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.

Таблица 8

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

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 элементов, 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.