Характеристика элементного состава торфяного сырья

Химия растительного сырья. 2000. №4. С. 29–34.
е
УДК 552.577:543.53
ХАРАКТЕРИСТИКА ЭЛЕМЕНТНОГО СОСТАВА ТОРФЯНОГО СЫРЬЯ
ОЛИГОТРОФНОГО БОЛОТА

а*
б
а
а
а
Т.Н. Цыбукова , Л.И. Инишева , О.К. Тихонова , Л.А. Зейле , М.С. Юсубов
а
Сибирский медицинский университет,
Московский тракт, 2, Томск, 634050 (Россия) e-mail: yusubov@mail.ru
б
Сибирский НИИ торфа СО РАСХН,
Томск, 634050 (Россия)
Методом нейтронно-активационного анализа проанализированы пробы торфов, болотных вод, речной воды, мха
и багульника единого болотного ландшафта (Западная Сибирь, Васюганское болото). Отмечено различное
накопление 16 элементов в различных геохимических зонах. Установлено, что концентрация практически всех
элементов в торфе и мхе значительно выше, чем в багульнике.
Введение
Торф можно рассматривать как ценное химико-технологическое сырье. Химико-технологическую
переработку
торфа
проводят
в
режиме
гидролиза,
пиролиза,
экстракции
и
химической
идентификации [1].
В гидролизатах торфа обнаружен широкий спектр карбоновых, аминокислот, гуминовых веществ и
других соединений. На основе продуктов гидролиза и химической идентификации получены ценные
препараты для лечения кожных, стоматологических и гинекологических заболеваний. Широко известное
средство «Торфэнал», полученное экстракцией из торфа биологически активных веществ сжиженным
диоксидом углерода, характеризуется высоким терапевтическим эффектом при лечении больных
экземой, псориазом, атопическим дерматитом, красным плоским лишаем и др. [2].
Известно, что в торфах концентрируется значительное количество элементов – примесей [3]. При
этом одна их часть имеет сингенетично-биогенное, а другая – эпигенетично-гидрогенное происхождение.
Торф по сравнению с живым веществом обычно обеднен B, Zn, Sn, поэтому при исследовании торфа
необходимо учитывать его элементный состав. В ранее опубликованных работах [4, 5] было
проанализировано содержание элементов в западно-сибирских торфах различного ботанического состава
(всего около 2 тыс. образцов) и выявлены закономерности, характерные для торфов таежной зоны. Было
установлено, что во всех западно-сибирских торфах содержание Br превышает ПДК для почв [6] в 4–
7 раз (10–20 мг/кг), В – в 1,3–2 раза (25–100 мг/кг), Br – в 8–16, Au – в 6–15, Hg – в 45–70 раз.
Нашими исследованиями определены фоновые концентрации ряда элементов в западно-сибирских
торфах. Была проведена системная работа по характеристике элементного состава западно-сибирских
*
Автор, с которым следует вести переписку.
30
Т.Н. ЦЫБУКОВА, Л.И. ИНИШЕВА, О.К. ТИХОНОВА, Л.А. ЗЕЙЛЕ, М.С. ЮСУБОВ
торфов в целом по территории безотносительно геохимической приуроченности и контрольной привязки
на местности.
Целью
данной
работы
является
изучение
элементного
состава
в
системе:
растения–
торфообразователи – торфяная залежь – болотные воды, что позволяет комплексно оценить торфяное
сырье единого болотного ландшафта.
Материалы и методы
Исследования проводились на отрогах Васюганского болота (п. Полынянка Бакчарского района) в
системе геохимически сопряженных олиготрофных ландшафтов со следующими биогеоценозами (от
периферии к центру болота): осоково-кустарничково–сфагновые (низкий рям, высокий рям), осковосфагновая топь (соответственно п. 2, 3, 5). Все биогеоценозы расположены в пределах бассейна реки
Ключ, они формируются за счет стока с болот. Основным источником питания этого водотока являются
болотные воды отрогов Васюганского болота.
В этих пунктах были отобраны образцы торфа на элементный анализ в слое 0–50 см (табл. 1).
На этих же биогеоценозах на химический анализ из колодцев были взяты болотные воды и вода
р. Ключ. На сосново-кустарничково-сфагновом фитоценозе (п. 2) также были отобраны образцы
растений-торфообразователей: доминанты сфагнум-фускум, багульник. Последний разделен на две
фракции: листья и стебли, которые анализировались отдельно.
Таблица 1. Ботанический состав и степень разложения торфов
Пункт
Глубина,
Вид
Степень
Содержание
наблюдения
см
торфа
разложения, %
растений, %
п. 2
0-25
медиум торф
5
кустарник 5
Sph. magellan 60
Sph. angust. fol. 35
25-50
пушицево-
35
сфагновый
сосна 5
кустарник 5
пушица 25
Sph. magellan 50
Sph. angust. fol. 10
c. rostrata 5
c. lasiocarpa +
п. 3
0-50
фускум-торф
5
кустарник +
сфагнум фускум 85
Rubus chem 5
Sph. magellan 10
п. 5
0-100
комплексный
сфагнум
5
С. limisa +
Sph. majus 30
Sph. magellan 30
Sph. papullosum 15
Sph. flexuosum 25
ХАРАКТЕРИСТИКА ЭЛЕМЕНТНОГО СОСТАВА …
31
Ботанический состав и степень разложения определяли микроскопическим методом (ГОСТ 28245-89).
Для исследования элементного состава образцов использовали нейтронно-активационный анализ (НАА);
работу проводили на ядерном реакторе «Спутник» (Томск). Пробу облучали потоком нейтронов при
плотности 2⋅1013 нейтр/(см2⋅с) в течение 12 ч. Наведенный γ-спектр исследовали дважды: среднеживущие
изотопы определяли через 7–9 суток, долгоживущие – через 25 суток. Выбор определяемых элементов
был прежде всего обусловлен возможностью метода НАА, но при этом также исходили из важности
элементов для живых организмов и растений. Na, Ca, Fe выступают как составные части органических
соединений и как основа биологических жидкостей. Co и Zn обладают исключительно высокой
биологической активностью, входя в состав многих металлоферментов. Обнаружение в растениях и
торфах токсичных элементов (Hg, Sb, Se, Br, Cd, Pb и др.) актуально с экологической точки зрения и для
установления возможности использования растений и торфов в медицине. Определение таких редко
встречающихся элементов, как Au, Ag, U, Th, дает более полную информацию об элементном составе
анализируемых образцов.
Результаты и обсуждение
Результаты анализа приведены в таблице 2 (% от массы сухого сырья). Данные получены
усреднением четырех параллельных определений и обработаны методом математической статистики.
Относительное стандартное отклонение представлено для трех элементов и составляет для Ca – 0,045,
для Со – 0,029, для Br – 0,262. Доверительный интервал для Ca, Co, Br составляет 0,14; 0,09; 0,83
соответственно.
Из таблицы 2 видно, что концентрация всех элементов (кроме Cr, Br) в торфе и мхе значительно
выше, чем в стеблях и листьях багульника. Содержание элементов в листьях багульника больше, чем в
стеблях. Концентрация элементов по ряду: стебли багульника – листья багульника – торф возрастает.
Следует отметить, что большинство элементов (кроме Zn, Au) лучше концентрируются в п. 2, чем в п.
5, а в п. 3 эта тенденция не прослеживается.
В болотных водах количество сухого остатка увеличивается по ряду п. 5–п. 3–п. 2, что
свидетельствует о возрастании минерализации воды. В р. Ключ минерализация остается довольно
высокой. Показано, что содержание элементов Na, Zn, Co, Br, Cr, Hg, Sb, Au, U, Th по ряду п. 5–п. 2
уменьшается, концентрации Sr и Br равны, а содержание Ca, Fe, Se, Ag возрастает.
Следует отметить, что геохимические условия формирования торфов на болоте существенно
различаются. Так, например, торфяная залежь высокого ряма имеет мощность 90 см и смешанное
лесотопяное строение. В ее формировании принимают участие 5 видов торфа. Только два из них –
осоковый низинный и сосново-пушицевый верховой достигают мощности 20 см, остальные виды торфа
имеют мощность около 10 см. Это окрайка торфяного болота и, следовательно, наиболее низкая его
часть. И именно сюда направлен поток поверхностных склоновых и внутриболотных вод. Надо полагать,
это является причиной высоких концентраций всех рассмотренных элементов. На исследуемом
водосборе эта часть болота играет роль геохимического барьера.
Таблица 2. Содержание микроэлементов в исследованных образцах
Элемент (%)
Na
-2
Образцы
Ca
-2
Fe
-2
Zn
-4
Co
-4
Ba
-4
Sr
-4
Br
-4
Cr
-4
Hg
-4
Se
-6
Sb
-6
Au
Ag
-6
-6
U
-6
Th
(10 )
(10 )
(10 )
(10 )
(10 )
(10 )
(10 )
(10 )
(10 )
(10 )
(10 )
(10 )
(10 )
(10 )
(10 )
(10-6)
Торф
п. 5
4.7
74.0
35.0
70.2
1.3
49.0
115.0
23.7
14.9
23.0
110.0
42.0
8.4
<40
<20
45.0
(0-50 см)
п. 3
9.1
62.0
34.0
102.5
1.2
55.0
109.0
24.8
18.7
44.5
<10
38.0
6.3
<40
<20
30.0
п. 2
6.4
145.0
67.5
67.7
2.2
92.2
137.2
26.7
16.9
28.0
53.7
58.0
5.2
<40
71.3
95.0
Растения (п. 2)
Листья багульника
0.95
49.00
2.22
32.26
0.10
76.56
12.59
2.06
0.81
0.35
<0.35
3.20
1.26
8.22
<0.70
1.76
Стебли багульника
0.38
11.60
0.83
20.35
1.40
46.65
12.80
33.30
36.00
<10
<0.10
2.38
0.57
6.60
<0.02
<0.10
Мох
1.68
29.60
5.36
29.39
0.25
22.79
13.89
7.04
1.98
3.31
<0.35
12.50
0.96
1.43
<0.70
8.60
Болотные
п. 5 (125 мг/л)
81.0
314.0
140.0
330.6
4.1
130.0
198.0
99.5
19.5
25.2
33.0
370.0
8.1
<40
<20
34.0
воды
п. 3 (152 мг/л)
45.0
144.0
78.0
181.0
2.3
85.0
97.0
85.1
20.6
26.6
120.0
270.0
4.2
<40
<20
40.0
(плот. ост)
п. 2 (267 мг/л)
6.3
483.0
160.0
73.9
3.9
83.0
210.0
95.6
13.6
17.0
66.0
120.0
2.2
57.0
<20
24.0
136.0
990.0
150.0
108.1
1.7
96.0
655.0
130.0
22.9
26.3
85.0
240.0
10.0
<40
190.0
64.0
р. Ключ (187 мг/л)
ХАРАКТЕРИСТИКА ЭЛЕМЕНТНОГО СОСТАВА …
33
Осоково-сфагновая топь располагается ближе к центру болота. Мощность торфяной залежи – 2,5 м:
до глубины 0,6 м идет слой верхового сфагнового торфа слабой степени разложения (7%), затем 0,1 м
переходного шейхцериево-сфагнового торфа и далее мощный пласт низинного торфа осокового и
древесно-осокового видов. В зоне активного влагооборота, мощность которой достигает 0,6 м, уровень
болотных вод в определенные годы в летний период снижается до глубины 0,4 м и освободившийся
внутризалежный поток перемещается на окрайку болота (п. 2).
Заслуживает внимания и тот факт, что верховой торф обеднен элементным составом вследствие
полной зависимости питания растений–торфообразователей от атмосферных осадков.
Располагающийся между высоким рямом (п. 2) и осоково-сфагновой топью (п. 5) сосновокустарничково-сфагновый фитоценоз (низкий рям, п. 3) характеризуется средними концентрациями
элементов в торфе. В этом пункте отмечена самая большая глубина торфа (3 м) и залежь имеет
смешанный топяной вид строения.
Выше мы уже упоминали о том, что на рассматриваемом ландшафтном профиле сток в р. Ключ
осуществляется с открытой топи болота как поверхностным стоком (весенний снеговой сток), так и
внутриболотным потоком. Это позволяет предполагать, что поверхностно-талые воды успевают
перемешаться с водами деятельного слоя торфяной залежи и часть подвижных элементов переходит в
раствор почвенно-болотных вод. Наши исследования показывают (табл. 2), что существенных изменений
концентрации элементов в болотных водах в окрайке болота не происходит.
Несколько возрастает содержание Se, но в основном концентрация микроэлементов снижается, в то
время как ионы (Ca2+, Mg2+, Na+, K+, SO42-, NO3-, NO2-) имеют тенденцию к перемещению от центра
болота к его окрайке [7]. Следовательно, формы нахождения рассмотренных элементов в торфе –
преобладающе необменные, а в болотных водах установились равновесные концентрации.
Об отсутствии процесса концентрирования рассматриваемых элементов в мигрирующем потоке из
центра болота к руслу р. Ключ свидетельствуют и результаты анализа состава воды. Отмечается
увеличение содержания Ca, Sr, Fe, Se, Ag из шестнадцати элементов в 2–4 раза (табл. 2). Возможно, это
объясняется атмосферным привносом на снеговой покров в зимний период.
Представляет интерес сравнение элементного состава исследованных болотных вод ЗападноСибирского региона с аналогичными исследованиями других авторов [8, 9]. Следует отметить, что
исследованные нами воды характеризуются повышенными концентрациями элементов по сравнению с
известными в литературе. Этому факту может быть несколько объяснений. Например, разные
геохимические условия. По всей вероятности, требуются дальнейшие исследования в этом направлении.
В случае осушения данного торфяного месторождения можно предполагать дополнительное осаждение в
торфах элементов из болотных вод (процессы ионно-обменные и коагуляции).
Особого
внимания
заслуживает
соотношение
содержания
элементов
в
растениях
–
торфообразователях и поверхностном слое торфа, что рассмотрено на примере биогеоценоза высокого
ряма (табл. 2). Анализ данных позволяет сделать вывод о повышенном содержании большинства
элементов в торфе. В растениях-торфообразователях больше, чем в торфах, содержится только три
элемента: Rb, Cr, Br.
В большей степени элементы концентрируются в листьях багульника, а из двух растений–
торфообразователей – в сфагнум-фускум.
34
Т.Н. ЦЫБУКОВА, Л.И. ИНИШЕВА, О.К. ТИХОНОВА, Л.А. ЗЕЙЛЕ, М.С. ЮСУБОВ
Выводы
1. Содержание элементов в торфах Васюганских болот подтверждает общую закономерность,
отмечаемую в целом для западно-сибирских торфов.
2. Элементы избирательно накапливаются в разных частях болота в соответствии с его
геохимическими зонами.
3. Болотные воды характеризуются повышенным содержанием элементов.
4. Листья багульника концентрируют элементы в большей степени, чем стебли, а из двух растенийторфообразователей более богат элементами сфагнум фускум, являющийся доминантом наземного
покрова олиготрофных болот.
Список литературы
1.
Раковский В.Е. Общая химическая технология торфа. М.-Л., 1949.
2.
Лиштван И.И. Физико-химические свойства торфа, химическая и термическая его переработка. Химия твердого
топлива. 1996. №3. С. 3–23.
3.
Иванов В.В. Экологическая геохимия элементов. М., 1994.
4.
Инишева Л.И., Цыбукова Т.Н. Содержание тяжелых металлов в торфах Западной Сибири // Мелиорация и
водное хозяйство. 1996. №2. С. 21–23.
5.
Инишева Л.И., Цыбукова Т.Н. Эколого-геохимическая оценка торфов юго-востока западно-сибирской равнины
// География и природные ресурсы. 1999. №1. С. 45–51.
6.
Алексеев О.В. Тяжелые металлы в почвах и растениях. Л., 1987.
7.
Инишева Л.И., Инишев Н. Г. Формирование состава болотных вод олиготрофных болот южно-торфяной
подзоны Западной Сибири // Проблемы географии на рубеже XXI века: Материалы Всероссийской научной
конференции 24-26 февр. 2000 г. Томск, 2000. С. 66–68.
8.
Бахнов В.К. Биогеохимические аспекты болотообразовательного процесса. Новосибирск, 1986. 193 с.
9.
Назаров А.Д., Рассказов Н.М., Удодов П.А., Шварцев С.Л. Гидрогеологические условия формирования болот //
Научные предпосылки формирования болот Западной Сибири. М., 1986. С. 99–113.
Поступило в редакцию 1 ноября 2000 года