научная статья по теме РФА-СИ В ИЗУЧЕНИИ МИГРАЦИИ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В БИОГЕОХИМИЧЕСКОЙ ПИЩЕВОЙ ЦЕПИ Физика

Текст научной статьи на тему «РФА-СИ В ИЗУЧЕНИИ МИГРАЦИИ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В БИОГЕОХИМИЧЕСКОЙ ПИЩЕВОЙ ЦЕПИ»

ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2011, № 11, с. 84-88

УДК 511.510.3+577.47+519.283

РФА-СИ В ИЗУЧЕНИИ МИГРАЦИИ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В БИОГЕОХИМИЧЕСКОЙ ПИЩЕВОЙ ЦЕПИ

© 2011 г. Т. И. Савченко, О. В. Чанкина, С. А. Попова, К. П. Куценогий

Институт химической кинетики и горения СО РАН, Новосибирск, Россия Поступила в редакцию 12.01.2011 г.

Метод рентгенофлуоресцентного анализа с использованием синхротронного излучения дает возможность определить многоэлементный состав атмосферных аэрозолей и различных компонентов биогеохимической цепи. На основе этих данных методом корреляционного анализа выявлена тесная взаимосвязь между концентрацией элементов в атмосферных аэрозолях и тканях мелких млекопитающих Среднего Урала (печень, костные ткани), а также в тканях диких животных Горного Алтая (волосы, костные ткани). Анологичная взаимосвязь установлена для элементного состава атмосферных аэрозолей и пищи, а также элементного состава атмосферных аэрозолей и других компонентов биогеоценоза (растений, грибов и почв). Предполагается, что атмосферные аэрозоли играют большую роль в глобальных циклах химических элементов.

ВВЕДЕНИЕ

Единство геохимической среды и жизни является важным свойством биосферы [1, 2]. Химические связи любых организмов со средой осуществляются через биогеохимические пищевые цепи (почвообра-зующие породы, почвы, воды, воздух, растения, животные, человек). Каждое звено биогеохимической цепи может рассматриваться в зависимости от других, все звенья — в их взаимной связи, при этом открываются пути к выявлению причин подобных связей.

На данный момент накоплен большой материал по многоэлементному составу различных биологических систем и объектов геохимической среды, в частности атмосферных аэрозолей Сибири и других регионов [3—9]. Измерение элементного состава образцов проводилось методом рентгенофлуоресцент-ного анализа с использованием синхротронного излучения (РФА-СИ). Несмотря на многочисленные исследования элементного состава тканей человека и животных, было относительно мало известно о путях поступления элементов к ним из окружающей среды, например с аэрозолями.

Американскими учеными [10] методом корреляционного анализа было показано существование тесной взаимосвязи многоэлементного состава крови людей, проживающих в Англии, и глобальных аэрозолей. Аналогичные исследования проведены на примере многоэлементного состава атмосферных аэрозолей, собранных на Севере и в г. Новосибирске, и крови тундровых ненцев, чукчей, эскимосов и русских людей [11]. Доказана корреляция между концентрацией элементов в крови человека и в атмосферном аэрозоле. Анализ полученных результатов позволяет сделать важный вывод о значимости атмосферных аэрозолей в миграции химических

элементов по биогеохимическим циклам, для подтверждения которого необходимо продолжать исследования в этом направлении.

Целью данной работы являлось изучение количественной взаимосвязи химических элементов, содержащихся в атмосферных аэрозолях (АА) и тканях животных разного вида, а также в рационе питания и в других компонентах биогеоценоза (в почве, в растениях, в грибах).

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Измерения спектров образцов биосубстратов и атмосферных аэрозолей проводили на станции элементного анализа в Сибирском центре синхротронного излучения Института ядерной физики имени Г.И. Будкера СО РАН на накопителе электронов ВЭПП-3 [12]. Спектр характеристического излучения регистрировался полупроводниковым Si(Li) детектором (Oxford Instruments). Образцы снимались при энергии возбуждения 19—23 кэВ. Для расчета количественного состава образцов аэрозолей и некоторых биосубстратов применяли тонкий стандарт [13, 4], а для образцов тканей мелких млекопитающих, рациона их питания, растений и почв — метод внешнего стандарта (российский стандарт злаковой травосмеси СОРМ 1 ГСО 8242-2003, БИЛ 1 и BCR-32) [9]. Статистические характеристики элементного состава и коэффициенты корреляции определялись с помощью пакета прикладных программ Microsoft Excel 6.0 и Statistica 6.0. Использовали среднегеометрическое значение концентраций элементов в образцах (x,) и стандартное отклонение ln (x) (agi). Анализ воды из реки Канчалан (Чукотка) определяли методом ICP-MS в Лимнологическом Институте СО РАН (г. Иркутск).

1п С2, нг/м3

Рис. 1. Сравнение концентраций элементов в печени

бурозубки (С^ и в атмосферном аэрозоле (С2).

Взаимосвязь между многоэлементным составом атмосферных аэрозолей и биологическими объектами была исследована методом корреляционного анализа с использованием уравнения линейной регрессии: у = а + Ьх, где у и х — логарифмы (1п) среднегеометрических значений концентраций (С) элементов образцов. Поскольку значения концентраций элементов в образцах различаются на несколько порядков, при графическом сопоставлении концентраций их удобнее выражать в логарифмической форме. Сила связи количественно выражается величиной коэффициентов корреляции (г) и служит оценкой соответствия уравнению регрессии.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Взаимосвязь элементного состава тканей животных с аэрозолями. Исходными данными для исследования послужили элементные составы образцов печени, костных и мышечных тканей двух видов мелких млекопитающих, относящихся к разным трофическим группам, — растительная европейская рыжая полевка и насекомоядная средняя бурозубка, совместно обитающие на территории Среднего Урала [9].

Элементный состав шерсти и костных тканей диких копытных животных (кабана, марала, косули, горного козла) описаны в [4, 5]. В шерсти зубров Алтая измерены (х) (аё1), мкг/г: К 620 (1.7), Са 1550 (1.4), Сг 0.7 (1.8), Мп 68 (1.8), Fe 1095 (2.0), Со 1.2 (1.6), N1 3.8 (1.5), Си 15.0 (1.4), 8е 0.3 (1.5), Вг 7.7 (2.4), ЯЪ 3.0 (2.1), 8г 5.8 (1.9), Мо 0.2 (1.5), РЬ 1.1 (1.9). Элементный состав атмосферных аэрозолей некоторых регионов частично описан в монографии [3]. Измерены концентрации атмосферных аэрозолей (АА) Северных территорий (п. Самбург, п. Тарко-Сале, п. Красноселькуп) «.х) (аё1 ), нг/м3): К 92 (2.1), Са 132

(2.3), Сг 6.8 (1.8), Мп 11.5 (2.6), Fe 100 (1.9), Со 1.3

(2.4), N1 1.6 (2.1), Си 4.4 (1.6), Zn 12.8 (2.3), Ga 0.3 (2.1), Ge 0.7 (1.6), А 2.5 (2.5), 8е 0.4 (2.1), Вг 9.3 (2.2),

1п С2, нг/м3

Рис. 2. Сравнение концентраций элементов в волосе

марала (С^ и в атмосферном аэрозоле (С2).

ЯЪ 0.7 (1.9), 8г 1.0 (1.9), Y 0.4 (2.4), Zг 0.7 (2.2), Мо 0.5 (1.4), РЪ 11.4 (1.9). Концентрации АА над территорией Алтая ((х) (аё1 ), нг/м3) составляют: К 1127 (2.1), Са 3800 (2.3), Мп 51.5 (2.6), Fe 1200 (1.9), Со 5.0 (2.4), N1 1.2 (2.1), Си 1.5 (1.6), Zn 13 (2.3), Вг 2.6 (2.2), ЯЪ 3.0 (1.9), 8г 13.0 (1.9), Zг 4.7 (2.2), РЪ 5.1 (1.9).

Для всех концентраций элементов объектов исследования (ткани — АА) наблюдаются высокие коэффициенты корреляции (г = 0.72—0.87). В таблице (разделы а, б) приведены данные корреляционного анализа, которые позволяют сделать заключение о наличии устойчивой линейной связи между концентрацией элементов в атмосферных аэрозолях и в тканях как мелких млекопитающих, так и диких копытных животных. В качестве примера показана линейная зависимость между концентрациями элементов в печени бурозубки и в атмосферных аэрозолях (рис. 1), в шерсти марала и в аэрозолях (рис. 2).

Одновременно была выявлена сильная связь (г = 0.7—0.9) между элементным составом разных тканей одних и тех же млекопитающих — как мелких (печень и костная ткань), так и диких копытных животных (шерсть и костная ткань). Учитывая это, можно сделать вывод о том, что, по-видимому, любая ткань организма животных может использоваться как информативный тест для оценки природной и техногенной нагрузок.

Взаимосвязь элементного состава атмосферных аэрозолей и компонентов пищи человека и животных.

Миграция элементов в организм человека и животных совершается по пищевой цепочке: почва—вода—пищевые продукты растительного и животного происхождения. Считается, что главным источником химических элементов, которые поступают в организм, является пища [2, 10, 14, 15], в то время как вода и воздух являются вторичными. Действительно, в [10] такой факт был доказан на примере сопоставления следовых элементов, содержащихся в крови и в пище жителей индустриальных городов Англии. Также обнаружено существование тесной

Данные корреляционного анализа элементного состава атмосферных аэрозолей и компонентов биогеохимических цепей

Объекты исследования

Компоненты регрессии

Уравнение регрессии

Коэффициент корреляции (г)

Ткани млекопитающих Среднего Урала (у)-атмосферные аэрозоли (х)

Средняя бурозубка Рыжая полевка Рыжая полевка Средняя бурозубка Рыжая полевка

Печень—аэрозоли

Печень—аэрозоли

Тушка—аэрозоли

Тушка—аэрозоли

Кости—аэрозоли

у = -0.47 + 1.37 х у = -0.19 + 1.39 х у = -0.24 + 1.52 х у = -0.30 + 1.44 х у = 0.91 + 1.47 х

Ткани копытных животных Горного Алтая (у)-атмосферные аэрозоли (х)

Дикий кабан Марал Зубр Косуля Горный козел Дикий кабан Косуля Горный козел

Шерсть-аэрозоли

Шерсть-аэрозоли

Шерсть-аэрозоли

Шерсть-аэрозоли

Шерсть-аэрозоли

Кости-аэрозоли

Кости-аэрозоли

Кости-аэрозоли

у = -0.4 + 0.9 х у = 0.4 + 1.2 х у = 0.19 + 0.9 х у = 0.02 + 0.83 х у = -0.6 + 0.82 х у = 0.1 + 1.2 х у = -0.01 + 1.18 х у = -0.21 + 1.18 х

Виды пищевых компонентов (у)-атмосферные аэрозоли (х)

0.71 0.78 0.71 0.72 0.76

0.88 0.87 0.94 0.85 0.82 0.88 0.87 0.87

Северный олень Мышцы-аэрозоли у = -0.07 + 1.33 х 0.79

Щука Мышцы-аэрозоли у = -0.51 + 1.53 х 0.80

Плотва Мышцы-аэрозоли у = 0.009 + 1.54 х 0.81

Пелядь Мышцы-аэрозоли у = -0.04 + 1.44 х 0.77

Горбуша (Чукотка) Мышцы-аэрозоли у = 0.2 + 1.0 х 0.77

Брусника Плоды-аэрозоли у = -0.5 + 1.17 х 0.73

Клюква Плоды-аэрозоль у = -0.25 + 0.99 х 0.62

Атмосферные аэрозоли (у)-вода (х)

Канчалан, Чукотка Вода-аэрозоль у = 0.95 + 0.4 х 0.78

Байкал Вода-аэрозоль у = -1.12 + 0.94 х 0.69

Рацион питания мелких животных (у)- атмосферные аэрозоли (х)

Средняя бурозубка Рацион-аэрозоли у = 1.3 + 1.47 х 0.84

Рыжая полевка Рацион-аэрозоли у = 1.29 + 1.37 х 0.78

Органы солодки уральской (у)-атмосферные аэрозоли (х)

Подземные Корне

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»