В геохимической лаборатории

В целом ряде случаев у растений при избыточном содержании того или иного элемента не наблюдается каких-либо морфологических изменений. Казалось бы, такие растения не могут служить индикаторами полезных ископаемых. Однако ученые обратили внимание на то, что некоторые из них накапливают в своих тканях значительные количества химических элементов. Так, например, при высоких концентрациях молибдена в почвах он в еще больших (иногда в 300 раз!) количествах накапливается в надземных частях некоторых растений (астрагалы, донник лекарственный). Концентрация стронция или бария в листве ивы или березы в 30-40 раз выше, чем в почве. Большие количества марганца и ниобия могут накапливаться в хвое лиственницы и листьях багульника. Много тория откладывается в листьях осины, черемухи и пихты.

Изучение химического состава растений, особенно их золы, - один из основных приемов биогеохимического метода поиска полезных ископаемых. Теоретической основой этого метода служит учение академиков В. И. Вернадского и А. П. Виноградова об ореолах рассеяния химических элементов. Согласно этому учению, на месторождении какого-либо минерала наблюдается зона повышенной концентрации входящего в его состав элемента, или ореол рассеяния. Обитающие здесь растения по-разному реагируют на этот элемент. Одни растения накапливают (концентрируют) его в своих тканях, другие не накапливают. В качестве индикатора полезных ископаемых могут быть использованы только те растения, которые беспрепятственно накапливают химические элементы. Однако следует иметь в виду, что есть такие элементы, как, например, цинк, которые интенсивно поглощаются всеми растениями.

При выборе индикаторов необходимо также учитывать избирательную способность растений по отношению к тем или иным элементам, поскольку благодаря ей растения могут содержать чрезвычайно высокие концентрации какого-либо элемента даже в том случае, если в подстилающей породе нет никакого месторождения. К каким серьезным просчетам может привести игнорирование этого свойства, хорошо иллюстрирует изучение химического состава водоросли валонии (Valonia). Она содержит натрия в 5-6 раз меньше, а калия - в 44 раза больше, чем в окружающей морской воде. Если судить только по соотношению элементов в тканях водоросли, то может показаться, что в морской воде преобладают ионы калия. Однако одинаково заряженные ионы этих элементов незначительно отличаются по массе, просто растительные клетки охотно поглощают из растворов ионы калия и "равнодушны" к ионам натрия.

Способность к избирательному поглощению веществ приводит к тому, что некоторые растения становятся буквально вместилищами химических элементов, и об этом мы поговорим несколько позже. Сейчас для нас важно показать, что избыточное накопление некоторых элементов в растительных клетках еще не означает высокого содержания их в почве и подстилающей породе. Так, литий накапливается в растениях не только над рудоносными зонами, но и за их пределами. В свекле нередко можно найти таллий. Между тем в почвах, на которых растет свекла, его часто не удается обнаружить даже с помощью самых современных методов анализа. Советский исследователь В. В. Ковальский назвал такие растения типичными (привычными) концентраторами. В отличие от них непривычные концентраторы обычно накапливают искомый элемент лишь в случае его избыточного содержания в почве или материнской породе. Именно такие растения и представляют наибольшую ценность как индикаторы. С их помощью были открыты месторождения хрома, цинка, меди, вольфрама, серы и некоторых других элементов.

Есть растения, не накапливающие в своих тканях некоторые химические элементы даже в том случае, если они содержатся в почве в повышенных дозах. Физиологические причины этого явления не совсем ясны. Возможно, цитоплазматические мембраны этих растений изначально были лишены специфических белковых молекул - переносчиков ионов некоторых элементов, так как последние не участвовали в обмене веществ. Вместе с тем растения в ходе эволюции могли утратить способность к избирательному накоплению какого-то элемента из-за его токсичности. Наконец, можно предположить, что в растениях в ходе эволюции возникли специфические механизмы - барьеры, - препятствующие поступлению в клетки некоторых элементов. В настоящее время установлено наличие барьеров по отношению к 34 химическим элементам, в том числе к урану.

Злаки содержат одинаковое количество бора как на почвах, богатых этим элементом, так и на почвах с низким его содержанием. Аналогична реакция злаков на молибден, никель и кобальт. Не концентрируют молибден почти все деревья и кустарники средней полосы. Растения, не накапливающие в своих тканях определенных химических элементов, не могут быть использованы в качестве индикаторов месторождений, содержащих эти элементы.

Биогеохимический метод поиска полезных ископаемых возник в нашей стране в 20-х годах, когда С. П. Александров установил, что содержание урана и ванадия в растениях, обитающих на некоторых рудных месторождениях, зависит от концентрации этих элементов в подстилающих породах. Позднее эта закономерность была установлена по отношению ко многим элементам. Постепенно накапливалось все больше и больше фактов, свидетельствующих о возможности широкого использования результатов химического анализа растений для поиска полезных ископаемых. Начиная с 50-х годов биогеохимический метод стал интенсивно применяться в производственных масштабах.

Почему геологи иногда предпочитают ориентироваться на растения, а не на почву? Дело в том, что в некоторых случаях повышенная концентрация искомого элемента наблюдается не в верхних слоях субстрата, а несколькими метрами глубже. Корневая система растений позволяет им поглощать и накапливать в тканях этот элемент.

Растения предпочтительнее почв и в том случае, когда поиск полезных ископаемых ведется в заболоченных местностях, где отбор почвенных образцов затруднен.

Геологов интересует химический состав не только живых растений, но и опада - опавших листьев, веток, коры. Особый интерес представляет химический анализ золы торфа. Торфометрия позволяет определить химический состав различных слоев торфа.

Сосна может оказаться полезной в поиске бериллиевых руд. В ее коре концентрация бериллия в 300 раз превышает местные фоновые показатели этого элемента. Береза и лиственница также накапливают бериллий, но приблизительно в 10 раз меньше, чем сосна. Среднее содержание этого элемента в биомассе составляет 3*10^-5%. Наиболее богаты им листья и семена.

Там, где почвы и подстилающие породы обогащены бериллием, большинство растений, накапливая его, способствуют перемещению из глубин в почвенный слой. Исследуя химический состав их, нетрудно выявить ореолы рассеяния этого элемента, залежи бериллиевых руд.

Четких и контрастных аномалий бора в почвах не обнаружено, поэтому особенно интересно содержание его в растениях. Оказалось, что с помощью спектрального анализа нетрудно выявить и четко оконтурить площади борных аномалий. Дело в том, что растения накапливают бора в 20-30 раз больше, чем почвы. Лишь злаки обладают механизмом, ограничивающим поступление этого элемента. Бор содержится во всех органах, однако наиболее высокие его концентрации обнаружены в листьях и цветках.

В качестве индикаторов борных аномалий следует использовать непривычные концентраторы этого элемента. Видов, относящихся к привычным концентраторам бора, не так много, большинство растений относится к непривычным его концентраторам.

Поступление бора в растения зависит от фазы их развития. В отдельные фенофазы количество его в тканях платана возрастает семикратно. Это обстоятельство следует учитывать при биогеохимическом метод обнаружения аномалий бора.

Необходимо иметь в виду, что содержание бора в тканях растений зависит от глубины проникновения в субстрат корневой системы. Чем глубже корни вра-1Г стают в субстрат, тем больше этого элемента накапливают растения. Так, например, поверхностная корневая система солянки эрикоидной (Salsola ericoides) обеспечивает накопление всего 0,042% оксида бора, тогда как корневая система полыни душистой (Artemisia fragrans), достигающая длины 2-3 м, - 0,129%. В астрагале золотистом (Astragalus aureus), корневая система которого равна 3 -5 м, накапливается 0,386% оксида бора. В связи с тем что фреатофиты имеют исключительно мощную корневую систему, достигающую уровня грунтовых вод, они содержат очень много бора, особенно если приурочены к месторождению. Поэтому при поиске борных аномалий с помощью биогеохимического метода необходимо принимать во внимание глубину проникновения корневой системы растения.

Альтернантера сидячая (Alternanthera sessilis) - однолетнее растение, встречающееся в нашей стране по сырым местам и известное в Закавказье как сорняк рисовых полей, накапливает в своих тканях ванадий. Этот элемент обнаружен во многих растениях. Повышенные концентрации его наблюдаются в золе растений, обитающих на месторождениях ванадиевых руд. Он концентрируется главным образом в корнях.

Белоствольные красавицы березы оказались перспективными индикаторами месторождений золота. Этот элемент отличается низкой реакционной способностью. И тем не менее он все же растворяется. Ничтожные его концентрации всегда содержатся в морской воде. Когда грунтовые воды профильтровываются через золотоносные слои, золото растворяется, и концентрация его увеличивается настолько, что геологи, проведя химические анализы, могут довольно точно судить о наличии месторождений ценного металла. Трудность, однако, заключается в том, что подземные воды отнюдь не везде выходят на поверхность. Бурение скважин - дело дорогостоящее. Между тем березы в период сокодвижения поглощают корнями большое количество грунтовых вод. И если они содержат золото, этот элемент оказывается в березовом соке. Остается во время сокодвижения взять в разных местах пробы березового сока и отправить их в лабораторию.

Для определения содержания золота сок имеет ряд преимуществ по сравнению с золой. Во-первых, при анализе сока не требуется вводить поправки на время сбора образцов. Ведь сокодвижение у берез наблюдается в течение довольно ограниченного времени, обычно в конце марта - в апреле. Начинается и заканчивается оно практически в одно и то же время на значительной территории. Во-вторых, березовые леса широко распространены в нашей стране, что представляет большое удобство для получения сравнимых результатов. В-третьих, сбор проб сока и их обработка очень несложны. Исследователи обычно отбирают березы с диаметром ствола 20-30 см. Ствол сверлят на глубину 8-10 см. В отверстие вставляется полиэтиленовая трубка, по которой сок стекает в полиэтиленовый сокоприемник. Чтобы предотвратить брожение сахаристых веществ, содержащихся в соке, пробы подкисляют свежеприготовленной царской водкой из расчета 25 мл на 1 л сока. В-четвертых, сок представляет собой природный раствор, в котором содержание металлов определяется физико-химическими методами без всякой предварительной подготовки. В то же время для анализа золы необходимо сначала ее получить, а для этого надо сжечь растительный материал, затем перевести находящиеся в золе металлы в растворимую форму, удобную для анализа. Этот метод поиска золота проверялся на одном из коренных золоторудных месторождений в Западном Забайкалье. Полученные результаты подтвердили возможность его использования на практике.

Установлено, что в золе некоторых растений пустынь золота содержится в 40 - 150 раз больше, чем в почве. В полыни, произрастающей на месторождении, количество золота колеблется от 4,7 до 85 г на 1 т золы, тогда как в полыни, обитающей за пределами месторождения, оно не превышает 4-5 г на 1 т. Накапливают золото также хвощ полевой (Equisetum arvense), представители рода зайцегуб (Lagochilus) - растения из семейства губоцветных, нередко встречающиеся в горных районах Средней Азии, овсяница красная (Festuca rubra), кукуруза, дуб, а в Австралии - жимолость. В растениях овсяницы красной может содержаться 95,05 мг золота на 1 т растительного материала. Особенно богаты этим элементом семена. Среднее содержание золота в растениях со свинцово-серебряных копей - 1,71 мг на 1 т, а с золотых приисков - в 2 раза больше и составляет 3,42 мг на 1 т.

Растение, концентрирующее золото (хвощ полевой)

В настоящее время все большее внимание привлекает возможность добычи ценных полезных ископаемых, в том числе и золота, с морского дна. Обнаружить имеющиеся на дне морских и материковых водоемов золотые россыпи можно с помощью бентоса - организмов, обитающих на грунте и в грунте дна. В частности, для выявления золотоносных песков могут быть использованы донные водоросли.

Исследования показали, что в бурых и красных водорослях, произрастающих на золотоносных мелкозернистых глинистых песках, искомого металла содержится в 6-7 раз больше, чем в водорослях, обитающих на незолотоносных мелкозернистых глинистых песках. Благодаря этому морские водоросли могут быть использованы для картографирования площадей, перспективных на рассыпное золото. Этот метод ценен тем, что сбор водорослей с морского дна не представляет особых трудностей.

Известно, что бурачок двусемянный является индикатором кобальтовых руд. Ученые исследовали накопление европейскими видами бурачка кобальта и никеля. Оказалось, что 14 видов из 64 - гипераккумуляторы никеля. Они способны накапливать более 1000 мкг этого элемента на 1 г сухого вещества. Обычно в растениях содержится не более 1 мкг никеля на 1 г сухого вещества. Между тем у некоторых видов бурачка (Alyssum bertolonii, A. corsicum, A. heldreichii, A. markgratii, A. robertianum) содержание никеля превышало 10 тыс. мкг на 1 г сухого вещества, т. е. составляло 1 %. Кобальта у гипераккумуляторов было в несколько сот раз меньше, чем никеля, в то время как отношение никель/кобальт в породах обычно составляет 10/1. Это обстоятельство, по мнению исследователей, указывает на избирательную способность бурачков накапливать никель. Физиологические механизмы избирательности пока не ясны.

Никель обнаружен отнюдь не только в бурачках, но и во многих других растениях. Обычно он концентрируется в древесине стеблей и листьях. На месторождениях его особенно много в растениях. А вот хибантус флорибундус, обитающий в Западной и Южной Австралии, накапливает огромное количество никеля (23% в золе листьев!) даже на почвах, бедных никелем.

Содержание лития в почвах невелико, всего 3*10^-3%. Обычно в растительных тканях концентрация этого элемента на один-два порядка меньше, следовательно, в растениях есть барьеры, препятствующие поступлению лития внутрь клеток. По-видимому, это защитная реакция - в высоких концентрациях элемент токсичен для растений. Однако некоторые виды, относящиеся к так называемой литиевой флоре, накапливают его в довольно значительных количествах. Так, например, в лабазнике вязолистном (Filipendula ulmaria) и осине (Populus tremula) может содержаться лития до 0,1 %. Очень активно поглощает этот элемент табак (Nicotiana tabacum). Он накапливает литий независимо от его содержания в почве, поэтому относится к числу привычных концентраторов, непригодных для индикации. Литий концентрируется главным образом в листьях и хвое растений.

Медь содержится во всех растениях, поскольку это жизненно важный микроэлемент. Особенно много ее накапливается в тканях организмов на месторождениях. Повышенное содержание меди наблюдается в корнях, ветвях и листьях. В некоторых растениях она присутствует в чистом виде. Так, в каждом килограмме древесины американского дуба крупноплодного (Quercus macrocarpa) обнаружено 200 мг металлической меди. Масло камфорного дерева дриобаланопса (Dryobalanops aromatica), используемого для получения ценного лекарственного средства - камфоры, из-за большого количества меди имеет зеленоватый цвет.

Концентраторы молибдена - растения из семейства бобовых - астрагалы, донник лекарственный. Особенно много этого элемента содержится в семенах и листьях. В надземных частях растений молибдена может быть в 300 раз больше, чем в почве. По этой причине ореолы рассеяния его легче выявить с помощью растений, а не почвенных образцов.

Растения, концентрирующее молибден (донник лекарственный)

Изучение закономерностей поглощения урана и радия позволило установить, что растения по-разному накапливают эти элементы. Несмотря на то, что в почве может быть много урана, растения обычно не накапливают его в своих тканях - сказываются барьеры, ограничивающие его поступление в клетки. В то же время по отношению к радию таких барьеров нет. Этот элемент концентрируется в основном в молодых частях растений, в том числе в листьях и цветках, но у некоторых видов - в корнях. А вот уран, если он и накапливается, то чаще в древесине и корнях.

Оказалось, что, чем древнее по своему происхождению растения, тем большей способностью к накоплению радиоактивного вещества они обладают. Например, у папоротников радиоактивность ниже, чем у лишайников. Еще более низкую радиоактивность имеют голосеменные растения и совсем незначительную - цветковые. Можно предположить, что в ходе эволюции растения выработали приспособления для уменьшения накопления в своих тканях радиоактивных элементов, которые в целом ряде случаев, особенно при высоком содержании, могут вызывать неблагоприятные изменения в виде опухолей, нежелательных мутаций и т. д. Культурные растения - сахарная свекла, пшеница - по сравнению со своими дикими предками содержат меньше радиоактивных элементов.

С помощью биогеохимического метода можно обнаружить месторождения свинца. Установлено, что концентрация этого элемента в растениях на мелкоземистых склонах Алмалыкского рудного района в 3-5-10 раз выше средней для наземных растений. Особенно много свинца аккумулируют таволга зверобоелистная, вишня тянь-шаньская, боярышник туркестанский и жимолость монетолистная. Среднее содержание этого элемента в полыни тянь-шаньской (Artemisia tianschanica) на месторождении в 1,6 раза выше, чем в той же полыни, выросшей на аналогичной почве за пределами месторождения. Если исключить районы антропогенного загрязнения окружающей среды свинцом, то будет видно, что содержание его в растениях и почвах увеличивается только в тех районах, где встречаются руды этого металла.

У одних растений накопление этого элемента зависит от фазы их развития. Так, в золе василька раскидистого (Centaurea diffusa), растущего над рудным телом, от стадии бутонизации до стадии образования семян количество свинца возрастает в 2 раза. У других, например у зопника Регеля (Phlomis regelii), накопление свинца не связано с фазами развития.

Как уже отмечалось, прямыми индикаторами селеносодержащих пород являются астрагалы, которые накапливают в своих тканях до 1,5% селена. Вообще этот элемент находят во многих растениях семейства бобовых (нептуния, акация), крестоцветных, мареновых, сложноцветных. В растениях-концентраторах обнаружены различные селеноорганические соединения - главным образом селеновые аналоги серосодержащих аминокислот. Особенно много селена бывает в тканях растений на месторождениях этого элемента, где формируются характерные фитоценозы, включающие астру (Aster venustus) (Колорадо, США).

Что касается цинка, то его содержание в растениях Алмалыкского рудного района в 3-5-10 раз выше среднего для наземной растительности. Количество цинка в полыни тянь-шаньской (Artemisia tianschanica) на рудных месторождениях было в 2-3 раза выше, чем в растениях того же вида на аналогичных по составу породах, но вне месторождений.

Если сравнить концентрации цинка в почве и в растениях, в последних она на порядок выше. Поглощение этого элемента растениями зависит от формы, в которой он находится в почве. В карбонатных почвах он присутствует в малоподвижной форме. При наличии значительного количества ионов железа цинк поглощается растениями более интенсивно.

Малоподвижный в биосфере цирконий присутствует в растениях обычно в незначительных количествах. Накопителями его являются в основном древесные виды - лиственница Сукачева, береза бородавчатая. Из травянистых растений в повышенных количествах этот элемент обнаруживается в вейнике тростниковидном и еже сборной.