Помощь студентам в учебе
ДИНАМИКА ИЗМЕНЕНИЯ ЭЛЕМЕНТНОГО СОСТАВА ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ ПО ДАННЫМ ИЗУЧЕНИЯ ГЕРБАРНЫХ И СОВРЕМЕННЫХ СБОРОВ РАСТЕНИЙ ЮГА СИБИРИ
|
Введение 4
1 Использование растений в качестве индикатора изменений в геохимии
биосферы 9
1.1 Применение метода биогеохимической индикации в условиях техногенеза 9
1.2 Использование травянистых и кустарничковых растений в изучении
техногенной трансформации биосферы 14
2 Изменение биосферы под воздействием ядерного техногенеза 20
2.1 Характеристика геохимических особенностей биосферы доядерного
периода 20
2.2 Характеристика геохимических особенностей биосферы ядерного периода 28
2.3 Характеристика геохимических особенностей биосферы современного
периода 35
3 Методика исследований и методы анализа 40
3.1 Методика отбора проб 40
3.2 Методы анализа 40
3.2.1 Инструментальный нейтронно-активационный анализ 42
3.2.2 Масс-спектрометрия с индуктивно связанной плазмой 44
3.2.3. Альфа-спектрометрия с радиохимической подготовкой проб 45
3.3 Методика обработки результатов 47
3.4 Г еоэкологическая характеристика района исследований 49
4 Элементный состав растений как индикатор геоэкологической обстановки
на территории юга Сибири 52
4.1 Видовые особенности концентрирования химических элементов в
растениях юга Сибири 52
4.2 Индикаторные свойства элементного состава черники обыкновенной
(Vaccinium myrtillus) 61
4.3 Индикаторные свойства элементного состава брусники (Vaccinium
vitis-idaea) 73
4.4 Индикаторные свойства элементного состава лабазника вязолистного
(Filipendula Ulmaria (L) Maхim) 83
4.5 Отражение процессов металлизации биосферы в элементном составе
растений юга Сибири 94
5 Историческая реконструкция изменения элементного состава растений
на территории юга Сибири 102
5.1 Динамика изменения элементного состава черники обыкновенной
(Vaccinium myrtillus) 102
5.2 Динамика изменения элементного состава брусники
(Vaccinium vitis-idaea) 108
5.3 Динамика изменения элементного состава лабазника вязолистного
(Filipendula Ulmaria (L) MaKim) 112
5.4 Тенденции изменения элементного состава растений юга Сибири в
условиях ядерного техногенеза 120
6 Динамика содержания плутония в чернике обыкновенной(Уасстшт myrtillus) и лабазнике вязолистном (Filipendula Ulmaria (L) Maxim) на территории
юга Сибири 128
6.1 Распространенность плутония в живых организмах 128
6.2 Содержание плутония в составе растений на территории Томской области и
Республики Алтай 132
Заключение 141
Список литературы 143
Приложение А (обязательное). Гистограммы распределения химических
элементов (на 12 листах) 164
Приложение Б (обязательное). Матрицы корреляционных связей химических
элементов (на 3 листах) 176
Приложение В (обязательное). Динамика содержания химических элементов в
чернике обыкновенной (Vaccinium myrtillus) (на 28листах) 179
Приложение Г (обязательное). Динамика содержания химических элементов в
бруснике (Vaccinium vitis-idaea) (на 28 листах) 207
Приложение Д (обязательное). Динамика содержания химических элементов в лабазнике вязолистном (Filipendula Ulmaria (L) Maxim) (на 28листах) 235
1 Использование растений в качестве индикатора изменений в геохимии
биосферы 9
1.1 Применение метода биогеохимической индикации в условиях техногенеза 9
1.2 Использование травянистых и кустарничковых растений в изучении
техногенной трансформации биосферы 14
2 Изменение биосферы под воздействием ядерного техногенеза 20
2.1 Характеристика геохимических особенностей биосферы доядерного
периода 20
2.2 Характеристика геохимических особенностей биосферы ядерного периода 28
2.3 Характеристика геохимических особенностей биосферы современного
периода 35
3 Методика исследований и методы анализа 40
3.1 Методика отбора проб 40
3.2 Методы анализа 40
3.2.1 Инструментальный нейтронно-активационный анализ 42
3.2.2 Масс-спектрометрия с индуктивно связанной плазмой 44
3.2.3. Альфа-спектрометрия с радиохимической подготовкой проб 45
3.3 Методика обработки результатов 47
3.4 Г еоэкологическая характеристика района исследований 49
4 Элементный состав растений как индикатор геоэкологической обстановки
на территории юга Сибири 52
4.1 Видовые особенности концентрирования химических элементов в
растениях юга Сибири 52
4.2 Индикаторные свойства элементного состава черники обыкновенной
(Vaccinium myrtillus) 61
4.3 Индикаторные свойства элементного состава брусники (Vaccinium
vitis-idaea) 73
4.4 Индикаторные свойства элементного состава лабазника вязолистного
(Filipendula Ulmaria (L) Maхim) 83
4.5 Отражение процессов металлизации биосферы в элементном составе
растений юга Сибири 94
5 Историческая реконструкция изменения элементного состава растений
на территории юга Сибири 102
5.1 Динамика изменения элементного состава черники обыкновенной
(Vaccinium myrtillus) 102
5.2 Динамика изменения элементного состава брусники
(Vaccinium vitis-idaea) 108
5.3 Динамика изменения элементного состава лабазника вязолистного
(Filipendula Ulmaria (L) MaKim) 112
5.4 Тенденции изменения элементного состава растений юга Сибири в
условиях ядерного техногенеза 120
6 Динамика содержания плутония в чернике обыкновенной(Уасстшт myrtillus) и лабазнике вязолистном (Filipendula Ulmaria (L) Maxim) на территории
юга Сибири 128
6.1 Распространенность плутония в живых организмах 128
6.2 Содержание плутония в составе растений на территории Томской области и
Республики Алтай 132
Заключение 141
Список литературы 143
Приложение А (обязательное). Гистограммы распределения химических
элементов (на 12 листах) 164
Приложение Б (обязательное). Матрицы корреляционных связей химических
элементов (на 3 листах) 176
Приложение В (обязательное). Динамика содержания химических элементов в
чернике обыкновенной (Vaccinium myrtillus) (на 28листах) 179
Приложение Г (обязательное). Динамика содержания химических элементов в
бруснике (Vaccinium vitis-idaea) (на 28 листах) 207
Приложение Д (обязательное). Динамика содержания химических элементов в лабазнике вязолистном (Filipendula Ulmaria (L) Maxim) (на 28листах) 235
Актуальность работы. С появлением и развитием человечества происходит постоянное изменение геохимического состава природных сред. В результате техногенеза увеличивается концентрирование и рассеивание существующих химических элементов, создаются новые, созданные человеком вещества и изотопы, происходит их перераспределение между земными оболочками (Вернадский, 1922, 1939, 1940, 1954, 1983; Виноградов 1932, 1952, 1954, 1 957, 1958; Ковальский, 1974, 1982, 2 009; Ермаков, 2003, 2008, 2009; Рихванов, 2004, 2005, 2006, 2007, 2009; Алексеенко, 2005; Мотузова, 2013 и мн. др.). Глобальное изменение биосферы в результате техногенеза ярко демонстрируют работы ученых, исследующих депонирующие среды, накопление химических элементов в которых можно привязать к определенному отрезку времени. Ряд авторов показывают это на примере льдов, донных отложений, торфа, годовых колец деревьев (Небел, 1993; Гавшин, 2003; Olivier, 2003; Межибор, 2009; Страховенко, 2011; Робертус, 2013; Рихванов, 2015 и др.). Весьма показательными являются работы, демонстрирующие изменение концентрации и распределение по разрезам почв, торфов и других депонирующих сред изотопов радиоактивных элементов, в частности - плутония, америция цезия (Гавшин, 1993, 1999; Гребенщикова, 2009, 2010; Страховенко, 2011; Gautthier- Lafaye, 2007), что характеризует изменения, возникшие под влиянием процессов ядерного техногенеза.
Одним из недостатков данных методов может являться возможность перераспределения отдельных химических элементов внутри изучаемого объекта в силу различных причин.
На наш взгляд, для изучения процессов изменения химического элементного состава биосферы, включая определение радиоактивных элементов и изотопов, весьма эффективным является использование гербарного растительного материала однолетних растений. Это дает возможность непосредственно определить концентрации химических элементов в растении в определенном времени и провести реконструкцию как глобальных, так и локальных изменений природной среды и биоты. Подобные работы активно проводятся за рубежом (Herpin, 1997; Shotbolt, 2007; Weiss, 1999; Lavoie, 2013; Minganti, 2014 и др.), но в России пока единичны (Удачин, 2012). Исследования в этом направлении позволяют получить новые знания об этапах эволюции природных сред и провести историческую реконструкцию динамики изменения элементного состава растений обширных территорий.
Целью работы является выявление индикаторных показателей состава и соотношения элементов в гербарных и современных сборах растений для определения экологогеохимической специфики территории и динамики изменения элементного состава растений.
Для реализации данной цели были поставлены и решены следующие задачи:
• определение среднего содержания химических элементов и установление их соотношений в трех видах растений юга Сибири;
• изучение специфики накопления химических элементов в каждом виде растений на локальных территориях с разной спецификой природно-техногенных условий и установление индикационных показателей их концентрирования и соотношения;
• выявление тенденций изменения содержания химических элементов во времени;
• установление динамики развития ядерного техногенеза, путем изучения содержания химических элементов на разных этапах развития биосферы и определение изотопов плутония в некоторых видах растений юга Сибири.
Основные защищаемые положения.
1. Элементный состав и показатели соотношения элементов в материале гербарных и современных сборов растений (черника (Vaccinium myrtillus), брусника (Vaccinium vitis-idaea), лабазник (Filipendula Ulmaria (L))) являются индикаторами природных обстановок их произрастания и особенностей техногенной трансформации территорий юга Сибири. Накопление в растениях специфичных химических элементов (Cr, Fe, Со) отражает глобальную тенденцию металлизации биосферы.
2. Исследование изменения содержаний и соотношений химических элементов от раннего временного периода (с 1912 года) к современному позволяют установить тенденцию концентрирования в растениях юга Сибири Na, Ca, Sc, As, Sr, La, Sm, Yb, Lu, Hf, Au и уменьшении содержания серебра вне их видовой принадлежности. При этом установлена локальная специфика накопления растениями в Томской области Co, Ce, Eu, U и в Алтайском регионе Cr, Fe, Sb, Ba, Tb.
3. Измеряемо значимые активности 239Pu и 238Pu обнаруживаются в гербарных сборах растений юга Сибири, отобранных только в период с 1945 по 1963 год, тогда как в период доядерного техногенеза (до 1945 года) они не обнаруживаются на детектируемом уровне измерения. В современный временной период изотопы Pu в изученных растениях обнаруживаются только в Томском районе, где функционирует предприятие ядерно-топливного цикла.
Фактический материал и методы исследования. Информационной базой исследования стали гербарные и современные сборы растений (черника обыкновенная (Vaccinium myrtillus), брусника (Vaccinium vitis-idaea) и лабазник вязолистный (Filipendula Ulmaria (L) Михии) гербария П.Н. Крылова «НИ Томского государственного университета» и гербария Центрального сибирского ботанического сада СО РАН, материалы специалистов кафедры геоэкологии и геохимии «НИ Томский политехнический университет», а также собственные данные опробования растительного материала. Отбор проб растительного и гербарного материала, пробоподготовка, альфа-спектрометрический анализ с радиохимической подготовкой проб, обработка результатов проводилась лично автором. Общее количество проанализированных проб составило 259 растений (надземная часть). Проведен отбор проб почв на территории Томской области (78 проб) в местах отбора растительного сырья. Все аналитические исследования проведены с использованием современных методов анализа: масс- спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой (ИСП-МС) в химико-аналитической производственной лаборатории Института геохимии им.А.П. Виноградова СО РАН (г. Иркутск), инструментальный нейтронно-активационный анализ (ИНАА) в лаборатории эколого-геохимических методов исследования природных сред на ядерном реакторе ТПУ (г. Томск), альфа-спектрометрия с радиохимической подготовкой проб в лаборатории изотопной спектрометрии МИНОЦ «Урановая геология» (г. Томск) с подтверждением результатов в лабораториях г. Москвы и г. Архангельска. Все указанные лаборатории имеют аккредитацию и аттестацию. Внутренний и внешний контроль качества измерений показал удовлетворительную сходимость результатов.
Научная новизна работы заключается в следующем:
• Получены новые знания количественных характеристик содержания 58 (в том числе изотопов плутония) химических элементов в чернике обыкновенной (Vaccinium myrtillus), бруснике (Vaccinium vitis-idaea) и лабазнике вязолистном (Filipendula Ulmaria (L) Maxim) территории юга Сибири.
• Выявлены особенности элементного состава растений и показатели соотношений элементов на локальных территориях районов Томской, Новосибирской областей, Красноярского края, Республики Хакасия, Алтайского региона, отличающихся разными эколого-геохимическими характеристиками и ландшафтно-геохимическими условиями.
• Впервые использован гербарный растительный материал для проведения исторической реконструкции изменения геохимии природных сред и выявления индикаторов техногенеза для юга Сибири.
• Установлены тенденции изменения содержания химических элементов в трех видах растений за период более чем 110 лет на территории юга Сибири.
• Выявлены региональные тенденции изменения содержания химических элементов в растениях и влияния техногенеза на эти процессы.
• Установлены измеряемо значимые активности изотопов плутония в растениях в период ядерных испытаний в атмосфере и в современном периоде.
• Получены новые знания об отношении изотопов плутония (238Pu/ 239Pu) в растениях.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и результатов обеспечивается применением отработанной методики отбора статистически значимого количества проб материала трех видов биоиндикаторов, изученных современными высокочувствительными аналитическими методами, использованием современных программ обработки полученных данных, а также глубиной проработки литературы по теме исследования и полученных результатов.
Статистическая обработка данных проводилась при уровне надежности 95%. Для проверки гипотезы о нормальном распределении элементов в выборке применялись критерии Пирсона и Колмогорова-Смирнова. Для сравнения значимости различий между двумя выборками использовались критерий Стьюдента или U-критерий Манна-Уитни, различия принимались значимыми при p-уровне от 0,001 до 0,01.
Практическая значимость:
• Создана база для определения фоновых уровней накопления элементов в растениях юга Сибири в доядерный период, характеризующийся отсутствием интенсивного техногенеза, что может быть использовано в качестве реперных показателей в биогеохимических исследованиях при глобальном и региональном мониторинге территорий;
• Знания о содержании макро- и микроэлементов в растениях позволяют определять их пригодность для использования в качестве лекарственного сырья для производства лекарственных средств и нормировать содержание опасных компонентов, а так же целенаправленно использовать их для профилактики и лечения заболеваний человека, в частности комплексной терапии микроэлементозов.
• Материалы работы использовались в подготовке разделов учебных курсов: «Геоэкология», «Геохимия и геохимический мониторинг природной среды», «Медицинская геология» и «Биогеохимия», читаемых для бакалавров направления «Геоэкология» и магистров по направлению «Экология и природопользование».
Апробация работы и публикации. Основные результаты работы были обсуждены на межвузовских и международных научных и научно-практических конференциях: Международном научном симпозиуме студентов, аспирантов и молодых ученых имени академика М.А. Усова «Проблемы геологии и освоения недр» (г. Томск, 2012 г., 2016 г.), VII Международной научно-практической конференции «Тяжелые металлы и радионуклиды в окружающей среде» (Казахстан, г. Семипалатинск, 2012 г.), международной заочной научнопрактической конференции «Актуальные вопросы в научной работе и образовательной деятельности» (Тамбов, 2015 г.), IX Международной биогеохимической школе: Биогеохимия техногенеза и современные проблемы геохимической экологии (Барнаул, 2015), конференции «Геология в развивающемся мире» (Пермь, 2015). Результаты опубликованы в виде 6 статей в сборниках общероссийских и международных конференций и две - в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав и заключения, изложенных на 163 страницах машинописного текста, включает 52 таблицы, 85 рисунков и 5 приложений. В списке литературы 265 источника.
Личный вклад автора. Автором лично выполнен отбор проб растительных образцов и подготовка к анализу надземной части черники обыкновенной (Vaccinium myrtillus), брусники (Vaccinium vitis-idaea) и лабазника вязолистного (Filipendula Ulmaria (L) Maxim) в 2011 и 2012гг., а также отобран гербарный материал растений, предоставленных гербариями П.Н. Крылова «НИ Томского государственного университета» и Центрального сибирского ботанического сада СО РАН. В местах отбора растений в Томской области выполнен отбор проб почв и подготовка их к анализу. Проведен альфа-спектрометрический анализ с радиохимической подготовкой проб растительного материала гербарных и современных сборов растений. Проведена статистическая обработка полученных результатов анализов ICP-MS, ИНАА, альфа-спектрометрии. На этой основе определены индикационные показатели и тенденции изменения содержания химических элементов во времени в трех видах растений юга Сибири, а также по отдельным регионам (Томская область, Республика Алтай) и некоторым населенным пунктам. Анализ полученных результатов проводился под контролем руководителя.
Благодарности. Автор работы выражает глубокую и искреннюю благодарность научному руководителю профессору, доктору биологических наук Наталье Владимировне Барановской и профессору, доктору геолого-минералогических наук Леониду Петровичу Рихванову за ценные советы, критический взгляд, всестороннюю помощь и поддержку на протяжении всего периода выполнения работы.
Автор благодарит сотрудников гербария П.Н. Крылова «НИ Томского государственного университета» И.И. Гурееву, М.В. Олонову, Н.В. Курбатскую; а также сотрудников Центрального сибирского ботанического сада СО РАН И.Г. Боярских и С.А. Красникову за предоставление проб гербарного материала для исследования.
Автор благодарен исполнителям аналитических исследований: А.Ф. Судыко, Л.В. Богутской, И.Е. Васильевой (Иркутск).
За помощь и ценные рекомендации автор приносит благодарность сотрудникам кафедры ГЭГХ: д.г.-м.н., С.И. Арбузову, д.г.-м.н. Е.Г. Язикову к.х.н. Н.А. Осиповой, к.г.н. Н.П. Соболевой, кандидатам г.-м.н.: И.С. Соболеву, Л.В. Жорняк, Д.В. Наркович, Д.В., зав. лабораторией Г.А. Бабченко, аспирантам А.А. Кудагелдинову, Б.Р. Соктоеву, А.Р. Ялалтдиновой, Е.А. Филимоненко а так же всем другим сотрудникам кафедры за поддержку.
Особую благодарность автор выражает своей семье и мужу, их терпение и понимание помогли работе состояться.
Одним из недостатков данных методов может являться возможность перераспределения отдельных химических элементов внутри изучаемого объекта в силу различных причин.
На наш взгляд, для изучения процессов изменения химического элементного состава биосферы, включая определение радиоактивных элементов и изотопов, весьма эффективным является использование гербарного растительного материала однолетних растений. Это дает возможность непосредственно определить концентрации химических элементов в растении в определенном времени и провести реконструкцию как глобальных, так и локальных изменений природной среды и биоты. Подобные работы активно проводятся за рубежом (Herpin, 1997; Shotbolt, 2007; Weiss, 1999; Lavoie, 2013; Minganti, 2014 и др.), но в России пока единичны (Удачин, 2012). Исследования в этом направлении позволяют получить новые знания об этапах эволюции природных сред и провести историческую реконструкцию динамики изменения элементного состава растений обширных территорий.
Целью работы является выявление индикаторных показателей состава и соотношения элементов в гербарных и современных сборах растений для определения экологогеохимической специфики территории и динамики изменения элементного состава растений.
Для реализации данной цели были поставлены и решены следующие задачи:
• определение среднего содержания химических элементов и установление их соотношений в трех видах растений юга Сибири;
• изучение специфики накопления химических элементов в каждом виде растений на локальных территориях с разной спецификой природно-техногенных условий и установление индикационных показателей их концентрирования и соотношения;
• выявление тенденций изменения содержания химических элементов во времени;
• установление динамики развития ядерного техногенеза, путем изучения содержания химических элементов на разных этапах развития биосферы и определение изотопов плутония в некоторых видах растений юга Сибири.
Основные защищаемые положения.
1. Элементный состав и показатели соотношения элементов в материале гербарных и современных сборов растений (черника (Vaccinium myrtillus), брусника (Vaccinium vitis-idaea), лабазник (Filipendula Ulmaria (L))) являются индикаторами природных обстановок их произрастания и особенностей техногенной трансформации территорий юга Сибири. Накопление в растениях специфичных химических элементов (Cr, Fe, Со) отражает глобальную тенденцию металлизации биосферы.
2. Исследование изменения содержаний и соотношений химических элементов от раннего временного периода (с 1912 года) к современному позволяют установить тенденцию концентрирования в растениях юга Сибири Na, Ca, Sc, As, Sr, La, Sm, Yb, Lu, Hf, Au и уменьшении содержания серебра вне их видовой принадлежности. При этом установлена локальная специфика накопления растениями в Томской области Co, Ce, Eu, U и в Алтайском регионе Cr, Fe, Sb, Ba, Tb.
3. Измеряемо значимые активности 239Pu и 238Pu обнаруживаются в гербарных сборах растений юга Сибири, отобранных только в период с 1945 по 1963 год, тогда как в период доядерного техногенеза (до 1945 года) они не обнаруживаются на детектируемом уровне измерения. В современный временной период изотопы Pu в изученных растениях обнаруживаются только в Томском районе, где функционирует предприятие ядерно-топливного цикла.
Фактический материал и методы исследования. Информационной базой исследования стали гербарные и современные сборы растений (черника обыкновенная (Vaccinium myrtillus), брусника (Vaccinium vitis-idaea) и лабазник вязолистный (Filipendula Ulmaria (L) Михии) гербария П.Н. Крылова «НИ Томского государственного университета» и гербария Центрального сибирского ботанического сада СО РАН, материалы специалистов кафедры геоэкологии и геохимии «НИ Томский политехнический университет», а также собственные данные опробования растительного материала. Отбор проб растительного и гербарного материала, пробоподготовка, альфа-спектрометрический анализ с радиохимической подготовкой проб, обработка результатов проводилась лично автором. Общее количество проанализированных проб составило 259 растений (надземная часть). Проведен отбор проб почв на территории Томской области (78 проб) в местах отбора растительного сырья. Все аналитические исследования проведены с использованием современных методов анализа: масс- спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой (ИСП-МС) в химико-аналитической производственной лаборатории Института геохимии им.А.П. Виноградова СО РАН (г. Иркутск), инструментальный нейтронно-активационный анализ (ИНАА) в лаборатории эколого-геохимических методов исследования природных сред на ядерном реакторе ТПУ (г. Томск), альфа-спектрометрия с радиохимической подготовкой проб в лаборатории изотопной спектрометрии МИНОЦ «Урановая геология» (г. Томск) с подтверждением результатов в лабораториях г. Москвы и г. Архангельска. Все указанные лаборатории имеют аккредитацию и аттестацию. Внутренний и внешний контроль качества измерений показал удовлетворительную сходимость результатов.
Научная новизна работы заключается в следующем:
• Получены новые знания количественных характеристик содержания 58 (в том числе изотопов плутония) химических элементов в чернике обыкновенной (Vaccinium myrtillus), бруснике (Vaccinium vitis-idaea) и лабазнике вязолистном (Filipendula Ulmaria (L) Maxim) территории юга Сибири.
• Выявлены особенности элементного состава растений и показатели соотношений элементов на локальных территориях районов Томской, Новосибирской областей, Красноярского края, Республики Хакасия, Алтайского региона, отличающихся разными эколого-геохимическими характеристиками и ландшафтно-геохимическими условиями.
• Впервые использован гербарный растительный материал для проведения исторической реконструкции изменения геохимии природных сред и выявления индикаторов техногенеза для юга Сибири.
• Установлены тенденции изменения содержания химических элементов в трех видах растений за период более чем 110 лет на территории юга Сибири.
• Выявлены региональные тенденции изменения содержания химических элементов в растениях и влияния техногенеза на эти процессы.
• Установлены измеряемо значимые активности изотопов плутония в растениях в период ядерных испытаний в атмосфере и в современном периоде.
• Получены новые знания об отношении изотопов плутония (238Pu/ 239Pu) в растениях.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и результатов обеспечивается применением отработанной методики отбора статистически значимого количества проб материала трех видов биоиндикаторов, изученных современными высокочувствительными аналитическими методами, использованием современных программ обработки полученных данных, а также глубиной проработки литературы по теме исследования и полученных результатов.
Статистическая обработка данных проводилась при уровне надежности 95%. Для проверки гипотезы о нормальном распределении элементов в выборке применялись критерии Пирсона и Колмогорова-Смирнова. Для сравнения значимости различий между двумя выборками использовались критерий Стьюдента или U-критерий Манна-Уитни, различия принимались значимыми при p-уровне от 0,001 до 0,01.
Практическая значимость:
• Создана база для определения фоновых уровней накопления элементов в растениях юга Сибири в доядерный период, характеризующийся отсутствием интенсивного техногенеза, что может быть использовано в качестве реперных показателей в биогеохимических исследованиях при глобальном и региональном мониторинге территорий;
• Знания о содержании макро- и микроэлементов в растениях позволяют определять их пригодность для использования в качестве лекарственного сырья для производства лекарственных средств и нормировать содержание опасных компонентов, а так же целенаправленно использовать их для профилактики и лечения заболеваний человека, в частности комплексной терапии микроэлементозов.
• Материалы работы использовались в подготовке разделов учебных курсов: «Геоэкология», «Геохимия и геохимический мониторинг природной среды», «Медицинская геология» и «Биогеохимия», читаемых для бакалавров направления «Геоэкология» и магистров по направлению «Экология и природопользование».
Апробация работы и публикации. Основные результаты работы были обсуждены на межвузовских и международных научных и научно-практических конференциях: Международном научном симпозиуме студентов, аспирантов и молодых ученых имени академика М.А. Усова «Проблемы геологии и освоения недр» (г. Томск, 2012 г., 2016 г.), VII Международной научно-практической конференции «Тяжелые металлы и радионуклиды в окружающей среде» (Казахстан, г. Семипалатинск, 2012 г.), международной заочной научнопрактической конференции «Актуальные вопросы в научной работе и образовательной деятельности» (Тамбов, 2015 г.), IX Международной биогеохимической школе: Биогеохимия техногенеза и современные проблемы геохимической экологии (Барнаул, 2015), конференции «Геология в развивающемся мире» (Пермь, 2015). Результаты опубликованы в виде 6 статей в сборниках общероссийских и международных конференций и две - в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав и заключения, изложенных на 163 страницах машинописного текста, включает 52 таблицы, 85 рисунков и 5 приложений. В списке литературы 265 источника.
Личный вклад автора. Автором лично выполнен отбор проб растительных образцов и подготовка к анализу надземной части черники обыкновенной (Vaccinium myrtillus), брусники (Vaccinium vitis-idaea) и лабазника вязолистного (Filipendula Ulmaria (L) Maxim) в 2011 и 2012гг., а также отобран гербарный материал растений, предоставленных гербариями П.Н. Крылова «НИ Томского государственного университета» и Центрального сибирского ботанического сада СО РАН. В местах отбора растений в Томской области выполнен отбор проб почв и подготовка их к анализу. Проведен альфа-спектрометрический анализ с радиохимической подготовкой проб растительного материала гербарных и современных сборов растений. Проведена статистическая обработка полученных результатов анализов ICP-MS, ИНАА, альфа-спектрометрии. На этой основе определены индикационные показатели и тенденции изменения содержания химических элементов во времени в трех видах растений юга Сибири, а также по отдельным регионам (Томская область, Республика Алтай) и некоторым населенным пунктам. Анализ полученных результатов проводился под контролем руководителя.
Благодарности. Автор работы выражает глубокую и искреннюю благодарность научному руководителю профессору, доктору биологических наук Наталье Владимировне Барановской и профессору, доктору геолого-минералогических наук Леониду Петровичу Рихванову за ценные советы, критический взгляд, всестороннюю помощь и поддержку на протяжении всего периода выполнения работы.
Автор благодарит сотрудников гербария П.Н. Крылова «НИ Томского государственного университета» И.И. Гурееву, М.В. Олонову, Н.В. Курбатскую; а также сотрудников Центрального сибирского ботанического сада СО РАН И.Г. Боярских и С.А. Красникову за предоставление проб гербарного материала для исследования.
Автор благодарен исполнителям аналитических исследований: А.Ф. Судыко, Л.В. Богутской, И.Е. Васильевой (Иркутск).
За помощь и ценные рекомендации автор приносит благодарность сотрудникам кафедры ГЭГХ: д.г.-м.н., С.И. Арбузову, д.г.-м.н. Е.Г. Язикову к.х.н. Н.А. Осиповой, к.г.н. Н.П. Соболевой, кандидатам г.-м.н.: И.С. Соболеву, Л.В. Жорняк, Д.В. Наркович, Д.В., зав. лабораторией Г.А. Бабченко, аспирантам А.А. Кудагелдинову, Б.Р. Соктоеву, А.Р. Ялалтдиновой, Е.А. Филимоненко а так же всем другим сотрудникам кафедры за поддержку.
Особую благодарность автор выражает своей семье и мужу, их терпение и понимание помогли работе состояться.
Использование гербарного и современного материала растений для исторической реконструкции изменения геохимии биосферы и выявления изменений, происходящих в природной среде в местах произрастания растений позволило установить специфику техногенеза юга Сибири и локальных территорий в частности.
В целом работа позволила прийти к следующим выводам:
1. Установлено содержание 58 (в том числе изотопов плутония) химических элементов в чернике обыкновенной (Vaccinium myrtillus) и бруснике (Vaccinium vitis-idaea) юга Сибири и содержание 30 (в том числе изотопов плутония) химических элементов в лабазнике вязолистном (Filipendula Ulmaria (L) M^im). Рассчитаны средние содержания 28 химических элементов в каждом виде растений.
2. Установлено существование положительных и отрицательных взаимосвязей между различными элементами и их группами, которые характеризуют природные и техногенные аномалии.
3. На основе анализа гербарного и современного растительного материала выявлено, что тенденцию к накоплению к современному периоду имеют такие элементы как Na, Ca, Sc, As, Sr, La, Sm, Yb, Lu, Hf, Au, что свидетельствует о процессах металлизации биосферы.
4. Историческая реконструкция динамики изменения элементного состава природной среды на территории юга Сибири, основанная на изучении гербарного растительного материала, выявила 9 тенденций изменения элементного состава черники обыкновенной (Vaccinium myrtillus), бтенденций изменения элементного состава брусники (Vaccinium vitis - idaea) и 9 тенденций лабазника вязолистного (Filipendula Ulmaria (L) Maхim).
5. Установлено, что в ядерный период в изученных видах растений Томской области идет накопление Rb, а в постядерный период с 1964 по 1986 гг. в растениях концентрируются такие элементы как Sc, Co, La, Ce, Nd, Sm, Eu, Hf, Au, U.
6. Особенностями развития техногенеза Республики Алтай является поступление в изученные виды растений в современном периоде с 1987 по 2012гг. таких элементов как Ca, Sc, Cr, Fe, Sb, Ba, La, Nd, Sm, Tb, Yb, Lu. В доядерный период с 1886 по 1944 гг. изученные растения Алтая в большей степени были обогащены Rb и Ta.
7. В современный временной период изотопы Pu обнаруживаются только в Томском регионе на уровне 0,15 Бк/кг 239Pu и 0,06 Бк/кг 238Pu, что, с высокой долей вероятности, объясняется функционированием в этой местности плутониевых производств на Сибирском химическом комбинате.
8. Отношение изотопов 238Pu к 239Pu для растительности юга Сибири колеблется от 0,3 до 2,7 в материале гербарных сборов, характеризующих ядерный временной период. В Томском районе в современный период этот показатель составляет 0,4. Эти показатели значительно выше, чем показатели этого отношения, взятые за характеристику глобальных аэрозольных выпадений от испытания ядерного оружия в атмосфере около 0,02 - 0,04 при изучении почв, донных отложений, льда, воды. Это как нам представляется обусловлено спецификой миграции и накопления 238Pu в живом веществе.
Таким образом, изменение химического состава растений ярко отражает развитие ядерного техногенеза на протяжении более 100 лет. Результатом открытия явления радиоактивности и использования ядерной энергии человек безвозвратно изменил состав биосферы, изотопы плутония и других трансурановых элементов обнаруживаются во всех природных средах, в том числе растительности. На основе полученных результатов установлено, что идет металлизация биосферы, увеличение содержания многих элементов в растениях в современном периоде на порядок превышает содержания в доядерном периоде.
В целом работа позволила прийти к следующим выводам:
1. Установлено содержание 58 (в том числе изотопов плутония) химических элементов в чернике обыкновенной (Vaccinium myrtillus) и бруснике (Vaccinium vitis-idaea) юга Сибири и содержание 30 (в том числе изотопов плутония) химических элементов в лабазнике вязолистном (Filipendula Ulmaria (L) M^im). Рассчитаны средние содержания 28 химических элементов в каждом виде растений.
2. Установлено существование положительных и отрицательных взаимосвязей между различными элементами и их группами, которые характеризуют природные и техногенные аномалии.
3. На основе анализа гербарного и современного растительного материала выявлено, что тенденцию к накоплению к современному периоду имеют такие элементы как Na, Ca, Sc, As, Sr, La, Sm, Yb, Lu, Hf, Au, что свидетельствует о процессах металлизации биосферы.
4. Историческая реконструкция динамики изменения элементного состава природной среды на территории юга Сибири, основанная на изучении гербарного растительного материала, выявила 9 тенденций изменения элементного состава черники обыкновенной (Vaccinium myrtillus), бтенденций изменения элементного состава брусники (Vaccinium vitis - idaea) и 9 тенденций лабазника вязолистного (Filipendula Ulmaria (L) Maхim).
5. Установлено, что в ядерный период в изученных видах растений Томской области идет накопление Rb, а в постядерный период с 1964 по 1986 гг. в растениях концентрируются такие элементы как Sc, Co, La, Ce, Nd, Sm, Eu, Hf, Au, U.
6. Особенностями развития техногенеза Республики Алтай является поступление в изученные виды растений в современном периоде с 1987 по 2012гг. таких элементов как Ca, Sc, Cr, Fe, Sb, Ba, La, Nd, Sm, Tb, Yb, Lu. В доядерный период с 1886 по 1944 гг. изученные растения Алтая в большей степени были обогащены Rb и Ta.
7. В современный временной период изотопы Pu обнаруживаются только в Томском регионе на уровне 0,15 Бк/кг 239Pu и 0,06 Бк/кг 238Pu, что, с высокой долей вероятности, объясняется функционированием в этой местности плутониевых производств на Сибирском химическом комбинате.
8. Отношение изотопов 238Pu к 239Pu для растительности юга Сибири колеблется от 0,3 до 2,7 в материале гербарных сборов, характеризующих ядерный временной период. В Томском районе в современный период этот показатель составляет 0,4. Эти показатели значительно выше, чем показатели этого отношения, взятые за характеристику глобальных аэрозольных выпадений от испытания ядерного оружия в атмосфере около 0,02 - 0,04 при изучении почв, донных отложений, льда, воды. Это как нам представляется обусловлено спецификой миграции и накопления 238Pu в живом веществе.
Таким образом, изменение химического состава растений ярко отражает развитие ядерного техногенеза на протяжении более 100 лет. Результатом открытия явления радиоактивности и использования ядерной энергии человек безвозвратно изменил состав биосферы, изотопы плутония и других трансурановых элементов обнаруживаются во всех природных средах, в том числе растительности. На основе полученных результатов установлено, что идет металлизация биосферы, увеличение содержания многих элементов в растениях в современном периоде на порядок превышает содержания в доядерном периоде.