Коэффициент биологического поглощения

Живые организмы избирательно поглощают и накапливают химические элементы в своих телах. Именно благодаря этой способности содержание элементов в минеральной составляющей организмов (в золе) отличается от их содержания в природных средах.

Для оценки способности живых организмов поглощать и накапливать химические элементы Б.Б. Полыновым (1948) был предложен биогеохимический показатель – интенсивность поглощения химического элемента (А_х), который в дальнейшем А.И. Перельман (1975) предложил называть коэффициентом биологического поглощения (К_б, КБП). Данный коэффициент является важным при рассмотрении вопросов, связанных с биогенной миграцией химических элементов[7].

Коэффициент биологического поглощения рассчитывают по формуле:

где Р – содержание химического элемента в золе растения; П – содержание химического элемента в горной породе или почве, на которой произрастает данное растение.

Таким образом, К_б характеризует интенсивность поглощения организмом того или иного химического элемента и показывает, во сколько раз содержание элемента в золе определенного организма больше или меньше, чем в конкретной горной породе или почве.

Следует разграничивать понятия «коэффициент биологического поглощения» и «коэффициент биофильности», так как последний показатель рассчитывают на основе содержания элемента в живом веществе (в сырой массе организмов), а не в зольном остатке.

Расчет коэффициентов биологического поглощения в последующем дает возможность построения рядов интенсивности поглощения, в которых химические элементы располагают в порядке убывания значений их коэффициентов биологического поглощения. Например, ряд интенсивности поглощения химических элементов растениями ландыша майского, произрастающими в лесостепном Поволжье Самарской области, имеет следующий вид:

Cu (0, 53 [8]) > Co (0, 42) > Sr (0, 39) > Zn (0, 34) > V (0, 19) > Mn (0, 17) > Ni (0, 15) > Rb (0, 13) > > Cr (0, 02), Pb (0, 02) > Fe (0, 009) > Ti (0, 001)

Представленный ряд наглядно демонстрирует, что растения ландыша интенсивнее всего поглощают Cu, Co, Sr и Zn, в то время, как их потребность в Cr, Pb и, особенно, Fe и Ti минимальна.

В зависимости от величины коэффициента биологического поглощения все химические элементы можно разделить на две основные группы (табл. 8). Если К_б > 1 (то есть содержание элемента в золе больше, чем в компонентах литосферы), считают, что в течение жизни организм накапливает химический элемент и поэтому его относят к группе биологического накопления. Если К_б < 1 (содержание элемента в золе меньше, чем в литосфере), то такой химический элемент на протяжении жизни лишь захватывается организмом, и его относят к группе биологического захвата. При этом, как степень накопления химических элементов, так и степень их захвата может быть различной.

Коэффициент биологического поглощения не является константой, и даже у одного и того же биологического вида на протяжении жизни его величина может изменяться в 100-1000 раз. Подобные колебания обуславливают множество одновременно действующих факторов, все многообразие которых, тем не менее, можно свести к двум группам.

К первой группе относят факторы, связанные с самим живым организмом. Это: особенности морфологии его органов и тканей (главным образом, непосредственно контактирующих с окружающей природной средой); степень взаимодействия органов с компонентами окружающей природной среды (у растений – глубина проникновения корневой системы в почву); аттрагирующая[9] способность органов в отношении химических элемен-
Таблица 8

Ряды биологического поглощения химических элементов (по А.И. Перельману, 1975)

тов, обусловленная значением этих органов для поддержания жизнедеятельности организма; количественный и качественный состав эндо- и экзометаболитов органов, участвующих в процессах фиксации химических элементов; общее физиологическое состояние и интенсивность протекающих в организме процессов; физиологическая потребность организма в конкретном химическом элементе на определенном этапе жизни; непостоянство сезонного ритма прироста биомассы; продолжительность жизни организма (и длительность вегетации у растений); экологические особенности организма (потребность в тепле и влаге) и др.

Интересно отметить, что на величину К_б, помимо перечисленных факторов, влияет и происхождение организма. В частности, согласно классификации А.Д. Айвазяна (1974), все растения можно подразделить на гумидокатные (ель, береза, осина, мхи и др.), центры происхождения которых находятся в гумидных[10] областях, и ариданитные (полынь, ковыль, кермек, подсолнечник, кукуруза и др.), исторически возникшие в аридных[11] регионах. Формирование гумидокатных растений в гумидных условиях привело к тому, что они приспособились накапливать катионогенные элементы (Zn, Mn, Cu, Ag, Pb, Co, Sr, Ni, Cd), обладающие наибольшей подвижностью в этих климатических условиях. Особенностью ариданитных растений стало накопление анионогенных химических элементов (Mo, B, Cr, V, Ti, частично Zr), а также некоторых катионогенных элементов (Cu, Ag, Pb, Co, Sr, Ni, Cd), подвижность, а, следовательно, и доступность которых для растений в этих условиях обусловлена образованием растворимых комплексов с карбонатами и бикарбонатами.

Вторую группу составляют факторы окружающей организм природной среды. В частности, для наземных растений чрезвычайно важными оказываются характеристики почвенной среды (гранулометрический состав, окислительно-восстановительный потенциал, содержание в почве гумусовых веществ, карбонатов, оксидов, гидроксидов, фосфатов, концентрация ионов водорода, влагообеспеченность, обогащенность почвы метаболитами почвенных микроорганизмов и др.). Несомненное влияние на процессы поглощения и накопления химических элементов организмами оказывают и физико-химические свойства самих элементов и их соединений, климатические условия местообитания, а также техногенная деятельность человека, ведущая к трансформации характеристик окружающей среды.

Материалы и оборудование: калькулятор.

Задание 4.

Используя данные табл. 5 по фоновому содержанию химических элементов в почвах Самарской области и данные табл. 7, рассчитать коэффициенты биологического поглощения для двух видов древесных растений (на выбор – дуб черешчатый, липа мелколистная, клен платановидный), двух видов травянистых дикорастущих растений (ландыш майский, чистотел большой, мятлик луговой) и двух видов травянистых культурных растений (пшеница озимая, рожь посевная, подсолнечник). На основе полученных данных для каждого растения составить ряд интенсивности поглощения химических элементов. Руководствуясь табл. 8, проанализировать потребность растений в Ti, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn и Pb. Сравнить между собой интенсивность поглощения химических элементов у анализируемых видов в группах «древесное растение – древесное растение», «дикорастущее травянистое растение – дикорастущее травянистое растение», «культурное травянистое растение – культурное травянистое растение», а также «деревья – дикорастущие травы – культурные травы». Полученные выводы обосновать.

Рекомендации к работе. Для расчета содержания химического элемента в 1 кг золы растения необходимо знать, что средняя зольность[12] деревьев составляет 8%, дикорастущих трав – 9%, культурных трав – 10%.

В качестве примера рассчитаем содержание Ti в 1 кг золы, образующейся после сжигания 1 кг чистотела большого (табл. 7).

Во-первых, найдем, какое количество золы образуется при сжигании 1 кг воздушно-сухого вещества чистотела. Принимая во внимание, что при сжигании 1 кг чистотела (из 100% исходного вещества) образуется 9% золы, составим пропорцию:

То есть при сжигании 1 кг чистотела образуется 0, 09 кг золы.

Во-вторых, рассчитаем, какое количество Ti содержится в 1 кг (1000000 мг) золы чистотела. С учетом того, что 0, 09 кг (90000 мг) золы содержат 56, 95 мг Ti (содержание химического элемента не изменилось после сжигания растения), составим пропорцию:

Таким образом, содержание Ti в 1 кг золы чистотела большого составляет 632, 78 мг. Полученное числовое значение подставляем в числитель формулы (5).