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

АККУМУЛЯЦИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ ПОЧВЕННО-ПОДСТИЛОЧНЫМ ТИПОМ ДОЖДЕВЫХ ЧЕРВЕЙ НА ПРИМЕРЕ PERELIA DIPLOTETRATHECA (PEREL, 1967) В УСЛОВИЯХ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ТОЧЕЧНЫМ ИСТОЧНИКОМ ЭМИССИИ

Резниченко И.С. 1
1 ФГБОУ ВО «Омский государственный педагогический университет»
Проведен анализ взаимосвязи между накоплением тяжелых металлов в цепи: почвенно-подстилочный субстрат – почвенно-подстилочный морфотип дождевых червей на примере эндемика Среднего Урала Perelia diplotetratheca. Вблизи завода концентрация Cu в лесной подстилке в среднем в 65 раз выше по сравнению с фоновым уровнем, Pb – в 19, Cd – в 7 и Zn – в 3 раза, в гумусово-аккумулятивном горизонте – в 16, 3, 2,4 и 2 раза соответственно. Выявлено, что для меди, цинка и кадмия характерно прямое накопление в тканях люмбрицид. Чем выше их концентрация в почве, тем выше концентрация в тканях дождевых червей. Для накопления цинка, показатель силы влияния оказался низким и не достоверным. С приближением к источнику эмиссии, однофакторный дисперсионный анализ показал снижение силы влияния концентрации поллютантов на накопление, возможно, это говорит о границе накопления, за которой следует летальный исход червей. В накоплении цинка, кадмия, свинца существует достоверная разница (р<0,05), зависящая от возраста особей. В ювенильных особях содержание металлов меньше чем в половозрелых, что можно объяснить меньшим временем нахождениея неполовозрелых люмбрицид в загрязненной зоне или более быстрым обменом веществ. В накоплении меди между половозрелыми и ювенильными особями разница не выявлена.
тяжелые металлы
источник эмиссии
дождевые черви
почва
1. Водяницкий Ю.Н. Изучение тяжелых металлов в почвах. – М.: Почв. ин-т им. В.В. Докучаева, 2005. – 109 с.
2. Воробейчик Е.Л. Экологическое нормирование техногенных загрязнений / Е.Л. Воробейчик, О.Ф. Садыков, М.Г. Фарафонтов. – Екатеринбург: УИФ «Наука», 1994. – 280 с.
3. Гиляров М.С. Почвенные беспозвоночные как показатели почвенного режима / М.С. Гиляров // Биологические методы оценки природной среды. – М.: Наука, 1978. – С. 78–90.
4. Гиляров М.С. Почвенные беспозвоночные как объект экологического мониторинга / М.С. Гиляров, А.Д. Покаржевский // Охраняемые природные территории. – М.: Центр международных проектов ГКНТ, 1983. – С. 108–115.
5. Нестеркова Д.В. Тяжелые металлы в пищевой цепи “почва - дождевые черви - европейский крот” в условиях загрязнения среды выбросами медеплавильного завода / Д.В. Нестеркова, Е.Л. Воробейчик, И.С. Резниченко // Сибирский экологический журнал. – 2014. № 5 – С. 777–788.
6. Brown G.G. Regulation of soil organic matter dynamics and microbial activity in the drilosphere and the role of interactions with other edaphic functional domains / G.G. Brown, I. Barois, P. Lavelle // European Journal of Soil Biology. – 2000. – Vol. 36. – P. 177–198.
7. Jones, C.G Organisms as ecosystem engineers / C.G. Jones, J.H. Lawton, M. Shachak // Oikos. 1994. Vol. 69. Р. 373–386.
8. Heikens, A. Bioaccumulation of heavy metals in terrestrial invertebrates / A. Heikens, W.J.G.M. Peijnenburg, A.J. Hendriks // Environ. Pollut. 2001. Vol. 113. P. 385–393.
9. Hsu M.J., Selvaraj K., Agoramoorthy G. Taiwan's industrial heavy metal pollution threatens terrestrial biota // Environ. Pollut. 2006. Vol. 143, No. 2. P. 327–334.
10. Lavelle, P. Earthworm activities and the soil system / P. Lavelle // Biology and Fertility of Soils. 1988. Vol. 6. P. 237–251.
11. Scott-Fordsmand, J.J. Importance of contamination history for understanding toxicity of copper to earthworm Eiseniafetida (Oligochaeta: Annelida), using neutral-red retention assay Environ/ J.J. Scott-Fordsmand, J.M. Weeks, S.P. Hopkin // Toxicol. Chem. 2000. Vol. 19. Р. 1174–1780.
12. Nahmani, J. Effects of heavy metal soil pollution on earthworm communities in the north of France / J. Nahmani, P. Lavelle, E. Lapied, F. van Oort // Pedobiologia. 2004. Vol. 47. P. 663–669.

При изучении кинетики тяжелых металлов находящихся в почве и почвенной подстилке, наилучшей модельной группой среди биоты считается мезофауна, которая составляет 68–85 % от совокупной зоомассы [4]. Кроме этого становится возможным изучить воздействие не только одного поллютанта на живые организмы, но и его накопление в сочетании с другими загрязняющими веществами, поскольку они могут усиливать действие друг друга [1].

Оценка влияния интегральной токсичности проводится с использованием дождевых червей (семейство Lumbricidae), которая прописана в международных стандартах ISO 11268-1, ISO 11268-2, ISO 11268-3 (ISO, 1995; ISO,1998; ISO, 1999). К тому же люмбрициды представляют наибольшую зоомассу среди мезофауны лесных и пастбищных угодий [3,10]. Дождевые черви перерабатывают органический субстрат почв, генерируя ее пористость и создавая, тем самым, благоприятные условия для микрофауны и растений [6]. Эколого-биологические свойства дождевых червей и их стресс-реакция на загрязнение субстрата, по мнению многих авторов, соответствуют требованиям международных стандартов к выбору биоиндикаторов [11].

Поведение тяжелых металлов, при передаче от почвенно-подстилочного субстрата к дождевым червям, зачастую, описывается аккумуляцией, то есть увеличением концентрации в тканях люмбрицид по сравнению со средой обитания (BAF=2–20). Также накопление тяжелых металлов может быть представлено индикацией – сохранением концентрации на том же уровне и элиминацией, когда наблюдается снижение концентрации тяжелых металлов [12]. При монозагрязнении тяжелых металлов наблюдались случаи аномальной аккумуляции кадмия, которые были описаны для дождевых червей (BAF=158), при этом авторы отмечали низкий уровень загрязнения почвы и подстилки [9].

Многими авторами установлено, что важную роль в скорости накопления металла играют его особенности, форма его соединений, взаимодействие с другими элементами, величина концентрации. Например, содержание физиологически необходимых металлов эффективно регулируется барьером на уровне желудочно-кишечного тракта, связыванием белками и экскрецией. Во-вторых, поступление металлов контролируют эдафические факторы, такие как кислотность почвы, содержание в ней органического вещества, глинистых частиц, емкость катионного обмена [7]. В-третьих, влияют особенности самих видов, их трофическая специализация и возраст.

Черви играют важную роль как звено в передаче тяжелых металлов от растений к животным, которые питаются ими. Так, для плотоядных мелких млекопитающих (кормовой базой которых являются преимущественно дождевые черви) показало большее накопление в организме хищников Cd, Pb. Причем отмечено, что черви, включенные в пищевую цепь, не принадлежат к определенному виду, но относятся к определенной экологической группе по типу вертикального распределения в субстрате [8]. Поэтому цель данного исследования заключается в анализе взаимосвязи между накоплением тяжелых металлов в цепи:
почвенно-подстилочный субстрат – почвенно-подстилочный морфотип дождевых червей на примере эндемика Среднего Урала Perelia diplotetratheca.

Материал и методы исследования

Работы выполнены в районе действия Среднеуральского медеплавильного завода (СУМЗ), расположенного около г. Ревды Свердловской области. Основные ингредиенты выбросов – SO2 и полиметаллическая пыль, в которой преобладают Cu, Pb, Zn, Cd, As. Общий объем эмиссии в конце 1980-х составлял более 140 тыс. т/год, в том числе (в т/год): SO2 – 134089, HF – 1016, Cu – 2610, Zn – 1754, As – 639, Pb – 564. С середины 1990-х отмечено снижение выбросов, объем которых в середине 2000-х составил менее 30 тыс. т/год [5].

Согласно физико-географическому районированию, территория относится к таежной географической зоне, к провинции низкогорной полосы Среднего Урала (абсолютные высоты – от 150 до 450 м над уровнем моря). Доминируют темнохвойные леса и производные от них хвойно-лиственные, березовые, осиновые и сосновые; почвы – бурые горно-лесные, темно-серые, серые, оподзоленные и глееватые.

В западном направлении от СУМЗа по результатам анализа загрязнения снега и почвы выделены импактная (до 3 км), буферная (3–7 км) и фоновая (далее 7 км) зоны загрязнения [2].

Для исследования был выбран вид Рerelia diplotetratheca – эндемик Среднего Урала, доминирующий по численности и общей массе среди дождевых червей, обитающих на территории воздействия СУМЗа.

Данные по содержанию тяжелых металлов в почве и подстилке были предоставлены лабораторией экотоксикологии популяций и сообществ ИЭРиЖУрО РАН, в которой также проходил анализ дождевых червей на тяжелые металлы. Лаборатория аккредитована на техническую компетентность и зарегистрирована в государственном реестре РФ (аттестат РОСС.RU0001.515630).

Пробоподготовка осуществлялась по стандартной методике, анализ на тяжелые металлы производили с использованием навески 100 мг материала (навеску взвешивали с точностью 0.0001 г); образцы озоляли в тефлоновых сосудах в микроволновой печи MWS-2 (Berghof, Германия) в течение 80 мин после добавления 7 мл концентрированной HNO3 и 1 мл деионизированной воды при максимальном давлении 900 кПа и максимальной температуре 155 оС. Концентрации металлов (Cu, Pb, Cd, Zn) в тканях измерялась на атомно-абсорбционном спектрометре AAS Vario 6 (Analytic Jena, Германия) с пламенным вариантом атомизации.

Статистический анализ. Значимость различий в концентрациях элементов между выборками оценивали при помощи дисперсионного анализа, значения предварительно логарифмированы; для множественных сравнений использован критерий Шеффе. Зависимость между концентрацией металла в печени и в рационе аппроксимирована уравнением , где a, b – коэффициенты.

Результаты исследования и их обсуждение

Содержание загрязняющих веществ в почве и подстилке. За время функционирования Среднеуральского медеплавильного завода сформировалась обширная техногенная геохимическая аномалия: вблизи завода концентрация Cu в лесной подстилке в среднем в 65 раз выше по сравнению с фоновым уровнем, Pb – в 19, Cd – в 7 и Zn – в 3 раза, в гумусово-аккумулятивном горизонте – в 16, 3, 2,4 и 2 раза соответственно; в буферной зоне содержание металлов несколько ниже. В результате подкисления почвенного буферного раствора солей с находящимися в нем тяжелыми металлами, увеличивается доступность металлов для биоаккумуляции дождевыми червями.

В районе исследования обитает восемь видов дождевых червей, среди которых доминирует эпигейный вид, эндемичный для Урала – P. diplotetratheca. Концентрации Cu, Zn и Cd в особях этого вида (таб. 1) тождественны литературным данным по другим видам дождевых червей из загрязненных почв, тогда как концентрация Pb выше ожидаемой для имеющегося уровня загрязнения [1]. Поскольку концентрации тяжелых металлов, для данной территории, выше всего именно в дождевых червях, можно сделать вывод, что пищевые цепи с включением люмбрицид несут потенциальную угрозу при переходе на следующий трофический уровень.

Таблица 1

Содержание (мкг/г) тяжелых металлов в тканях дождевых червей на разном удалении от Среднеуральского медеплавильного завода [5]

Элемент

Расстояние до источника выбросов, км

30 [n=55]

20 [n=47]

7 [n=38]

4–5 [n=57]

Cu

7,5±0,1 {9,9}
(5,6–10,3)

7,9±0,2 {17,4}
(5,3–11,1)

23,7±1,7 {44,2}***
(11,9–71,7)

28,5±1,9 {50,3}***
(10,3–75,4)

Pb

9,2±0,7 {56,4}
(1,0–26,7)

14,1±1,5 {72,9}
(3,1–62,6)

112,5±13,6 {74,5}***
(18,3–359,5)

228,3±25,1 {83,0}***
(8,6–1010,3)

Cd

16,8±0,7 {30,9}
(6,6–28,8)

21,3±0,9 {29,0}**
(9,7–35,8)

67,7±3,8 {34,6}***
(24,8–131,9)

91,9±4,8 {39,4}***
(28,3–193,3)

Zn

299,6±10,1 {25,0}
(143,6–439,6)

356,8±14,8 {28,4}
(193,6–705,9)

617,8±36,3 {36,2}***
(230,2–1365,3)

536,6±30,7 {43,2}***
(185,6–1152,4)

Примечание: среднее ± ошибка, в круглых скобках – минимальное и максимальное значение, в фигурных скобках – коэффициент вариации, учетная единица – особь. Уровень значимости различий с 30 км: * – p<0,05, ** – p<0,01, *** – p<0,001 (критерий Шеффе).

С целью упрощения интерпретации данных сравнительно воздействию поллютантов на среду, применялся индекс токсичности Кi , который был рассчитан для тяжелых металлов Cu, Cd, Zn, Pb [2].

Как можно увидеть на рис. 1, индекс токсичности становится больше, чем меньше расстояние до Среднеуральского медеплавильного завода, наибольший показатель индекса токсичности наблюдается у свинца и кадмия (p<0,05).

Рис. 1. Индекс токсичности в зависимости от расстояния от источника эмиссии

Как показано в таблице, для цинка, кадмия и меди характерно прямое накопление в тканях люмбрицид (Табл. 2). Чем выше концентрация этих элементов в почве, тем больше содержание в тканях дождевых червей. Для накопления цинка показатель силы влияния оказался низким и не достоверным. Со снижением расстояния до точечного источника эмиссии, ANOVA показал уменьшение силы влияния концентрации поллютантов на накопление, возможно, данный факт свидетельствует о наличии барьера накопления тяжелых металлов, после которого следует массовая гибель дождевых червей.

Таблица 2

Зависимость накопления тяжелых металлов в тканях P. diplotetratheca от концентрации тяжелых металлов в почве

металл

?2x±m

F

k-n

Α

Cu

0,75±0,02

20.63

1; 62

0,05

Pb

0,35±0,07

14.25

1; 62

0,01

Cd

0,55±0,05

16.25

1; 46

0,05

Zn

0,33±0,25

(2.97)

1; 46

-

Примечание: показатель силы влияния ± ошибка, F – достоверность по Фишеру, в круглых скобках – показатель F<Fтаб, k-n – число степеней свободы, α – уровень значимости исследований

Для аккумуляции кадмия, свинца и цинка наблюдается достоверная разница (р<0,05), которая зависит от возрастного состояния люмбрицид (Рис. 2). В ювенильных дождевых концентрация поллютантов меньше, чем в половозрелых, что объясняется меньшим временем пребывания неполовозрелых особей в загрязненной почве и подстилке и более быстрым, по сравнению с половозрелыми особями, обменом веществ. Разницы, зависящей от возрастного состояния дождевых червей, в аккумуляции меди установить не удалось.

Рис. 2. Аккумуляция тяжелых металлов в тканях P.diplotetratheca в зависимости от возрастного состояния

Заключение

Таким образом, накопление цинка, меди и кадмия почвенно-подстилочным морфо-экологическом типом дождевых червей на примере P. diplotetratheca соответствует литературным данным, относящимся к данному морфотипу люмбрицид у других авторов, однако концентрация свинца оказалась выше прогнозируемой для данного уровня загрязнения. Сравнительный анализ с другими видами животных, обитающих в зоне воздействия Среднеуральского медеплавильного завода на окружающую среду, показал, что по накоплению тяжелых металлов дождевые черви занимают лидирующую роль, даже в сравнении с буферными концентрациями свинца и кадмия, сравниться с которыми могут только моллюски. Данный факт доказывает утверждение о потенциальной опасности данных видов животных при переходе на следующий трофический уровень.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 16-34-00339 мол_а.


Библиографическая ссылка

Резниченко И.С. АККУМУЛЯЦИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ ПОЧВЕННО-ПОДСТИЛОЧНЫМ ТИПОМ ДОЖДЕВЫХ ЧЕРВЕЙ НА ПРИМЕРЕ PERELIA DIPLOTETRATHECA (PEREL, 1967) В УСЛОВИЯХ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ТОЧЕЧНЫМ ИСТОЧНИКОМ ЭМИССИИ // Современные проблемы науки и образования. – 2016. – № 6. ;
URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=25507 (дата обращения: 20.09.2021).

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