В настоящее время проблема сохранения окружающей среды, в том числе и водных ресурсов, наиболее остро стоит в современном техногенном мире. В конце 50-х годов река Волга превратилась в каскад водохранилищ, и последним в этом каскаде является Волгоградское водохранилище. За полувековой период существования в данном водоеме сконцентрировалось значительное количество трудно минерализуемых веществ, в том числе тяжелые металлы [1,10].
Ионы тяжелых металлов обладают высокой токсичностью для живых организмов в относительно низких концентрациях, активно участвуют в биологических процессах, способны передаваться по трофическим цепям и биоаккумулироваться [2]. Основная часть тяжелых металлов, поступающая в водохранилище, является продуктом деятельности предприятий различных отраслей, которые сбрасывают недостаточно очищенные хозяйственно-бытовые и промышленные сточные воды. Существенный вклад в загрязнение водного объекта вносят поллютанты, смываемые с сельскохозяйственных полей и территорий животноводческих комплексов [4]. Важным аспектом является тот факт, что акватория городов Саратов-Энгельс является и источником питьевой воды для населения и местом сброса различных сточных вод.
Известно, что макрофиты являются неотъемлемым средообразующим компонентом водных экосистем. Наибольшее распространение они получают в водоемах с замедленным водообменом, таких как Волгоградское водохранилище [10]. Макрофиты имеют важное индикаторное значение и служат показателями качества воды, эвтрофирования и загрязненности водоемов [8]. Результаты определения состава макро- и микроэлементов в водных растениях перспективно использовать для оценки поступления ксенобиотиков в водоемы, находящиеся под значительной антропогенной нагрузкой [6]. Развитие подобных мониторинговых подходов в системе экологического контроля и управлении качеством окружающей среды сегодня наиболее актуально. В связи с этим целью нашего исследования явилось выявление особенностей накопления тяжелых металлов в макрофитах, собранных в акватории городов Саратов-Энгельс.
Материалы и методы исследования
Сбор макрофитов проводился в конце июля - августе 2014 г. в период максимальной физиологической активности водных растений на мелководных участках Волгоградского водохранилища у поселка Квасниковка и села Генеральское - ниже и выше по течению крупного промышленного центра Саратов-Энгельс. Отбор средней пробы проводили методом квартования. Растения размалывали, высушивали в сушильном шкафу до абсолютно-сухого состояния, а затем озоляли методом сухой минерализации путем сжигания проб в муфельной печи при 450 оС (ГОСТ 26929-94). Содержание тяжелых металлов в золе растений и в донных отложениях определяли фотометрическими методами: общего железа - методом с сульфосалициловой кислотой; цинка - дитизоновым методом; меди - с использованием диэтилдитиокарбамата; кобальта - с использованием 2-нитрозо-1-нафтола; кадмия - методом с дитизоном [7].
Для исследования были выбраны высшие водные растения, широко распространенные на мелководьях Волгоградского водохранилища и относящиеся к различных экологическим группам. Из полосы воздушно-водных, полупогруженных растений был выбран рогоз узколистный Typha angustifolia L. С увеличением глубины зона воздушно-водных растений сменяется полосой гидрофитов: погруженные в толщу воды, укореняющиеся, - рдест блестящий Potamogeton lucens L., рдест пронзеннолистный P. perfoliatus L., элодея канадская Elodеa canadеnsis L., уруть колосистая Myriophyllum spicatum L.; плавающие на поверхности воды, укореняющиеся - кубышка желтая Núphar lútea, и плавающие в толще воды, неукореняющиеся, - роголистник темно-зеленый Ceratophyllum demersum L.
Результаты исследования и их обсуждение
Водная и прибрежно-водная растительность, образующая зеленые пояса вдоль берегов и на мелководьях водоемов, служит своеобразным барьером на пути поступающих с водосбора и из донных отложений эвтрофирующих и загрязняющих веществ. Именно по этой причине водные экосистемы с широко развитым поясом растительности либо заросшими мелководьями являются наиболее устойчивыми к антропогенному эвтрофированию и загрязнению, а отдельные виды гидрофитов служат своеобразными индикаторами.
Показано, что содержание общего железа в растениях, собранных у п. Квасниковка (табл.1), убывало в ряду: роголистник темно-зеленый > уруть колосистая > рдест пронзеннолистный > рдест блестящий > элодея канадская > рогоз узколистный. При этом в исследуемых донных отложениях концентрация железа была в 2-3 раза выше по сравнению с макрофитами. Соединения железа наряду с соединениями меди являются наиболее характерными загрязнителями Волгоградского водохранилища. Ежегодно в водах водоема фиксируется превышение рыбохозяйственных ПДК по железу и меди в несколько раз [4]. Железо относится к важнейшим макроэлементам, от которых зависит правильное протекание обменных процессов в живых организмах, но повышенные длительные воздействующие концентрации неблагоприятно влияют на гидробионты и здоровье населения. Вода с большим содержанием железа (больше 1-2 мг/л) имеет неприятный вяжущий вкус и непригодна для промышленных целей.
Таблица 1
Содержание тяжелых металлов в макрофитах и донных отложениях, собранных на мелководьях у п. Квасниковка
|
Макрофиты |
С металла (мг/кг) |
||||
|
Feобщ. |
Zn2+ |
Cu2+ |
Co2+ |
Cd2+ |
|
|
Рогоз узколистный |
20±2,2 |
0,52±0,03 |
0,71±0,05 |
0,065±0,005 |
0,038±0,002 |
|
Роголистник темно-зеленый |
48±4,1 |
0,57±0,05 |
0,74±0,06 |
0,053±0,005 |
0,031±0,003 |
|
Рдест блестящий |
30±1,5 |
0,58±0,06 |
0,76±0,09 |
0,068±0,004 |
0,087±0,006 |
|
Рдест пронзеннолистный |
33±3,8 |
0,58±0,03 |
0,75±0,04 |
0,052±0,004 |
0,075±0,008 |
|
Уруть колосистая |
38±2,5 |
0,57±0,04 |
0,72±0,06 |
0,063±0,006 |
0,052±0,005 |
|
Элодея канадская |
27±2,2 |
0,55±0,06 |
0,75±0,06 |
0,050±0,002 |
0,063±0,003 |
|
Донные отложения |
115±15 |
4,18±0,36 |
3,60±0,41 |
0,082±0,005 |
0,032±0,002 |
Среди растений, собранных на мелководьях у с. Генеральское (табл. 2), наибольшее содержание общего железа отмечено для урути колосистой, однако в донных отложениях элемента содержалось примерно в 2 раза больше. Возможно, высокие концентрации общего железа в донных отложениях связаны с длительным характером загрязнения Волгоградского водохранилища данным тяжелым металлом и слабой проточностью мелководных участков.
Таблица 2
Содержание тяжелых металлов в макрофитах и донных отложениях, собранных на мелководьях у с. Генеральское
|
Макрофиты |
С металла (мг/кг) |
||||
|
Feобщ. |
Zn2+ |
Cu2+ |
Co2+ |
Cd2+ |
|
|
Рогоз узколистный |
21±3,2 |
0,51±0,03 |
0,83±0,06 |
0,052±0,004 |
0,040±0,002 |
|
Кубышка желтая |
23±3,4 |
0,53±0,04 |
0,71±0,05 |
0,060±0,005 |
0,032±0,003 |
|
Уруть колосистая |
49±4,7 |
0,56±0,05 |
0,74±0,06 |
0,050±0,003 |
0,037±0,004 |
|
Рдест пронзеннолистный |
33±2,9 |
0,58±0,05 |
0,68±0,04 |
0,068±0,005 |
0,055±0,005 |
|
Элодея канадская |
26±2,1 |
0,52±0,04 |
0,74±0,05 |
0,056±0,006 |
0,045±0,003 |
|
Донные отложения |
102±8 |
3,27±0,42 |
4,40±0,64 |
0,066±0,003 |
0,048±0,002 |
Среди исследованных тяжелых металлов катионы цинка, меди и кобальта относятся к микроэлементам, поэтому в небольших концентрациях необходимы для нормального протекания биохимических и физиологических процессов. Однако в повышенных дозах они обладают токсическим действием и негативно влияют на живые организмы.
Установлено, что содержание цинка и меди в исследуемых растениях с мелководий п. Квасниковка достоверно не изменялось. Однако в донных отложениях установлено значительно большее содержание элементов. На мелководьях у с. Генеральское концентрации цинка в растениях практически не отличались от предыдущей точки отбора. У с. Генеральское содержание меди в рогозе узколистном было больше на 10 % по сравнению с остальными изученными растениями. В предыдущих исследованиях было показано, что именно многолетнее корневище рогоза узколистного способно аккумулировать катионы меди, кобальта и кадмия в концентрациях, сравнимых и превышающих таковые в донных отложениях [9].
Донные отложения с мелководий, расположенных ниже промышленного узла Саратов-Энгельс, содержали цинка на 23 % больше, чем мелководья выше расположенного участка. Концентрация меди в донных отложениях была наоборот больше у с. Генеральское (примерно на 20 %). Вероятно, это связано со смывом остатков медьсодержащих удобрений и пестицидов с сельскохозяйственных полей и дачных массивов, которые в основном расположены вдоль пологой береговой линии выше городов Саратов-Энгельс.
Показано, что содержание кобальта в исследованных растениях варьировалось в небольших пределах. В обеих точках отбора максимальное количество металла отмечено в рдесте блестящем. По данным исследований ряда авторов [2,3,5] именно погруженные водные растения содержат наибольшее количество микроэлемента.
Донные отложения у с. Генеральское содержали на 18 % больше кобальта по сравнению с таковыми у п. Квасниковка. Однако необходимо отметить, что коэффициент аккумуляции (отношение концентрации металла донных отложений к концентрации металла в растении) у макрофитов, произрастающих на мелководьях у с. Генеральское, приближался к единице.
Кадмий относится к антропогенным металлам, не входящим в естественные биогеохимические циклы. Известно, что он занимает первое место по фитотоксичности и способности аккумулироваться в растениях. В живых организмах он внедряется в активный центр ряда металлсодержащих ферментов, приводя к нарушению обменных процессов.
Установлено, что в некоторых исследуемых растениях с мелководий п. Квасниковка концентрации кадмия превышали таковые в донных отложениях. Содержание металла в рдесте блестящем, рдесте пронзеннолистном и элодеи канадской было выше примерно в 2-3 раза по сравнению с донными отложениями. В точке отбора у п. Генеральское концентрация кадмия в рдесте пронзеннолистном и элодеи канадской была на уровне донных отложений.
Таким образом, содержание тяжелых металлов в высших водных растениях уменьшается в следующем ряду: Fe2,3+>Cu2+>Zn2+>Co2+>Cd2+. Показано, что представители гидрофитов, плавающие в толще воды и укореняющиеся, обладают большей поглотительной способностью в отношении тяжелых металлов по сравнению с представителями остальных исследуемых экологических групп растений, что подтверждается работами ряда исследователей [2,3,5,10]. Аккумулятивная способность растений связана в основном с их морфолого-физиологическими особенностями, а также особенностями местообитания (скоростью течения, степенью зарастания водоема, наличием доступных форм металлов и т.д.). Установлено отсутствие достоверных различий в значениях средних концентраций тяжелых металлов, определяемых в растениях, собранных в п. Генеральское и у с. Квасниковка (выше и ниже по течению крупной промышленной агломерации Саратов-Энгельс), что свидетельствует о равномерном характере загрязнения данной акватории.
Важным для оценки состояния окружающей среды с помощью макрофитов является их постоянное присутствие в водной экосистеме и способность суммировать влияние всех воздействий и отражать состояние окружающей среды в целом. Также в условиях хронических антропогенных нагрузок водные растения реагируют даже на относительно слабые воздействия вследствие кумулятивного эффекта. Интересным моментом является возможность проследить с помощью макрофитов пути и места скоплений различного рода поллютантов в экологических системах. В связи с этим развитие методологии мониторинга и контроля состояния водных экосистем с помощью высших водных растений является весьма перспективным направлением в эколого-биологических исследованиях.
Рецензенты:
Cергеева И. В., профессор, д.б.н., заведующая кафедрой ботаники, химии и экологии ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный аграрный университет имени Н.И. Вавилова», г. Саратов;
Плешакова Е. В., д.б.н., профессор, профессор кафедры биохимии и биофизики ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского», г. Саратов.