ЭКОЛОГО-БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ
ИССЛЕДОВАНИЯ В ЗАПАДНОЙ СИБИРИ

Горные породы — почвы — воды — растения — животные — человек — все это звенья биогеохимической цепи миграции химических элементов в биосфере, объединяющей в единое целое царства живой и неживой природы.

А.Сысо, зав. лабораторией биогеохимии почв
ИПА СО РАН, кандидат биологических наук

Почвы представляют собой центральное звено этой цепи, сосредоточение разнообразных химических, физико-химических и биологических связей между минеральным и биологическим мирами, результат их взаимодействия. Познание закономерностей формирования элементного химического состава почв, аккумуляции в них элементов, способности отдавать последние растениям и водам — важная научная и практическая задача. Ее решение позволяет выяснить роль почв в поддержании природно обусловленного потока элементов в биосфере и противостоянии его антропогенному изменению, оценивать природные биогеохимические особенности территорий и особенно устойчивость их почвенного покрова к антропогенному воздействию. Полученная информация становится основой рекомендаций по улучшению снабжения биологически важными микроэлементами растений, животных и человека, а также защиты их от поллютантов, прежде всего от тяжелых металлов.

Решением перечисленных выше задач в Институте почвоведения и агрохимии СО РАН занимается лаборатория биогеохимии почв. Некоторые результаты исследований и сделанные на их основе выводы, мы приводим ниже.

Изучение элементного химического состава почв, растений и вод показало, что Западная Сибирь представляет сложный в биогеохимическом отношении регион. Здесь имеются обширные территории с пониженным и повышенным естественным содержанием макро- и микроэлементов в объектах природной среды. Они приурочены к различным природным зонам и геоморфологическим структурам и различаются между собой по составу и количеству элементов движущихся по пищевой цепи.

Наиболее хорошо геохимические особенности региона отражает содержание B, I, Br, F, Sr, Li в объектах природной среды. На засушливом юге, в лесостепной и степной зонах на пониженных Барабинской, Кулундинской, Ишимской равнинах, где господствуют засоленные аккумулятивные ландшафты, ранее В.Ильиным и А.Аникиной уже была выделена биогеохимическая область борного засоления. Возникновение ее тесно связано с протянувшимся от реки Обь до Уральских гор галогеохимическим поясом, выделенным еще в 30-х годах Е.Ферсманом. Исследования последних лет показали, что здесь, наряду с бором, в пищевую цепь могут поступать избыточные количества Sr, F, I и Br. Высокие концентрации F, I, Br и неблагоприятное для животных и человека отношение Ca/Sr характерны для засоленных вод и почв аккумулятивных ландшафтов, где преимущественно расположены кормовые угодья. Поэтому проблема избытка названных элементов — прежде всего животноводческая, и об этом свидетельствуют выявленные здесь эндемические заболевания животных.

Для населения указанных равнин важное значение приобретает избыток B и Br в питьевых водах, вызывающий заболевания желудочно-кишечного тракта.

Иная картина наблюдается в таежной зоне Западной Сибири и Новосибирском Приобье и Присалаирье, где в почвах и водах найдено малое количество подвижных F и I, а у населения и животных обнаружен их хронический дефицит, вызывающий заболевания эндокринной системы и кариес. Недостаток этих галогенов в питьевых водах особенно актуален для жителей крупных городов (Новосибирск, Барнаул и др.). Здесь, из-за жесткой химической очистки, концентрация их снижается до критически низкого уровня (если в водах Оби содержание F и I составляет соответственно 600 и 10 мкг/л, то в водопроводной воде оно не превышает 250 и 3–4 мкг/л).

Валовое содержание многих макро- и микроэлементов в почвах диктуется литологическими особенностями почвообразующих пород, их минералогическим и гранулометрическим составом, а также направлением почвообразовательного процесса. Наиболее высокое количество P, As, Zn, Cu, Co, Mo, Cr, Ni и других элементов выявлено в почвообразующих породах и почвах в районах, тяготеющих к горному окаймлению Западно-Сибирской равнины, богатому различными рудопроявлениями. Здесь природное содержание в почвах такого токсичного элемента, как As часто превышает установленную в России его предельно допустимую концентрацию (ПДК). Это дало основание проф. В.Ильину выделить такие территории в качестве биогеохимической провинции с высоким валовым содержанием As в почвах. В отличие от B, F, I, Br, Sr, избыточное валовое содержание которых в почвах находит почти адекватное отражение в концентрации их подвижной формы в почвах и накоплении в водах и растениях, для As, Zn, Cu, Cr и Ni ничего подобного не отмечено. Большая часть As в почвах находится в труднорастворимой форме, а растениям доступно не более 1% от валового содержания элемента. Аналогичная ситуация, по-видимому, характерна и для других элементов (Zn, Cu, Co, Cr, Ni). Поэтому даже при высоком содержании в почвах Zn, Cu, Co, количество их, поступающее в биогеохимическую цепь, часто оказывается недостаточным для нормального протекания процессов метаболизма в растениях, у животных и человека.

Анализ геологической, геохимической и иной информации, наши исследования говорят о том, что возникновение мышьяковой провинции, и вероятное нахождение других подобных (молибденовой), может быть связано с наличием на юго-востоке Западной Сибири ореолов рассеяния рудных минералов, выделяемых геологами в качестве разнообразных минералогических провинций.

Подвижность Mo и V заметно изменяется под влиянием почвообразовательного процесса, что может приводить к избыточному их накоплению в растениях и водах, а также нарушению оптимального для животных и человека отношения с другими элементами, например Cu:Mo. Еще сильнее условия почвообразования влияют на поступление в пищевую цепь Fe и Mn. В южных районах Западной Сибири, прежде всего в Кулунде, где валовые запасы этих элементов в почвах невелики, а из-за щелочной реакции среды и окислительной обстановки подвижность мала, растения, животные и человек могут испытывать дефицит Fe и Mn. На территориях же с влажным климатом, где преобладают почвы с кислой реакции среды (преимущественно таежная зона Западной Сибири), напротив, наблюдается высокая подвижность Fe и Mn в почвах и избыточное поступление их в пищевую цепь.

Все выше сказанное касается формирования природно обусловленного пула макро- и микроэлементов в пищевой цепи. В настоящее же время антропогенное воздействие на окружающую среду привело к количественно-качественному изменению пула мигрирующих в биосфере химических элементов. В биогеохимическом цикле произошло: а) уменьшение количества элементов-биофилов; б) нарушение соотношений между элементами; в) увеличение доли токсичных веществ. Это отрицательно сказалось на минеральной полноценности и экологической безопасности растительной продукции и отразилось на здоровье человека и животных. В Западной Сибири отмечено ухудшение минеральной полноценности и экологической безопасности растительной продукции, уменьшение продуктивности животных и способности их к воспроизводству. Среди населения Новосибирской области распространяются заболевания, связанные с дефицитом в пищевой цепи I, F, Zn, Cu, Co, Se и избытком Pb, Cd (эндемический зоб, сахарный диабет, половое недоразвитие детей и подростков, анемии и т.д.).

Выполненное нами обследование территории Западной Сибири показало, что антропогенное воздействие на окружающую среду привело к негативному изменению содержания элементов в звеньях пищевой цепи, локально наблюдается опасное загрязнение почв и растений тяжелыми металлами и другими элементами.

На пахотных землях, где производится большая часть растительной продукции, идущей в пищу человеку, а макро- и микроудобрения практически не применяются, усилился недостаток в растениях P, S, Zn, Cu, Co, I. Многие почвы формально пока еще остаются в рамках прежних градаций обеспеченности данными элементами. На фоне дефицита одних отмечается возрастающий избыток других элементов. В Барабе засоление осушенных низинных болот и орошение черноземов минерализованными водами, химическая мелиорация солонцов фосфогипсом, загрязнение окружающей среды выбросами ТЭЦ привело к увеличению поступления в пищевую цепь B, Mo, F, Br, Sr, а также Cr, Ni, которое пока не является опасным и не получило широкого распространения.

На территориях промышленных центров выявлены локальные очаги сильного техногенного загрязнения почв. Степень произошедших при этом нарушений состояния других объектов природной среды зависела от концентрации и химических свойств элементов-загрязнителей, способности почв инактивировать их, биологических особенностей растений. Исследования в Новосибирске, например, показали, что As, Zn, Cu, Mo, Pb, загрязняющие городскую среду, поступают преимущественно в малоподвижной форме, а большинство здешних почв обладают высокой буферной способностью по отношению к тяжелым металлам. Вследствие этого переход загрязнителей из почвы в растения может быть весьма ограничен. Сами растения способны регулировать поток поглощаемых ими химических элементов. Особенно жестко они контролируют накопление элементов в органах, которые чаще всего используются человеком в пищу. Ярким примером сказанного, служат данные об аккумуляции в растениях As: даже при содержании его в почве, превышающем 40 мг/кг почвы (2ПДК), концентрация As в растительной продукции соответствовала норме. То же можно сказать и о других элементах. Исключением является кадмий. Он, в силу ряда его специфических особенностей, оказался способным поступать в растения в избыточном количестве, даже тогда, когда уровень его валового содержания в почве не превышал ПДК.

В целом же оценивая биогеохимические ситуации, встречающиеся на изученных нами территориях, можно сказать, что основные проблемы здесь создают B, Br, F, I, Sr, Fe, Mn, Mo, Zn, Cu, Co, Pb, Cd, аномальное поступление которых в пищевую цепь обусловлено как природными, так и антропогенными причинами. Неясным пока остается участие в биогеохимическом круговороте Bi, Nb, Ce, Sc и других еще слабо изученных элементов. Эти элементы относятся к основным загрязнителям окружающей среды в Новосибирске, а также в повышенном количестве встречаются в почвообразующих породах почвах, поэтому изучение их статуса в почвах и поведения в системе почва-растение актуально. Результаты наших исследований легли в основу биогеохимического районирования Новосибирской области, далее предстоит аналогичное районирование всего юга Западной Сибири.