Помощь студентам в учебе
ЭЛЕМЕНТНЫЙ СОСТАВ РАСТЕНИЙ СЕМЕЙСТВА РЯСКОВЫЕ (LEMNACEAE) КАК ИНДИКАТОР ЭКОЛОГО-ГЕОХИМИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ТЕРРИТОРИЙ
|
ВВЕДЕНИЕ 3
1. РАСТЕНИЯ СЕМЕЙСТВА РЯСКОВЫЕ КАК ОБЪЕКТ ЭКОГЕОХИМИЧЕСКОЙ
ИНДИКАЦИИ И ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА 10
1.1 Общая характеристика и сорбционные способности растений семейства рясковые 10
1.2. Факторы формирования элементного состава водных растений 21
2. ПОЛЕВЫЕ И АНАЛИТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 29
2.1. Полевые методы исследования 29
2.2. Аналитические методы исследования 32
2.3. Методика обработки результатов 35
3. ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ЭЛЕМЕНТНОГО И МИКРОМИНЕРАЛЬНО-
ФАЗОВОГО СОСТАВА РАСТЕНИЙ СЕМЕЙСТВА РЯСКОВЫЕ (LEMNACEAE) В УСЛОВИЯХ СЕЛИТЕБНЫХ ТЕРРИТОРИЙ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 39
3.1. Элементный состав по данным ИНАА и микроминерально-фазовый состав по данным
СЭМ растений семейства рясковые на территории селитебных районов Российской Федерации 39
3.2. Элементный состав по данным АЭС растений семейства рясковые на территории
селитебных районов Российской Федерации 71
4. РЕГИОНАЛЬНАЯ СПЕЦИФИКА ЭЛЕМЕНТНОГО СОСТАВА ВОДНЫХ
РАСТЕНИЙ СЕМЕЙСТВА РЯСКОВЫЕ НА ТЕРРИТОРИИ ТОМСКОЙ ОБЛАСТИ 82
4.1. Влияние видовой специфики рясковых на концентрирование химических элементов
на территории Томской области 82
4.2. Изменение элементного состава рясковых в зависимости от жизненного цикла
растений 84
4.3. Региональная специфика элементного состава рясковых на территории Томской
области 89
5. ИЗМЕНЕНИЕ ЭЛЕМЕНТНОГО СОСТАВА РЯСКОВЫХ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ
ГИДРОГЕОХИМИЧЕСКИХ И ЛИТОГЕОХИМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ СРЕДЫ 109
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 146
ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ 148
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 149
1. РАСТЕНИЯ СЕМЕЙСТВА РЯСКОВЫЕ КАК ОБЪЕКТ ЭКОГЕОХИМИЧЕСКОЙ
ИНДИКАЦИИ И ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА 10
1.1 Общая характеристика и сорбционные способности растений семейства рясковые 10
1.2. Факторы формирования элементного состава водных растений 21
2. ПОЛЕВЫЕ И АНАЛИТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 29
2.1. Полевые методы исследования 29
2.2. Аналитические методы исследования 32
2.3. Методика обработки результатов 35
3. ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ЭЛЕМЕНТНОГО И МИКРОМИНЕРАЛЬНО-
ФАЗОВОГО СОСТАВА РАСТЕНИЙ СЕМЕЙСТВА РЯСКОВЫЕ (LEMNACEAE) В УСЛОВИЯХ СЕЛИТЕБНЫХ ТЕРРИТОРИЙ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 39
3.1. Элементный состав по данным ИНАА и микроминерально-фазовый состав по данным
СЭМ растений семейства рясковые на территории селитебных районов Российской Федерации 39
3.2. Элементный состав по данным АЭС растений семейства рясковые на территории
селитебных районов Российской Федерации 71
4. РЕГИОНАЛЬНАЯ СПЕЦИФИКА ЭЛЕМЕНТНОГО СОСТАВА ВОДНЫХ
РАСТЕНИЙ СЕМЕЙСТВА РЯСКОВЫЕ НА ТЕРРИТОРИИ ТОМСКОЙ ОБЛАСТИ 82
4.1. Влияние видовой специфики рясковых на концентрирование химических элементов
на территории Томской области 82
4.2. Изменение элементного состава рясковых в зависимости от жизненного цикла
растений 84
4.3. Региональная специфика элементного состава рясковых на территории Томской
области 89
5. ИЗМЕНЕНИЕ ЭЛЕМЕНТНОГО СОСТАВА РЯСКОВЫХ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ
ГИДРОГЕОХИМИЧЕСКИХ И ЛИТОГЕОХИМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ СРЕДЫ 109
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 146
ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ 148
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 149
Актуальность работы. Одной из актуальных проблем геоэкологии и экогеохимии является поиск индикаторов состояния окружающей среды, характеризующихся универсальностью, объективностью оценки и высокой степенью встречаемости в различных природно-климатических районах (Никаноров и Жулидов, 1991; Рихванов и др., 2006; Ивашов и Пан, 2007; Барановская и др., 2011; Кургаева и Климентова, 2014). Особое внимание уделяется поиску биогеоиндикаторов, которые более чувствительны к другим компонентам природной среды, а также отражают степень влияния эколого-геохимических обстановок территорий на живой организм. Поиск подобных индикаторов особенно необходим для селитебных территорий, для которых характерен высокий уровень техногенного влияния.
Растения семейства рясковые (Lemnaceae) являются уникальным объектом, который нашел свое применение в фундаментальных и в прикладных науках. Фундаментальные основы по изучению биогеохимической специфики и биоаккумуляционной способности данного макрофита заложены в трудах ученых прошлого столетия (Вернадский В.И., А.П. Виноградов и других организаторов и участников лаборатории БИОГЕЛ (ныне Отдел живого вещества ГЕОХИ РАН им. В.И. Вернадского).
Возможность практического применения растений семейства рясковые изучается учеными разных стран (СНГ, Россия, США и другие) с получением патентов на использование их в качестве биодобавок в агротехнике, биоремедиаторов, биотоплива и в других областях (Axtell et al., 2003; Mkandawire et al., 2004, 2005; Sasmaza, Obek, 2009; Sobrino et al., 2010; Favas et al., 2012; Varga M et al., 2013; Sasmaz et al., 2015; Yahaya N. et al, 2022).
Рясковые имеют повсеместное распространение и отличаются простым морфологическим строением (Landolt, 1987), что делает их устойчивыми с точки зрения влияния широкого спектра факторов и условий среды. Рядом исследователей установлена высокая концентрационная способность растений по отношению к большинству химических веществ, что позволяет применять их для отчистки сточных вод (Favas et al., 2016; Sasmaz et al., 2016; Ekperusi et al., 2019). Рясковые отличаются способностью реагировать на изменение эколого-геохимического состояния окружающей среды посредством изменения собственного элементного состава в широких интервалах значений. К важнейшим особенностям данного биогеоиндикатора относится произрастание на контакте двух сред «вода-воздух» (Favas et al., 2016; Ceschin S., et al., 2016).
В настоящий момент растения семейства рясковые активно используются в области биотестирования и экотоксикологии (Mkandawire et al., 2014; Bocuk et al., 2013; Basiglini et al, 2018; Ceschin et al., 2020; Ekperusi et al., 2020). Внимание большинства исследователей занимает прикладная специализация аккумуляционных способностей водных растений, использование их в качестве фиторемедиаторов сточных вод (Varga et al., 2013; Rofkar et al., 2014; Sasmaz et al., 2016, 2018). При этом работы по изучению индикаторных свойств элементного состава рясковых немногочисленны и требуют особенного внимания, исходя из высокой перспективности данных растений в области биогеохимической индикации и геоэкологического мониторинга.
Изучение характера поступления элементов в объект геоэкологического мониторинга становится особенно актуальным на территориях с разноплановым и многокомпонентным техногенным воздействием, ярким примером которых является территория России, характеризующаяся разнообразием эколого-геохимических и геологических обстановок.
Растения семейства рясковые, являясь космополитом, имеют широкий ареал произрастания, в том числе и на территории селитебных зон России, представляющую наибольшую значимость при геоэкологиеском мониторинге. Изучение элементного состава рясковых на территории селитебных районов страны решает ряд актуальных проблем геоэкологии: поиск универсального биогеоиндикатора и определение средних концентраций химических элементов в рясковых для дальнейшего мониторинга.
Кроме того, изучение элементного состава данного растения представляет интерес с точки зрения его существования на границах водной и воздушной среды в качестве фундаментальной проблематики исследования.
Цель работы: установить индикаторные показатели накопления химических элементов в составе растений семейства рясковые (Lemnaceae) для применения в районировании территории с разными эколого-геохимическими обстановками.
Задачи исследований:
1. Определить содержание и распределение макро-, микро-, радиоактивных и редкоземельных элементов в растениях семейства рясковые из разных мест произрастания; выявить элементы-индикаторы природного и техногенного воздействия.
2. Установить зависимость элементного состава растений семейства рясковые в зависимости от типа вод, где они произрастают (натриевые и кальциевые); выявить преимущественный источник поступления (водный, атмосферный) химических элементов в растения семейства рясковые.
3. Выделить региональную геохимическую специализацию растений семейства рясковых на территории Томской области
Основные защищаемые положения:
1. Содержание макроэлементов (Na, Ca, Mg) и их микроминеральных фаз в растениях семейства рясковые отражает тип вод (натриевый и кальциевый). Эоловый привнос влияет на содержание тория и редкоземельных элементов и их отношений в системе «рясковые - вода - донные отложения».
2. Микроэлементный и микроминеральнофазовый состав рясковых является индикатором природно-техногенной составляющей зон сноса селитебных территорий Российской Федерации.
Среднегеометрические значения 29 химических элементов в растениях семейства рясковые водоемов селитебных районов Российской Федерации являются реперными показателями для оценки эколого-геохимического состояния территорий.
3. Рясковые водоемов районов Томской области с высоким развитием нефтедобывающего комплекса характеризуются наличием специфичной ассоциации элементов (Сг, Sb, Br, As, Ta, U); районов активного развития агропромышленного комплекса - калия и фосфора; районов ядерно-топливного цикла - концентрированием урана и лютеция и их локальным распределением, а также изменением отношений Th/U (<2) и Br/U (<10).
Фактический материал и методы исследования. В основу работы положены образцы проб растений семейства рясковые в воздушно-сухом и озоленном состоянии, воды, донных отложений и водной взвеси.
Фактический материал собран и обработан в период с 2014 по 2021 гг. преимущественно автором лично. В отборе некоторых проб оказана помощь жителей отельных регионов РФ, а также сотрудников Томского политехнического университета и Института геологии и минералогии им. В.С. Соболева СО РАН.
Всего отобрано 396 проб рясковых, произраставших на селитебных территориях Российской Федерации.
Основная выборка населенных пунктов представляет селитебные территории, в состав которых входят города, поселки городского типа или близко расположенные к городам, районные центры с населением более 2000 чел. Исключение составляют три населенных пункта (д. Вехручей (Респ. Карелия), д. Якшино (Тульская обл.), п. Юган (Респ. Татарстан)), не подходящие под выше обозначенные характеристики. В каждом населенном пункте осуществлялся отбор проб не менее чем из 2-4 водоемов.
Для установления связи в системе «вода - рясковые - донные отложения» дополнительно были отобраны пробы воды и донных отложений в количестве 24 и 14 соответственно.
Отбор проб рясковых осуществлялся в соответствии с ГОСТ 31413-2010.
Отбор образцов воды производился в соответствии с требованиями ГОСТ Р 51592-2000, ГОСТ 31942-2012.
Пробы донных отложений отбирались по стандартной методике ГОСТ Р 54519-2011.
Основным аналитическим методом для определения элементного состава сухого вещества растений семейства рясковые являлся инструментальный нейтронно-активационный анализ (ИНАА), выполненный на базе ядерно-геохимической лаборатории Международного инновационного научно-образовательного центра «Урановая геология» (аналитики - с.н.с. А.Ф. Судыко, Л.В. Богутская).
Для установления особенностей поведения химических элементов в системе «вода- рясковые-донные отложения» элементный состав исследуемых сред определялся с помощью масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой, выполненной на базе Проблемной научноисследовательской лаборатории гидрогеохимии Томского политехнического университета (заведующая лабораторией - к.г.-м.н, доцент А.А. Хващевская).
С использованием анализатора «РА-915+» (Россия) с приставкой «ПИРО-915+» методом атомно-абсорбционной спектрометрии определено валовое содержание ртути в сухом веществе рясковых на базе Международного научно-образовательного центра «Урановая геология» Национального исследовательского Томского политехнического университета (консультант - к.х.н. Н.А. Осипова).
Отдельные аномальные по содержанию химических элементов пробы рясковых изучались на сканирующем электронном микроскопе Hitachi-3400N с энергодисперсионной приставкой для микроанализа (лаборатория электронно-микроскопической диагностики МИНОЦ «Урановая геология», аналитик - к.г-м.н., старший преподаватель С.С. Ильенок).
Обработка полученных результатов исследования элементного состава рясковых осуществлялась с помощью ПО MS Office («Word», «Exel»), «Statistica 8.0», графическая обработка проводилась с помощью ПО «Surfer», «CorelDRAW», а также ADOBE Photoshop.
Научная новизна.
Впервые определены валовые содержания 29 химических элементов в растениях семейства Рясковые для селитебных территорий Российской Федерации. Предложены реперные показатели среднего содержания химических элементов в составе растений.
Установлены региональные особенности элементного состава исследуемых растений на территории районов Томской области.
Выявлены особенности распределения химических элементов в системе «вода - рясковые - донные отложения» для водоемов Сибирского региона с разным типом вод (водоемы территорий Томской и Новосибирской областей).
Впервые установлены и применены для районирования территорий индикаторные отношения химических элементов (Th/U, La/Ce, Br/U) в составе рясковых на территории восьми федеральных округов Российской Федерации. Установлены закономерности формирования элементного и микроминерального фазового состава растений в зависимости от металлогенических и техногенных условий регионов.
Выявлены элементы-индикаторы техногенных обстановок территории Томской области, связанных с деятельностью предприятий ядерно-топливного, агропромышленного и нефтегазодобывающего комплексов.
Впервые проведено геоэкологическое картирование территорий согласно выявленной на ней специфике формирования элементного состава рясковых.
Практическая значимость. Предложены для практического использования средние содержания химических элементов в рясковых на территории селитебных районов Российской Федерации, которые могут применяться при геоэкологической оценке и районировании территорий с различной эколого-геохимической ситуацией.
Материалы, полученные в процессе выполнения работы, используются при проведении занятий по курсам «Геоэкологический мониторинг», «Геохимия живого вещества», а также при написании курсовых и дипломных работ студентами.
Полученные материалы по районированию отдельных селитебных районов по содержанию химических элементов в составе рясковых могут быть полезны природоохранным службам и применяться в качестве дополнительной информации в прикладной геологии.
Достоверность защищаемых положений обеспечена использованием современных концептуальных, теоретических, методических подходов и принципов биогеохимии и геоэкологии, обширным фактическим материалом, полученным прецизионными методами в аккредитованных лабораториях по аттестованным методикам, с использованием статистических методов обработки аналитических данных, апробацией результатов работы в среде научно - производственной общественности на научных симпозиумах, конференциях, семинарах и публикацией результатов в рецензируемых периодических изданиях, рекомендованных Перечнем ВАК Минобрнауки России, и индексируемых в международных наукометрических базах данных Scopus и (или) Web of Science.
Апробация работы
Основные положения и результаты исследований докладывались на международных и всероссийских научных симпозиумах, конференциях и конкурсах: XXXI Молодёжная научная школа-конференция памяти К.О. Кратца (2020 г.); XII Международная биогеохимическая школа- конференция «Фундаментальные основы биогеохимических технологий и перспективы их применения в охране природы, сельском хозяйстве и медицине» (2021 г.); VI Международная конференция «Радиоактивность и радиоактивные элементы в среде обитания человека» (2021 г.); XXV Международная экологическая студенческая конференция (2022 г.); XXVII
Международный молодежный научный симпозиум имени академика М.А. Усова «Проблемы геологии и освоения недр» (2023 г.); Всероссийская конференция с участием зарубежных ученых "Современные направления развития геохимии" (2023 г.); XIII Международная
биогеохимическая школа (2023 г.).
Публикации. Общее количество публикаций по теме составляет 25 статей. Основные научные результаты опубликованы в 4 научных статьях в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК, из которых 3 - опубликованы в журналах, которые индексируются в базах данных Scopus и Web of Зыепее.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 165 страницах, включает 94 рисунка и 24 таблицы. Работа содержит 5 глав, введение, заключение, список литературы включает 182 источников.
В первой главе рассматриваются общая характеристика растений семейства рясковые, специфика формирования их элементного состава и степень его изученности с точки зрения индикации территории произрастания. Вторая глава посвящена описанию методов отбора и подготовки проб, проведения аналитических исследований и обработки результатов. В третьей главе описаны средние значения некоторых элементов в рясковых селитебных территорий Российской Федерации и закономерности формирования элементного состава исследуемых растений в данных условиях. В четвертой главе приведены региональные особенности распределения и накопления исследуемых элементов в рясковых на территории Томской области. В пятой главе приведены работы по изучению закономерности изменения элементного состава рясковых в зависимости от гидрогеохимических и литогеохимических параметров среды. В заключении приводятся основные выводы по работе.
Личный вклад. В основу диссертационной работы положены материалы полевых, лабораторных и камеральных работ, проведенных в период с 2013 по 2023 гг. лично автором и совместно с сотрудниками отделения геологии Томского политехнического университета, а также в сотрудничестве с коллегами из Института геологии и минералогии им. В.С. Соболева СО РАН. Пробоподготовка осуществлялась автором в лабораториях отделения геологии ТПУ. Осуществлен анализ полученных данных, совместно с научным руководителем проведено обсуждение полученных результатов, сформулированы защищаемые положения, установлена научная новизна и практическая значимость. Автором сформулированы задачи, которые полностью выполнены в ходе подготовки диссертации, разработаны научные рекомендации, высказанные в ходе изложения материала диссертации. Диссертация написана самостоятельно, обладает внутренним единством, содержит новые научные результаты и положения, выдвигаемые для публичной защиты и свидетельствует о личном вкладе автора диссертации в науку.
Благодарности. Автор выражает особую признательность и благодарность научному руководителю, профессору, д.б.н. Барановской Наталье Владимировне за ценные советы, поддержку во всех начинаниях и научное руководство. Автор выражает благодарность д.г.-м.н., профессору Ризванову Л.П., д.г.-м.н., профессору Арбузову С.И., д.г.-м.н., профессору Язикову Е.Г., д.г.-м.н., доценту Юсупову Д.В., к.г.- м.н., ассистенту Ильенку С.С. и к.х.н. Осиповой Н.А. за консультации в выполнении работы. Благодарим Капитонову О.А., старшего научного сотрудника, д.б.н. за выполнение работ по родовой и видовой идентификации отобранных проб водных растений. Автор признательна за помощь в отборе проб сотрудникам отделения геологии ИШПР ТПУ и Института геологии и минералогии им. В.С. Соболева. Также автор благодарен всем, кто бескорыстно помог в сборе материала: Стрюк Надежде (г. Воронеж), Каримову Дмитрию (г. Бор), Тарасову Александру (г.Коломна), Федосовой Кристине (г.Москва), Зориной Анастасии (г. Кирово-Чепецк), Денисовой Дарье (г. Орел), Марущак Федору (г.Москва), Кудимову Антоу (г.Саранск), Монаховой Екатерине (г.Омск), Торговкину Николаю (Якутск), Сороке Анастасии (г.Тайшет), Шилениной Агате (г.Бийск), Шангину Никите (г.Санкт- Петербург), Михайловой Екатерине (г.Екатеринбург), Шатиафу Павлу (г.Партизанск), Кондратьевой Анне (г.Псков), Механьтьевому Евгению (г.Новосибирск), Дзуцеву Заурбеку (г.Владикавгаз), Воробьевой Анастасии (г. Владимир), Мартыновой Ольге и ее ученикам (г.Мосальск) и многим другим, кто не остался равнодушен к научной работе.
Отдельную благодарность автор хочет выразить своим родным и близким за поддержку и веру в течение всех лет обучения, проведения исследований и написания научноквалификационной работы.
Растения семейства рясковые (Lemnaceae) являются уникальным объектом, который нашел свое применение в фундаментальных и в прикладных науках. Фундаментальные основы по изучению биогеохимической специфики и биоаккумуляционной способности данного макрофита заложены в трудах ученых прошлого столетия (Вернадский В.И., А.П. Виноградов и других организаторов и участников лаборатории БИОГЕЛ (ныне Отдел живого вещества ГЕОХИ РАН им. В.И. Вернадского).
Возможность практического применения растений семейства рясковые изучается учеными разных стран (СНГ, Россия, США и другие) с получением патентов на использование их в качестве биодобавок в агротехнике, биоремедиаторов, биотоплива и в других областях (Axtell et al., 2003; Mkandawire et al., 2004, 2005; Sasmaza, Obek, 2009; Sobrino et al., 2010; Favas et al., 2012; Varga M et al., 2013; Sasmaz et al., 2015; Yahaya N. et al, 2022).
Рясковые имеют повсеместное распространение и отличаются простым морфологическим строением (Landolt, 1987), что делает их устойчивыми с точки зрения влияния широкого спектра факторов и условий среды. Рядом исследователей установлена высокая концентрационная способность растений по отношению к большинству химических веществ, что позволяет применять их для отчистки сточных вод (Favas et al., 2016; Sasmaz et al., 2016; Ekperusi et al., 2019). Рясковые отличаются способностью реагировать на изменение эколого-геохимического состояния окружающей среды посредством изменения собственного элементного состава в широких интервалах значений. К важнейшим особенностям данного биогеоиндикатора относится произрастание на контакте двух сред «вода-воздух» (Favas et al., 2016; Ceschin S., et al., 2016).
В настоящий момент растения семейства рясковые активно используются в области биотестирования и экотоксикологии (Mkandawire et al., 2014; Bocuk et al., 2013; Basiglini et al, 2018; Ceschin et al., 2020; Ekperusi et al., 2020). Внимание большинства исследователей занимает прикладная специализация аккумуляционных способностей водных растений, использование их в качестве фиторемедиаторов сточных вод (Varga et al., 2013; Rofkar et al., 2014; Sasmaz et al., 2016, 2018). При этом работы по изучению индикаторных свойств элементного состава рясковых немногочисленны и требуют особенного внимания, исходя из высокой перспективности данных растений в области биогеохимической индикации и геоэкологического мониторинга.
Изучение характера поступления элементов в объект геоэкологического мониторинга становится особенно актуальным на территориях с разноплановым и многокомпонентным техногенным воздействием, ярким примером которых является территория России, характеризующаяся разнообразием эколого-геохимических и геологических обстановок.
Растения семейства рясковые, являясь космополитом, имеют широкий ареал произрастания, в том числе и на территории селитебных зон России, представляющую наибольшую значимость при геоэкологиеском мониторинге. Изучение элементного состава рясковых на территории селитебных районов страны решает ряд актуальных проблем геоэкологии: поиск универсального биогеоиндикатора и определение средних концентраций химических элементов в рясковых для дальнейшего мониторинга.
Кроме того, изучение элементного состава данного растения представляет интерес с точки зрения его существования на границах водной и воздушной среды в качестве фундаментальной проблематики исследования.
Цель работы: установить индикаторные показатели накопления химических элементов в составе растений семейства рясковые (Lemnaceae) для применения в районировании территории с разными эколого-геохимическими обстановками.
Задачи исследований:
1. Определить содержание и распределение макро-, микро-, радиоактивных и редкоземельных элементов в растениях семейства рясковые из разных мест произрастания; выявить элементы-индикаторы природного и техногенного воздействия.
2. Установить зависимость элементного состава растений семейства рясковые в зависимости от типа вод, где они произрастают (натриевые и кальциевые); выявить преимущественный источник поступления (водный, атмосферный) химических элементов в растения семейства рясковые.
3. Выделить региональную геохимическую специализацию растений семейства рясковых на территории Томской области
Основные защищаемые положения:
1. Содержание макроэлементов (Na, Ca, Mg) и их микроминеральных фаз в растениях семейства рясковые отражает тип вод (натриевый и кальциевый). Эоловый привнос влияет на содержание тория и редкоземельных элементов и их отношений в системе «рясковые - вода - донные отложения».
2. Микроэлементный и микроминеральнофазовый состав рясковых является индикатором природно-техногенной составляющей зон сноса селитебных территорий Российской Федерации.
Среднегеометрические значения 29 химических элементов в растениях семейства рясковые водоемов селитебных районов Российской Федерации являются реперными показателями для оценки эколого-геохимического состояния территорий.
3. Рясковые водоемов районов Томской области с высоким развитием нефтедобывающего комплекса характеризуются наличием специфичной ассоциации элементов (Сг, Sb, Br, As, Ta, U); районов активного развития агропромышленного комплекса - калия и фосфора; районов ядерно-топливного цикла - концентрированием урана и лютеция и их локальным распределением, а также изменением отношений Th/U (<2) и Br/U (<10).
Фактический материал и методы исследования. В основу работы положены образцы проб растений семейства рясковые в воздушно-сухом и озоленном состоянии, воды, донных отложений и водной взвеси.
Фактический материал собран и обработан в период с 2014 по 2021 гг. преимущественно автором лично. В отборе некоторых проб оказана помощь жителей отельных регионов РФ, а также сотрудников Томского политехнического университета и Института геологии и минералогии им. В.С. Соболева СО РАН.
Всего отобрано 396 проб рясковых, произраставших на селитебных территориях Российской Федерации.
Основная выборка населенных пунктов представляет селитебные территории, в состав которых входят города, поселки городского типа или близко расположенные к городам, районные центры с населением более 2000 чел. Исключение составляют три населенных пункта (д. Вехручей (Респ. Карелия), д. Якшино (Тульская обл.), п. Юган (Респ. Татарстан)), не подходящие под выше обозначенные характеристики. В каждом населенном пункте осуществлялся отбор проб не менее чем из 2-4 водоемов.
Для установления связи в системе «вода - рясковые - донные отложения» дополнительно были отобраны пробы воды и донных отложений в количестве 24 и 14 соответственно.
Отбор проб рясковых осуществлялся в соответствии с ГОСТ 31413-2010.
Отбор образцов воды производился в соответствии с требованиями ГОСТ Р 51592-2000, ГОСТ 31942-2012.
Пробы донных отложений отбирались по стандартной методике ГОСТ Р 54519-2011.
Основным аналитическим методом для определения элементного состава сухого вещества растений семейства рясковые являлся инструментальный нейтронно-активационный анализ (ИНАА), выполненный на базе ядерно-геохимической лаборатории Международного инновационного научно-образовательного центра «Урановая геология» (аналитики - с.н.с. А.Ф. Судыко, Л.В. Богутская).
Для установления особенностей поведения химических элементов в системе «вода- рясковые-донные отложения» элементный состав исследуемых сред определялся с помощью масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой, выполненной на базе Проблемной научноисследовательской лаборатории гидрогеохимии Томского политехнического университета (заведующая лабораторией - к.г.-м.н, доцент А.А. Хващевская).
С использованием анализатора «РА-915+» (Россия) с приставкой «ПИРО-915+» методом атомно-абсорбционной спектрометрии определено валовое содержание ртути в сухом веществе рясковых на базе Международного научно-образовательного центра «Урановая геология» Национального исследовательского Томского политехнического университета (консультант - к.х.н. Н.А. Осипова).
Отдельные аномальные по содержанию химических элементов пробы рясковых изучались на сканирующем электронном микроскопе Hitachi-3400N с энергодисперсионной приставкой для микроанализа (лаборатория электронно-микроскопической диагностики МИНОЦ «Урановая геология», аналитик - к.г-м.н., старший преподаватель С.С. Ильенок).
Обработка полученных результатов исследования элементного состава рясковых осуществлялась с помощью ПО MS Office («Word», «Exel»), «Statistica 8.0», графическая обработка проводилась с помощью ПО «Surfer», «CorelDRAW», а также ADOBE Photoshop.
Научная новизна.
Впервые определены валовые содержания 29 химических элементов в растениях семейства Рясковые для селитебных территорий Российской Федерации. Предложены реперные показатели среднего содержания химических элементов в составе растений.
Установлены региональные особенности элементного состава исследуемых растений на территории районов Томской области.
Выявлены особенности распределения химических элементов в системе «вода - рясковые - донные отложения» для водоемов Сибирского региона с разным типом вод (водоемы территорий Томской и Новосибирской областей).
Впервые установлены и применены для районирования территорий индикаторные отношения химических элементов (Th/U, La/Ce, Br/U) в составе рясковых на территории восьми федеральных округов Российской Федерации. Установлены закономерности формирования элементного и микроминерального фазового состава растений в зависимости от металлогенических и техногенных условий регионов.
Выявлены элементы-индикаторы техногенных обстановок территории Томской области, связанных с деятельностью предприятий ядерно-топливного, агропромышленного и нефтегазодобывающего комплексов.
Впервые проведено геоэкологическое картирование территорий согласно выявленной на ней специфике формирования элементного состава рясковых.
Практическая значимость. Предложены для практического использования средние содержания химических элементов в рясковых на территории селитебных районов Российской Федерации, которые могут применяться при геоэкологической оценке и районировании территорий с различной эколого-геохимической ситуацией.
Материалы, полученные в процессе выполнения работы, используются при проведении занятий по курсам «Геоэкологический мониторинг», «Геохимия живого вещества», а также при написании курсовых и дипломных работ студентами.
Полученные материалы по районированию отдельных селитебных районов по содержанию химических элементов в составе рясковых могут быть полезны природоохранным службам и применяться в качестве дополнительной информации в прикладной геологии.
Достоверность защищаемых положений обеспечена использованием современных концептуальных, теоретических, методических подходов и принципов биогеохимии и геоэкологии, обширным фактическим материалом, полученным прецизионными методами в аккредитованных лабораториях по аттестованным методикам, с использованием статистических методов обработки аналитических данных, апробацией результатов работы в среде научно - производственной общественности на научных симпозиумах, конференциях, семинарах и публикацией результатов в рецензируемых периодических изданиях, рекомендованных Перечнем ВАК Минобрнауки России, и индексируемых в международных наукометрических базах данных Scopus и (или) Web of Science.
Апробация работы
Основные положения и результаты исследований докладывались на международных и всероссийских научных симпозиумах, конференциях и конкурсах: XXXI Молодёжная научная школа-конференция памяти К.О. Кратца (2020 г.); XII Международная биогеохимическая школа- конференция «Фундаментальные основы биогеохимических технологий и перспективы их применения в охране природы, сельском хозяйстве и медицине» (2021 г.); VI Международная конференция «Радиоактивность и радиоактивные элементы в среде обитания человека» (2021 г.); XXV Международная экологическая студенческая конференция (2022 г.); XXVII
Международный молодежный научный симпозиум имени академика М.А. Усова «Проблемы геологии и освоения недр» (2023 г.); Всероссийская конференция с участием зарубежных ученых "Современные направления развития геохимии" (2023 г.); XIII Международная
биогеохимическая школа (2023 г.).
Публикации. Общее количество публикаций по теме составляет 25 статей. Основные научные результаты опубликованы в 4 научных статьях в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК, из которых 3 - опубликованы в журналах, которые индексируются в базах данных Scopus и Web of Зыепее.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 165 страницах, включает 94 рисунка и 24 таблицы. Работа содержит 5 глав, введение, заключение, список литературы включает 182 источников.
В первой главе рассматриваются общая характеристика растений семейства рясковые, специфика формирования их элементного состава и степень его изученности с точки зрения индикации территории произрастания. Вторая глава посвящена описанию методов отбора и подготовки проб, проведения аналитических исследований и обработки результатов. В третьей главе описаны средние значения некоторых элементов в рясковых селитебных территорий Российской Федерации и закономерности формирования элементного состава исследуемых растений в данных условиях. В четвертой главе приведены региональные особенности распределения и накопления исследуемых элементов в рясковых на территории Томской области. В пятой главе приведены работы по изучению закономерности изменения элементного состава рясковых в зависимости от гидрогеохимических и литогеохимических параметров среды. В заключении приводятся основные выводы по работе.
Личный вклад. В основу диссертационной работы положены материалы полевых, лабораторных и камеральных работ, проведенных в период с 2013 по 2023 гг. лично автором и совместно с сотрудниками отделения геологии Томского политехнического университета, а также в сотрудничестве с коллегами из Института геологии и минералогии им. В.С. Соболева СО РАН. Пробоподготовка осуществлялась автором в лабораториях отделения геологии ТПУ. Осуществлен анализ полученных данных, совместно с научным руководителем проведено обсуждение полученных результатов, сформулированы защищаемые положения, установлена научная новизна и практическая значимость. Автором сформулированы задачи, которые полностью выполнены в ходе подготовки диссертации, разработаны научные рекомендации, высказанные в ходе изложения материала диссертации. Диссертация написана самостоятельно, обладает внутренним единством, содержит новые научные результаты и положения, выдвигаемые для публичной защиты и свидетельствует о личном вкладе автора диссертации в науку.
Благодарности. Автор выражает особую признательность и благодарность научному руководителю, профессору, д.б.н. Барановской Наталье Владимировне за ценные советы, поддержку во всех начинаниях и научное руководство. Автор выражает благодарность д.г.-м.н., профессору Ризванову Л.П., д.г.-м.н., профессору Арбузову С.И., д.г.-м.н., профессору Язикову Е.Г., д.г.-м.н., доценту Юсупову Д.В., к.г.- м.н., ассистенту Ильенку С.С. и к.х.н. Осиповой Н.А. за консультации в выполнении работы. Благодарим Капитонову О.А., старшего научного сотрудника, д.б.н. за выполнение работ по родовой и видовой идентификации отобранных проб водных растений. Автор признательна за помощь в отборе проб сотрудникам отделения геологии ИШПР ТПУ и Института геологии и минералогии им. В.С. Соболева. Также автор благодарен всем, кто бескорыстно помог в сборе материала: Стрюк Надежде (г. Воронеж), Каримову Дмитрию (г. Бор), Тарасову Александру (г.Коломна), Федосовой Кристине (г.Москва), Зориной Анастасии (г. Кирово-Чепецк), Денисовой Дарье (г. Орел), Марущак Федору (г.Москва), Кудимову Антоу (г.Саранск), Монаховой Екатерине (г.Омск), Торговкину Николаю (Якутск), Сороке Анастасии (г.Тайшет), Шилениной Агате (г.Бийск), Шангину Никите (г.Санкт- Петербург), Михайловой Екатерине (г.Екатеринбург), Шатиафу Павлу (г.Партизанск), Кондратьевой Анне (г.Псков), Механьтьевому Евгению (г.Новосибирск), Дзуцеву Заурбеку (г.Владикавгаз), Воробьевой Анастасии (г. Владимир), Мартыновой Ольге и ее ученикам (г.Мосальск) и многим другим, кто не остался равнодушен к научной работе.
Отдельную благодарность автор хочет выразить своим родным и близким за поддержку и веру в течение всех лет обучения, проведения исследований и написания научноквалификационной работы.
Растения семейства рясковые являются уникальным объектом для геоэкологического мониторинга в следствие простой морфологии и широкого ареала произрастания, в том числе и на территории селитебных зон России, представляющую наибольшую значимость с точки зрения экогеохимической ситуации.
Большинство существующих научных трудов, изучающих элементный состав рясковых как биогеоиндикатора состояния окружающей среды малочислены и в основном представлены в комплексных геоэкологических исследованиях, которые основываются на сопоставлении сорбционных способностей различных компонентов окружающей среды.
Впервые рассчитано среднее содержание 28 химических элементов в водных растениях семейства рясковые (Lemnaceae), произрастающих на селитебных территориях России.
Выявлено, что широким спектром элементов, концентрации которых выше средних величин во всей выборке рясковых, характеризуются населенные пункты, отличающиеся высокой степенью урбанизации и техногенным прессингом (гг. Санкт-Петербург, Ставрополь, Хабаровск, Красноярск и Томск), в то время как природная геохимическая специализация территории отражается в водных растениях повышенными содержаниями элементов, поступающих преимущественно с акцессорными минералами (с. Газимурский Завод).
Получена информация о среднем содержании ртути в пресноводных растениях семейства рясковых (Lemnaceae) на территории России (среднее геометрическое - 14,7 нг/г, среднее арифметическое - 18 нг/г).
Аномальные концентрации ртути в рясковых обнаружены для территорий, которые характеризуются наличием его потенциального техногенного источника (заводы по производству каустической соды и хлора ртутным методом, углехимическая промышленность, а также зоны, отличающиеся высокой частотой встречаемости крупных техногенных объектов на локальной территории).
Степень воздействия промышленных объектов на концентрирование ртути рясковыми ярко продемонстрированы на территории Томской области, Томского района. Участки с высоким содержанием поллютанта в рясковых сконцентрированы в зоне, характеризующейся наибольшим техногенных прессингом, также наблюдается увеличение концентраций ртути по мере приближения к источнику загрязнения.
Впервые было рассчитано среднее содержание 28 химических элементов в водных растениях семейства рясковые (Lemnaceae), произрастающих на территории Томской области.
Согласно полученным данным, эко-геохимическая обстановка Томской области по данным элементного состава рясковых сформированы в следствии влияния природнотехногенных факторов, которые в первую очередь представлены горнодобывающей отраслью.
Детально изучен элементный состав рясковых, произраставших в водоемах двух типов натриевые (Новосибирская обл.) и кальциевые (Томская область).
Выполнен анализ специфики концентрирования элементов рясковыми в системе «вода- ряское-донные отложения».
Полученные результаты по КБП и Кк могут говорить и о влиянии на сорбционную способность рясковых не столько типа вод, сколько экогеохимической обстановки территории произрастания для некоторого спектра элементов.
Наблюдается различный характер концентрирования элементов редкоземельной и радиоактивной группы рясковыми натриевых и кальциевых вод.
Поступление в рясковые РЗЭ преимущественно не с водой, а с эоловым привносом могут подтверждаться и результатами СЭМ.
Основным фактором формирования элементного состава рясковых является литогеохимическая специфика территорий, и зависит от эолового привноса, наличия зоны сноса и т.д. Влияние эолового привноса на характер концентрирования элементов рясковыми в первую очередь проявляется в индикаторных соотношениях радиоактивных и редкоземельных элементов.
Большинство существующих научных трудов, изучающих элементный состав рясковых как биогеоиндикатора состояния окружающей среды малочислены и в основном представлены в комплексных геоэкологических исследованиях, которые основываются на сопоставлении сорбционных способностей различных компонентов окружающей среды.
Впервые рассчитано среднее содержание 28 химических элементов в водных растениях семейства рясковые (Lemnaceae), произрастающих на селитебных территориях России.
Выявлено, что широким спектром элементов, концентрации которых выше средних величин во всей выборке рясковых, характеризуются населенные пункты, отличающиеся высокой степенью урбанизации и техногенным прессингом (гг. Санкт-Петербург, Ставрополь, Хабаровск, Красноярск и Томск), в то время как природная геохимическая специализация территории отражается в водных растениях повышенными содержаниями элементов, поступающих преимущественно с акцессорными минералами (с. Газимурский Завод).
Получена информация о среднем содержании ртути в пресноводных растениях семейства рясковых (Lemnaceae) на территории России (среднее геометрическое - 14,7 нг/г, среднее арифметическое - 18 нг/г).
Аномальные концентрации ртути в рясковых обнаружены для территорий, которые характеризуются наличием его потенциального техногенного источника (заводы по производству каустической соды и хлора ртутным методом, углехимическая промышленность, а также зоны, отличающиеся высокой частотой встречаемости крупных техногенных объектов на локальной территории).
Степень воздействия промышленных объектов на концентрирование ртути рясковыми ярко продемонстрированы на территории Томской области, Томского района. Участки с высоким содержанием поллютанта в рясковых сконцентрированы в зоне, характеризующейся наибольшим техногенных прессингом, также наблюдается увеличение концентраций ртути по мере приближения к источнику загрязнения.
Впервые было рассчитано среднее содержание 28 химических элементов в водных растениях семейства рясковые (Lemnaceae), произрастающих на территории Томской области.
Согласно полученным данным, эко-геохимическая обстановка Томской области по данным элементного состава рясковых сформированы в следствии влияния природнотехногенных факторов, которые в первую очередь представлены горнодобывающей отраслью.
Детально изучен элементный состав рясковых, произраставших в водоемах двух типов натриевые (Новосибирская обл.) и кальциевые (Томская область).
Выполнен анализ специфики концентрирования элементов рясковыми в системе «вода- ряское-донные отложения».
Полученные результаты по КБП и Кк могут говорить и о влиянии на сорбционную способность рясковых не столько типа вод, сколько экогеохимической обстановки территории произрастания для некоторого спектра элементов.
Наблюдается различный характер концентрирования элементов редкоземельной и радиоактивной группы рясковыми натриевых и кальциевых вод.
Поступление в рясковые РЗЭ преимущественно не с водой, а с эоловым привносом могут подтверждаться и результатами СЭМ.
Основным фактором формирования элементного состава рясковых является литогеохимическая специфика территорий, и зависит от эолового привноса, наличия зоны сноса и т.д. Влияние эолового привноса на характер концентрирования элементов рясковыми в первую очередь проявляется в индикаторных соотношениях радиоактивных и редкоземельных элементов.
