Основные факторы накопления химических элементов организмами

БИОЛОГИЯ ОСНОВНЫЕ ФАКТОРЫ НАКОПЛЕНИЯ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ ОРГАНИЗМАМИ В. А. АЛЕКСЕЕНКО Ростовский государственный университет, Ростов-на-Дону

ВВЕДЕНИЕ

PRIMARY FACTORS OF ACCUMULATION OF CHEMICAL ELEMENTS BY ORGANISMS V. A. ALEKSEENKO

The primary factors of the accumulation of chemical elements by organisms are described. Particularly, the relation between the concentration of chemical elements and the properties of their respective ions is shown.

© Алексеенко В.А., 2001

Рассмотрены основные факторы накопления химических элементов организмами. Уделено внимание связи концентрации химических элементов со свойствами их ионов.

20

К числу наиболее важных проблем геохимии биосферы относится установление закономерностей накопления химических элементов живыми организмами. Об этом писал В.И. Вернадский еще в 1921–1922 годах: “Каков состав живого вещества? Знаем ли мы его и можем ли мы о нем говорить так же, как мы говорим о составе, например, минералов или горных пород?” Положительного ответа на эти вопросы до сих пор не дано [1]. Однако появилось уже довольно много данных о составе организмов. Причем больше всего данных о составе растений, и особенно о концентрации в них металлов, получено в связи с массовым проведением поисков месторождений полезных ископаемых биогеохимическими методами. Нахождение химических элементов в живых организмах рассматривается как особая биогенная форма нахождения химических элементов в природе1. По сравнению с другими формами нахождения она является одной из наиболее сложных. В живых организмах химические элементы могут образовывать минералы (с характерным для них пространственным размещением атомов), ионные (и, вероятно, коллоидные) растворы, газовые смеси. Суммарное количество каждого из химических элементов, составляющих живые организмы, определяется сложным сочетанием нескольких факторов. Их можно условно объединить в три большие группы: 1) внутренние, биохимические факторы, определяемые биологическим особенностями конкретного вида организмов; 2) внешние, ландшафтно-геохимические факторы, определяемые условиями среды обитания организмов; 1

www.issep.rssi.ru

Под формой нахождения химических элементов понимаются системы различных относительно устойчивых химических равновесий этих элементов. В природе различных форм нахождения элементов много, в пределах биосферы значительно меньше (минеральная, водные растворы, газовые смеси, состояние рассеяния и др.).

С О Р О С О В С К И Й О Б РА З О В АТ Е Л Ь Н Ы Й Ж У Р Н А Л , Т О М 7 , № 8 , 2 0 0 1

БИОЛОГИЯ 3) внутренние, кристаллохимические факторы, определяемые свойствами ионов, входящих в состав растений и животных. Значимость определенной группы и даже отдельных факторов в некоторых случаях может возрастать и становиться определяющей.

lgC × 102 Pb

1,0

БИОХИМИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ Для отдельных видов растений и животных характерны определенные диапазоны концентрации химических элементов. В свое время даже предполагалась возможность классификации организмов в зависимости от их химического состава. Величины средних содержаний одного и того же элемента в различных видах растений, произрастающих в одинаковых условиях, часто колеблются в 2–5 раз. В условиях аномально высоких концентраций определенного элемента в среде обитания организмов разница в содержаниях этого элемента в различных видах растений возрастает. Так, в районе г. Каменска-Шахтинского, где в результате антропогенного загрязнения содержание Zn в почвах увеличилось в сотни раз, среднее содержание этого металла в золе листьев вяза стало 6,8 ⋅ 10− 3 %, дуба – 17,3 ⋅ 10− 3 %, а тополя – 73,0 ⋅ 10− 3 %. При этом тополь начинает засыхать, а у дуба изменяются размеры и морфология листьев. Концентрация элементов в различных видах животных организмов, особенно с учетом скелетных образований, даже в обычных условиях отличаются еще больше, иногда на несколько порядков. Так, скелет многих фораминифер состоит практически из СаСО3 , большинства радиолярий – из SiO2 , а радиолярий отряда Acantharia – из SrSO4 . В организме корненожек ксанофиофора содержатся гранулы BaSO4 . Число подобных примеров можно продолжать довольно долго. Особо следует отметить существование организмовконцентраторов и деконцентраторов определенных элементов. В первых всегда (независимо от содержания в питающей среде или продуктах питания) данный элемент находится в существенно повышенных концентрациях, а во вторых – в пониженных. Концентрация большинства элементов различна в разных органах растительных (рис. 1) и животных организмов. Иногда в одном и том же животном она может изменяться в десятки раз. Определенные типы органических тканей могут вызвать образование в живом организме даже минералов с очень высокой концентрацией многих элементов. Так, для целлюлозы и пектинов характерно образование по стенках клеток кальцита; в раковиных моллюсков с белком конхиалином связаны кальцит и арагонит, а в костях позвоночных с белком коллагеном связан ОН-апатит. В одной и той же части живого организма концентрация химических элементов существенно изменяет-

0,5

0

Cu

Pb Cu

1

Cu

2

Pb

3

Cu Pb

4

Рис. 1. Содержание свинца и меди в различных частях растения сасыр: 1 – листья, 2 – черенки листьев, 3 – плодоносящий побег, 4 – семена

ся в зависимости от фазы его развития и возраста. Так, например, содержание Pb в васильке в зависимости от фазы развития изменяется в 3–4 раза, а наибольшие различия характерны для участков с повышенным содержанием металла в питающей среде (рис. 2). В листьях старой березы содержание Zn в 1,5, в ветвях в 2 раза, а в коре в 1,5 раза выше, чем в этих же частях молодых берез. Аналогичных данных о животных пока меньше, но достоверно установлено, что по крайней мере концентрация элементов в скелетных образованиях изменяется в зависимости от фазы развития (возраста) этих животных. При этом могут изменяться не только концентрации, но и форма нахождения химических элементов. Многие элементы из растворов и сложных металлорганических соединений переходят в минеральную форму (обычно в скелетные образования). lgC × 102 4

3

2

1

0

Б В Г Д

I

А Б В Г Д

II

В Г Д

III

Рис. 2. Содержание свинца в васильке в различные фенологические фазы развития: I – над рудной зоной, II, III – над безрудными участками; А – зацветание, Б – цветение, В – отцветание, Г – образование семян, Д – созревание семян

А Л Е К С Е Е Н К О В . А . О С Н О В Н Ы Е Ф А К Т О Р Ы Н А К О П Л Е Н И Я Х И М И Ч Е С К И Х Э Л Е М Е Н Т О В О Р ГА Н И З М А М И

21

БИОЛОГИЯ Содержание отдельных элементов во многом зависит от биологических связей между элементами в организмах [2]. Изменение концентрации одного элемента в организме вызывает изменение содержания другого (других) химического элемента. Говоря об этой закономерности, следует отметить, что она объясняется и биологической ролью этих элементов в организме, и особенностями строения ионов поглощаемых элементов. Так, например, четкая связь между Pb и Мо в растениях может объясняться биологической ролью этих элементов. При незначительных поступлениях Pb в растения в нем увеличивается содержание Мо. Несколько упрощенно это можно объяснить так: Мо входит в состав многочисленной группы ферментов энергетического обмена клеток, а Pb их ингибирует. Таким образом можно считать, что положительная корреляция содержания этих металлов в растениях является свидетельством нормальной жизнеспособности организма, отвечающего усиленным образованием ферментов на токсичный Pb. Избыточное поступление Pb в растения (у отдельных видов разные его пороговые значения) нарушают ранее существовавшие связи. Развитие организма существенно ухудшается, и количество Мо, необходимого растению, уменьшается. Начинает проявляться отрицательная корреляция между содержаниями рассматриваемых металлов [3]. Результатом этого является образование отрицательных биогеохимических аномалий Мо в растениях, произрастающих в зонах полиметаллических месторождений (рис. 3) и участках с техногенным загрязнением почв свинцом. В других случаях связь между определенными элементами в организмах определяется химическими (геохимическими) свойствами ионов этих элементов. Из многочисленных подтверждений этого остановимся на нескольких. Исследования Херд-Каррер [4] показали, что в исследуемой большой группе растений, несмотря на значительные различия в поглощении серы и селена, отношение поглощенной серы к поглощенному селену остается практически неизменным у всех видов. Если мы сравним основные показатели, характеризующие ионы серы и селена, то увидим, что они близки (табл. 1). Еще один пример: в раковинах современных моллюсков Каспийского моря повсеместно отмечается четкая положительная корреляция между содержаниями стронция и бария. Обычно коэффициент корреляции между этими элементами на илистых грунтах в раковинах Cardium du le Lam. +0,81. Но даже на песчаных осадках, содержащих в сотни раз меньше Ва, чем илы (а в воде его содержание крайне мало и примерно в 200 раз меньше, чем Sr), величина коэффициента корреляции остается постоянно значимой, опускаясь все-

22

3660

4145 2680

4150

3650 3180 4160 3640

70°

3630 2657 3160 4175 3620 14041 80° 14056

4190

3140 85° 3551

75° 14070

3125

4209 1

2

3

4

5

7

8

9

10 4160 11

6 85° 12

Рис. 3. Отрицательная биогеохимическая молибденовая аномалия над свинцово-цинковым месторождением: 1 – известняки; 2 – рудовмещающие доломиты; 3 – граниты; 4 – диабазовые порфириты; 5 – разрывные нарушения; 6 – контур аномалии; 7–10 – места отбора проб и содержание в них молибдена (в %): 7 – меньше 5 ⋅ 10− 4, 8 – 5 ⋅ 10− 4, 9 – n ⋅ 10− 3, 10 – n ⋅ 10− 2; 11 – номера проб; 12 – элементы залегания горных пород

го до +0,54. Таким образом, и в этом случае совместно накапливаются элементы с близкими величинами показателей, характеризующих их ионы (см. табл. 1). При избытке в ландшафте Sr (и при обязательном недостатке Са) в костях животных организмов (включая человека) в 5–6 раз возрастает концентрация Sr [5]. При этом возникает тяжелая, так называемая уровская болезнь. Близость величин показателей, характеризующих ионы обоих металлов (см. табл. 1), явно не случайна. Замещаются элементы с близкими величинами этих показателей. У многих организмов ярко выражен биологический барьер накопления для определенных химических элементов. Те же из них, у которых он отсутствует, при резком повышении содержания химических элементов в питающей среде или в продуктах питания погибают [6].

С О Р О С О В С К И Й О Б РА З О В АТ Е Л Ь Н Ы Й Ж У Р Н А Л , Т О М 7 , № 8 , 2 0 0 1

БИОЛОГИЯ Таблица 1. Характеристика ионов некоторых химических элементов 1 Эле- Геохимические показатели, характеризующие ионы мент W Ri ЭК VЭК Картль ЭО In

S Se Ca Sr Ba

−2 +6 −2 +6 +2 +2 +2

1,74 0,34 1,9 0,35 1,06 1,27 1,43

1,15 0,57 1,1 – 1,69 1,53 1,35

0,57 – 0,55 – 0,84 0,77 0,67

1,15 17,65 1,05 17,14 1,88 1,58 1,40

– 375 – 350 135 125 115

10,3 9,75 6,11 5,69 5,8

1

W – геохимическая валентность (валентность иона в природных геохимических системах); Ri – радиусы идеализированных шаровидных ионов; ЭК – энергетический коэффициент, определяется по формуле: ЭКан = W 2 /(2Ri); ЭКкат = W 2 /(2Ri) ⋅ [0,75(Ri + 0,2)], где Ri – величина радиуса иона в А; VЭК – энергетический коэффициент единицы валентности (понятия об ЭКах и VЭКах введены А.Е. Ферсманом); Картль – ионный потенциал Картледжа, показатель прочности ионных образований и комплексных ионов; ЭО (электроотрицательность) – энергия притяжения данным ионом валентных электронов при соединении с другими ионами, ккал/г-ат; In – потенциал ионизации (энергия, необходимая для отрыва электрона от атома, выражена в эВ).

ЛАНДШАФТНО-ГЕОХИМИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ Содержание химических элементов в одинаковых частях одного вида растений может существенно изменяться при изменении ландшафтно-геохимических условий их произрастания. Влияние ландшафтно-геохимических условий на накопление химических элементов сказывается и на животных организмах в основном через растения. Рассмотрим примеры влияния отдельных ландшафтно-геохимических факторов. Ландшафтно-геохимическая обстановка во многом определяется составом почвообразующих горных пород. Их изменение, как правило, приводит к изменению концентрации элементов не только в почвах, но и в растениях (табл. 2). Важным показателем ландшафтно-геохимической обстановки является рельеф. В определенных условиях этот классификационный показатель может оказывать весьма существенное влияние и на распределение некоторых металлов в растениях. Примером может служить детально изученный район в Центральном Казахстане (табл. 3). При прочих равных условиях в ландшафтах, подверженных воздушной эрозии, и ландшафтах с отложением эолового материала почвы и растения отличаются содержанием некоторых металлов. Процессы техногенеза способствуют увеличению контрастности этих отличий. Так, в районе г. Новороссийска в растениях ландшафтов с отложением эолового материала техногенной природы в десятки раз повышается концентрация Pb, Zn и других тяжелых металлов.

Таблица 2. Фоновые содержания (n ⋅ 10− 3 %) металлов в золе полыни, произрастающей над различными породами (Джунгарский Алатау) Породы

Число проб Pb

Сланцы рудовмещающей свиты Диабазовые порфириты Граниты Эффузивно-туфогенные породы

Zn

Cu

Mo 3

51

8,0

30

50

24 97 112

1,4 1,9 2,0

14 13 19

9,6 1,3 3,9 1,1 10 2,0

Довольно часто в ландшафте происходят изменения, которые мы обычно не фиксируем непосредственно (например, изменения состава почвенных газов), но на которые чутко реагируют растения. В результате при прочих одинаковых ландшафтно-геохимических условиях изменяются только растительные комплексы и ассоциации. И в этих случаях наблюдается изменение концентрации и распределения некоторых элементов в одном и том же виде растения (табл. 4). КРИСТАЛЛОХИМИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ Долгое время в отечественной биогеохимии господствовало мнение, в соответствии с которым накопление Таблица 3. Распределение элементов в золе кустарника баялыча из ландшафтов, отличающихся только по геоморфологическим особенностям (Центральный Казахстан) Геоморфологическая структура

Эле- Содержания Аномальмент фоновые, % ные1

Выровненная поверхность Долинообразное понижение Склон Выровненная поверхность

Cr Cr Cu Cu

0,002 0,001 0,007 0,008

0,006 0,0036 0,013 0,04

1

В зависимости от разброса содержания от минимальному к максимальному резко меняются величины аномальных концентраций химических элементов при практически одинаковом фоновом содержании. Чем больше разброс содержания (дисперсия), тем больше величина аномального содержания.

Таблица 4. Содержание металлов в золе ковыля из ландшафтов, отличающихся только растительными ассоциациями и комплексами Ассоциации комплекс

Элемент

Таволгополыннозлаковая

Pb Mo Cu Ba

Кустарниково-злаковый

Pb Mo Cu Ba

Число проб

Содержания, % фоновые

аномальные

235

0,005 0,0002 0,010 0,088

0,023 0,0017 0,093 0,379

675

0,005 0,0004 0,011 0,085

0,014 0,0027 0,092 0,184

А Л Е К С Е Е Н К О В . А . О С Н О В Н Ы Е Ф А К Т О Р Ы Н А К О П Л Е Н И Я Х И М И Ч Е С К И Х Э Л Е М Е Н Т О В О Р ГА Н И З М А М И

23

БИОЛОГИЯ элементов будто бы определялось степенью эволюции, на которой организмы постепенно освобождались от множества геохимических функций и нуждались лишь в физиологических функциях отдельных элементов, которые (функции) были обстоятельно рассмотрены К. Пиршле еще в 1932 году. В зарубежной литературе [8] встречались предположения о связи физиологического поведения элементов с величиной ионов: “Физиологическое поведение элементов… скорее всего, зависит от величины ионов и ионных радиусов”. Приведенный материал о биохимических факторах поглощения элементов позволяет считать, что их значительная часть не только попадает в организмы в ионной форме, но и распределяется в них в соответствии с особенностями ионов. Для растений одним из основных показателей элементов является коэффициент биологического поглощения (КБП). Он представляет собой отношение содержания определенного химического элемента в золе растений к содержанию этого же элемента в питающей среде. КБП может определяться для растительных организмов биосферы в целом, а также для определенного вида растений как в биосфере, так и в определенном регионе. Наиболее общую (биосферную) информацию дает КБП растений в целом. Он определяется по отношению среднего содержания химического элемента в растениях к кларку литосферы. Правильнее было бы брать кларки почв, но имеющиеся сейчас данные о средних содержаниях элементов в почвах недостаточно точны. Одну из первых полных сводок о КБП сделал в 1969 году С.М. Ткалич. Позже сводка неоднократно уточнялась. Данные последнего уточнения, проведенного совместно с В.В. Добровольским, использовались при анализе связи между КБП и энергетическими коэффициентами (ЭК) элементов. Выяснилось, что с увеличением энергетических коэффициентов химических элементов резко уменьшается их относительное биологическое накопление, определяемое КБП [9]. Таким образом, можно считать, что установлена в общем виде связь между накоплением растительными организмами химических элементов и характеристиками ионов этих элементов. Это позволяет говорить о первостепенной роли ионов в питании растений, а также предполагать наличие общих законов миграции химических элементов как в косной части биосферы, так и в живых организмах. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Формирование химическое состава организмов определяется несколькими факторами. Важнейшие из них объединены в три большие группы. Биохимические факторы определяются в основном биологическими особенностями различных видов организмов, их возрастом и биохимическими законо-

24

мерностями связи между элементами в организмах. Содержание одних и тех же химических элементов в различных частях организмов может изменяться в широких пределах. Ландшафтно-геохимические факторы связаны с условиями среды обитания организмов. В последнее время эти условия часто стали определяться деятельностью людей. Влияние ландшафтно-геохимических факторов на концентрацию организмами химических элементов велико. Часто внешние факторы контролируют и возможность развития самих организмов в различных частях биосферы. Роль кристаллохимических факторов в формировании химического состава начали изучать сравнительно недавно. Однако полученная информация позволяет предполагать наличие общих законов миграции химических элементов в живых организмах и косной части биосферы. ЛИТЕРАТУРА 1. Вернадский В.И. Химический состав живого вещества в связи с химией земной коры: Труды по биогеохимии почв. М.: Наука, 1992. 2. Алексеенко В.А. Связь между металлами в растениях и ее использование при биогеохимических поисках. Тез. докл. 1 Всесоюз. совещ. по палеобиогеохимии. Баку: АГУ, 1969. 3. Султанов К.М., Алексеенко В.А., Войткевич Г.В. К вопросу о закономерностях связи между элементами в организмах и необходимости их учета при проведении биогеохимических и палеобиогеохимических исследованиях // Учен. зап. Азерб. гос. ун-та. Сер. геол.-геогр. наук. 1970. № 4. 4. Hurd-Karrer M. Factors Affecting the Absorption of Selenium from Soils by Plants // I. Agr. Pres. 1935. Vol. 50. 5. Перельман А.И. Геохимия элементов в зоне гипергенеза. М.: Недра, 1972. 6. Ковалевский А.Л. Биогеохимические поиски рудных месторождений. М.: Недра, 1984. 7. Pirschle K. Untersuchungen über die physiologische Wirkung homologer Jonenreihen, II Jb. Wiss. Bot. 1932. Bd. 76,8.1. 8. Thyssen St.V. Geochemische und pflanzenbiologische Zusammenhänge im Lichte der angewandten Geophysik. 1942. 10. 9. Алексеенко В.А. О закономерностях накопления химических элементов растениями // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. 1994.

Рецензент статьи Ю.А. Шуколюков *** Владимир Алексеевич Алексеенко, доктор геологоминералогических наук, профессор, академик РАЕН, МАН ВШ и АН Молдовы, заслуженный деятель науки и техники РФ, директор новороссийского Научно-исследовательского института геохимии биосферы при Ростовском государственном университете. Область научных интересов – три взаимосвязанных направления: геохимия рудных месторождений, геохимические методы поисков месторождений, геохимия биосферы (экологическая геохимия). Автор более 250 научных работ, из которых 30 монографий, учебников для вузов, карты государственного издания.

С О Р О С О В С К И Й О Б РА З О В АТ Е Л Ь Н Ы Й Ж У Р Н А Л , Т О М 7 , № 8 , 2 0 0 1