Сетевое издание
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МАКРОФИТОВ ДЛЯ МОНИТОРИНГА ЗАГРЯЗНЕНИЯ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ МЕЛКОВОДНЫХ УЧАСТКОВ ВОЛГОГРАДСКОГО ВОДОХРАНИЛИЩА

Фомина А.А. 1 Тихомирова Е.И. 1 Кораблева А.И. 1
1 ФГБОУ ВО «Саратовский государственный технический университет им. Гагарина Ю.А.»
Проведен химический анализ содержания тяжелых металлов в макрофитах и донных отложениях, собранных на мелководных участках Волгоградского водохранилища у крупного промышленного центра Саратов-Энгельс. Установлено, что накопление тяжелых металлов в растениях уменьшается в следующем ряду: Fe2,3+>Cu2+>Zn2+>Co2+>Cd2+, что согласуется с классической схемой распределения элементов в растениях. 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. Установлено отсутствие достоверных различий в значениях средних концентраций тяжелых металлов, определяемых в растениях, собранных у поселка Генеральское и у села Квасниковка (выше и ниже по течению крупной промышленной агломерации Саратов-Энгельс), что свидетельствует о равномерном характере загрязнения данной акватории.
загрязнение водных экосистем.
мониторинг
макрофиты
тяжелые металлы
1. Аверкова С.А. Современное экологическое состояние Волгоградского водохранилища с учетом факторов антропогенного воздействия: автореф. дис. … канд. геогр. наук. –Астрахань, 2012. – 16 с.
2. Бреховских В.Ф., Волкова З.В., Савенко А.В. Высшая водная растительность и накопительные процессы в дельте р. Волги // Аридные экосистемы. – 2009. – Т.15. – № 3. – С.34–42.
3. Гришанцева Е.С., Сафронова Н.С., Кирпичникова Н.В., Федорова Л.П. Распределение микроэлементов в высшей водной растительности Иваньковского водохранилища // Геоэкология. Инженерная геология. Гидрогеология, Геокриология. – 2010. – № 3. – С. 223-231.
4. Доклад о состоянии и об охране окружающей среды Саратовской области в 2013 году. – Саратов, 2014. – 242 с.
5. Кочеткова А.И. О некоторых закономерностях накопления тяжелых металлов высшей водной растительностью на Волгоградском водохранилище // Вестник Волгогр. гос. ун-та. Сер. 3. Экон. Экол. – 2012. – № 1(20). – С. 305–309.
6. Микрякова Т.Ф. Содержание тяжелых металлов в макрофитах Моложского плеса Рыбинского водохранилища // Биология внутренних вод. – 1996. – № 99. – С. 11–13.
7. Практикум по агрохимии: учеб. пособие / под ред. В.Г. Минеева. – М.: Изд-во МГУ, 2001. – 689 с.
8. Садчиков А.П., Кудряшов М.А. Экология прибрежно-водной растительности. – М.: НИА-Природа, 2004. – 220 с.
9. Фомина А.А. Аккумуляционная способность рогоза узколистного (Typha angustifоlia L.) по отношению к тяжелым металлам // Инновационная деятельность. – 2014. – № 1 (28). – Т. 2. – С. 59-63.
10. Шашуловская Е.А. Роль мелководий в самоочищении равнинных водохранилищ (на примере Волгоградского водохранилища): дис. … д-ра биол. наук. – Н. Новгород, 2010. – С. 20–22.

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.


Библиографическая ссылка

Фомина А.А., Тихомирова Е.И., Кораблева А.И. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МАКРОФИТОВ ДЛЯ МОНИТОРИНГА ЗАГРЯЗНЕНИЯ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ МЕЛКОВОДНЫХ УЧАСТКОВ ВОЛГОГРАДСКОГО ВОДОХРАНИЛИЩА // Современные проблемы науки и образования. – 2015. – № 6. ;
URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=23146 (дата обращения: 24.09.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074