смотреть работу

1
НАКОПИТЕЛЬНЫЕ И
ПОГЛОТИТЕЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ
ВОДНЫХ МАКРОФИТОВ: ПРИКЛАДНОЙ АСПЕКТ
М.С. Мироненко, Брянский государственный университет имени акад. И.Г. Петровского
Введение
Актуальность исследования. Самым важным компонентом водных экосистем являются
макрофиты, определяющие обмен веществ и превращения энергии в экосистемах. Исследования
в области изучения систематики водных растений, особенностей формирования и состояния
сообществ, их эколого-биологических характеристик традиционны для биодиагностических и
биомониторинговых целей. Однако для фиторемедитационных работ исследований такого
направления не достаточно, в том числе и для водоёмов и водотоков Брянской области
(Анищенко, 2009; Буховец, 2010). В связи с этим возникает необходимость изучения физиологобиохимических покакателей флоры и сообществ водных растений (макрофитов), что позволит
разработать для региона комплекс программ природоохранного направления.
Как объект наблюдения водные макрофиты имеют ряд преимуществ перед другими
обитателями водоемов: это крупные организмы, видимые невооруженным глазом, которые
относительно
легко
кратковременным
определить;
изменениям
им
свойственна
среды,
однако
консервативность
направленные
по
отношению
стрессовые
к
изменения
растительности в течение нескольких лет могут свидетельствовать о трансформации экотопа.
Макрофиты также рекомендуется использовать для диагностики трофности водных объектов,
которая дает полное представление об экологических условиях существования организмов.
Поэтому тематика исследований особенно актуальна.
Цель исследования – изучить эколого-биологические особенности фоновых видов
водной флоры для диагностики накопительных и поглотительных особенностей на региональной
основе. Задачи исследования:
1. определить фоновые виды настоящих водных макрофитов для изучения накопительных
и поглотительных особенностей по отношению к тяжелым металлам;
2. разработать способ диагностики индивидуальной накопительной и поглотительной
особенностей у видов с использованием спектрофотометрии;
3. установить степень биологического накопления тяжелых металлов разными видами
водных макрофитов и обосновать наиболее эффективные аккумуляторы;
4. рассчитать коэффициенты накопления и перехода для выявления лучших поглотителей
и накопителей тяжелых металлов и дать рекомендации по использованию водных макрофитов
для фиторемедитационных целей;
5. выявить обобщенные индикаторные характеристики водных макрофитов.
Объекты исследований. Объект исследования – биохимические показатели водных
растений.
2
Практическая значимость и научная ценность.
В
условиях
антропогенного
загрязнения района исследования тяжелыми металлами наиболее эффективные накопители
Ceratophyllum demersum и Utricularia vulgaris рекомендованы для целей фиторемедитации
специалистам Росприроднадзора, Росгидромета. Результаты исследований используются при
проведении курсов лекционных и практических занятий в БГУ по экологии растений,
биоиндикации, общей геоботаники.
Методы исследований: флористические, лабораторно-химические и статистические
методы.
Представленная работа – это первое региональное исследование поглотительных и
накопительных особенностей настоящих водных макрофитов для фиторемедитационных целей.
Полученные данные – результат работы лаборатории «Мониторинга сред обитания» в рамках
работы по теме «Экспресс-анализ сред обитания». Исследования выполнены с участием
коллектива авторов, в том числе и аспирантки кафедры – Буховец Т.Н.
1 Объекты, материалы и методы исследования
Объектом исследования является биохимические показатели водных растений, а также
индикаторные (по отношению к трофности) особенности флоры водных макрофитов водоемов и
водотоков в бассейнах рек Ипути и Десны (Брянская область).
При сборах фитомассы растений дана характеристика их местообитания: глубина водоема
или водотока, прозрачность с использованием диска Секки, тип грунта, скорость течения.
Указаны видимые антропогенные и другие нарушения. Идентификация видов проведена с
использованием определителей (Булохов, Величкин, 1998; Лисицына и др., 1993; Лисицына,
Папченков, 2000; Печенюк, 2004; Маевский, 2006).
Названия сосудистых растений даны по С. К. Черепанову (1995); классов Hepaticae,
Anthocerotae – по «Списку печеночников и антоцеротовых территорий бывшего СССР»
(Константинова, Шляков, 1992). При взятии надгрунтовой биомассы растений проводились
укосы на площадках 0,25 м2 в 4-х повторностях. Биомасса растений – количество живого
вещества, накопленного растительным сообществом на единицу площади к моменту наблюдения
(Папченков и др., 2003). Всего выполнено 800 укосов. Укосы подвергались лабораторному
исследованию по традиционной методике (Папченков, 2001). Определение биологического
накопления тяжелых металлов макрофитами проводилось в пробах растений и пробах грунта по
«Методике
выполнения
измерения
массовой
доли
металлов
и
оксидов
металлов
в
порошкообразных пробах почв методом рентгенофлуоресцентного анализа. М049-П/04», с
использованием прибора «Спектроскан Макс». Предельно допустимые концентрации (ПДК) и
ориентировочно допустимые концентрации (ОДК) химических элементов в грунте и образцах
определялись по ГН 2.1.7.2041-06, ГН 2.1.2042-06. В образцах грунта и растениях рассчитаны
коэффициенты перехода элементов (Кп), как отношение концентрации элемента в грунте к
3
концентрации
элемента
в
макрофитах
и коэффициенты накопления (Кн) – отношение
концентрации элемента в макрофитах к концентрации элемента в грунте (Лес. Человек.
Чернобыль …, 2006).
Индивидуальная поглотительная особенность видов водных макрофитов для экспрессанализа проводилась с использованием спектрофотометра КФК-3 по стандартным методикам
установления оптической плотности. Светофильтр подбирали в зависимости от цвета и мутности
экспонируемых растворов. Готовилась серия растворов в концентрациях, равных ПДК и выше
ПДК для CuSO4 5H2O, CoCl2 6H2O, Pb(CH3 COO)2 . Пересчет вели на ионы Cu
2+
, Co2+, Pb2+.
Экспозиция растений в рабочих растворах длилась 10 дней. Оптическую плотность измеряли для
исходных растворов и рабочих после экспозиции. Изменение концентрации Cu
2+
, Co2+, Pb2+
устанавливали по калибровочным кривым. Для испытаний использовали фоновые виды водных
макрофитов, хорошо размножающихся вегетативно: Lemna minor (ряска малая), Potamogeton
gramineus (рдест злаковый), Leptodictium riparium (лептодикциум береговой).
Анализ результатов исследований для биомассы, концентрации тяжелых металлов
осуществлен статистическими методами с использованием пакета MS Excel 2003 (Зайцев, 1973,
1984, 1990; Плохинский, 1978; Лакин, 1990; Пузаченко, 2004).
2 Содержание тяжелых металлов в биомассе водных макрофитов
как биоиндикационный показатель
Поглощение водными макрофитами различных химических элементов, в том числе и
металлов, способствует очищению природных вод, так как в отличие от микрофитов в водных
макрофитах химические элементы закрепляются надолго. Кроме того, водные макрофиты
образуют биоценозы с участием животных-фильтраторов, которые способны переводить многие
загрязнения в неактивную форму. Водные макрофиты препятствуют чрезмерному развитию
микрофитов, вызывающих цветение воды, что влечет за собой ухудшение её качества.
Макрофитная
растительность
фитомониторинга
(оценки
является
состояния
одной
природной
из
самых
среды
по
перспективных
ботаническим
групп
для
признакам).
Неоспоримое значение макрофитной растительности как индикатора тех или иных процессов,
происходящих в водоеме, подчеркивалось многими исследователями (Кабанов, 1962; Макрушин,
1974; Макрофиты – индикаторы …, 1993).
Водоем и водоток располагаются в черте крупного промышленного города, поэтому
содержание металлов в воде, которые поступили техногенным путем, предполагается достаточно
высокое. На основании данных таблицы можно видеть, что различные виды водных макрофитов
избирательно накапливают металлы.
У Nuphar lutea в биомассе зарегистрировано наибольшее валовое содержание таких
элементов (табл. 1), как цинк (437,45 мг/кг), железо (302,15 мг/кг), медь (49,7 мг/кг), ванадий
(22,85 мг/кг), у Ceratophyllum demersum – свинец (68,22 мг/кг), никель (32,8 мг/кг), кобальт (3,36
4
мг/кг), марганец (618 мг/кг), хром (49,4 мг/кг), у Utricularia vulgaris – свинец (61,44 мг/кг),
никель (29,18 мг/кг), кобальт (2,01 мг/кг), хром (44,1 мг/кг), марганец (451 мг/кг), у Stratiotes
aloides – свинец (67,1 мг/кг), железо (299,2 мг/кг), у Potamogeton pectinatus – стронций (101,3
мг/кг), хром (45,7 мг/кг), у P. lucens – стронций (98,1 мг/кг), хром (41,1 мг/кг), P. natans – мышьяк
(2,19 мг/кг), цинк (411,57 мг/кг), медь (47,7 мг/кг), железо (298,1 мг/кг), ванадий (22,3 мг/кг),
Batrachium circinatum – цинк (428,91 мг/кг), медь (51,8 мг/кг), ванадий (21,8 мг/кг).
Наименьшее валовое содержание в биомассе металлов зарегистрировано у Spirodela
polyrhiza в сообществах с Lemna minor и Hydrocharis morsus–ranae, т.е. у плавающих гидрофитов
(плейстофитов).
Наибольшая
валовая
концентрация
стронция обнаружена
в
биомассе
Potamogeton pectinatus, P. lucens. Максимальная концентрация свинца, никеля, кобальта, хрома,
марганца наблюдается у погруженных гидрофитов – Ceratophyllum demersum, Utricularia vulgaris.
Рдесты – P. pectinatus и P. lucens избирательно концентрируют хром. Укореняющиеся гидрофиты
с плавающими листьями поглощают из воды (и видимо из грунта) в большей степени такие
металлы, как цинк, медь, ванадий (Nuphar lutea, Potamogeton natans, Batrachium circinatum). В
незначительных концентрациях накапливается титан и кобальт. Кроме C. demersum и U. vulgaris
кобальт не обнаружен ни в одной пробе биомассы водных макрофитов. У этих видов
концентрация кобальта ниже ориентировочно допустимой концентрации (ОДК). Это может быть
связано либо с отсутствием этого металла в воде или с поглощающей способностью самих
растений.
Группа плейстофитов из Hydrocharis morsus–ranae, Stratiotes aloides и Spirodela polyrhiza в
сообществах с Lemna minor слабо проявляет накопительную способность по отношению к
металлам. Однако в биомассе S. aloides обнаружена значительная концентрация свинца.
Статистически достоверны (tфактtтабл, Р=95%) различия между наибольшими и наименьшими
валовыми концентрациями стронция у P. pectinatus (101,3 мг/кг) и H. morsus–ranae (41,8 мг/кг),
свинца у C. demersum (68,22 мг/кг) и S. polyrhiza в сообществах с L. minor (24,30 мг/кг), цинка у
N. lutea (437,45 мг/кг) и S. aloides (223,17 мг/кг), меди у B. circinatum (51,8мг/кг) и H. morsus–ranae
(15,7 мг/кг), никеля у C. demersum (32,8 мг/кг) и P. pectinatus (11,9 мг/ кг), железа у N. lutea
(302,15 мг/кг) и U. vulgaris (102, 18 мг/кг), марганца у C. demersum (618 мг/кг) и S. polyrhiza в
сообществах с L. minor (159,0 мг/кг), хрома у C. demersum (49,4 мг/кг) и H. morsus–ranae (11,8
мг/кг). Различия несущественны (tфакт<tтабл, Р=95%) между наибольшими и наименьшими
концентрациями в биомассе растений различных видов ванадия, мышьяка.
В ряде работ было показано, что накопление металлов происходит в их взаимосвязи
(Lawrence, 1971; Riemer, 1968). В частности, соотношение Mn : Fe может служить достаточно
хорошим показателем антропогенного загрязнения водоемов. Это было также показано на
водных макрофитах (Балоян, Хромов, 2007). Для Ceratophyllum demersum и Utricularia vulgaris
взаимное влияние отмечено для элементов: свинца и никеля (R=0,71), марганца и хрома (R=0,72),
5
кобальта и никеля (R=0,67). Для Stratiotes aloides
достоверно
связаны
повышенные
концентрации свинца и железа (R=0,61), для Potamogeton pectinatus и P. lucens – стронция и
хрома (R=0,62), для P. natans – цинка и меди (R=0,68), меди и ванадия (R=0,64), мышьяка и цинка
(R=0,52), мышьяка и ванадия (R=0,54), Batrachium circinatum – цинка и меди (R=0,53), цинка и
ванадия (R=0,57), меди и ванадия (R=0,63), для Nuphar lutea – цинка и меди (R=0,69), меди и
железа (R=0,72), цинка и железа (R=0,62).
Различия в накоплении водными макрофитами в водных экосистемах, находящихся в
черте города и водах относительно незагрязненной местности всех металлов, статистически
достоверно (tфакт>tтабл, Р= 95%). Наименьшая валовая концентрация зарегистрирована для титана
и кобальта – эти элементы определены только у C. demersum и B. circinatum. Концентрация
свинца ниже указанной ОДК у всех видов, кроме N. lutea и S. aloides. Металлы техногенного
происхождения – мышьяк, никель – либо не определены в пробах биомассы растений, либо
зарегистрированы в концентрации, значительно ниже ОДК. Ниже ОДК зарегистрировано
содержание в биомассе таких элементов, как цинк, медь, никель, хром, ванадий. Повышенное
валовое содержание цинка определено у P. pectinatus, P. lucens, P. natans и U. vulgaris; меди – N.
lutea и U. vulgaris; никеля – P. natans, хрома – P. pectinatus, ванадия – N. lutea, P. natans. Средние
значения валовой концентрации – от 198 до 375 мг/кг – зарегистрированы у растений для
марганца и железа. Медь, цинк, хром, железо, марганец – это химические элементы, входящие в
состав ферментных комплексов любых растений, поэтому их концентрации выше 0 определены с
учетом этого фактора.
Таким образом, анализ степени накопления химических элементов видами водных
макрофитов, которые относятся к разным экологическим группам (погруженные, плейстофиты,
прикрепленные с плавающими листьями), показывает определенные различия. Полученные
результаты подтвердили ранее отмеченные закономерности, что химические элементы более
интенсивно накапливают погруженные макрофиты, в меньшей степени – плейстофиты.
Используя сведения о накоплении металлов водными макрофитами, можно рекомендовать
к использованию в качестве поглощающего комплекса видов погруженные гидрофиты
Ceratophyllum demersum, Utricularia vulgaris. Эти виды широко распространены, прекрасно
размножаются вегетативно.
Нами исследовались коэффициенты накопления (Кн) и коэффициенты перехода (Кп)
металлов у трех видов укореняющихся гидрофитов с плавающими листьями и одного
погруженного укореняющегося гидрофита, так как эти растения по предварительным данным
накапливали в большей степени, чем другие химические соединения и не только из воды, но и
грунта (табл. 3). Эти данные позволяют оценить биодоступность химических соединений для
растений, а также подобрать виды, для использования их в качестве естественных накопителей
различных загрязняющих веществ. Пробы в 50 образцах каждого вида, кроме Nymphaea candida
6
(20 образцов) отбирали в основном русле р. Десна
на
участке
20
м 2.
Пробы
грунта
обрабатывались на приборе «Спектроскан-Макс».
Вид Nuphar lutea хорошо накапливает стронций, свинец, цинк, медь, железо и марганец.
Наибольший коэффициент накопления выявлен для свинца (Кн =2,975), наименьший – для железа
(Кн =1,021). Хром, титан, кобальт и ванадий растением не накапливается. Самое малое значение
коэффициента накопления определено для кобальта (0) и титана (Кн =0,0693).
Надгрунтовая биомасса у Nymphaea candida достаточно хорошо поглощает и накапливает
стронций, свинец, цинк, медь, железо и марганец, а также мышьяк. Наибольший коэффициент
накопления выявлен для свинца (Кн =2,386), наименьший – для цинка (Кн =1,075). Так же как и
Nuphar lutea, N. candida не накапливает или мало накапливает кобальт, ванадий и титан. Для
кобальта и ванадия Кн равен 0.
Два вида рдестов накапливают элементы неодинаково. Хорошей накопительной
способностью металлов обладает Potamogeton natans. Растения накапливают такие металлы как
стронций, свинец, цинк, медь, железо, марганец и никель. В наибольшей степени накапливается
свинец (Кн =2,798), в наименьшей – железо (Кн =1,008) и стронций (Кн =1,015).
Погруженный укореняющийся гидрофит Potamogeton lucens накапливает три металла:
стронций, свинец и марганец. Наибольшая накопительная способность растений выявлена для
свинца (Кн =1,992). P. lucens не накапливает кобальт и титан (Кн =0).
Чем выше коэффициент перехода для поглощаемого элемента, тем в меньшей степени он
может накапливаться в растительной биомассе. Для трех видов N. candida, N. lutea и P. natans
максимальный коэффициент перехода выявлен для титана (Кп =14,424, 25,870 и 19,508
соответственно). Кп не определялся для металлов, которые не обнаружены в биомассе растений:
для кобальта у всех исследуемых видов, для титана (P. lucens), ванадия (N. candida).
Коэффициенты накопления свинца у N. candida, N. lutea, P. natans и P. lucens достоверно
различаются (tфактtтабл, Р=95%), для остальных накапливаемых элементов – нет. Итак,
накопительная способность у укореняющихся видов гидрофитов различается. Наименьшее число
металлов накапливает P. lucens (3 металла), наибольшее – N. candida и P. natans (по 7 металлов).
Причем N. candida накапливает мышьяк, P. natans – никель.
3 Выявление индивидуальной поглотительной способности водных макрофитов в
камеральных условиях
Поглотительную способность по отношению к ионам Cu2+ , Pb
плейстофитов
двух
экологических
групп:
ряски
малой
2+
и Cо2+ изучалась для
(плавающий
плейстофит)
и
лептодикциума берегового, рдеста злакового (погруженные плейстофиты). Выбор объектов
объяснялся их доступностью для исследований, а также широкой встречаемостью в природе,
интенсивным вегетативным размножением, возможностью культивирования этих объектов в
лабораторных условиях при любом освещении и иных сопутствующих условиях.
7
Оптическая плотность для раствора CuSO4 5H2O определялась при использовании синего
светофильтра. Длина волны (нм) для экспериментальных сосудов (с 1 по 5) составляла
соответственно 455, 460, 465, 470, 475.
После окончания экспозиции оптическая плотность для растворов изменилась (табл. 1).
По калибровочной кривой были определены соответствующие изменившимся значениям
концентрации иона Cu 2+:
Таблица 1 – Изменение оптической плотности через 10 дней экспозиции для раствора CuSO4 5
H2O
Сосуды с CuSO4 5 H2 1
2
3
4
5
O
Оптическая
0,19
0,26
0,26
0,31
0,35
плотность
Концентрация
0,0007
0,0011
0,00168
0,00172
0,00225
2+
Cu
В экспозиционных сосудах № 1-4 с лептодикциумом береговым концентрация иона Cu 2+
изменилась. Более всего понизилась концентрация Cu
Cu
2+
2+
в сосудах № 1 (исходная концентрация
соответствовала ПДК) и № 2 (исходная концентрация Cu
концентрация Cu
2+
в сосуде № 5 (исходная концентрация Cu
2+
2+
выше ПДК). Не изменилась
выше ПДК). Т.о. лептодикциум
береговой обладает хорошей поглотительной способностью по отношению к ионам Cu
2+
в
концентрациях, равных ПДК, а также превышающих эти значения.
Оптическая плотность для раствора Pb(CH3 COO)2 определялась при использовании
жёлтого светофильтра. Длина волны (нм) для экспериментальных сосудов (с 1 по 5) составляла
соответственно 565, 570, 575, 580, 585.
После окончания экспозиции оптическая плотность для растворов изменилась (табл. 2).
По калибровочной кривой были определены соответствующие изменившимся значениям
концентрации иона Pb 2+:
Таблица 2 – Изменение оптической плотности через 10 дней экспозиции для раствора Pb(CH3
COO)2
Сосуды с
1
2
3
4
5
Pb(CH3COO)2
Оптическая
0,75
0,77
0,84
0,85
0,85
плотность
Концентрация
0,000064
0,00007
0,00016
0,0002
0,0002
Pb 2+
Во всех экспозиционных сосудах с лептодикциумом береговым концентрация иона Pb
изменилась. Более всего понизилась концентрация Pb
Pb
2+
2+
2+
в сосудах № 1 (исходная концентрация
соответствовала ПДК) и № 2 и 3 (исходная концентрация Pb
2+
выше ПДК). Т.о.
лептодикциум береговой обладает отличной поглотительной способностью по отношению к
ионам Pb 2+ в концентрациях, равных ПДК, а также превышающих эти значения.
8
Оптическая
плотность
для
раствора Pb(CH3 COO)2 определялась при использовании
жёлтого светофильтра. Длина волны (нм) для экспериментальных сосудов (с 1 по 5) составляла
соответственно 565, 570, 575, 580, 585.
После окончания экспозиции оптическая плотность для растворов изменилась (табл. 3).
По калибровочной кривой были определены соответствующие изменившимся значениям
концентрации иона Pb 2+:
Таблица 3 – Изменение оптической плотности через 10 дней экспозиции для раствора Pb(CH3
COO)2
Сосуды с
1
2
Pb(CH3COO)2
Оптическая
0,77
0,80
плотность
Концентрация 0,000091
0,00012
2+
Pb
В экспозиционных сосудах №1-3, 5
3
4
5
0,85
0,89
0,93
0,00016
0,0003
0,00032
с рдестом злаковым
изменилась. Более всего понизилась концентрация Pb
2+
концентрация иона Pb
2+
в сосудах № 1 (исходная концентрация
Pb 2+соответствовала ПДК) и № 2 (исходная концентрация Pb 2+ выше ПДК). Т.о. рдест злаковый
обладает средней поглотительной способностью по отношению к ионам Pb
2+
в концентрациях,
равных ПДК, а также превышающих эти значения.
Оптическая плотность для раствора CuSO4 5H2O определялась при использовании синего
светофильтра. Длина волны
(нм) для экспериментальных сосудов (с 1 по 5) составляла
соответственно 455, 460, 465, 470, 475.
После окончания экспозиции оптическая плотность для растворов изменилась (табл. 4).
По калибровочной кривой были определены соответствующие изменившимся значениям
концентрации иона Cu 2+:
Таблица 4 – Изменение оптической плотности через 10 дней экспозиции для раствора CuSO4 5 H2
O
Сосуды с CuSO4 5
1
2
3
4
5
0,21
0,25
0,31
0,33
0,37
0,00081
0,0011
0,0015
0,00175
0,00220
H2 O
Оптическая
плотность
Концентрация
Cu 2+
В экспозиционных сосудах
№ 1 и 2 с рдестом злаковым концентрация иона Cu
2+
изменилась. Более всего понизилась концентрация Cu 2+ в сосуде № 1 (исходная концентрация Cu
2+
соответствовала ПДК). Не изменилась концентрация Cu
концентрация Cu
2+
2+
в сосудах №№ 3-5 (исходная
выше ПДК). Т.о. рдест злаковый обладает средней поглотительной
способностью по отношению к ионам Cu
2+
9
в концентрациях,
равных
ПДК,
а
также
незначительно превышающих эти значения.
Оптическая плотность для раствора CoCl2 6H2O определялась при использовании зеленого
светофильтра. Длина волны
(нм) для экспериментальных сосудов (с 1 по 5) составляла
соответственно 505, 510, 515, 520, 525.
После окончания экспозиции оптическая плотность для растворов изменилась (табл. 5).
По калибровочной кривой были определены соответствующие изменившимся значениям
концентрации иона Со 2+:
Таблица 5 – Изменение оптической плотности через 10 дней экспозиции для раствора CoCl2 6H2O
Сосуды с CoCl2 6H2O
1
2
3
4
5
Оптическая плотность 0,42
0,44
0,45
0,49
0,53
Концентрация
0,000083
0,0001
0,00017
0,00022
0,00038
2+
Со
Во всех экспериментальных экспозиционных сосудах с рдестом злаковым концентрация
иона Со2+ изменилась. Более всего понизилась концентрация Со2+ в сосудах № 1, 2 и 5. В первом
сосуде исходная концентрация Со2+соответствовала ПДК, в остальных – исходная концентрация
Со2+ выше ПДК. Т.о. рдест злаковый обладает хорошей поглотительной способностью по
отношению к ионам Со2+ в концентрациях, равных ПДК, а также превышающих эти значения.
Оптическая плотность для раствора CuSO4 5H2O определялась при использовании синего
светофильтра. Длина волны (нм) для экспериментальных сосудов (с 1 по 5) составляла
соответственно 455, 460, 465, 470, 475.
После окончания экспозиции оптическая плотность для растворов изменилась (табл. 6).
По калибровочной кривой были определены соответствующие изменившимся значениям
концентрации иона Cu 2+:
Таблица 6 – Изменение оптической плотности через 10 дней экспозиции для раствора CuSO4 5 H2
O
Сосуды с CuSO4 5 H2 O
1
2
3
4
5
Оптическая плотность
0,22
0,26
0,31
0,34
0,37
Концентрация
0,00087
0,00125
0,0015
0,00175
0,00220
Cu 2+
В экспозиционных сосудах № 1 и 5 с ряской малой концентрация иона Cu
Более всего понизилась концентрация Cu
2+
2+
изменилась.
в сосуде № 1 (исходная концентрация Cu2+
соответствовала ПДК). Не изменилась концентрация Cu
концентрация Cu
2+
2+
в сосудах №№ 2-5 (исходная
выше ПДК). Т.о. с ряска малая обладает низкой поглотительной
способностью по отношению к ионам Cu
превышающих эти значения.
2+
в концентрациях, равных ПДК, а также
10
Оптическая плотность для раствора Pb (CH3 COO)2 определялась при использовании
жёлтого светофильтра. Длина волны (нм) для экспериментальных сосудов (с 1 по 5) составляла
соответственно 565, 570, 575, 580, 585
После окончания экспозиции оптическая плотность для растворов изменилась (табл. 7).
По калибровочной кривой были определены соответствующие изменившимся значениям
концентрации иона Pb 2+:
Таблица 7 – Изменение оптической плотности через 10 дней экспозиции для раствора Pb(CH3
COO)2
Сосуды с
Pb(CH3COO)2
Оптическая
плотность
Концентрация
Pb 2+
1
2
3
4
5
0,80
0,84
0,88
0,90
0,93
0,000084
0,0002
0,00025
0,00027
0,00035
Оптическая плотность в экспозиционных сосудах с ряской малой показала изменение
концентрация иона Pb
2+
для растворов №№ 1 и 4. Более всего понизилась концентрация Pb
2+
в
сосудах № 1 (исходная концентрация Pb 2+соответствовала ПДК) и № 4 (исходная концентрация
Pb
2+
выше ПДК). Т.о. ряска малая обладает незначительной поглотительной способностью по
отношению к ионам Pb 2+ в концентрациях, равных ПДК, а также превышающих эти значения.
Оптическая плотность для раствора CoCl2 6H2O определялась при использовании зеленого
светофильтра. Длина волны (нм) для экспериментальных сосудов (с 1 по 5) составляла
соответственно 505, 510, 515, 520, 525.
После окончания экспозиции оптическая плотность для растворов изменилась (табл. 8).
По калибровочной кривой были определены соответствующие изменившимся значениям
концентрации иона Со 2+:
Таблица 8 – Изменение оптической плотности через 10 дней экспозиции для раствора CoCl2 6H2O
Сосуды с CoCl2 6H2O
1
2
3
4
5
Оптическая плотность 0,39
0,40
0,45
0,50
0,53
Концентрация
0,000095
0,00017
0,00022
0,00028
0,00084
Со 2+
Во всех экспериментальных экспозиционных сосудах с ряской малой концентрация иона
Со2+ изменилась. Более всего понизилась концентрация Со2+ в сосудах № 1, 2, 4 и 5. В первом
сосуде исходная концентрация Со2+ соответствовала ПДК, в остальных – исходная концентрация
Со2+ выше ПДК. Т.о. ряска малая обладает средней поглотительной способностью по отношению
к ионам Со2+ в концентрациях, равных ПДК, а также превышающих эти значения.
Итак, анализ полученных экспериментальных данных показал, что лептодикциум
береговой показал себя как лучший поглотитель ионов Cu2+ и Pb
эффективностью поглощает ионы Cu2+ и Pb
2+
2+
. Рдест злаковый со средней
, хорошей – ионы Cо2+ . Ряска малая может быть
11
предложена для избирательного поглощения
ионов
Cо2+,
так
как
показала
среднюю
способность поглощения этих ионов. Т.о. поверхностный плейстофит – ряска малая –
характеризуется низкой поглотительной способностью к металлам абиогенного происхождения.
Погруженные плейстофиты – лептодикциум береговой и рдест злаковый – лучше поглощают
ионы, растворенные в воде. Вероятно этот эффект связан с бóльшей площадью поглощающей
поверхности, а также однорядным эпидермисом у водного мха – лептодикциума. Ионы Cо2+
избирательно накапливаются двумя экспонированными видами, так как, вероятно, этот элемент
биогенного происхождения.
4 Индикаторное значение прибрежно-водных растений
Как выяснилось, значительная часть водных растений обладает высокой толерантностью, что
затрудняет использовать их в качестве индикаторных видов. Большинство их посвящено
исследованию связи между гидрохимическими показателями вод (общая жесткость, щелочность,
углекислота, бикарбонаты, значения pH и др.). Тем не менее, многолетние наблюдения позволили
установить группы растений-индикаторов, показывающих определенное состояние водоема и его
трофности.
Анализ развития водной растительности в водоемах, подверженных разной степени
звтрофирования, позволяет сделать следующие выводы (Г.С.Гигевич, Б.П.Власов, Г.В.Вынаев,
2001):
1) погруженная растительность достаточно полно характеризует состояние водоемов и
происходящие в них изменения;
2) биомасса гидрофитов и индекс сапробности, рассчитанный по индикаторному весу
погруженных растений, могут служить показателями качества воды и степени эвтрофирования
водоемов;
Таким образом, видовой состав прибрежно-водной растительности позволяет достаточно
точно охарактеризовать экологическое состояние водоема. В настоящее время широко
применяется
методика индикации вод по биологическим показателям, которые широко
используется в практике гидробиологических исследований. Для анализа качества вод
используются индикатор-организмы и специальные методы.
Высшие водные растения как индикаторы изменения качества наряду с другими организмами
находят
широкое
применяют
при
биологическом
анализе
и
проведении
санитарно-
гидробиологических исследований. Однако необходимо иметь в виду, растения обладают
довольно широкими географическими и логическими ареалами, причем в различных физикогеограческих условиях одни и те же виды могут встречаться в водоемах различного
трофического уровня и иметь разное индикаторное значение. Поэтому при разовых наблюдениях
по присутствию отсутствию какого-либо вида нельзя давать оценку качества. Кроме того, для
определенного географического региона группы водоемов необходимо выбирать виды,
проявляющие
индикаторные
12
в конкретных условиях. Трудность выявления
свойства
видов-индикаторов у водных растений связана также с недостаточными сведениями об экологии
и физиологии большинства видов.
В табл. 9 приведен список растений-индикаторов качества вод на региональной основе (для
водоёмов и водотов в междуречье Ипути и Десны).
Таблица 9 – Индикаторная значимость фоновых видов гидрофитов
Индикаторы
Название вида
базификации и ацидофикаци Биогенов
загрязнение
органического
(азот,
тяжелыми
фосфор)
металлами
и
загрязнения
Nymphaea candida
+
Hottonia palustris
Batrachium circinatum
+
+
+
+
+
Potamogeton lucens
+
Potamogeton crispus
+
+
Ceratophyllum demersum
+
+
Stratiotes aloides
+
+
Potamogeton natans
+
+
Elodea canadensis
+
+
+
Potamogeton pectinatus
Potamogeton compressus
+
+
Hydrocharis morsus–ranae
+
+
+
+
Utricularia vulgaris
+
+
+
Lemna minor
+
+
Lemna trisulca
+
+
+
Наблюдаемая зависимость интенсивности развития водной растительности с лимническими
характеристиками водоемов дает основание считать, что степень развития водной растительности
и ее видовой состав является индикатором состояния экосистемы.
Заключение и практические рекомендации
1. Анализ степени валового накопления химических элементов видами водных
макрофитов, которые относятся к разным экологическим группам (погруженные, плейстофиты,
прикрепленные с плавающими листьями), показывает определенные различия Наименьшее
13
валовое содержание в биомассе металлов
зарегистрировано
у
Spirodela
polyrhiza
в
сообществах с Lemna minor и Hydrocharis morsus–ranae, т.е. у плавающих гидрофитов
(плейстофитов).
2. Различия в накоплении водными макрофитами в водных экосистемах, находящихся в
черте города и водах относительно незагрязненной местности всех металлов, статистически
достоверно (tфакт>tтабл, Р= 95%). Соотношение Mn : Fe может служить достаточно хорошим
показателем антропогенного загрязнения водоемов.
3. Для Ceratophyllum demersum и Utricularia vulgaris взаимное влияние отмечено для
элементов: свинца и никеля, марганца и хрома, кобальта и никеля. Для Stratiotes aloides
достоверно связаны повышенные концентрации свинца и железа, для Potamogeton pectinatus и P.
lucens – стронция и хрома, для P. natans – цинка и меди, меди и ванадия, мышьяка и цинка,
мышьяка и ванадия, Batrachium circinatum – цинка и меди, цинка и ванадия, меди и ванадия, для
Nuphar lutea – цинка и меди, меди и железа, цинка и железа.
4. Коэффициенты накопления и коэффициенты перехода (Кп) металлов позволили оценить
биодоступность химических соединений для растений и подобрать виды, для использования их в
качестве естественных накопителей различных загрязняющих веществ.
5. Коэффициенты накопления свинца у N. candida, N. lutea, P. natans и P. lucens
достоверно различаются (tфактtтабл, Р=95%). Наименьшее число металлов накапливает P. lucens (3
металла), наибольшее – N. candida и P. natans (по 7 металлов).
6. Используя сведения о накоплении металлов водными макрофитами, можно
рекомендовать к использованию в качестве поглощающего комплекса видов погруженные
гидрофиты Ceratophyllum demersum, Utricularia vulgaris. Эти виды широко распространены,
прекрасно размножаются вегетативно.
7. Поглотительную способность по отношению к ионам Cu2+ , Pb
2+
и Cо2+ впервые для
условий Брянской области изучали для плейстофитов – ряски малой (плавающий плейстофит) и
лептодикциума берегового, рдеста злакового (погруженные плейстофиты). Выбор объектов
объяснялся их доступностью для исследований, а также широкой встречаемостью в природе,
интенсивным вегетативным размножением, возможностью культивирования этих объектов в
лабораторных условиях при любом освещении и иных сопутствующих условиях.
8. Камеральные исследования поглотительной способности водных макрофитов позволили
рекомендовать водный мох лептодикциум береговой использовать как лучший поглотитель
ионов Cu2+ и Pb
2+
; рдест злаковый и ряску малую – ионы Cо2+. Ряска малая незначительно
поглощает экспонированные в растворах ионы. Выявлено, что погруженные плейстофиты, лучше
поглощают
ионы,
растворенные
экспонированными видами.
в
воде.
Ионы
Cо2+
хорошно
поглощаются
двумя
14
9. Обобщенная таблица индикаторных
свойств 15 видов водных макрофитов может
служить для подбора растений при фиторемедитационных работах на водоёмах и водотоках.
Список литературы
1.
Анищенко, Л. Н. Настоящие водные макрофиты как аккумуляторы элементов [Текст] / Л.
Н. Анищенко, Т. Н. Буховец. Экологическая безопасность региона: Материалы Международной
научно-практической конференции (Россия, Брянск, 29-30 октября 2009 г.). – Брянск: Изд-во
«Курсив», 2009. – С. 38 – 42.
2.
Буховец Т.Н. Эколого-флористическая характеристика водной растительности бассейнов
рек Ипути и Десны (в пределах Брянской области): Автореф.дисс. …канд.биол.наук. – Брянск,
2010. – 22 с.
3.
Булохов, А. Д. Определитель растений Юго-Западного Нечерноземья России (Брянская,
Калужская, Смоленская области). Изд-е 2-е, перер. и доп. [Текст] / А. Д. Булохов, Э. М.
Величкин. - Брянск: Изд-во: БГПУ, 1998. – 380 с.
4.
Зайцев, Г. Н. Методика биометрических расчетов. Математическая статистика в
экспериментальной ботанике [Текст] / Г. Н. Зайцев. – М.: Наука, 1973. – 256 с.
5.
Зайцев, Г. Н. Математическая статистика в экспериментальной ботанике [Текст] / Г. Н.
Зайцев. – М.: Наука, 1984. – 424 с.
6.
Зайцев, Г. Н. Математическая статистика в экспериментальной ботанике [Текст] / Г. Н.
Зайцев. – М.: Наука, 1990. – С. 24.
7.
Константонова, Н. А. Список печеночников и антоцеротовых территорий б. СССР [Текст]
/ Н. А. Константинова, Р. Н. Шляков. – М.: Арктоа, 1992. – 127 с.
8.
Лакин, Г. Ф. Биометрия [Текст] / Г. Ф. Лакин. – М.: Высшая школа, 1990. – 352 с.
9.
Лес. Человек. Чернобыль. Лесные экосистемы после аварии на Чернобыльской АЭС:
состояние, прогноз, реакция населения, пути реабилитации [Текст] / В. А. Ипатьев, В. Ф. Багинский,
И. М. Булавик, А. М. Дворник, В. Е. Волчков, Г. Г. Гончаренко и др. Под ред. В. А. Ипатьева. –
Гомель: Ин-т леса НАН Беларуси, 1999. – 396 с.
10.
Лисицына, Л. И. Флора водоемов России: Определитель сосудистых растений [Текст] / Л.
И. Лисицына, В. Г. Папченков. – М.: Наука, 2000.–237 с.
11.
Лисицына, Л. И. Флора водоемов волжского бассейна. Определитель цветковых растений
[Текст] / Л. И. Лисицына, В. Г. Папченков, В. И. Артеменко. – СПб.: Гидрометеоиздат, 1993. –
220 с.
12.
Маевский, П. Ф. Флора средней полосы европейской части России [Текст] / П. Ф.
Маевский. 10-е изд. Москва: Товарищество научных изданий КМК, 2006. – 600 с.
13.
Папченков, В. Г. Растительный покров водоемов и водотоков Среднего Поволжья [Текст] /
В. Г. Папченков. – Ярославль: ЦМП МУБиНТ, 2001. – 200 с.
15
14.
Папченков, В. Г. Продукция макрофитов
вод и методы её изучения [Текст] / В. Г.
Папченков // Гидроботаника: Методология, методы: Матер. Школы по гидроботанике (Борок, 812 апреля 2003 г.). – Рыбинск: Рыбинский Дом печати, 2003. – С. 137-145.
15.
Плохинский, Н. А. Математические методы в биологии [Текст] / Н. А. Плохинский. – М.:
Изд-во МГУ, 1978. – 256 с.
16.
Печенюк, Е. В. Атлас высших водных и прибрежно-водных растений [Текст] / Е.В.
Печенюк. – Воронеж: Воронежский госпедуниверситет, 2004. – 129 с., ил.
17.
Плохинский, Н. А. Математические методы в биологии [Текст] / Н. А. Плохинский. – М.:
Изд-во МГУ, 1978. – 256 с.
18.
Черепанов, С. К. Сосудистые растения России и сопредельных государств (в пределах
бывшего СССР) [Текст] / С. К. Черепанов. – СПб: Мир и семья, 1995. – 992 с.