Определение биоконцентрирования
Информация - Биология
Другие материалы по предмету Биология
?ным коэффициентом биоконцентрирования. Чтобы измерить дифференциальный коэффициент биоконцентрирования, нужен метод неразрушающего определения биомассы растения и общего содержания металла в нем в два близких момента времени, что весьма сложно сделать. Мы же рассмотрим решения системы (1) при некоторых упрощающих предположениях. Сначала допустим, что величины Vw, CМе и Vb постоянны за время роста и тогда уравнение (2) можно проинтегрировать:
MMe/Mb = VwCМе/Vb (3)
Поскольку отношение MMe/Mb есть не что иное, как массовая доля металла в растении (то есть масса металла, приходящаяся на 1 грамм биомассы), а величина CМе обычно также измеряется в граммах металла на 1 грамм воды, то для коэффициента биоконцентрирования получаем:
Bcf = MMe/(MbCМе)=Vw/Vb(4)
Это соотношение показывает, что коэффициент биоконцентрирования - величина биологическая, равная отношению скорости потребления воды растением к скорости прироста биомассы. Следовательно, табличные значения Bcf имеют смысл неких средних биологических характеристик растения, к тому же в определенных условиях. Мы также видим, что Bcf не должен зависеть от природы металла, а вся химическая специфика металла может проявиться либо в том, где именно в растении он концентрируется, либо в том, возможны ли для него какие-либо способы удаления из растения. Но этими аспектами мы на данном уровне пренебрегаем и считаем, что потерь металла из растения не происходит. Для практического применения уравнения (4) гораздо важнее знать, насколько правильно наше предположение о постоянстве величин Vw, CМе и Vb за период роста растения. О постоянстве концентрации CМе говорить не приходится, а что касается величин Vw и Vb, то они сильно зависят от фазы роста и условий произрастания и более менее постоянны только для определенного периода роста в постоянных внешних условиях. Однако для корректности интегрирования важно, чтобы постоянным было их отношение Vw/Vb =Bcf, а не каждая из них по отдельности.
Учитывая, что отбор проб может производиться несколько раз в течение вегетационного периода, представляет интерес временная зависимость коэффициента биоконцентрирования от возраста растения. Эти вопросы можно прояснить даже при помощи моделирования, если численно проинтегрировать систему (1) при определенных предположениях о виде правых частей уравнений. В конкретном примере мы предположили, что прирост биомассы растения происходит по уравнению вида:
Mb=0.2t/(1+0.01t)(5)
(В химии данное уравнение известно как уравнение Лэнгмюра и описывает монотонное увеличение Mb от времени с выходом на постоянное значение при t=?). В нашем случае Mb(t=?)=20 гр. Вегетационный период примем равным 150 суткам. Скорость водопотребления примем пропорциональной поверхности растения, которую, в свою очередь, можно считать пропорциональной Mb2/3 с коэффициентом пропорциональности, равным 10:
Vw (г/сутки) = 10*Mb2/3
Для временной зависимости концентрации металла в воде рассмотрим два сценария:
- концентрация металла постоянна во времени
- концентрация металла изменяется со временем с постоянной скоростью (увеличивается или уменьшается)
При этом коэффициент биоконцентрирования будем рассчитывать как отношение массовой доли металла в биомассе к массовой доле металла в воде на текущий момент времени.
Результаты моделирования представлены на рис. 1. Прежде всего, бросается в глаза, что при постоянной концентрации металла в воде коэффициент биоконцентрирования возрастает со временем с почти постоянной скоростью. Это неудивительно, поскольку большая часть металла поступает в уже сформировавшееся растение, скорость водопотребления которого согласно модели меняется слабо. Представленные на зависимости величины Bcf от времени жизни растения при различных сценариях изменения концентрации металла в воде также выглядят тоже интересно. Постоянный рост концентрации металла на 60% от первоначальной величины практически не сказался на величине Bcf. Она уменьшилась с 500 до 410 и осталась почти линейной функцией времени. Однако такое же уменьшение концентрации металла приводит к возрастанию Bcf от 500 до 850 и при этом зависимость демонстрирует ускоренный рост. Это очень важный момент, поскольку при реальном пробоотборе мы всегда отбираем пробу воды одновременно с пробой растения и если концентрация накапливаемого металла уменьшалась в течение вегетационного периода, мы получим высокие значения Bcf и предскажем заниженную концентрацию металла в воде, для тех моментов, когда она там была высокой. Чтобы проверить, насколько рост концентрации металла со временем не влияет на полученные выводы, мы выполнили еще один расчет, при котором концентрация равномерно возрастала в 4 раза за то же самое время. Это привело к уменьшению Bcf с 500 до 330 при сохранении линейной зависимости от времени. Таким образом, с некоторой осторожностью мы можем заключить, что если Bcf со временем возрастает с постоянной или с убывающей скоростью, то это говорит о том, что концентрация металлов в воде или постоянна или сильно возрастает. Если же наблюдается ускоренный рост Bcf, то концентрация металла в процессе роста растения монотонно уменьшалась. При этом следует иметь в виду, что там, где концентрация металла в воде больше, там и его содержание в растении больше. Отсюда следует, что результаты анализов нужно интерпретировать, основываясь и на данных о Bcf, и на данных о содержании металлов в растениях, и на данных об изменениях концентрации м