Природные компоненты и природные ресурсы в городе Тюмени испытывают постоянное мощное и прогрессирующее воздействие со стороны промышленных предприятий, энергетики и транспорта - главных доноров-загрязнителей атмосферы, поверхностных и подземных вод, почвенного и растительного покрова [2]. Приводная и водная растительность является хорошим биоиндикатором состояния окружающей среды.
Фотосинтез является одним из наиболее чувствительных процессов к действию чужеродных веществ [1]. Токсиканты, подавляя фотосинтетический аппарат, изменяют пигментный состав листьев растений. Природа фототоксикантов при этом может быть различной [6]. При действии токсикантов быстро разрушаются хлорофилл А и каротиноиды, меньше - хлорофилл В [4].
Целью работы являлась оценка состояния водоемов г. Тюмени по изменениям концентраций пигментов фотосинтеза (ПФ).
Содержание пигментов фотосинтеза - хлорофилла и каратиноидов - определяли при помощи спектрофотометра по стандартной методике [7].
Исследования состояния водоемов (4 озера и 2 пруда) проводили по доминантным растениям (клевер ползучий (Trifolium repens) и подорожник большой (Plantago major)) в прибрежной зоне (расстояние 1-2 метра от летней межени водоема) и по высшим водным растениям (стрелолист обыкновенный (Sagittaria sagittifolia)).
Оз. Муллаши и Кучак находятся за пределами города (около 20 км). На территории этих водоемов устроены базы отдыха, биостанция с прилегающим дачным поселком. Пруд Лесной и озеро Круглое расположены в зеленой части города и тем самым являются зонами отдыха. Вблизи пруда Лесного расположена ТЭЦ-2. Озеро Круглое имеет в качестве источника загрязнения водный транспорт. Пруд Южный расположен в жилом массиве. Озеро Оброчное является водоемом охладителем ТЭЦ-1 и расположено рядом с ней. Через него проходит автомобильная трасса.
Был проведен гидрохимический анализ проб воды из исследуемых водоемов (табл. 1). Все пробы из исследуемых водоемов имеют отклонения гидрохимических показателей от ПДК. В трех водоемах обнаружено отклонение индексов рН воды от нормативов: в одном водоеме (оз. Муллаши) - кислая среда за счет сульфатов. В двух других (пр. Лесной и оз.Кучак) - щелочная среда, возможно, за счет интенсивного «цветения» воды (фотосинтеза) и, как следствие, уменьшение содержания углекислого газа. Пруд Лесной находится в зеленом массиве города, однако по некоторым гидрохимическим показателям выявлено превышение ПДК. Превышение ПДК по содержанию железа имеют все водоемы, кроме пр. Южного и оз. Муллаши, а по органическим веществам - все изучаемые водные объекты, кроме оз. Муллаши. Выявлено превышение ПДК биогенных ионов (NH4+, NO2-, Fe, PO43- и др.) в оз. Оброчное, Круглое и Муллаши. Превышение ПДК [3] по нефтепродуктам (скорей всего, природным фенолам) наблюдается в оз. Круглое и Кучак, пр. Лесном (табл. 1). Возможно, что природные фенолы появились вследствие разложения органического вещества. Общий анализ показал, что озера Кучак, Оброчное и Круглое - самые загрязненные, хотя и разными компонентами. Самым благополучным по гидрохимическим показателям воды оказался пр. Южный [3] и, в связи с этим, был выбран как контрольный водоем.
Все обследованные водоемы относятся к пресным, мало (оз. Муллаши, Оброчное, Круглое и пр. Лесной) и средне минерализованным (оз. Кучак и пр. Южный). По солевому составу водоемы преимущественно гидрокарбонатно-кальциевые. Один водоем (оз. Мулла-ши) сульфатно-магниевый. Минимальные значения химических показателей солевого соста-ва, фиксировались в воде озера Мулаши, максимальные - в пр. Южном.
Оценка состояния пигментной фотосистемы растений позволяет проследить за их от-ветными реакциями на загрязнение водоемов. Система фотосинтеза как одна из основных систем жизнеобеспечения растений быстро реагирует на любые, даже небольшие изменения среды [4].
В листьях клевера ползучего из четырёх обследуемых водоемов (оз. Муллаши, пр. Лесного, оз. Кучак и Оброчного) отмечено повышение суммарной концентрации ПФ (рис. 1) по отношению к показателям растений из района пр. Южный (Р<0.05). Сходные ответные реакции у стрелолиста (Р<0.05), произрастающего в исследуемых водоемах. В качестве контроля у стрелолиста использовали растения из оз. Муллаши, в котором встречался стрелолист. Ответные реакции в листьях клевера были более выражены по сравнению со стрелолистом.
Высокая суммарная концентрация пигментов фотосинтеза у изучаемых растений может быть связана с активизацией фотосинтетического аппарата, спровоцированным высоким содержанием фенолов (определяемых как нефтепродукты), а также превышением норм ПДК органических и взвешенных веществ в водоемах и их окрестностях (табл. 1).
Из литературы [4,6] известно, что поллютанты могут обладать стимулирующим эффектом. Такими поллютантами могут быть различные типы биогенов, ионов, биогенных ионов. Повышение концентрации пигментов фотосинтеза может быть связано как с «цветением» воды и повышением содержания таких веществ, как природные фенолы (определялись как нефтепродукты), железо, азот аммонийный, фосфат-ион, а также с повышенной температурой воды оз. Оброчное (водоем - охладитель ТЭЦ-1), ускоряющей обменные процессы у растений.
Анализ суммарной концентрации ПФ в листьях подорожника показал, что наименьшие её величины были у растений из прибрежных зон оз. Муллаши, Круглое, Оброчное, Кучак и пр. Лесного по отношению к пр. Южному (Р<0.05). Следует обратить внимание на разнонаправленность ответных реакций растений. Наряду с повышением суммарных концентраций ПФ клевера и стрелолиста, выявлено снижение изучаемого показателя в листьях подорожника из прибрежных зон одних и тех же водоемов. Это может говорить о разных ответных реакциях этих растений на загрязнение.
Таблица 1 Химические показатели исследуемых водоемов г. Тюмени, мг/дм3
|
Показатели |
ПДК* |
Водоемы |
|||||
|
Лесной |
Муллаши |
Кучак |
Круглое |
Оброчное |
Южный |
||
|
рН, ед. рН |
6,5-8,5 |
9,17 |
5,46 |
8,88 |
7,29 |
7,35 |
7,06 |
|
Азот аммонийный |
0,39 |
0,09 |
0,42 |
0,09 |
0,36 |
0,73 |
0,07 |
|
Азот нитритный |
0,02 |
0,01 |
0,012 |
0,0006 |
0,14 |
0,019 |
0,015 |
|
Азот нитратный |
9,1 |
0,1 |
0,01 |
0,01 |
0,14 |
0,36 |
0,01 |
|
Железо общее |
0,1 |
0,42 |
0,1 |
0,18 |
0,35 |
0,35 |
0,01 |
|
Фосфат-ион |
0,2 |
0,18 |
0,005 |
0,005 |
0,12 |
0,35 |
0,005 |
|
Окисляемость перм. |
- |
8,8 |
5,54 |
11,88 |
16,63 |
21,38 |
6,35 |
|
БПК5 |
2,0 |
5,7 |
1,78 |
4,42 |
4,19 |
5,75 |
2,18 |
|
Жесткость общая, ммоль/дм3 экв. |
- |
1,9 |
1,6 |
2,8 |
1,8 |
1,7 |
4,4 |
|
Гидрокарбонаты |
- |
48 |
6,1 |
164,75 |
85,43 |
79,33 |
213,57 |
|
Карбонаты |
- |
12,2 |
- |
9 |
- |
- |
- |
|
Кальций |
180 |
20,04 |
12,02 |
30,06 |
28,06 |
24,05 |
42,08 |
|
Магний |
40 |
10,94 |
12,16 |
15,81 |
4,86 |
6,08 |
27,97 |
|
Сульфаты |
100 |
1,83 |
63,88 |
2,74 |
7,3 |
11,86 |
4,56 |
|
Хлориды |
300 |
7,09 |
7,09 |
17,73 |
10,64 |
7,09 |
63,81 |
|
Na+K |
120+40 |
3,45 |
0,75 |
18,93 |
1,3 |
1,18 |
24,88 |
|
Сумма ионов |
100-500 |
103,55 |
102 |
259,02 |
137,59 |
129,59 |
376,86 |
|
Цветность, град. |
20 |
45 |
10 |
45 |
122 |
90 |
19 |
|
Нефтепродукты |
0,05 |
0,1 |
0,02 |
0,28 |
0,07 |
0,02 |
0,03 |
|
Взвешенные вещества |
0,75 |
12 |
<0,5 |
41,6 |
7 |
10,7 |
20,1 |
Примечание:
* - предельно допустимая концентрация компонента дана для водоёмов рыбохозяйственного значения; жирным шрифтом выделены показатели, отклоняющиеся от ПДК.
Хлорофилл А - это основной пигмент фотосинтеза, хлорофилл В - вспомогательный пигмент фотосинтеза, а каротиноиды, помимо вспомогательной функции в работе фотопигментного аппарата, являются одними из основных компонентов системы антиоксидантоной защиты растений [1,4].
Исходя из того, что концентрации хлорофиллов А, В и каротиноидов в листьях клевера из прибрежной зоны оз. Оброчного и оз. Кучак (рис.2) были наиболее высокими (Р<0.05) из изучемых образцов, что, возможно, связано с ответной реакцией растений на интенсивное загрязнение вод из озёр Кучак и Оброчное главными ионами.
Примечание:
* - статистически достоверные различия по отношению к пр. Южному, при Р<0.05.
Рис. 1. Суммарные концентрации ПФ в листьях некоторых растений исследуемых водоемов
Нужно отметить, что наибольший вклад вносят в увеличение количества пигментов хлорофилл А и каротиноиды. Обращает внимание тот факт, что концентрации хлорофилла А и каротиноидов различаются у растений из районов оз. Кучак и Оброчное. В оз. Кучак заметное увеличение концентрации хлорофилла А над каротиноидами, что возможно связано с потребностями в большом количестве органических веществ для производства энергии растениями в условиях загрязнения.
Растения тем самым пытаются компенсировать сниженное поступление света. Растения из оз. Оброчное имеют превышение концентрации каротиноидов над хлорофиллом А, что говорит об интенсивной работе защитных систем организма.
В листьях клевера из четырёх обследованных водоемов (оз. Муллаши, Оброчное, Кучак и пр. Лесной) концентрация хлорофилла В является высокой (Р<0.05) по отношению к показателям растений из района пр. Южного.
Высокая концентрация ПФ у растений может объясняться тем, что, возможно, метаболические реакции организмов в условиях загрязнения среды активизированы и, как следствие, работают с дополнительной нагрузкой на фотосинтетический аппарат растений.
В связи с отсутствием стрелолиста в прибрежной зоне пруда Южный мы сравнивали показатели пигментной системы растений из четырёх водоёмов, принимая показатели растений из района оз. Муллаши как контрольные. Увеличения концентраций хлорофиллов А, В и каротиноидов (рис. 3) в листьях стрелолиста обыкновенного из исследуемых районов аналогичны показателям, которые зарегистрированы у клевера (Р<0.05). Однако у растений из района оз. Круглое изучаемые показатели статистически достоверно ниже контроля, что отличает реакцию пигментных систем клевера и стрелолиста. Вероятно, на стрелолист и клевер действуют загрязнения изучаемых водоёмов, которые имеют разное происхождение, но возможно близки по природе.
Примечание:
* - статистически достоверные различия по отношению к пр. Южному, при Р<0.05.
Рис. 2. Концентрация пигментов фотосинтеза в листьях клевера из районов исследования
Примечание:
* - статистически достоверные различия по отношению к оз. Муллаши, при Р<0.05.
Рис. 3. Концентрация пигментов фотосинтеза в листьях стрелолиста обыкновенного (Sagittaria sagittifolia) из исследуемых районов
Из рисунка 4 видно, что в листьях подорожника большого концентрации хлорофиллов А, В и каротиноидов имели схожую картину изменения с суммарной концентрацией подорожника (Р<0.05). Изучение содержания хлорофилла В у подорожника из прибрежных зон озер - Оброчное, Круглое, Кучак и Муллаши, показало, что концентрация пигмента была меньше у растений из районов этих водоемов (Р<0.05), чем у растений из прибрежного района пр. Южного.
Примечание:
* - статистически достоверные различия по отношению к пр. Южному, при Р<0.05.
Рис. 4. Концентрация пигментов фотосинтеза в листьях подорожника из районов исследования
Концентрации пигментов у растений из районов озер Круглое и Оброчное были одинаковы (Р>0.05). Соответственно, растения не испытывают энергетического «голода» по отношению к растениям, произрастающим в прибрежной зоне пр. Южный. Следовательно, пигментные системы растений обеспечивают организм необходимыми органическими веществами.
Заключение
Гидрохимические показатели свидетельствуют о том, что каждый из изучаемых водоёмов подвержен различным загрязнениям со стороны человека. В меньшей степени техногенному воздействию подвержены такие водоёмы, как: оз. Муллаши, пр. Южный, которые относятся к разным группам и классам; а сильному воздействию подвержены оз. Кучак, Оброчное, Круглое.
Общая концентрация пигментов фотосинтеза в листьях клевера и стрелолиста увеличивается у растений из районов оз. Кучак и Оброчное по сравнению с показателями у этих видов с пр. Южного и оз. Муллаши.
Показано, что наименьшие величины суммарной концентрации пигментов фотосинтеза в листьях подорожника были у растений из прибрежных зон оз. Муллаши, Круглое и Оброчное по отношению к пр. Южный.
Ответные реакции растений имеют разнонаправленный характер. Наряду со снижением суммарных концентраций ПФ клевера и стрелолиста выявлено увеличение суммарной концентрации ПФ в листьях подорожника из береговой зоны одних и тех же водоемов. В дальнейших исследованиях необходимо использовать большее количество биоиндикаторов.
Рецензенты:
- Боме Нина Анатольевна, доктор сельскохозяйственных наук, профессор, заведующий кафедрой ботаники, биотехнологии и ландшафтной архитектуры, ФГБОУ ВПО Тюменский государственный университет, ИМЕНИТ, отделение биологии, г. Тюмень.
- Турсунбекова Галина Шалкаровна, доктор сельскохозяйственных наук, доцент, профессор кафедры экологии и рационального природопользования Агротехнологического института, ФГБ ОУ ВПО Тюменская сельскохозяйственная академия, г. Тюмень.