В течение последнего десятилетия ученые-экологи выражали серьезную озабоченность по поводу увеличения содержания в окружающей среде целого ряда токсичных элементов. К числу наиболее потенциально опасных относятся так называемые «тяжелые металлы», термин, применяемый для обозначения ряда переходных элементов, включая медь, цинк и никель и другие элементы, такие как кадмий, ртуть и свинец. Остротоксичные уровни этих металлов встречаются редко, но имеются достаточные доказательства, которые свидетельствуют об их растущем распространении во многих организмах.
Очевидна необходимость изучения темпов поступления тяжелых металлов в биологические системы и их последующего поведения в рамках таких систем. Поэтому для получения более четкого представления о долгосрочном воздействии тяжелых металлов мы должны располагать информацией как о ставке, так и об абсолютном количестве тяжелых металлов, осажденных в рамках определенной системы.
Shotyk и другие предоставили такие данные для осаждения свинца в болоте. Здесь анализ торфяных кернов в сочетании с палинологическим анализом был использован для получения значений уровней содержания свинца в окружающей среде на протяжении нескольких столетий. Возраст конкретного слоя торфа не представляет особых проблем для опытных палионологов, поэтому анализ торфяных слоев может быть весьма полезен для создания истории загрязнения тяжелыми металлами.
Однако не все участки, подвергшиеся такому выпадению металлов, имеют анаэробные, заболоченные условия, благоприятствующие добыче торфа. В таких случаях анализ керна почвы может быть лишен смысла под воздействием многих факторов: человеческой деятельности, активности почвенных организмов или включения в почву минерализованных пород естественного происхождения.
В таких обстоятельствах должны быть разработаны альтернативные методы для составления истории загрязнения. Sharma, Brink, Mеndez и друге попытались описать изменения уровней свинца в окружающей среде путем анализа уровней свинца в кальцинированных тканях человека известного возраста. Miquel и Bungartz создали историю загрязнения металлов путем анализа образцов гербария различных мотылек гербария.
Оба эти метода имеют преимущество измерения биологически доступных уровней металлов, но их полезность ограничена, особенно с точки зрения получения обширной истории загрязнения на легко воспроизводимой основе. Очевидно, что концепция истории загрязнения биологически доступных тяжелых металлов является привлекательной и, в некоторых отношениях, необходимой для изучения долгосрочного поведения тяжелых металлов в биологических системах.
Подходящий организм для такого долгосрочного надзора должен отвечать следующим критериям. Он должен быть долговечным, статическим, обладать механизмами поглощения металла, которые могут быть определены и количественно определены, должен расти на регулярной сезонной основе, производить ежегодные приращения роста, и быть легко и не сильно отобранным. Деревья отвечают всем этим критериям.
Предыдущие исследования древесных колец
Наука об анализе древесных колец представляет собой широкую область применения, которая широко используется и хорошо известна для документирования. В течение последних трех лет выдвигались предложения о том, что химический анализ последовательных годовых колец роста может быть использован для определения моделей загрязнения тяжелыми металлами. Наблюдения Jones и других о содержании свинца в различных растительных кольцах американского вяза (Ulmus americana) представляют собой первую попытку создания истории загрязнения.
Первоначальные наблюдения Napierała-Filipiak, Crispino, Lima и других показали явное увеличение содержания свинца в недавно образованных годовых кольцах роста, что может быть связано с параллельным увеличением плотности движения. Bellis, Kosobrukhov, Lukowski, Wiater и Yeston провели более детальные исследования содержания свинца в ежегодных кольцах роста. Наблюдалась четкая закономерность в содержании свинца, и авторы утверждали, что изменения в содержании свинца могут коррелировать с изменениями в интенсивности движения и даже с изменениями в уровнях антисвинцовых ударов в бензине, реализуемом, возможно, во время Второй мировой войны.
Выводы этих двух групп резко контрастируют с выводами Szopa и других. Здесь не наблюдалось снижения содержания свинца в ежегодных кольцах роста белого дуба (Quercus alba) после закрытия шоссе в непосредственной близости от исследуемых деревьев. До сих пор не поступало никаких сообщений о производстве истории загрязнения для любого другого металла с использованием этого метода.
Анализ древесных колец позволяет оценить многие внутренние и внешние события в истории существования дерева. Ее методы стандартизированы и используются во всем мире. На первый взгляд, кажется, что это идеальное средство для оценки истории загрязнения тяжелыми металлами, с помощью точного химического анализа отдельных или групп годовых колец роста. Однако, учитывая, каким образом тяжелые металлы попадают в древесные ткани и какой небольшой информацией об их поведении в древесине мы располагаем, первоначальный оптимистический взгляд может быть несколько сдержанным.
Многие факторы могут влиять на абсолютное количество тяжелых металлов, содержащихся в древесных тканях, включая те, которые влияют на их поглощение деревом, из почвы или атмосферы, форму переноса металла в растении и скорость, с которой он может связываться с ксилемной тканью. Были также представлены доказательства того, что боковой обмен тяжелыми металлами между корой и деревом может происходить, что также может быть важным фактором при определении уровня тяжелых металлов в ежегодном кольце роста.
Однако на данном этапе нельзя количественно оценить величину каких-либо барьеров в отношении уровня тяжелых металлов, присутствующих в годовых кольцах роста. Требуют изучения следующих областей: транспортная форма металлов в ксиле, характер и сезонные колебания их органических лигандов; скорость и величина связывания металлов с ксилемской тканью по отношению к транспортной форме и скорость транспорта; и наличие или отсутствие заметного бокового перераспределения металлов через ксилевые лучи.
Наконец, необходимо иметь представление о том, каким образом уровни металла в ежегодных кольцах роста отражают биологически доступную долю тяжелых металлов в конкретном месте, где расположено дерево. Только в том случае, если есть способы дать ответы на эти вопросы, можно реально и объективно оценить потенциал анализа древесных колец для датировки истории загрязнения тяжелыми металлами.
