Scientific journal

Modern problems of science and education

ISSN 2070-7428

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,006

Несмотря на принятые ограничения и запрещения использования полихлорированных бифенилов (ПХБ) в промышленном производстве, снижения содержания этих токсикантов в окружающей среде не наблюдается [1]. Поэтому актуальной остается проблема загрязнения природных объектов ПХБ, так как они обладают высокой устойчивостью в окружающей среде [6] вследствие стабильности к внешним воздействиям, высокой температуры разложения, значительной фотоустойчивости, малой реакционной способности, что определяет их незначительный метаболизм в природных условиях [5], а главное — благодаря наличию у ПХБ липофильных свойств они способны аккумулироваться и передаваться по пищевым цепям, при этом накопление поллютантов живыми организмами происходит очень быстро и определяется влиянием внешних условий, видовыми особенностями организмов в отношении поглощения и выведения химикатов, экологической характеристикой животных [4, 7, 8].

Неизученным остается вопрос о загрязнении ПХБ р. Урал, а также недостаточно изучен вопрос о потенциальных возможностях макрофитов к процессам аккумуляции данных токсикантов как одного из важнейших компонентов водных экосистем, что свидетельствует об актуальности проведения данного исследования.

Цель данного исследования

1. Определение содержания полихлорированных бифенилов в воде и донных отложениях реки Урал, изучение их межгодовой и сезонной динамики во временном и пространственном аспектах.

2. Изучение возможности биоаккумуляции полихлорированных бифенилов макрофитами разных экологических групп и оценка уровня их накопления в растениях.

Материал и методы исследования

В качестве материала для исследования использовались вода, донные отложения и водные растения, собранные в 2009, 2011, 2013 гг. в реке Урал. Отбор проб воды производился в середине реки с глубины 0,3–0,5 м. Пробы донных отложений отбирали дночерпателем на максимальной глубине с горизонта 0–10 см. Пробы помещали в стеклянную посуду объемом 1 л из темного стекла и фиксировали н-гексаном.

Суммарное содержание ПХБ в исследуемых образцах определяли хроматографическим методом на хроматографе «Хромос ГХ-1000». Оценка содержания ПХБ в воде проводилась в сравнении с их ПДК в воде [2], в ДО — в соответствии с ПДК для почв [3], а также с зарубежными нормами, равными 0,02 мг/кг [9].

Для оценки аккумуляционной способности растений их сушили при комнатной температуре в затемненном месте, предварительно тщательно промыв в проточной водопроводной воде с тем, чтобы удалить с их поверхности возможные загрязнения.

Результаты исследования и их обсуждение

Оценка содержания ПХБ в воде и ДО р. Урал в районе Оренбурга в 2009, 2011 гг. не показала превышения ПДК по российским нормативам для воды водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования на всех изученных станциях р. Урал в районе Оренбурга, за исключением ст. «Очистные сооружения», где в июне 2009 г. было зафиксировано превышение показателя в 1,2 раз, а в ДО по нормативам для почв Выявлено превышение в 1,17 раз и отмечена наиболее высокая концентрация ПХБ в ДО (табл. 1).

Таблица 1

Содержание ПХБ в воде и ДО, значения коэффициентов донной аккумуляции на станциях реки Урал в районе Оренбурга в 2009; 2011 гг.

В то же время по зарубежным нормативам концентрация ПХБ в ДО в разные периоды исследования была превышена на ряде станций экосистем р. Урал, но максимальное превышение (2,5–3,5 раз) также выявлено на ст. «Очистные сооружения», а наиболее низкое содержание поллютантов отмечено на ст. «Автодорожный мост», где их значения либо не превышали норму, либо были увеличены незначительно.

Расчет и анализ коэффициента донной аккумуляции ПХБ (КДА) (табл. 1) показал, что в 2009 г. наибольшая аккумуляция ПХБ в донных отложениях наблюдалась на ст. «Очистные сооружения» (58,33), что полностью согласуется и с высоким содержанием данных загрязнителей в воде. Наиболее низкий показатель донной аккумуляции был зарегистрирован на ст. «Автодорожный мост», о чем свидетельствует значение КДА (21,25).

Анализ временной динамики процесса аккумуляции ПХБ на ст. «Очистные сооружения» выявил заметное его усиление, подтверждением чему является увеличение коэффициента накопления ПХБ с 58,33 в июне 2009 г. до 65,0 в июне 2011 г. В сентябре 2011 г. КДА снизился до 62,5, что говорит либо о снижение процесса накопления ПХБ, либо об уменьшении поступления данных токсикантов со сточными водами г. Оренбурга.

На ст. «Автодорожный мост» максимальная способность накапливать ПХБ в ДО была зафиксирована в сентябре 2011 г. — КДА 34,43, тогда как в июне 2009 г. и июне 2011 г. этот показатель был ниже — КДА 21,25 и 20,27. Выявлено увеличение аккумулирующей способности ДО от лета к осени 2011 г. в 1,7 раз. Установлена высокая аккумуляция данных токсикантов донными отложениями и на ст. «Водозабор», где в июне 2009 г. значение КДА составило 50,0, в июне 2011 г. — 52,86, а в сентябре 2011 г. — 56,0. За летний сезон 2011 г. усиление донной аккумуляции произошло в 1,06 раз.

Усиление процесса депонирования поллютантов происходит, по-видимому, из-за вторичного попадания ПХБ с отмирающими растениями или за счет увеличения их поступления в реку с водосборной площади. Одним из факторов, определяющих процессы аккумуляции ПХБ в реке, вероятно, является характер грунта. Так, наибольшая аккумулирующая способность выявлена на ст. «Очистные сооружения», где преобладало илистое дно, а более низкая способность накапливать ПХБ показана на ст. «Автодорожный мост», характеризующейся песчаным грунтом.

Впервые установленное присутствие ПХБ в воде и ДО р. Урал в районе Оренбурга и прослеженные динамические изменения их накопления по КДА как по разным станциям, так и по годам, вызвали необходимость более широкого исследования р. Урал (источника питьевого и хозяйственного водоснабжения Оренбургской области) на содержание данных токсикантов и на других участках реки.

Для решения поставленной задачи в ходе экспедиции 2013 г. был осуществлен забор проб воды и ДО реки Урал не только в районе Оренбурга, но и по среднему течению реки: от Оренбурга до Ириклинского водохранилища. Результаты анализа содержания токсикантов в воде и ДО представлены в таблице 2.

В содержании ПХБ в воде и ДО (по российским нормативам) на всех 18 станций в 2013 г. не были установлены превышения ПДК. Максимальная концентрация поллютантов в воде и в ДО была зафиксирована, как и в предыдущие годы исследования, на ст. «Очистные сооружения» в районе Оренбурга (0,00081±0,00022 мг/л и 0,056±0,03 мг/кг). Наиболее низкие значения ПХБ в воде и в ДО (<0,0003 мг/л и <0,01 мг/л) были зарегистрированы для 10 станций: «Карьер», «Лагерь «Дубки»», «п. Южный Урал, Лагерь «Чайка»», « Турбаза «Прогресс», Оренбургский район», «с. Красногор, Саракташский район», «с. Алабайтал, Беляевский район», «с. Никольское, Кувандыкский район», «г. Орск (городской пляж)», «Ириклинское водохранилище», «отд. Уральское, Кваркенский район».

Таблица 2

Содержание ПХБ в воде и ДО и значения коэффициентов донной аккумуляции на станциях реки Урал в районе Оренбурга и на территории Оренбургской области в 2013 г.

Оценка содержания ПХБ в ДО по зарубежным нормативам выявила превышение показателя только на двух станциях: на ст. «Очистные сооружения» в 2,8 раза и на ст. «Водозабор» в 1,75 раза, а на остальных участках реки содержание токсикантов соответствовало нормам.

Оценка аккумулирующей способности донных отложений в 2013 г. показала, как и в предыдущие годы исследования (2009 и 2011 гг.), самый высокий показатель КДА (69,14) полихлорбифенилов на ст. «Очистные сооружения», а также высокие значения КДА были выявлены на ст. «Водозабор» — 51,47, на ст. «п. Черноречье, мост через р. Урал» — 41,46, на ст. «п. Новоказачий выше г. Орска» — 38,71 (рис. 1).

Рис. 1. Значение коэффициента донной аккумуляции ПХБ на станциях р. Урал,

расположенных в районе Оренбурга и среднего течения реки на территории Оренбургской области

Более низкая способность накапливать поллютанты (КДА 33,33) выявлена для тех же 10 станций реки, где отмечено минимальное содержание ПХБ как в воде, так и в ДО.

Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что на исследуемых участках реки во все годы исследования в содержании полихлорированных бифенилов не было существенного превышения ПДК в воде (на ст. «Очистные сооружения» в 2009 г. в 1,2 раза), в то время как в ДО на отдельных станциях их значения превышали зарубежные нормативы в несколько раз (на ст. «Очистные сооружения» в 2009 г. в 3,5 раза, в 2011 г. — 2,5–3,25 раза, а в 2013 г. — 2,8 раза).

Установление факта присутствия полихлорбифенилов на всем протяжении исследованного учаска р. Урал определило следующий этап исследования: оценить содержание ПХБ в макрофитах доминантных и субдоминантных видов, характерных для отдельных станций реки Урал в разные периоды, и провести расчеты коэффициентов биологического поглощения (Кб) и относительного специфического накопления (Ксон) ПХБ макрофитам. Кб отражает уровень биогенной миграции загрязнителя и показывает, во сколько раз его содержание больше в золе растения по сравнению со средой обитания, а Ксон дает информацию о селективной способности макрофитов к накоплению токсикантов при произрастании в одинаковых экологических условиях и выявлению фитоиндикаторов.

Результаты оценки миграции ПХБ между растениями и средой обитания по Кб не выявили прямой корреляционной связи между содержанием ПХБ в воде, ДО и их содержанием в макрофитах. Однако установлены межвидовые различия в накоплении ПХБ в растениях: более высокий Кб был отмечен в июне 2009 г. (от 11,38 до 1225), а в июне 2011 г. этот показатель снизился и колебался от 6,1 до 27,58 (табл. 3).

Таблица 3

Коэффициенты биологического поглощения ПХБ в макрофитах, собранных в реке Урал в районе Оренбурга в 2009, 2011 гг.

«-» растения не были обнаружены

В 2011 г. анализ накопления ПХБ в макрофитах был проведен в два сезона исследования и выявлено увеличение содержания ПХБ от лета к осени. В сентябре 2011 г. произошло значительное возрастание процесса поглощения поллютантов во всех макрофитах: в июне Кб колебался от 3,72 до 27,58, а в сентябре он составил 13,98–31,58, для отдельных растений (Carex riparia, Potamogeton perfoliatus) коэффициент повышался в 1,4; 4,26; 7,7 раза.

Выявлена избирательная способность макрофитов к накоплению ПХБ у разных видов. Наиболее высокие показатели Кб были отмечены для Ceratophyllum demersum — 1225, Potamogeton crispus —78,65 и Typha angustifolia — 89,89, а низким аккумулирующим эффектом обладали Sagittaria sagittifolia — 11,38 и Butomus umbellatus — 12,08.

Для оценки способности к накоплению полихлорбифенилов макрофитами, произрастающими в одинаковых экологических условиях, были рассчитаны коэффициенты специфического относительного накопления ПХБ — Ксон (табл. 4).

Установлено, что в 2009 г. более высокий коэффициент был зарегистрирован у Typha angustifolia (1,55) на ст. «Автодорожный мост», а самый низкий — в том же году у Carex riparia (0,54) на ст. «Очистные сооружения».

Процесс относительного накопления ПХБ в макрофитах в оба сезона 2011 г. варьировал, о чем свидетельствуют рассчитанные показатели Ксон: в июне от 0,68 до 1,44, в сентябре 0,84 до 1,18. Для всех растений, за исключением Potamogeton perfoliatus, для которого отмечено уменьшение коэффициента в 1,06 раз, наблюдалась тенденция к увеличению относительного накопления ПХБ от лета к осени. Так, на ст. «Автодорожный мост» для Potamogeton perfoliatus возрастание составило 1,19 раз, для Carex riparia — 1,3 раза, на ст. «Водозабор» для Carex riparia – 1,05 раза.

Таблица 4

Значение коэффициентов специфического относительного накопления ПХБ макрофитами, собранными в реке Урал в районе Оренбурга в 2009, 2011 гг.  

«-» растения не были обнаружены

Исследования уровня миграции ПХБ из среды в растения в 2013 г. показали, что среди всех изученных растений наилучшей способностью к накоплению обладает Ceratophyllum demersum, так как его Кб варьировал от 984,62 на ст. «Железнодорожный мост» до 2967,74 на ст. «с. Ущелье, выше г. Новотроицка», а в среднем для данного растения коэффициент составлял 1695,32 на всех станциях, где оно было обнаружено.

Несколько медленнее поллютанты мигрировали в растение Lemna minor (Кб от 2096,77 на ст. «п. Новоказачий, выше г. Орска» до 2933,33 на ст. «Турбаза «Прогресс», Оренбургский район») или в среднем по станциям для растения — 2440,14. Также высокой способностью поглощать ПХБ отличался и вид Hydrocharis morsus-ranae, для которого Кб колебался от 677,42 (ст. «п. Новоказачий, выше г. Орска») до 1225,81 (ст. «с. Ущелье, выше г. Новотроицка») или в среднем 1023,3. Все эти виды растений относятся к неукореняющимся гидрофитам и извлекают ПХБ только из водной толщи.

Среди укореняющихся макрофитов наибольшей способностью поглощать ПХБ характеризовались виды Potamogeton natans (среднее Кб 75,55) и Scirpus lacustris (среднее Кб 71,31), а низкой — Nuphar lutea (среднее Кб 31,07) и Sparganium erectum (Кб 33,52).

Ряд, построенный по интенсивности накопления ПХБ для выявленных макрофитов по среднему значению Кб, выглядит следующим образом: Ceratophyllum demersum > Lemna minor > Hydrocharis morsus-ranae > Potamogeton natans > Scirpus lacustris > Potamogeton perfoliatus > Potamageton crispus > Zannichellia palustris > Typha angustifolia > Butomus umbellatus > Myriophyllum spicatum > Potamogeton lucens > Sagittaria sagittifolia > Najas marina> Sparganium erectum > Nuphar lutea.

Сравнение средних значений коэффициентов специфического относительного накопления ПХБ для макрофитов показало, что более высокое значение Ксон зафиксировано для Scirpus lacustris (1,71), Potamogeton perfoliatus (1,54) и Potamogeton natans (1,51), которые относятся к группе укореняющихся макрофитов. Самые низкие значения наблюдались у укореняющегося с плавающими на поверхности листьями гидрофита Nuphar lutea (0,54) и неукореняющегося, свободно плавающего гидрофита Hydrocharis morsus-ranae (0,55).

Ряд изучаемых макрофитов по среднему значению коэффициентов специфического накопления ПХБ выстраивается следующим образом: Scirpus lacustris > Potamogeton perfoliatus > Potamogeton natans > Potamageton crispus > Lemna minor > Butomus umbellatus > Typha angustifolia > Zannichellia palustris > Ceratophyllum demersum > Myriophyllum spicatum > Sparganium erectum > Potamogeton lucens > Sagittaria sagittifolia > Najas marina > Hydrocharis morsus-ranae > Nuphar lutea.

Заключение

Проведенный анализ содержания ПХБ в воде, донных отложениях и накопления токсикантов в макрофитах позволяет сделать выводы о том, что: во-первых, в воде, донных отложениях и макрофитах р. Урал присутствуют ПХБ; во-вторых, за период вегетации растений происходит перераспределение ПХБ между компонентами водной экосистемы — осенью их содержание снижается в среде, но увеличивается в макрофитах, а это способствует временному выведению токсиканта из водной среды и биологическому самоочищению воды природных водных экосистем от данных загрязнителей. Выявление подобного факта свидетельствует о возможности использования макрофитов для фиторемедиации водоемов и снижения их загрязнения полихлорированными бифенилами, что предотвратит возвращение загрязнителей в экосистемы в процессе их отмирания.

Рецензенты:

Сафонов М.А., д.б.н., профессор, заведующий кафедрой общей биологии, экологии и методики обучения биологии ГБОУ ВПО «Оренбургский государственный педагогический университет», г. Оренбург;

Немцева Н.В., д.м.н., профессор, заведующая лабораторией водной микробиологии Института клеточного и внутриклеточного симбиоза УрО РАН, г. Екатеринбург.