальнозольным, т.е. содержание минерального остатка не превышает 12-15%.

Видовой состав растений-торфообразователей месторождения «Тарманы» является в целом более выровненным. На его территории практически отсутствуют залежи древесных и древесно-травяных торфов. Наибольшее распространение имеют травяные и моховые торфы. Их ботанический состав характеризуется присутствием различных видов осок, хвощей, гипновых мхов. Степень разложения торфов редко превышает 30%. Все исследованные образцы этого месторождения могут быть отнесены к нормальнозольным.

Результаты проведенной нами работы показывают, что содержание селена в торфах Северного Зауралья неоднородно. Оно варьирует для различных торфяников от 228 до 1264 мкг/кг и его можно считать повышенным по отношению к кларку.

Торфяные почвы средней тайги содержат в среднем меньше селена (440±124 мкг/кг), чем торфяные месторождения «Боровое» (617±153 мкг/кг) и «Тарманы» (814±295 мкг/кг), расположенные в подзоне северной лесостепи Северного Зауралья (рисунок 5).

"Тарманы" "Баройис" Средний пйг»

Рисунок 5 - Содержание селена в торфяных почвах

Все изученные торфяные почвы по валовому содержанию селена можно отнести к почвам с хорошей селеновой обеспеченностью.

Главенствующая роль связывания селена в торфах принадлежит гуминовым кислотам. Доля микроэлемента связанного с гуминовыми кислотами изменяется в пределах от 17,23 до 75,57 % и в среднем превышает 36%. Это может быть обусловлено тем, что в торфяных почвах

содержится большое количество гуминовых кислот, до 40% и более процентов, так и их высокой реакционной способностью в отношении селена.

4 Селен в растительной продукции Северного Зауралья

Источником селена в обычном питании человека являются различные продукты животного и растительного происхождения. Расчет содержания селена в основных компонентах диегы на территории бывшего СССР показал, что основным источником селена для жителей России, стран СНГ и Балтии являются зерновые (Голубкина H.A., 2000).

В таблице 2 приведены обобщенные данные по накоплению селена растениями на различных типах почв южной части Северного Зауралья.

Таблица 2 - Содержание селена в растениях, произрастающих на различных типах почв

Тип почвы Содержание в почве, мкг/кг Содержание в растении, мкг/кг КБН

Чернозем 474±158 69±30 0,155±0,085

выщелоченный

Серая лесная 405±110 69±27 0,182±0,100

Светло-серая 262±65 105±56 0,427±0,270

лесная

Темно-серая 425±120 89±51 0,199±0,080

лесная

Аллювиальная 973 350 0,360

луговая

Луговая 841 42 0,050

глееватая

Пойменная 423 47 0,111

дерновая

Пойменная 580 123 0,212

аллювиальная

Все типы 452±202 90±63 0,255±0,207

По величине накопления селена растениями почвы можно расположить в следующем порядке: аллювиальная луговая > пойменная аллювиальная > светло-серая лесная > темно-серая лесная > чернозем выщелоченный > серая лесная > пойменная дерновая > луговая глееватая.

Представление о количестве биодоступных форм селена в почве дает коэффициент биологического накопления (КБН), равный отношению количества селена в растении к его общему содержанию в почве. Согласно данным таблицы 2 по величине коэффициента биологического накопления селена почвы можно расположить в следующей последовательности: светло-серая лесная > аллювиальная луговая > пойменная аллювиальная > темно-серая лесная > серая лесная > чернозем выщелоченный > пойменная дерновая > луговая глееватая.

Влияние почвенно-климатических условий на аккумуляцию селена растениями удобно рассматривать на примере отдельных культур. С этой целью в период с 2009-2011 годы было изучено содержание селена в зерне озимых пшеницы, ржи и тритикале, выращенных на трех сортоучастках области, расположенных в различных почвенно-климатических зонах: Нижнетавдинском (подтаежная зона), Ялуторовском (северная лесостепь), Бердюжском (южная лесостепь).

В результате исследований были отмечены существенные различия содержания селена в зависимости от района произрастания зерновых культур. Так, например, в зерне озимой ржи, выращенной в подтаежной зоне (Нижнетавдинский ГСУ) концентрация микроэлемента за исследуемый период изменялась в пределах от 18 до 54 мкг/кг, что является низким уровнем содержания селена в растениях (рисунок 6).

400 350 | 300 -I 250-§ 200 I 150 <■

К

г юс f

* :1_-£=Ж_

НтадаетэеАинский ГСУ

|в20С9т Q2Q10r. S 2011г. J

Рисунок 6 - Содержание селена в зерне озимой ржи

Однако диапазон концентрации селена в зерне озимой ржи на других сортоучастках существенно выше. Так, в зерне Ялуторовского ГСУ (северная лесостепь) наблюдается средний уровень концентрации микроэлемента от 118 до 254 мкг/кг, в среднем равный 160±32 мкг/кг. Растения, выращенные на Бердюжском ГСУ (южная лесостепь) содержали

высокие концентрации селена в зерне 178-436 мкг/кг, при средних значениях 310±63 мкг/кг.

Такая же закономерность накопления селена прослеживается и для других изученных культур.

5 Селен в системе почва - растение - животное - продукция (молоко)

Нами было изучено содержание селена в биогеохимической пищевой цепи и в качестве тестового хозяйства выбран ФГУП «Учхоз ТГСХА», который находится в зоне северной лесостепи Северного Зауралья. Уровень содержания селена определяли в основных компонентах пищевой цепи: почва, вода, растения (корм), сыворотка крови высокопродуктивных коров и продукция (молоко).

Основным фактором, определяющим накопление микроэлемента в кормовых культурах, является содержание и химическая форма селена в почвах. Почвенный покров ФГУП «Учхоз ТГСХА» сравнительно однороден, преобладающую площадь занимают выщелоченные черноземы и темно-серые лесные почвы. Исследования на территории хозяйства показали, что в почвах содержится достаточно высокое количество валового селена в среднем равное 378±75 мкг/кг.

Из таблицы 3 следует, что количество селена в сене и кормосмеси находится на нижней границе нормы, а в концентрированном корме соответствует нормативным показателям. Анализ питьевой воды опытного хозяйства показал, что концентрация микроэлемента в ней невысокая и в среднем равна 0,38±0,04мкг/кг.

Таблица 3 - Содержание селена в кормах высокопродуктивных коров ФГУП «Учхоз ТГСХА»

Показатели Корма, мкг/кг Вода, мкг/л

Кормосмесь Сено Концентрированный корм

Селен 64±14 53±6 150±8 0,38±0,04

Анализ концентраций селена в сыворотке крови коров, показал, что рацион, принятый в хозяйстве, несмотря удовлетворительное содержание микроэлемента, не обеспечивает полной потребности животных по селену. Физиологической норме по этому показателю соответствуют только 60%

исследуемых животных в сыворотке крови, которых содержится от 53 до 82 мкг/л Бе, у остальных он ниже нормы и изменяется от 40 до 48 мкг/л Бе (таблица 4).

Таблица 4— Содержание селена в сыворотке крови и молоке высокопродуктивных коров

№ Содержание селена в Содержание селена в молоке,

сыворотке крови, мкг/л мкг/л

1 53 15,1

2 45 13,4

3 48 17,6

4 67 17,2

5 73 13,8

6 46 18,2

7 40 12,1

8 82 19,3

9 71 15,1

10 63 13,5

среднее 59±14 15,5±2

Также нами было изучено содержание селена в молоке высокопродуктивных коров опытного хозяйства (таблица 4). Исследование молока представляет особый интерес, поскольку дает характеристику не только уровня потребления человеком селена с молочными продуктами питания, но и могут предоставлять четкие показатели обеспеченности селеном также крупного рогатого скота и косвенно указывать на биодоступность селена из почв.

Молоко высокопродуктивных коров учебно-опытного хозяйства характеризуется сравнительно невысоким показателем содержания селена - 15,5±5 мкг/л. При этом интервал наблюдаемых концентраций составил от 12,1 до 19,3 мкг/л.

ВЫВОДЫ

1. Содержание селена в пахотном слое минеральных почв Северного Зауралья колеблется от 223 до 973 мкг/кг, в среднем 447±179 мкг/кг, что превышает величину кларка и соответствует условной области оптимума. По средней концентрации селена (мкг/кг), почвы основных типов можно

расположить в следующей последовательности: луговая (907) > аллювиальная (502) > чернозем выщелоченный (426) > серая лесная (374).

2. В водную вытяжку из различных почв переходит от 6,5 до 35,8 мкг/кг селена, что составляет 1,5-9,1% от содержания его валовых форм.

3. Установлен биологический характер накопления микроэлемента в гумусовом слое во всех изученных типах почв, что подтверждается более низким его содержанием в материнской породе.

4. Торфяные почвы Северного Зауралья содержат в среднем 530±197 мкг/кг, что превышает его среднее содержание в минеральных почвах. При этом количество микроэлемента в торфяных почвах северной лесостепи выше, чем в торфах средней тайги. Ведущая роль в депонировании селена принадлежит гуминовым кислотам. Доля микроэлемента связанного с гуминовыми кислотами в среднем превышает 36%.

5. Содержание селена в растительной продукции Северного Зауралья изменяется в широких пределах от 11 до 436 мкг/кг и зависит от почвенно-климатических условий территории. В зерне озимых культур (пшеницы, ржи и тритикале), выращенных в подтаежной зоне (Нижнетавдинский ГСУ) установлен низкий уровень концентрации микроэлемента от 11 до 62 мкг/кг. Для растений, произрастающих в зоне северной (Ялуторовский ГСУ) и южной (Бердюжский ГСУ) лесостепи концентрация микроэлемента была выше и составила 122-246 мкг/кг, 105-446 мкг/кг соответственно.

6. При изучении пищевой цепи: почва - вода - корм - организм животных - продукция (молоко) в высокопродуктивном молочном хозяйстве ФГУБ «Учхоз ТГСХА» установлено, что даже при среднем содержании валового селена в почве (378±75 мкг/кг) отмечается недостаток селена в кормах, сыворотке крови (59±14 мкг/л) и молоке (15,5±2 мкг/л), который может ограничивать экономическую эффективность производства молока.

СПИСОК ОСНОВНЫХ РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Ермаков В.В. Особенности количественного определения селена в биоматериалах / В.В. Ермаков, С.Ф. Тютиков, С.Д. Хушвахтова, В.Н.

Данилова, В.А. Боев, JI.H. Барабаншикова, Е.А. Чудинова // Вестник ТюмГУ. - 2010. -№3. - С. 206-214.

2. Барабаншикова JI.H. Селен в агроландшафтах Северного Зауралья / Л.Н. Барабанщикова // Аграрный вестник Урала. - 2011. — №3. — С. 64-66.

3. Барабанщикова Л.Н. Селен в торфяно-болотных почвах и гуминовых кислотах подтаежной зоны Северного Зауралья /Л.Н. Барабанщикова, И.Д. Комиссаров // Достижения науки и техники АПК. -2012.-№11.-С. 12- 14.

В сборниках научных трудов и материалах конференции:

4. Барабанщикова Л.Н. Содержание и распределение селена в некоторых почвах лесостепной зоны Северного Зауралья / Л.Н Барабанщикова // Материалы международной научно-практической конференции «Биогеохимия элементов и соединений токсикантов в субстратной и пищевых цепях arpo- и аквальных систем». — Тюмень, ТГСХА. - 2007. - С. 108-110.

5. Барабанщикова Л.Н. Содержание селена в зерне озимых зерновых культур Северного Зауралья / Л.Н. Барабанщикова, H.A. Волкова // Материалы международной научно-практической конференции, посвященная 420-летию земледелия Зауралья «Перспективы инновационного развития АПК». — Тюмень, ТГСХА. — 2010. — С. 171-174.

6. Саткеева А.Б. Влияние Селениума на организм свиноматок / А.Б. Саткеева, М.В. Хулапова, Л.Н. Барабанщикова // Материалы международной научно-практической конференции, посвященной 80-летию со дня образования Дагестанского ГАУ им. М.М. Джамбулатова. «Аграрная наука: современные проблемы и перспективы развития».— Махачкала. - 2012. - С. 475-478.

7. Барабанщикова Л.Н. Селен в торфяно-болотных почвах Среднего Приобъя / Л.Н. Барабанщикова, М.П. Сартаков // Материалы региональной научно-практической конференции молодых ученых «Инновационное развитие АПК Северного Зауралья». — Тюмень, ГАУ Северного Зауралья. - 2013. - С. 77-79.

Подписано в печать 22.11.2013 г. Тираж 120 экз. Печать трафаретная. Заказ 077. Отпечатано в печатном цехе «Ризограф» Тюменского Аграрного Академического Союза 625003, г. Тюмень, ул. Республики, 7

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Барабанщикова, Людмила Николаевна, Тюмень

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СЕВЕРНОГО ЗАУРАЛЬЯ

СОДЕРЖАНИЕ И РАСПРЕДЕЛЕНИЕ СЕЛЕНА В АГРОЛАНДШАФТАХ СЕВЕРНОГО ЗАУРАЛЬЯ 03.02.08 - экология (биология)

диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

На правах руко:

иси

04201 453960 БАРАБАНЩИКОВА ЛЮДМИЛА НИКОЛАЕВНА

Научный руководитель: доктор биологических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ Комиссаров И.Д.

ТЮМЕНЬ-2013

\

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................................................3

1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ......................................................................................................................8

1.1 Химические свойства селена......................................................................................................8

1.2 Селен в почвообразующих породах и почвах..............................................................9

1.3 Селен в растениях..................................................................................................................................18

1.4 Биологическое значение селена для животных и человека..............................29

2 УСЛОВИЯ, ОБЪЕКТЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ 39

2.1 Почвенно-климатическая характеристика исследуемой территории....................................................................................................................................................39

2.2 Объекты и методы исследований............................................................................................45

3 СОДЕРЖАНИЕ СЕЛЕНА В ОСНОВНЫХ ТИПАХ ПОЧВ СЕВЕРНОГО ЗАУРАЛЬЯ................................................................................................................50

3.1 Содержание селена в минеральных почвах..................................................................50

3.2 Распределение селена в морфологических профилях почв......................................................................................................................................................................59

3.3 Селен в торфяных почвах Северного Зауралья............................................................65

3.3.1 Характеристика торфяных почв средней тайги Северного Зауралья... 66

3.3.2 Характеристика торфяных почв северной лесостепи Северного Зауралья............................................................................................................................................................69

3.3.3 Содержание селена в торфяных почвах..............................................................................71

3.3.4 Фиксация селена органическим веществом торфа..................................................76

4 СЕЛЕН В РАСТИТЕЛЬНОЙ ПРОДУКЦИИ СЕВЕРНОГО ЗАУРАЛЬЯ..................................................................................................................................................81

5 СЕЛЕН В СИСТЕМЕ ПОЧВА - РАСТЕНИЕ (КОРМ) -

ЖИВОТНОЕ - ПРОДУКЦИЯ (МОЛОКО)..................................................................96

ВЫВОДЫ....................................................................................................................................................103

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК..............................................................................105

ПРИЛОЖЕНИЯ......................................................................................................................................126

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Питание населения является важной государственной задачей, т.к. это одна из основных проблем в социальной политике любого государства. Современная жизнь диктует более глубокое понимание культуры питания, которая выражается не только количеством, но и качеством продуктов. Особенно актуальна проблема обеспеченности и сбалансированности продуктов питания по микроэлементам, в том числе селену.

Недостаток селена в пище является патогенным фактором ряда заболеваний человека, среди которых болезнь Кашина-Бека (особое изменение трубчатых костей) и болезнь Кешана (кардиомиопатия). У животных недостаток микроэлемента вызывает беломышечную болезнь, поражение кожных покровов, задержку роста и репродуктивных функций. Роль селена в организме во многом определяется его включением в состав одного из важнейших ферментов - глютатионпероксидазы, защищающей клетки от продуктов перекисного окисления. Таким образом, селен и его соединения проявляют значительную антиоксидантную активность. Кроме того, данный микроэлемент входит в состав других ферментов, участвующих в детоксикации ксенобиотикой, регулирует функции щитовидной и поджелудочной желез, положительно влияет на систему репродукции, обладает радиопротекторным действием (Ермаков В.В., Ковальский В.В. 1974; Тутельян В.А. и др., 2002)

Следует отметить, что селен характеризуется очень узким интервалом оптимального суточного потребления, к тому же в избыточных количествах он является токсичным для теплокровных живых организмов. Вследствие этого содержание данного микроэлемента в продуктах питания и кормах и их потребление человеком и сельскохозяйственными животными должны строго контролироваться (Авцын A.A. и др., 1991).

Селен - очень редкий и рассеянный элемент, его содержание в земной коре (кларк) 5 х 10"6 % по массе (Синдеева Н.Д., 1959). Основными звеньями пищевой цепи переноса селена являются почва - растения - животные -человек. Эта схема определяет зависимость уровня обеспеченности селеном человека и животных от геохимической характеристики почвы. В мире существуют биогеохимические провинции глубокого дефицита и токсических концентраций микроэлемента. Согласно современным данным, дефицит селена характерен для ряда стран СНГ и Балтии, многих областей Российской Федерации. Однако выбор путей решения селенодефицита для конкретного региона невозможен без предварительного изучения распределения селена в компонентах экосистем территорий, а в также продуктах питания местного происхождения (Кособрюхов А.Н.,1957; Ермаков В.В., Ковальский В.В., 1974; Сучков Б.П., Штутман Ц.М. и др., 1978; Ермаков В.В., 1978; Сучков Б.П., 1981; Вощенко A.B., Иванов В.Н. и др., 1989; Осипова Т.Р., Понятова P.M. и др., 1990; Кирпичников H.A., Черных H.A. и др., 1993; Конова Н.И., 1993; Ермаков В.В., 1999).

Источником селена в обычном питании человека являются различные продукты животного и растительного происхождения. Средний уровень потребления микроэлемента населением России составляет 54-80 мкг/день. На селеновой карте России преобладают «белые пятна» регионов с неизученным селеновым статусом окружающей среды (Голубкина H.A., Папазян Т.Т, 2006). Одним из таких регионов является Северное Зауралье, в котором до настоящего времени не проводились системные исследования по изучению особенностей распределения селена в компонентах экосистем -почвах, сельскохозяйственных растениях и животных.

Цель исследований - изучение содержания и распределения селена в основных компонентах агроландшафтов Северного Зауралья.

В процессе исследования решались следующие задачи:

1. Выяснить уровень содержание и распределение селена в основных типах почв изучаемой территории;

2. Определить валовое содержание селена в торфяных почвах, выявить его связи с ботаническим составом, степенью разложения, рН и зольностью;

3. Оценить роль гуминовых кислот в закреплении селена в торфяных почвах;

4. Исследовать содержание селена в растительной продукции;

5. Изучить содержание селена в системе: почва - растение (корм) -животное - продукция (молоко), на примере реального сельскохозяйственного производства.

Научная новизна. Впервые в условиях Северного Зауралья определено содержание и распределение селена в различных типах почв. Обнаружена зависимость накопления микроэлемента в растительной продукции от почвенно-климатических условий. Проведены системные исследования содержания и распространения селена в цепи: почва - растение (корм) - животное - продукция (молоко).

Практическая значимость. На основе анализа растительной продукции были выявлены территории с недостатком селена, что необходимо учитывать при оценке структуры питания и качества кормов. Материалы диссертации используются в учебном процессе Государственного аграрного университета Северного Зауралья при изучении курсов «Органическая химия», «Пищевая химия».

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Накопление селена в почвах Северного Зауралья имеет биогенный характер и колеблется от 223 до 973 мкг/кг, что превышает величину кларка.

2. Содержание микроэлемента в растительной продукции изученной территории изменяется в зависимости от почвенно-климатических условий с тенденцией увеличения концентраций от подтаежной зоны к южной лесостепи.

3. При удовлетворительном уровне содержания селена в отдельных элементах пищевой цепи, в сыворотке крови и молоке высокопродуктивных коров обнаружен дефицит селена.

Апробация. Результаты исследований представлены и обсуждены на международной научно-практической конференции «Биогеохимия элементов и соединений токсикантов в субстратной и пищевой цепях arpo- и аквальных систем» (Тюмень, 2007); международной научно-практической конференции, посвященной 420-летию земледелия Зауралья «Перспективы инновационного развития АПК» (Тюмень, 2010); региональной научно-практической коференции молодых ученых «Инновационное развитие АПК Северного Зауралья» (Тюмень, 2013).

Личное участие. Полевые исследования, сбор и подготовка проб к физико-химическим анализам, определение селена во всех исследуемых образцах, анализ, обобщение и интерпретация полученных результатов осуществлялись лично автором.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 7 научных работ, которые отражают основное содержание диссертации, из них 3 статьи в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа изложена на 125 страницах печатного текста. Работа состоит из введения, обзора литературы, условий, объектов и методов исследования, результатов исследований, выводов. Работа иллюстрирована 22 таблицами, 19 рисунками и 16 приложениями. Список литературы включает в себя 206 источников, в том числе 58 работ зарубежных авторов.

Благодарности. Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю, заслуженному деятелю РФ, д.б.н., профессору И.Д. Комисарову.

Автор выражает искреннюю благодарность за помощь в освоении методики определения селена в объектах окружающей среды зав. лаборатории биогеохимии окружающей среды Института геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН заслуженному деятелю РФ, д.б.н., профессору В.В. Ермакову.

Автор выражает искреннюю признательность д.б.н., доценту Югорского государственного университета Сартакову М.П., а также руководству и сотрудникам ФГУ ГСАС «Тюменская» за помощь в проведении полевых работ.

Автор благодарит коллектив кафедры общей химии ГАУ Северного Зауралья за доброжелательное отношение и дружескую поддержку.

1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Химические свойства селена

Селен был открыт шведским химиком Я. Берцелиусом в 1817 г. В шламах свинцовых камер сернокислого завода. Берцелиус считал, что новый элемент был родственен теллуру, названному в честь Земли и по аналогии назвал новый элемент селеном в честь Луны (Selene - богиня Луны).

Селен принадлежит к 6А группе, на последнем электронном уровне имеет 6 электронов, поэтому проявляет неметаллические свойства. Основные свойства атома селена следующие: валентная электронная конфигурация -[Ar] 3d104s24p4; атомный радиус - 0,116 нм; ионный радиус, Э2 - 0,198 нм; относительная электропроводность - 2,4; температура плавления - 220,4 °С; температура кипения - 684,8 °С; плотность - 4,82 г/см3 (Полинг Л., Полинг П.,1978).

В зависимости от условий, селен существует во многих модификациях и соединениях. В свободном состоянии Se, подобно сере, образует несколько аллотропных видоизменений, из которых наиболее известны аморфный селен, представляющий собой красно-бурый порошок, и серый селен, образующий хрупкие кристаллы с металлическим блеском. Устойчивые формы селена серого состоят из гексагональных структур, образующих бесконечные длинные цепи. Красные аллотропные формы селена состоят из молекул Se8 (Полинг Л., Полинг П., 1978).

В химическом отношении селен является аналогом серы, находясь с ней в одной группе химических элементов. Однако усиление металлических свойств у селена повышает его склонность к образованию более прочных ионных связей. Как и сера, селен образует газообразное соединение с водородом - селеноводород (H2Se) - аналог сероводорода. Селенистая (НгЗеОз) и селеновая кислоты (H2Se04) являются аналогами сернистой и серной кислот. Селен образует растворимые соли со щелочными металлами,

способные мигрировать в слабощелочной среде. Сходство физико-химических характеристик обуславливает взаимозамещаемость селена и серы в соединениях. По свойствам и методам получения селеноорганические вещества подобны органическим соединениям серы и представлены следующими типами: 1) селенолы; 2) селенониевые соединения; 3) селеноальдегиды и селенокетоны; 4) моно- и диселенокарбоновые кислоты; 5) селеносодержащие аминокислоты; 6) гетероциклические соединения селена; 7) селениды (Ермаков В.В., Ковальский В.В., 1974).

Таким образом, благодаря своей химической природе, селен способен мигрировать в слабощелочной среде, а также связываться с органическим веществом почвы.

1.2 Селен в почвообразующих породах и почвах

Почва и почвообразующие породы - одни из главных компонентов ландшафтов, которые определяют биогеохимическую роль селена. Кларк микроэлемента в земной коре составляет по Виноградову 50 мкг/кг, а по Беусу и Бородину он в 10 раз выше (Виноградов А.П.,1957; Сидельникова В.Д., 1990).

Главным источником поступления селена в почву служат почвообразующие породы. Концентрация селена в магматических породах колеблется от 0,01 до 0,05 мг/кг, в осадочных - от 0,03 до 0,6 мг/кг (Виноградов А.П., 1957; Синдеева Н.Д., 1959). В ряду осадочных пород максимальное содержание микроэлемента свойственны глинам и сланцам (0,4-0,6 мг/кг), минимальные - песчаникам и известнякам (0,03-0,1 мг/кг) (Кабата-Пендиас А., Пендиас X., 1989).

Селен является халькофильным рассеянным элементом, входящим в состав примерно 40 минералов. Собственные месторождения селена встречаются крайне редко. В основном он встречается в виде примеси в рудах сульфидных, ураново-ванадиевых, молибденовых, фосфоритных и

серных месторождений (Синдеева Н.Д., 1959; Иванов В.В., 1996). В значительной степени селеном обогащена вулканическая сера от 0,67 до 2 мг/кг (Глазовская М.А., 1995).

Данных о содержании селена в почвообразующих породах не очень много. Так в почвообразующих породах Белоруссии концентрация элемента колеблется от 0,029 до 0,4 мг/кг. Минимальное содержание селена, установлено для песчаников (0,029 мг/кг). Наибольшие концентрации селена, характерны для озерно-аллювиальных отложений (0,26 мг/кг) и торфяников (0,4 мг/кг) (Лебедев В.Н., 1973).

В Туве максимальный уровень содержания селена, отмечен в суглинистых почвообразующих породах элювиального и элювиоделювиального генезиса (0,19-0,36 мг/кг). Эоловые, аллювиальные и озерно-аллювиальные песчаные отложения обеднены микроэлементом. Минимальные концентрации селена, свойственны эоловым пескам с большим содержанием кварца (0,05 мг/кг) (Пузанов A.B., Мальгин М.А., 2000).

В почвообразующих породах Юго-Восточного Алтая минимальное содержание селена, обнаружено в песчаных отложениях на эллювио-делювии и составило 0,05 мг/кг. Более высокий уровень содержания микроэлемента (0,44 мг/кг) отмечается на щебнисто-галечниково-супесчаных отложениях. Максимальная концентрация селена, свойственна почвообразующим субстратам с высоким содержанием карбонатов (Майманова Т.М., 2003).

Содержание селена в почвообразующих породах Молдовы изменяется в следующих пределах: элювий третичных песков - 0,05-0,08 мг/кг, известняки - 0,03-0,10 мг/кг, коренные третичные глины - 0,4-0,6 мг/кг (Капитальчук М.В., Капитальчук И.П. и др., 2007).

Почвообразующие породы, их геохимические особенности определяют уровень концентрации селена в почвах с различной направленностью почвообразовательных процессов.

Почвы содержат в среднем 0,4 мг/кг селена (Виноградов А.П., 1957). Концентрация его в почвах различных генетических типов обычно варьируют в пределах от 0,01 мг/кг до 1,2 мг/кг (Конова Н.И., 1993; Конова Н.И., Ермаков В.В. и др., 1990). В некоторых биогеохимических селеновых провинциях содержание селена в почвах может достигать 10 мг/кг и более (Ермаков В.В., Ковальский В.В.,1974).

Колебания содержания селена, обусловлены типом почв и характером почвообразующих пород. В частности, концентрации элемента в дерново-подзолистых песчаных почвах редко превышает 0,1 мг/кг. Более высокое содержание селена отмечается в суглинистых почвах. Обращает внимание значительное содержание элемента в торфяных почвах. Так, в Латвии в них присутствует от 0,59 до 1,01 мг/кг селена (Карелина JI.B., Салмане Р.Э., 1969), а в торфяно-болотных почвах Белоруссии - 0,26-0,48 мг/кг (Лебедев В.Н, 1970).

В молодых почвах с минимальным развитием профиля концентрации селена зависят от характера пород. Обычно в них мало селена, если они образовались из гранитов и полимиктовых песчаников, а также из слюдяных сланцев и серых песчаников, кроме вулканических грэйуаки. Если почвообразующим материалом служат андезитовые и базальтовые пеплы или аргиллиты, то в почвах содержится селена гораздо больше, чем в образцах, подстилаемы