ИЗУЧЕНИЕ СОРБЦИИ ФТОРА В ЛИСТЬЯХ ДРЕВЕСНЫХ РАСТЕНИЙ 

Химия растительного сырья. 1998. №2. С. 37–43
УДК 504.73: 574.24
ИЗУЧЕНИЕ СОРБЦИИ ФТОРА В ЛИСТЬЯХ ДРЕВЕСНЫХ РАСТЕНИЙ
 И.Н. Павлов
Сибирский государственный технологический университет, г. Красноярск (Россия)
E-mail: [email protected]
Изучено влияние выбросов алюминиевого завода в атмосферу на изменение химического состава в листьях древесных растений. Установлено, что отношение валового содержания фтора к экстрагируемому широко изменяется в
зависимости от вида растения. При этом для устойчивых видов характерно большее увеличение в содержании валового фтора по сравнению с экстрагируемым. Устойчивость растений к поступающему в ткань фтору зависит от способности организма переводить токсикант в нерастворимые, не участвующие в физиологических процессах формы,
т.е. от наличия в ткани элементов с высокой осаждающей способностью. Разработан экспресс-способ определения
устойчивости древесных растений к выбросам промышленных предприятий, содержащих фтористые соединения.
Способ основан на определении степени сорбции ионов фтора растертой навеской листьев.
фективно, чем любую другую загрязняющую
Введение
примесь, что определяется его хорошей раствори-
Из промышленных предприятий заводы по
мостью в воде и высокой реакционной способно-
производству алюминия по вредоносности техно-
стью [2]. В случае одновременного загрязнения
генных эмиссий составляют наиболее токсичную
воздуха и почвы соединениями фтора более ак-
группу. Это прежде всего относится к заводам,
тивно растениями осуществляется поглощение из
работающим по старой технологии, а таких у нас
воздуха [3].
большинство. О высокой загрязняющей способно-
Аккумуляция фтора зависит от наличия его
сти говорят данные, что при производстве одной
подвижных соединений в окружающей среде и
тонны алюминия выбрасывается 20—40 кг фтора,
индивидуальных особенностей организма. В це-
обладающего наиболее высокой токсичностью для
лом естественное содержание фторидов в расте-
фотосинтезирующих организмов. Несмотря на
ниях, выросших вне зоны техногенного загрязне-
высокую химическую активность фтора, его био-
ния, невелико. Среднее содержание его в различ-
генная миграция чрезвычайно мала и значительно
ных органах растений колеблется от 0,1 до 5 мг/кг
ниже, чем у других галогенов. Живое вещество в
сухого вещества, однако может падать до значи-
среднем содержит 5 мг/кг фтора. Рассчитанный
тельно меньшего уровня. При проведении сравни-
коэффициент биофильности (отношение среднего
тельного анализа различных видов растений, про-
содержания элемента в живом веществе к его
израстающих в зоне влияния завода и вне ее, об-
среднему содержанию в литосфере) составляет
наружено, что содержание фтора в органах расте-
0,007, что значительно ниже, чем у хлора (1,1),
ний может увеличиваться на три порядка. Такое
брома (0,75), и близок к биофильности кремния
высокое поглощение не может не сказаться на
(0,01) и никеля (0,008) [1].
жизненном состоянии растительности. Видимые
Несмотря на отсутствие явной необходимости
фтора для растительного организма из атмосферного воздуха растения поглощают фтор более эф-
поражения листьев появляются при концентрации
в воздухе менее 0,1 мг/м3 [4].
Характер и глубина воздействия загрязнителя
38
ИЗУЧЕНИЕ СОРБЦИИ ФТОРА В ЛИСТЬЯХ ДРЕВЕСНЫХ РАСТЕНИЙ…
воздуха на растения зависят от его количества,
кровных структур листа, и не удается исследовать
химических свойств, а также от определяемой
механизмы детоксикации поступающего фтора. В
генотипом и условиями среды устойчивости рас-
условиях хронического загрязнения более важны
тений. Более благоприятные почвенные и клима-
процессы детоксикации. Целью настоящей работы
тические условия определяют более высокую без-
явилось изучение поведения фтора в листьях дре-
вредную концентрацию фтора в листьях [5]. Наи-
весных растений, влияние фтора на изменение
большую опасность представляют водораствори-
химического состава растений и разработка экс-
мые соединения фтора. Концентрация лабильного
пресс-метода определения устойчивости.
водорастворимого фтора в растении зависит от
процессов поглощения, распределения, связыва-
Экспериментальная часть
ния в устойчивые комплексы и выведения. Посту-
Полевые работы проводились в зоне распро-
пающие в ткань газы могут связываться как с ор-
странения выбросов заводов по производству
ганическими соединениями [6], так и минераль-
алюминия, расположенных в Сибири (Красноярск,
ными, что выражается в зависимости повреждае-
Братск).
мости листьев от суммарного содержания зольных
На постоянных пробных площадях определя-
элементов и повышении их количества в процессе
лись биометрические показатели древесных рас-
накопления фитотоксикантов [5]. Наиболее устой-
тений (радиальный и линейный прирост, площадь
чивыми являются комплексы с элементами, рас-
листа), состояние, плодоношение. Для изучения
положенными в больших периодах периодической
химического состава 29–30 августа 1988–1991 гг.
системы с валентностью от 3 до 5 [7]. Плохой рас-
были взяты образцы листьев. Исследовались осо-
творимостью в воде и, следовательно подвижно-
би, расположенные на максимально близком рас-
стью и токсичностью, характеризуются соедине-
стоянии от завода в подфакельном пространстве.
ния фтора с кальцием, магнием, медью, железом
Определение фтора проводилось методом, ос-
(в порядке увеличения растворимости). KF, NaF,
нованным на измерении потенциала ионоселек-
Na2SiF6, CuSiF6 6Н20 отличаются высокой раство-
тивного электрода в зависимости от активности
римостью [8].
ионов фтора в растворе. Способ предусматривает
В зоне распространения выбросов алюминие-
возможность определения двух форм фтора —
вых заводов в достаточно короткие сроки (в зави-
общего и водорастворимого [10]. Содержание
симости от буферной емкости отдельных растений
кальция, калия, фосфора, золы определялось спек-
и биогеоценоза в целом) наблюдается уменьшение
трографическим методом на приборе ДФС–8-2
прироста растений, усыхание чувствительных ви-
[11].
дов, что является следствием нарушения комплек-
В связи с тем, что токсичность фтора опреде-
са физиологических процессов. Устойчивость соз-
ляется растворимостью его соединений, был раз-
даваемых санитарно-защитных зон (СЗЗ) зависит
работан способ, основанный на способности рас-
от правильно подобранного ассортимента. Для
тений связывать поступающий фтор в неподвиж-
определения устойчивости к фтористым соедине-
ные малотоксичные соединения. Растертую навес-
ниям был рекомендован быстрый тест, основан-
ку свежих листьев заливали слабым раствором
ный на кратковременном погружении срезанных
фтористого натрия (0,0221 %). Для исключения
листьев в слабый раствор фторида [9]. Устойчи-
стороннего связывания фтора растирание прово-
вость устанавливали визуально по оценке некро-
дилось без добавления стекла или кварцевого пес-
зов. Однако, с нашей точки зрения, способ позво-
ка. Навеска листьев была получена из смешанного
ляет определить эффективность защитных по-
образца от 10 экземпляров древесных растений,
ИЗУЧЕНИЕ СОРБЦИИ ФТОРА В ЛИСТЬЯХ ДРЕВЕСНЫХ РАСТЕНИЙ…
39
взятых в относительно чистом от атмосферного
исследованиях обнаружено заметное увеличение
загрязнения районе.
содержания кальция в листьях вяза приземистого,
Потенциометрическим методом с фторселек-
ивы корзиночной, тополя бальзамического, кара-
тивным электродом до достижения химического
ганы древовидной, березы повислой, сосны обык-
равновесия определяли концентрацию ионов фто-
новенной, лиственницы сибирской, ели сибирской
ра. Разница между исходной концентрацией и ос-
(121–186% от контрольных значений) при сопря-
таточной — количество фтора, переведенного в
женном накоплении фтора.. В листьях ивы козьей
недиссоциируемые соединения. Количество ионов
и кизильника черноплодного содержание кальция
фтора, переведенного в неподвижные соединения,
в условиях высокого атмосферного загрязнения
служит оценочным параметром, характеризую-
фтором возрастает всего на 5–10%.
щим устойчивость растений к содержащемуся в
воздухе фтору.
В силу того, что кальций является антагонистом калия в растительной клетке, увеличение в
Были выбраны породы, существенно разли-
содержании одного из них не может оставить без
чающиеся по степени газоустойчивости. Выводы
изменения концентрацию другого. Для всех изу-
об устойчивости были сделаны на основании на-
ченных видов, за исключением березы, характерна
ших исследований (учитывалось состояние, нек-
тенденция: с увеличением количества кальция
роз листьев, радиальный прирост, линейный при-
снижается содержание калия. При этом макси-
рост побегов). Сосна обыкновенная, ель сибир-
мально определенное уменьшение в содержании
ская, пихта сибирская из-за ярко выраженных
калия составляет 24% у тополя. Для него также
признаков повреждения, часто приводящих к ги-
обнаружено и максимальное увеличение концен-
бели, были отнесены к неустойчивым видам. В
трации кальция (на 86%).
свою очередь тополь бальзамический, ива корзи-
В содержании фосфора не обнаружено каких-
ночная, кизильник черноплодный, вяз приземи-
либо закономерностей. Некоторое уменьшение
стый характеризуются слабыми повреждениями
(16%) было характерно для ивы и кизильника, у
даже в условиях высокого загрязнения выбросами
которых не отмечалось заметных изменений в
алюминиевого завода. Береза повислая, тополь
содержании кальция и калия.
дрожащий, жимолость татарская имеют среднюю
и сильную степень повреждения.
Более обобщенным показателем изменения катионного обмена является зольность листьев. В
целом влияние фторидного загрязнения на золь-
Обсуждение результатов
ность аналогично его влиянию на кальций. Более
Наибольшее количество фтора обнаружено в
значительное увеличение было характерно для
листьях наиболее устойчивых видов – тополя
тополя. В целом закономерности в изменении хи-
бальзамического, вяза приземистого (соответст-
мического состава были общими для растений,
венно 4.53 и 4.18 г/кг воздушно сухого веса) (табл.
находящихся в зоне распространения выбросов
1). Представленная концентрация фтора в листьях
как Красноярского, так и Братского алюминиевых
березы, сосны, ели, лиственницы является крити-
заводов.
ческой. При более высоком уровне загрязнения
указанные растения погибают. Отношение общего
содержания фтора к его водорастворимой части
выше у устойчивых видов.
Влияние алюминиевого завода не ограничивается изменением в концентрации фтора. В наших
Таблица 1
Изменение химического состава листьев (хвои) под влиянием выбросов алюминиевого завода (29—30.VIII)
Порода
Сосна обыкновенная (хвоя 1 года)
Лиственница сибирская
Ель сибирская (хвоя 1 года)
Кизильник черноплодный
Береза повислая
Карагана древовидная
Тополь бальзамический
Ива корзиночная
Вяз приземистый
Ива козья
Условия
произрастания
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
Содержание
Содержание фтора, г/кг
зола, %
кальций, г/кг
Калий, г/кг
фосфор, г/кг
3,2
4,1
3.9
5.2
3,0
3,9
9,5
10,0
4,9
6,3
10,1
11,9
9,1
13,3
9,4
10,4
9,8
13,1
9,1
9,7
3,3
4,7
8,9
13,7
4,8
6,4
20,0
20,9
8,3
11,2
—
—
15,4
28,7
18,6
23.1
17,3
25,6
19,4
21,3
5,1
4,3
7,3
5,8
7,6
6,3
12,1
11,6
9,5
9,7
11,5
10,6
11,8
9,0
9,1
8,4
11,4
10,3
12,2
11,3
1,2
1,2
2,8
2,6
1,9
2.0
3,1
2,6
1,2
2,2
2,2
2,1
2,3
2,4
2,6
2,5
2,3
2,1
2,4
2,0
валовое, Fo
экстрагируемое, Fэ
Отношение Fo / Fэ
0,545
0,41
1,3
0,98
0,69
1,4
0,57
0,41
1,4
4,05
2,20
1,8
3,40
2,30
1,5
3,005
2,2
1,9
4,53
2,65
1,7
3,01
1,8
1,7
4,18
2,165
1,9
2,865
1,6
1,8
Примечание: 1 — вне зоны прямого влияния промышленных предприятий; 2 — под факелом алюминиевого завода (КрАЗ; БрАЗ)
41
ИЗУЧЕНИЕ СОРБЦИИ ФТОРА В ЛИСТЬЯХ ДРЕВЕСНЫХ РАСТЕНИЙ…
Отношение валового содержания фтора к экст-
ной системы ультраструктуры. Физиологическое
рагируемому широко изменяется в зависимости от
равновесие ионов в клетке играет первостепенную
вида растения. При этом для устойчивых видов
роль в поддержании структурной целостности и
характерно большее увеличение в содержании
функционирования
валового фтора по сравнению с экстрагируемым.
проявления токсического действия солей является
Так как токсичность вещества для организма оп-
антагонистическое и синергетическое взаимоот-
ределяется скоростью его метаболизации и ней-
ношение различных ионов в растении [13]. Из это-
трализации, то перевод подвижных ионов фтора
го следует, что чем эффективнее осуществляется в
(экстрагируемый) в неподвижные (разница между
растении перевод токсичных ионов в неподвиж-
концентрацией валового фтора и экстрагируемо-
ные соединения, тем устойчивее оказывается дан-
го) может служить оценочным параметром, опре-
ный вид.
деляющим устойчивость растений.
организма.
Первопричиной
Устойчивость растений к поступающему в
Хорошим параметром, позволяющим оценить
ткань фтору будет зависеть от способности орга-
способность растительного организма связывать
низма переводить токсикант в нерастворимые, не
поступающий активный фтор в неподвижные со-
участвующие в физиологических процессах фор-
единения (например, фтористый кальций), может
мы, т.е. от наличия в ткани элементов с высокой
служить отношение общего количества фтора к
осаждающей способностью. Установлено, что с
его экстрагируемой водорастворимой части (Ф0/
увеличением повреждения возрастает количество
ФЭ). В целом у устойчивости видов во всех орга-
вымываемого фтора [14]. Это говорит о том, что
нах растений данное отношение существенно
гибель организма наступает после полного связы-
больше. Наиболее тесная связь обнаружена между
вания фтором свободных ионов, т.е. заполнения
содержанием валового фтора и концентрацией
буферных способностей организма, когда количе-
кальция (r=0,90). Самый низкий коэффициент
ство поступающих фтор-ионов превышает спо-
корреляции между содержанием валового фтора и
собность данного растения обезвредить их.
концентрацией фосфора (r=0,49). Высоки парные
Полученные данные по связыванию фторид-
коэффициенты корреляции между содержанием
ионов в растертой навеске листьев подтверждают
валового фтора и количеством калия (r=0,84), а
все отмеченное выше (табл.2). С увеличением сте-
также зольность (r=0,87).
пени сорбции возрастает устойчивость растений к
Химический состав растений, произрастающих
фторсодержащим эмиссиям.
на одной территории, может существенно отличаться из-за разных потребностей организма в
минеральных элементах. Составляющие элементы
Выводы
находятся в строго сбалансированном состоянии.
Одним из основных параметров, определяю-
"Поскольку каждый из ионов выполняет некую
щих устойчивость растений, является их способ-
специфическую для него функцию, то, естествен-
ность связывать поступающие токсичные вещест-
но, ионный гомеостаз должен характеризоваться
ва в неподвижные, не участвующие в физиологи-
определенным отношением между отдельными
ческих процессах соединения с последующим
ионами, и отклонения в таком соотношении обыч-
удалением во время осеннего опадения листьев.
но сопровождаются изменением клеточной функциональной активности" [12, с. 151]. Нарушение
ионного равновесия внутриклеточного раствора
создает предпосылку общего расстройства строй-
И.Н. ПАВЛОВ
42
Таблица 2
Оценка устойчивости древесных растений в СЗЗ алюминиевых заводов по степени сорбции фтора
Вид
Поглощение F-, % от исход-
Состояние в СЗЗ алюминиевого
ной концентрации
завода (0,5—1,0 км)
Сосна обыкновенная
3
Лиственница сибирская
10
Ель сибирская
6
Черемуха обыкновенная
10
Береза повислая
17
сильный некроз
Тополь дрожащий
24
средняя площадь листа
Жимолость татарская
20
менее 30% от контроля
Карагана древовидная
39
Кизильник черноплодный
30
незначительный некроз
Тополь бальзамический
35
листьев
Ива козья
53
средняя площадь листа
Ива корзиночная
41
30—55 % от контроля
Вяз приземистый
34
Сирень венгерская
37
Установленная повышенная устойчивость рас-
гибель
1973. 167 с.
тений, имеющих высокие показатели зольности,
2. Смит У.Х. Поглощение загрязняющих
определяет важность дополнительного внесения
веществ растениями // Загрязнение воздуха и
питательных веществ. При этом в составе пита-
жизнь растений. Л., 1988. С. 461-499.
тельной смеси должны доминировать элементы, в
которых у растений в условиях техногенного загрязнения возрастает потребность.
Разработан экспресс-способ определения устойчивости древесных растений к выбросам промышленных предприятий, содержащих фтористые
соединения. Способ основан на определении степени сорбции ионов фтора растертой навеской
листьев.
По результатам лабораторных опытов и поле-
3. Кабата-Пендиас А., Пендиас Л. Микроэлементы в почвах и растениях. М., 1989. 439 с.
4. Томас М.Д. Влияние загрязнения атмосферного воздуха на растения // Загрязнение атмосферного воздуха. Женева, 1962. С. 251-306.
5. Илькун Г.М. Загрязненность атмосферы и
растения. Киев, 1978. 247 с.
6. Николаевский В.С. Биологические основы
газоустойчивости растений. Новосибирск, 1979.
280 с.
вых исследований к устойчивым видам, рекомен-
7. Филимонова Л.Г. Геохимия фтора в зоне
дуемым для культивирования в СЗЗ алюминиевых
гипергенеза областей многолетней мерзлоты. М.,
заводов, следует отнести: карагану древовидную,
1977. 152 с.
кизильник черноплодный, тополь бальзамический,
иву козью, иву корзиночную, вяз приземистый,
сирень венгерскую.
8. Габович Р.Д. Фтор и его гигиеническое
значение. М., 1957. 251 с.
9. Пашова В.Т. Фтор в почвах и растениях //
Агрохимия. 1980. №10. С. 165-171.
Литература:
1. Перельман А.И. Геохимия биосферы. М.,
10. Davison A.W., Marsland A., Betts W.E. A
proposed rapid test for suscepility to gaseous fluorides
ИЗУЧЕНИЕ СОРБЦИИ ФТОРА В ЛИСТЬЯХ ДРЕВЕСНЫХ РАСТЕНИЙ
// Environ. Pollut. 1974. Vol. 7. №4. p. 269-282.
43
тельных систем. Киев, 1983. 368 с.
11. Временные методические рекомендации
14. Азимов Р.А. Физиологическая роль каль-
по контролю загрязнения почв / Под ред.
ция в солеустойчивости растений. Автореф. дис. ...
С.Г. Малахова. М., 1983. Ч.1. 128 с.
д-ра биолог.наук. Ташкент, 1974. 51c .
12. Спектрографическое определение глав-
15. Илькун Г.М., Мотрук В.В. Поглощение
ных компонентов силикатных, горных пород и
растениями фтора из воздуха вблизи алюиминие-
минерального сырья. ЦНИИГРИ, СНИИГИМС,
вых предприятий // Газоустойчивость растений.
ВИМС, М., 1974. 125 с.
Учен. записки Пермск. ун-та. Пермь, 1976. C. 103-
13. Гродзинский Д.М. Надежность расти-
112.
Поступило в редакцию 22.04.98