Исследования транспортных потоков

14.09.2012

Метод изотопных индикаторов дает уникальную возможность прямого наблюдения за перемещением различных веществ в наемных экосистемах. В случае использования радиоактивных индикаторов можно проводить наблюдения без каких-либо серьезных нарушений в экосистеме (такими способами, как отбор проб растений, почвы и др.). Возможны также наблюдения за поступлением и локализацией по органам живых растений фосфора или любого другого элемента, дли которого можно подобрать легко регистрируемый радиоактивный изотоп (рис. 9.3). Данный метод наблюдений на живом объекте получил название in vivo. Подобный подход от слеживания транспортных потоков возможен и в почве.

Метод радиоактивных индикаторов без особых затруднений позволяет изучать транспортные потоки, существенно различающиеся по масштабам и линейным показателям перемещения - от долей миллиметра при исследовании, на пример, диффузии интенсивно сорбирующегося вещества к почвах, до метров и даже десятков метров - при изучении перемещения влаги в почвах или поверхностных латеральных потоков водорастворимых веществ и почвенных частиц при развитии эрозионных процессов. Другими словами, метод радиоактивных индикаторов позволяет изучать потоки и локализацию веществ в экосистемах на различных уровнях структурной организации объекта.
В качестве примера рассмотрим локализацию перемещения воды, меченной изотопом 35Сl в составе NaCI, в профиле дерново-подзолистой почвы ненарушенного сложения Возможность использования иона 36СI- в качестве метки воды связана с отсутствием сорбции этого нона твердой фазой почвы; основываясь на данной информации, можно предположить, что передвижение этой метки достаточно четко воспроизводит передвижение воды.
На рис. 9.4а представлена локализация потоков на макроуровне, на глубине более 1 м. Данная картина локализации получена путем ряд не метрических измерений почвенных проб (около 1000), отобранных с поверхности почвенного монолита.

На рис. 9.4б представлена локализация меченой воды на мезоуровне, определенная методом радиоавтографии на рентгеновской пленке микромонолитов почвы размером 5х7 см. Эти «автографы» дают представление о строении порового пространства данной почвы в состоянии, близком к водонасыщению.
Аналогичным образом можно изучать перемещение и локализацию любых веществ в почве. Однако при этом следует учитывать некоторые важные методические особенности.
Поскольку подавляющее большинство веществ в той или иной степени сорбируются твердой фазой почвы, то скорость их перемещения всегда будет ниже скорости перемещения воды. Таким же образом будут соотноситься и линейные масштабы перемещения (пробеги) для вещества и воды. Это означает, что вещество, перемещаясь вместе с водой в поровом пространстве почвы, в отличие от воды будет заполнять не только поровое пространство, но и какую-то часть твердой фазы Почвы. В этом случае миграционную способность веществе в конкретной почве целесообразно характеризовать относительной величиной Rf, равной отношению скорости передвижения (или величины пробега) вещества к соответствующим величинам для воды:

где V и S - скорости или пробеги соответственно для вещества (х) и воды H2O).
При проведении подобных экспериментов предполагается, что в зоне миграции вещества устанавливается состояние, близкое к сорбционному равновесию, а распределение вещества между твердой фазой и раствором соответствует изотерме сорбции, т.е. присутствует равновесная динамика (В.В. Рачинский, 1978). Для почвенных условий, когда фильтрация влаги протекает очень медленно (порядка единиц миллиметров в сутки), такое предположение обоснованно.
Серьезные сложности в интерпретации результатов изучения скорости передвижения веществ в почвах может оказать изотопный обмен, если он существует при определенных условиях эксперимента. При изотопном обмене между веществом в твердой фазе почвы и в растворе перемещение метки будет осуществляться за счет нескольких процессов, а именно: скорости фильтрации воды, кинетики и статики сорбции вещества почвой, кинетики и статики изотопно-обменного распределения вещества между фазами в увлажненной почве. Правильная интерпретация может быть получена только при условии учета всех перечисленных процессов.
В заключение укажем наиболее перспективные направления в исследовании перемещения веществ в наземных экосистемах, а также отметим некоторые методические возможности и особенности.
Биофильные элементы и элементы минерального питания - это прежде всего азот, фосфор и калий в составе природных соединений или минеральных удобрений; микроэлементы; углерод в составе органических соединений в др. В настоящее время выпускают или получают в лабораторных условиях практически все виды изотопно-меченых минеральных удобрений. Многие природные соединения также могут быть получены методом биосинтеза, В частности, выпускается значительная часть известных биоорганических соединений, меченных изотопом 14С; для азотсодержащих соединений используется дополнительная метка 15N. Можно получить соединения с заданным положением метки в структуре молекулы.
Применение органических остатков, содержащих в своем составе меченые элементы минерального питания, во многих случаях представляет интерес. Данный материал получают путем выращивания растений, в том числе и представителей естественной флоры, в условиях водной культуры при введении в питательный раствор необходимых меченых элементов и соединений. Полученный растительный материал вносят в почву, после чего начинается наблюдение за трансформацией веществ и перемещением метки. Таким образом, могут быть изучены отдельные звенья биогеохимических циклов любых элементов как в природных условиях, так и в сельскохозяйственных экосистемах.
Благодаря исследованиям в данном направлении была установлена незначительная вертикальная миграция фосфора и калия из состава минеральных удобрений. В природных экосистемах, особенно лесных, основной вынос элементов минерального питания происходит за счет вымывания водами поверхностного стока (преимущественно талыми водами) элементов из органогенных горизонтов с последующим поступлением их в речной сток.
Недостаточно изучено перемещение углерода и азота в составе органических соединений различных классов, хотя эти процессы в значительной степени определяют биопродуктивность конкретных экосистем, а также глобальные процессы в биосфере, приводящие к изменению парникового и других эффектов, зависящих от изменений состава атмосферного воздуха.
Использование изотопно-меченых соединений позволило в первом приближении оценить масштабы выхода углерода из растений в составе корневых выделений, а также вклад корневых выделений в общую эмиссию диоксида углерода из почвы.
Типоморфные элементы почв представляют собой группу элементов, распределение которых в почвенном профиле характеризует определенный тип почвообразования. Для всех типов почв типоморфным является углерод в составе специфических соединений гумусовой природы. Для подзолистого типа почв - это прежде всего железо и алюминий, для засоленных почв - ионы, характеризующие определенный тип засоления: Na+, Са2+, Mg2+, Сl-, SO2-, СО2-, НСО3- и т. д.
При исследовании миграции типоморфных элементов, в почвенную колонку или непосредственно в определенное место почвенного профиля вносят типоморфный элемент в составе одного из природных соединений, характерных для данной почвы. Например, железо в почвах подзолистого типа может быть внесено в виде одной из синтезированных форм гидроксида железа; закисного железа в ионной форме (Fe2+); в составе растительных остатков; железа, связанного с различными группами гумусовых веществ, и др. Затем изучают не только пространственное перемещение, включая поступление в растения, но и трансформацию в течение данного процесса исходной формы элемента. В этом случае использование метода предполагает отбор проб во времени и их последующий радиометрический и химический анализ. Такой подход позволяет оценивать направленность и масштабы перемещения элементов в рамках биогеохимических циклов.
Проведенные в данном направлении изотопно-индикаторные исследования перемещения железа в почвах подзолистого типа позволили установить, что масштабы переноса в рамках биологического круговорота (поглощение фитомассой - возврат в почву с опадом) в несколько раз превосходят масштабы абиотической нисходящей миграции железа с потоками почвенной влаги. Кроме того, основной путь выноса железа (как и большинства других элементов) из таежных экосистем не соответствует классической концепции подзолообразования (элювиально-иллювиальное перераспределение в профиле почвы), а происходит за счет вымывания из лесной подстилки водами поверхностною стока, преимущественно в период весеннего снеготаяния. Установление данного факта позволило прогнозировать и поведение многих загрязняющих веществ в лесных экосистемах. С помощью изотопно-индикаторного метода выявлена роль «вечнозеленого» мохового очеса в таежных экосистемах в регулировании выноса различных элементов водами поверхностного стока. Моховой очес задерживает дефицитные для таежных экосистем фосфор, кальций, многие микроэлементы и пропускает недефицитные, например железо.
Загрязняющие вещества, поступающие в природные и сельскохозяйственные экосистемы, представлены множеством разнообразных соединений. Это сульфаты, тяжелые металлы, различные пестициды, органические ксенобиотики, представляющие всевозможные группы органических соединений. Основные проблемы, которые в данном случае требуют решения, - это изучение механизмов и скоростей детоксикации загрязняющих веществ (за счет сорбции почвами, химической и биологической деструкции и др.), а также поступления их из почвы в растения и абиотической миграции.
В настоящее время для подавляющего большинства токсикантов могут быть получены или подобраны подходящие изотопно-меченые соединения, многие из которых имеют относительно невысокую стоимость (тяжелые металлы, разнообразные пестициды, различные компоненты нефти, полиароматические соединения).
Изучение поведения загрязняющих веществ в природных и сельскохозяйственных экосистемах дает весьма ценную информацию для прогнозных оценок экологического состояния экосистем, уточнения и корректировки нормативов по загрязнениям. Например, для остаточных количеств некоторых пестицидов (триазинов) нередко обнаруживается проявление токсичности при их содержании в почве в несколько раз ниже допустимых уровней. С помощью метода изотопных индикаторов было обнаружено, что такой эффект проявляется в тех случаях, когда остаточные количества пестицида концентрируются не в минеральной почвенной массе, а в растительных остатках. Как было отмечено выше, отмершие растительные остатки в почве обладают способностью концентрировать всасывающие корни живых растений (благодаря лучшим условиям корневого питания), что приводит к повышенному накоплению живыми растениями остаточных количеств пестицидов из органических остатков. Таким образом, в ряде случаев нормирование содержания остаточных количеств пестицидов в почвах должно учитывать не только общее содержание, но и формы нахождения токсикантов в почвах.
Следует отметить, что изучение поведения загрязняющих веществ в почвах может стать одним из наиболее перспективных направлений использовании изотопно-индикаторного метода в экологии и сельском хозяйстве.