Macro- and microelement content of Vaccinium vitis-idaea (Ericaceae) leaves in Eastern Transbaikalia

Full Text

Брусника обыкновенная (Vaccinium vitis-idaea L.) – небольшой вечнозеленый кустарничек высотой 5–25 см из семейства Ericaceae. В лесных и лесостепных районах Восточного Забайкалья брусника является постоянным компонентом травяно-кустарничкового покрова в большинстве типов леса. Растение отличается очень широкой экологической амплитудой, особенно по отношению к влаге. Встречается как на сухих, так и на заболоченных участках, часто растет на бедных и сильнокислых почвах. Средняя урожайность листьев брусники в Восточном Забайкалье довольно высокая (58–65 г/м²) [1].

Брусника представляет ценность не только как пищевое, но и как лекарственное растение. Известно, что цельные листья брусники и порошок из них используют в качестве мочегонного средства и при мочекаменной болезни [2].

Листья брусники имеют антимикробные, вяжущие и противовоспалительные свойства благодаря содержанию в них флавоноидов, витаминов и дубильных веществ. Препараты, изготовленные на их основе, оказывают вяжущее и капилляроукрепляющее действие, а также повышают эффективность антибиотиков, стимулируют фагоцитоз и другие защитные силы организма, при этом воздействуют на организм щадяще [3].

Листья V. vitis-idaea являются важным источником фармацевтических ингредиентов с очень высоким антиоксидантным потенциалом. Их экстракты могут ингибировать экспрессию вируса гепатита C и рост клеток, чувствительных к промиелоцитарному лейкозу человека. Листья используются для снижения уровня холестерина и лечения расстройств желудка, ревматических заболеваний, инфекций мочевого пузыря и почек [4].

Фармакологическая активность растений зависит не только от наличия органических компонентов, но и от уровня концентрации биологически важных микроэлементов и их комплексов. Оценка качества лекарственного сырья и возможности его использования в пищевых и лекарственных целях имеет особенную важность при сборах на территориях, подверженных техногенному воздействию [5]. Например, в южной части Польши в органах брусники на загрязненных участках вблизи цинкового завода были обнаружены повышенные по сравнению с более чистыми участками концентрации Cd, Pb, Zn и Fe. Накопление тяжелых металлов в бруснике приводило к увеличению содержания аскорбиновой кислоты, активности антиоксидантных ферментов (супероксиддисмутазы). Накопление марганца вызывало снижение антиоксидантной реакции [6].

Вблизи крупного медеплавильного завода на Среднем Урале содержание Cu, Pb, Zn, Cd в плодах V. vitis-idaea в 4–18 раз превышало ПДК. Превышение содержания Cd и Pb в плодах было отмечено также и на расстоянии 30–60 км от завода [7]. В Республике Коми, в зоне воздействия выбросов целлюлозно-бумажного производства, в листьях брусники обнаружено увеличение, по сравнению с другими районами, содержания калия, фосфора и магния [8]. В условиях длительного атмосферного загрязнения выбросами медно-никелевого комбината «Североникель» (г. Мончегорск, Мурманская область) листья брусники характеризовались существенным снижением концентраций Mn и Zn [9].

Несмотря на то, что в литературе есть сведения об элементном составе брусники для многих регионов России и зарубежных стран, в пределах Восточного Забайкалья таких исследований не проводили.

Цель работы – провести сравнительный анализ содержания химических элементов в листьях V. vitis-idaea на фоновой территории Забайкальского края и в условиях влияния горнодобывающих предприятий.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ

Объектом исследования были листья Vaccinium vitis-idaea, произрастающей в условиях техногенного воздействия 2-х горнодобывающих предприятий Забайкальского края: Быстринского ГОКа и Дарасунского рудника и вблизи Ингодинского научного стационара ИПРЭК СО РАН – на фоновой территории, отдаленной от промышленного загрязнения (рис. 1).

Рис. 1. Расположение районов исследования (отмечено квадратом). Примечание. I – Ингодинский стационар; II – Дарасунский рудник; III – Быстринский ГОК.

Fig. 1. Location of the study areas (marked with a square). Note. I–Ingodinsky research station; II – Darasun mine; III – Bystrisnky MPP.

Быстринское полиметаллическое месторождение (медь, железо, золото и серебро) находится в 16 км к востоку от пос. Газимурский Завод. Дарасунское месторождение золота находится в районе пос. Вершино-Дарасунский, Тунгокоченского района. Приоритетными загрязнителями почв являются: Pb, Cd, Cu, Zn, Ni, As [10]. Ингодинский научный стационар ИПРЭК СО РАН расположен в 40 км южнее г. Чита, в лесной зоне, вдали от горнодобывающих предприятий.

Большая часть пробных площадей (ПП) для отбора листьев брусники расположена в районе Быстринского ГОКа (рис. 2, табл. 1). Абсолютная высота расположения пробных площадей находится в пределах 756–932 м над уровнем моря (табл. 1). Рельеф горный. Почвы преимущественно суглинистые, на территории Быстринского ГОКа представлены горные дерновые лесные; дерновые лесные насыщенные; темно-серые лесные; лугово-черноземные; луговые; лугово-болотные типы почв. Среднее содержание гумуса находится в пределах 4.17–15.3%, рН водный 5.9–6.9 [11].

Рис. 2. Расположение пробных площадей в районе Быстринского ГОКа.

Примечание. 1 – полигон твердых отходов; 2 – хвостохранилище; 3 – карьер; 4 – водохранилище.

Fig. 2. Location of sample plots in the Bystrinsky Mining and Processing Plant (MPP) area.

Note. 1 – waste dump; 2 – tailings reservoir; 3 – open-pit mine; 4 – water reservoir.

Таблица 1. Характеристика мест произрастания Vaccinium vitis-idaea

Table 1. The characteristics of Vaccinium vitis-idaea growth locations

Время отбора листьев в районе Быстринского ГОКа – вторая декада июня (фаза бутонизации), в районе рудника Дарасун – в первой декаде, а в районе Ингодинского стационара – в третьей декаде июля 2023 г. (не обнаружено цветков и плодов).

Для отбора растительных образцов верхнюю часть побегов брусники срезали секатором, по возможности равномерно на выделенной учетной площади 25 х 25 м. Количество мест отбора растительных образцов на площади составляло 10–15. Срезанные стебли объединяли в одну пробу и помещали в тканевый мешок с этикеткой, соответствующей месту отбора. Масса срезанных побегов составляла около 200 г. В полевых условиях образцы подсушивали в тени, чаще вне помещения. В лабораторных условиях листья отделяли от стеблей и подсушивали до воздушно-сухого состояния, затем измельчали с помощью кофемолки до порошкообразного состояния.

Образцы почвы отбирали одновременно на тех же площадях в слое 0–20 см методом конверта в пяти точках площадки. Почва представляла смесь органогенного и верхнего минерального слоя без лесной подстилки. Затем образцы почвы объединяли в одну пробу и помещали в полиэтиленовый пакет, снабженный этикеткой. Масса пробы – не менее 1 кг. В лабораторных условиях почву высушивали до воздушно-сухого состояния, просеивали через сито с ячейкой 1.0 мм, затем измельчали с помощью ступки до порошкообразного состояния.

Анализ почвенных и растительных образцов проводили в лаборатории физико-химических методов исследования Института тектоники и геофизики им. Ю. А. Косыгина на масс-спектрофотометре ICP-MS Elan 9000 (Канада), согласно общепринятой методике [12]. В образцах определяли содержание 47 химических элементов. Коэффициент биологического поглощения (КБП) рассчитывали как отношение содержания химического элемента в листьях брусники к его концентрации в почве.

Для статистической обработки полученных данных использовали методы описательной статистики и корреляционного анализа.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Почва. По среднему валовому содержанию в почвах на исследованных пробных площадях химические элементы составляют следующий ряд (в порядке убывания): Al > Fe > K > Na > > Ca > Mg > Ti > Mn > P > Ba > Sr > Zn > Rb > V > > Ce > Cr > Zr > Li > Pb > La > Cu > As > Ni > B > > Sb > Y > Ga > Cs > Co > Sc > Pr > Th > Nb > W > > Sn > U > Be > Ge > Mo > Ag > Ta > Bi > Tl > > Te > Hg > Cd > Se (табл. 2).

Таблица 2. Валовое содержание химических элементов в почве на пробных площадях, мг/кг

Table 2. Total content of chemical elements in the soils of sample plots, mg/kg

Примечание. Жирным шрифтом выделены максимальные значения; курсивом – минимальные значения; ПДК – предельно допустимая концентрация [13].

Note. Maximum values are given in bold; minimum values are given in italics; MPC is the maximum permissible concentration [13].

Содержание большинства (68%) элементов ниже кларка земной коры [14]. Меньше 50% кларка составляет среднее валовое содержание в почве следующих элементов (в порядке возрастания): Y, Zr, Ca, Ta, Nb, Mg, Na, Ti, Ni, Tl, Be, Th и Fe. От 50 до 100% от кларка земной коры составляет (в порядке возрастания) содержание Rb, Sr, Co, Cr, Al, V, Pr, Sc, Ga, U, K, Ba, Mo, Ge, Sn, La, Li, Se. Валовое содержание в почве Zn, P, Mn, B, Cd, Ce, W, Pb, Hg, Cs, Ag, As, Sb, Bi и Te превышает кларк земной коры. Очень высоким, на 1000–34000% выше кларка является валовое содержание Ag, As, Sb, Bi и Te.

Наиболее существенно варьирует содержание в почве P, Sb, W, Ag, Bi, Cd и Se (C_V = 131–208 %) (табл. 2). Максимальное количество химических элементов (19) с их высоким содержанием зарегистрировано на ПП14, которая расположена вблизи территории, нарушенной в результате добычи золота, в пойме р. Тайна. И, напротив, максимальное число (36) элементов с минимальным содержанием выявлено на ПП9, в районе плотины хвостохранилища.

Почва в районе Ингодинского научного стационара (ПП16) отличается максимально высоким содержанием K и Na (табл. 2). В районе Дарасунского рудника (ПП18) выявлено максимальное содержание Al, Ti, Sr, Ga и Nb в почве. Максимальное содержание исследуемых химических элементов в почве в районе Быстринского ГОК варьирует на различных пробных площадях: так, например, на ПП14 почвы характеризуются максимальным содержанием Fe, P, Zn, V, Ce, Zr, Pb, As, Co, Sc, Pr, Th, W, Sn, Be, Ge, Te, Hg, Cd, в то время как на ПП9 максимальные концентрации в почве отмечены лишь для Ca, U, Se.

Сравнение содержания ряда токсических элементов в исследуемых почвах с их ПДК показало, что на всей обследованной территории содержание As значительно превышает его ПДК, в том числе и в районе Ингодинского научного стационара, который рассматривается в качестве контроля (табл. 2). Максимальное содержание данного элемента обнаружено в почве ПП14, где превышение ПДК составляет свыше 28 крат. Только на этой единственной ПП наблюдается повышенное содержание Cd, незначительно превышающее его ПДК, и 2-кратное превышение ПДК по Zn. Лишь на ПП13 в почве зарегистрировано некоторое превышение ПДК по Ni, а на ПП5 отмечено почти 2-кратное превышение ПДК по Cu. Содержание в почвах Pb превышает его ПДК в районе Быстринского ГОК’а на ПП3, 5 и 14, а также на ПП18 в окрестностях Дарасунского рудника. Содержание Hg в исследуемых почвах нигде не превышает ПДК. Из других перечисленных выше приоритетных загрязнителей (Fe, Ag, Au) содержание Fe в среднем превышает его фоновое содержание не более чем в 2–4 раза. Содержание Ag может быть как существенно меньше фонового (на ПП9 в 120 раз), так и значительно превышать его (на ПП5 более чем в 38 раз).

Следует отметить, что на ПП18 уровень загрязнения почвы Pb, Zn, As, Cd существенно повышен по сравнению с фоновым содержанием этих металлов в почве в районе Ингодинского научного стационара (табл. 2). Однако их содержание значительно меньше приводимых концентраций в почве поселка Вершино-Дарасунский, где зарегистрировано значительное превышение ПДК по этим металлам, и уровень загрязнения этими металлами оценивается от допустимой до чрезвычайно опасной категории загрязнения [10].

На территории Газимуро-Заводского административного района Забайкальского края для Быстринского ГОКа была выполнена оценка экологического состояния почв на основе расчета показателя суммарного химического загрязнения (Zc) [11]. Она показала, что в местах размещения опытно-промышленных карьеров уровень загрязнения почвы доходит до чрезвычайно опасного. В местах размещения отвалов наблюдается закономерность – чем ближе к карьеру, тем выше степень загрязнения – от чрезвычайно опасной степени до допустимой, остальная территория имеет допустимую степень загрязнения. Согласно данным авторов [11], основными тяжелыми металлами, выявленными в повышенных концентрациях в целом для территории, являются Cu, Cr, As, W, которые образуют геохимические ореолы комплексного оруденения и свойственны для горных пород территории. В горных дерновых лесных почвах наблюдаются повышенные содержания Cu (0.5–2.0 ПДК), Cr (0.7–3.0 ПДК), W (0.0–10.0 ПДК), As встретился в одной пробе, но с очень высоким превышением ПДК (в 35 раз). В темно-серых лесных почвах зафиксировано небольшое превышение Cu (до 1.2 ПДК) и во всех пробах высокое содержание As (35–50 ПДК). Полученные нами результаты в целом хорошо согласуются с данными, приведенными в работе А. А. Котович с соавторами [11].

Листья Vaccinium vitis-idaea. Среднее содержание химических элементов в листьях брусники располагается в уменьшающемся ряду: K > Ca > > Mg > P > Mn > Fe > Al > Ba > Zn > Sr > Ag > B > > Na > Cu > Ti > Rb > Cr > Ni > Sb > As > Pb > Ce > > W = V = Mo > Li > La = Co > Zr > Y > Ga > Cs = = Cd = Pr > Bi = Se = U = Hg = Nb = Ta = Th > Te > > Sn = Be > Ge = Tl = Sc (табл. 3).

Таблица 3. Концентрация химических элементов в листьях Vaccinium vitis-idaea на пробных площадях, мг/кг

Table 3. Concentration of chemical elements in the leaves of Vaccinium vitis-idaea in the sample areas, mg/kg

Примечание. Жирным шрифтом выделены максимальные значения; курсивом – минимальные значения. ПДК – предельно допустимые концентрации [15].

Note. Maximum values are given in bold; minimum values are given in italics. MPC – maximum permissible concentrations [15].

На всех пробных площадях среди жизненно необходимых макроэлементов максимальное содержание в листьях V. vitis-idaea зарегистрировано для K и Ca, концентрация Mg и P была в 3–5 раз ниже. В районе рудника Дарасунский выявлено наиболее высокое содержание K и P, в 2–4 раза превышающее соответствующие величины на остальных пробных площадях. Содержание Na в листьях V. vitis-idaea варьировало в очень широком диапазоне от 0.001 до 25.9 мг/кг и в среднем составляло 5.4 мг/кг. Известно, что среднее содержание Na в растениях колеблется от 0.008 до 2.5% сухой массы. Некоторые авторы относят Na к микроэлементам в связи с тем, что он необходим лишь некоторым высшим растениям [16].

Жизненно необходимые микроэлементы по убыванию их содержания в листьях V. vitis-idaea образуют следующий ряд: Mn > Fe > Zn > > Cu > Cr > Mo > Co > Se.

Содержание Cd, Pb и Hg в исследованных образцах листьев V. vitis-idaea не превышало их ПДК, установленных для лекарственного сырья [15]. Содержание As в листьях брусники на ПП4 и ПП10 было выше ПДК (табл. 3).

В районе Ингодинского стационара содержание Rb в листьях V. vitis-idaea в 2 раза, Li – в 2.3 раза больше среднего значения. Листья V. vitis-idaea, произрастающей в районе рудника Дарасунский, отличались наиболее высокими концентрациями Zn, Na, Sb и Pb (табл. 3).

Корреляционный анализ данных не выявил ни одного значимого коэффициента корреляции между концентрацией элементов в листьях V. vitis-idaea и их валовым содержанием в почве при р = 0.01. Исключением является связь концентрации Bi с валовым содержанием при р = 0.05 (r = 0.59).

Для 35 химических элементов из 47 проанализированных коэффициент биологического поглощения (КБП) в листьях V. vitis-idaea не превышал 1 (табл. 4). Наиболее высокими средними значениями КБП отличались Ag, Se и Nb, эти элементы отнесены к группе биологического накопления. Столь большая величина КБП для Ag объясняется аномально высокой концентрацией этого элемента в листьях V. vitis-idaea на ПП2 (табл. 3), что может быть связано с проявлением ореола рассеивания вокруг рудных залежей. Известно, что в растениях, произрастающих в районах развития серебряной минерализации, серебро может концентрироваться до токсичного уровня [17]. Максимальные значения КБП, превышающие 1, отмечены для ряда элементов K, B, P, Te, Mn, Sb, Cd, Ta и Tl. В ряду интенсивности поглощения элементы можно расположить в следующем порядке: Ag > Se > Nb > P > Mn > Te > > B > Ca > Cd > K > Cu > Sb > Zn > W > Mo > > Tl > Mg > Ba > Ta > Sr > Hg > Bi > Ni > Cr > > Rb > As > Co > Th > Pb > Fe > U = Li > Ga = = Ce = Pr = La = Cs > Be = Y > Al = Sn = Ti = = Zr = V > Na = Ge > Sc (табл. 4).

Таблица 4. Коэффициент биологического поглощения элементов в листьях Vaccinium vitis-idaea

Table 4. Coefficients of biological absorption of elements in Vaccinium vitis-idaea leaves

Примечание. Жирным шрифтом выделены коэффициенты биологического накопления >1.

Note. The coefficients of biological accumulation >1 are given in bold.

Концентрации жизненно необходимых макроэлементов в листьях V. vitis-idaea, произрастающих в других регионах России, как правило, были больше, чем в районах наших исследований. Например, содержание Na в листьях V. vitis-idaea в природных ценопопуляциях Слюдянского района Иркутской области было в 13 раз, Ca – в 6 раз, Mg – в 2.3 раза, К и Р в 1.3–1.5 раза больше [18].

Содержание жизненно необходимых микроэлементов в листьях V. vitis-idaea было также ниже: Mn – в 2–4 раза, Fe – в 4.2 раза, Zn – в 3–5 раз, Cu – в 1.5–8 раз, Cr – в 7 раз, Mo – в 8 раз, Co – в 19 раз [19, 20]. В то же время концентрация Pb в листьях V. vitis-idaea в Прибайкалье превышала соответствующие значения в районе исследований в 15 раз, в районе Центральной Камчатки – в 95 раз.

Полученные данные свидетельствуют о низкой концентрации Sr, Ti, Rb, Ni, Pb, V, Li, Zr, Ga, Y в листьях V. vitis-idaea относительно других районов ее произрастания в России. В то же время, в районе исследований обнаружено аномально высокое содержание Ag, в 138 раз превышающее его концентрацию в листьях V. vitis-idaea на территории Центральной Камчатки [20].

Имеются и другие особенности содержания химических элементов в листьях V. vitis-idaea в Восточном Забайкалье. В наших исследованиях только Mn отнесен к элементам накопления на ряде ПП, в то время как в лесах Центральной Камчатки Mn относится к элементам энергичного накопления, а Ba и Zn – сильного накопления [21]. На территории Южного Прибайкалья листья V. vitis-idaea отличаются высоким содержанием ряда элементов: растения активно аккумулируют из почвы Mn, Zn, Cu, Cd (КБП > 1), тогда как Fe, Cr, Ni, Pb и Co поглощаются из почвы слабо (КБП<1) [5]. В наших условиях КБП < 1 для Zn и Cu (табл. 4).

На территории Северного Прибайкалья по величине накопления в листьях V. vitis-idaea микроэлементы образуют следующий ряд: Mn > Fe > Zn > Cu > Cr > Pb > Ni ≥ Co > Cd [22]. В большей степени условия произрастания влияли на содержание в листьях Fe, Cu, Pb, Co, Cd. Выявлена значимая связь между содержанием кислоторастворимых форм Cr, Mn, Fe, Cu в почве и в листьях V. vitis-idaea (r = 0.48–0.76). К элементам сильного накопления отнесены Mn, Cu и Zn, при этом подчеркивается, что на территории Северного Прибайкалья листья V. vitis-idaea являются «сверх»-концентраторами Mn и Cr [22].

Сходные с нами закономерности накопления ряда элементов в листьях V. vitis-idaea, произрастающей в благоприятных экологических условиях, получены в Слюдянском районе Иркутской области [18]. На северо-западных склонах хребта Хамар-Дабан, как и в наших исследованиях, в листьях V. vitis-idaea преобладали эссенциальные элементы – Ca, K, Mg и P; среди микроэлементов доминировали Mn и Ba. Содержание потенциально токсичных металлов – Ti, Cr, Ni, Cu, Zn, Sr, Ba и Pb, не превышало избыточных или токсичных уровней, установленных для наземных растений [18].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате исследования содержания 47 химических элементов в листьях брусники обыкновенной Vaccinium vitis-idaea L. (Ericaceae) выявлены особенности их накопления из почвы на территории Восточного Забайкалья. В листьях V. vitis-idaea преобладают эссенциальные элементы – K, Ca, Mg и P; среди микроэлементов доминируют Mn, Fe, Al и Ba. Особенностью элементного состава листьев исследуемого вида на обследованной территории является относительно низкое содержание жизненно необходимых макро- и микроэлементов, а также Sr, Rb, Ti, Ni, Pb, V, Li, Zr, Ga и Y по сравнению с другими регионами России. Значимая корреляция концентрации всех исследованных элементов в растениях и их валового содержания в почве отсутствует. Листья V. vitis-idaea, произрастающей вблизи горнодобывающих предприятий, удовлетворяют требованиям, предъявляемым к лекарственному сырью по содержанию Pb, Cd, Hg, а на большинстве пробных площадей и по содержанию As.

About the authors

V. P. Makarov

Author for correspondence.
Email: vm2853@mail.ru
Russian Federation, Chita

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Fig. 1. Location of the study areas (marked with a square). Note. I–Ingodinsky research station; II – Darasun mine; III – Bystrisnky MPP.

Download (450KB)

Indexing metadata

3. Fig. 2. Location of sample plots in the Bystrinsky Mining and Processing Plant (MPP) area. Note. 1 – waste dump; 2 – tailings reservoir; 3 – open-pit mine; 4 – water reservoir.

Download (438KB)

Indexing metadata