MEASURING OF COBALT CONTENT IN THE SOIL-PLANT-ANIMAL SYSTEM

Научно-технический прогресс за последнее столетие принес человечеству небывалый скачок промышленно-энергетического потенциала, развитие естественных наук, появление новых материалов, лекарств и т.д. Благосостояние общества возросло на порядок по сравнению даже с 20-ым веком. Население Земли выросло существенно и продолжает расти экспоненциально, что сопровождается повышением потребительского спроса во всех отраслях.

Вместе с тем происходит резкое ухудшение состояния окружающей среды, в частности происходит эмиссия в биосферу огромного количества загрязняющих веществ. Металлы, попадающие в окружающую среду, в первую очередь тяжелые металлы, представляют высокую степень опасности, сравнимую с различными химическими загрязнителями (например, пестицидами, выбросами с заводов) и не перерабатываемыми отходами АЭС.

Поступление тяжелых металлов в живые организмы, в том числе и млекопитающих, включая человека, происходит в основном с пищей растительного характера.  Накопление практически всех металлов в растениях обусловлено транспортом и поглощением их корневой системой из почвы, поэтому исследования миграции тяжелых металлов в системе почва-растения-животные имеют высокую актуальность и важное практическое значение [1], [2].

Примечательно, что некоторые тяжелые металлы, являясь токсичными, одновременно выполняют и биофильные функции. Один из таких металлов – кобальт, участвующий в биохимических процессах животных и растительных организмов. Токсичность соединений кобальта проявляется при избыточном их поступлении в живые организмы и выражается в поражении сердечно-сосудистой системы, нарушении метаболизма цинка, функциональных расстройствах гормональной системы, гипоксии и т.д. [3].

Изучение содержания и транспорта кобальта в биосистемах имеет важное значение, что указано в научных работах, посвященных как его токсикологии, так и биологическому значению, поэтому проведенные нами исследования актуальны и представляют практическую ценность [4], [5], [7], [8].

Для оценки степени насыщенности кобальтом и его миграции в биосистемах целью исследования выбрано определение содержания кобальта в системе почва-растение-животные в отдельных районах Республики Башкортостан.

Выбор объектов исследования обусловлен следующими соображениями: корневая система растений поглощает микроэлементы из верхних слоев почвы; при заготовке зеленых растительных кормов собирается только надземная часть растительного покрова; в биоматериалах животных наибольшее содержание кобальта отмечается в печеночной и мышечной ткани.

Объектами исследования выбраны:

1. Почвы лесостепной зоны Баймакского и Бирского района Республики Башкортостан. Тип почв – серые лесные. Верхние органогенные горизонты А и В.

2. Растительный покров чередующихся представителей степной и лесной флоры, произрастающий на выбранной территории.

3. Биоматериал животных, откормленных на выбранных территориях. Пробы биоматериала – образцы печени и мышечной ткани.

Отбор всех проб производился в соответствии с действующими нормативными документами, регламентирующими данный процесс. Координаты точек отбора проб: в Бирском районе – 55.426057; 55.624805; в Баймакском районе – 52.610439; 58.261215.

Пробы почв были отобраны пятиточечным методом, требуемым для химического анализа тяжелых металлов, с верхних горизонтов А и В. Пробоподготовка образцов почв включала в себя предварительную очистку от крупных включений (камни, корни растений и т.д.), измельчение и гомогенизацию. Из отобранных и предварительно подготовленных образцов почв были приготовлены почвенные вытяжки [9], [10], [11].

Для оценки содержания кобальта в растениях произведен анализ образцов сена, собранного при укосе наземной растительной массы, произрастающей на выбранной территории. Анализируемые растения не подразделяли на виды и семейства, поскольку целью работы было определение уровня накопления кобальта в целом в укосах надземной фитомассы. Предварительная пробоподготовка образцов сена заключалась в очистке от крупных примесей и последующей гомогенизации [12], [13].

Пробы биоматериалов животных были отобраны у забойных бычков возрастом 1 год, выращенных и откормленных преимущественном сеном, заготовленным на указанной территории. Предварительная пробоподготовка образцов биоматериалов выполнена путем измельчения образцов и их озоления [14].

Выделение кобальта из подготовленных проб выполнено последовательным растворением компонентов золы в азотной и фосфорной кислотах с последующей реакцией кобальта с 1-нитрозо-2-нафтолом и экстракцией образовавшегося комплекса хлороформом.

Количественное определение содержания кобальта в исследуемых образцах проводилось фотометрическим методом с применением 2-нитрозо-1 нафтола на однолучевом сканирующем спектрофотометре повышенной точности СФ-103 [15], [16].

Фотометрический метод с применением различных органических реагентов, в частности с оксинитрозосоединениями, является наиболее чувствительным, доступным и селективным. Применение фотометрии с 2-нитрозо-1-нафтолом позволяет определять содержание кобальта до 3·10-4 %, а содержание его в незагрязненных биосистемах почва-растение-животное, как правило, не превышает 1,5·10-4 %. Метод основан на образовании окрашенного комплекса кобальта с 2-нитрозо-1-нафтолом и фотометрическом измерении оптической плотности образовавшегося комплекса при длине волны 360 – 370 нм. Оптическую плотность измеряли по отношению к хлороформу. Расчеты содержания кобальта проведены относительно градуировочного графика, построенного по стандартным растворам, содержащим 0,003; 0,006; 0,009; 0,012; 0,015 мг кобальта, согласно стандартизированной методике.

Для минимизации влияния случайных и систематических ошибок каждый опыт и измерение проводились по три раза, результаты не укладывающиеся в интервал достоверности, рассчитанный с помощью Т-альфа параметра Стьюдента (а=0,95), отбрасывались. Статистическая обработка результатов измерений проводилась с использованием программы MSExcel 2016. Методические основы применённого подхода изложены нами ранее [17].

Результаты определения содержания кобальта в образцах почвы приведены в таблице 1.

По результатам измерений, можно отметить, что темно-серые лесные почвы Баймакского района имеют существенно более высокое содержание кобальта по сравнению со средним содержанием в лесной почве Бирского района. Во всех горизонтах почв наблюдается превышение ПДК подвижных форм кобальта для почв сельскохозяйственных угодий. Согласно шкале обеспеченности и уровня загрязнения почв по шкале, предложенной Асылбаевым И.Г., почвы Бирского района можно отнести к умеренно загрязненным, а почвы Баймакского района - к сильно загрязненным. Высокое содержание кобальта можно объяснить трансрегиональным переносом от выбросов промышленных предприятий и повышенным содержанием его в почвообразующих породах. Полученные нами результаты согласовываются с данными полученными Миркином Б.М. в 1996 г, Асылбаевым И.Г. в 2015 г. [18], [19].

Результаты определения содержания кобальта в образцах сена приведены в таблице 2.

Согласно литературным данным, содержание кобальта в растениях не регламентируется нормативными документами и колеблется от 0,01 до 0,95 мг/кг сухой растительной массы. Практически отсутствуют сообщения о токсическом воздействии кобальта на животных при употреблении ими природных кормов. [20]

Содержание кобальта в пробах сена предсказуемо больше в образцах Баймакского района и меньше в образцах Бирского района, что согласуется с его содержанием в верхних слоях почв. Перенос кобальта в надземную растительную массу ограничивается корневым барьером растений, например, Нимбуева А.З. и Чимитдоржиева Г.Д., показывают, что гуминовые и фульвокислоты препятствуют их транслокации в растения. [1]

Результаты определения содержания кобальта в образцах биоматериалов приведены в таблице 3.

 По результатам измерений, можно отметить, что в мышечной ткани содержится существенно большее количество кобальта. Содержание кобальта в почве и кормовых культурах влияет на его концентрацию в тканях животных. Однако, прямого критического повышения концентрации кобальта в образцах биоматериалов с Баймакского района, по сравнению с образцами с Бирского района не выявлено.

Таким образом, по проведенным исследованиям можно сделать следующие выводы.

Впервые проведены исследования уровня содержания кобальта в образцах почвы, растений и биоматериалов животных Бирского района Республики Башкортостан. В образцах Баймакского района уровень содержания кобальта сопоставим с данными полученными за предыдущие годы.

Содержание кобальта в почвах Баймакского и Бирского районов определяется как природными, так и техногенными факторами. Естественное накопление его обусловлено в основном почвообразующими процессами, а техногенные – привносом с удобрениями, ветровым и водным переносом мелких частиц при добыче полезных ископаемых.

Установлено, что в биосистеме почва-растение-животное Баймакского района содержание кобальта составляет 21,2–0,9–128,7 мг/кг, а Бирского района – 10,3–0,3–111,4 мг/кг.

Миграция кобальта вверх по системе почва-растение-животное происходит ограниченно. Содержание кобальта в почвах определяется как природными, так и техногенными факторами. Перенос кобальта из почвы в надземную растительную массу ограничивается корневым барьером растений. На концентрацию кобальта в тканях животных влияет его содержание в почве и кормовых культурах.

Полученные нами результаты исследований могут быть использованы для оценки экологической обстановки региона, в области охраны окружающей среды, рационального природопользования и здравоохранения.