Курсовая работа

"Особенности накопления тяжелых металлов высшими водными растениями водоемов и водотоков г. Гомеля и прилежащих территорий"

Введение

Для того чтобы противостоять избыточному поступлению тяжелых металлов в организм, растения располагают системой защитных реакций и механизмов, выработанных в процессе эволюции а также в ответ на изменение среды обитания. При поступлении тяжелых металлов из почвы в растения первый барьер на их пути - это корневая система. Избыточная аккумуляция металлов разными видами растений ограничивается избирательной способностью корневого поглощения по отношению к определенным элементам 1, 2.

Отбор проб донных отложений и высших водных растений производился с мая по август 2000 г. в водоемах г. Гомеля и прилегающих территорий, различающихся по степени антропогенной нагрузки. Пробы растений (надводную часть) после тщательного ополаскивания последовательно высушивали до воздушно-сухого, затем абсолютно сухого состояния и озоляли до белой золы в муфельной печи при 450^оС [8]. Донные отложения отбирали с помощью дночерпателя Боруцкого, высушивали до воздушно-сухого, затем абсолютно сухого состояния и озоляли до белой золы в муфельной печи при 450^оС [8]. Содержание металлов в золе растений и донных отложений определяли атомно-эмиссионным спектральным методом на спектрофотометре IGSM в лаборатории физико-химического анализа Института геологических наук НАН Беларуси (аналитик И.Н. Тетерева).

В процессе выполнения работы собраны макрофиты, широко распространенные в водоемах Беларуси, которые относятся к 4 экологическим группам: I - свободноплавающие неприкрепленные - ряска малая (Lemma minor L.) и водяной орех (Trapa natans L.); II - плавающие прикрепленные растения - кубышка желтая (Nuphar luteum (L) Sm.) и горец земноводный (Polygonum amphibium L.); III - подводные (погруженные) растения - элодея канадская (Elodea canadensis Rich.), роголистник погруженный (Ceratophyllem demersum L.), рдест пронзеннолистный (Potamogeton perfoliatus L.); IV - надводные (земноводные или воздушно водные) растения - стрелолист обыкновенный (Sagittaria sagittifolia L.), сусак зонтичный (Butomus umbellatus L.), частуха подорожниковая (Alisma peantago-aquatica L.), манник наплывающий (Gluceria fluitans), болотница болотная (Eleocharis palustris), камыш озерный (Scirpus lacustris L.), тростник обыкновенный (Phragmites communis Trin) [9].

Результаты и их обсуждение

Проведенные исследования показывают значительные различия в накоплении металлов из донных отложений у изучаемых видов водных растений (табл. 1). Например, погруженные растения III группы, отобранные в оз. Дедно, накапливают свинец из донных осадков до уровней, которые 4 раза выше, чем у надводных растений IV группы и в 10 раз выше в сравнении с растениями II группы. Такая же тенденция при накоплении металла наблюдается для представителей других водоемов опробования, в которых произрастают плавающие прикрепленные растения - коэффициенты накопления свинца макрофитами III и IV групп в 2, 5 5 раз выше таковых у растений II экологической группы (за исключением старицы). Погруженные растения III группы аккумулируют свинец в количествах, которые в 1, 4 1, 8 раза выше в сравнении с воздушноводными макрофитами IV группы. У растений из загрязненного оз. Волотовского различие между значением К_н элемента у погруженных и воздушноводных представителей составляет 23 раза. Полученные данные подтверждают предположение о том, что доступность свинца из донных осадков для растений зависит от их биологии, позволяющей регулировать его содержание в различных видах даже при одинаковом количестве металла в грунтах исследуемых водоемов. Исходя из предложенных ранее классификаций, все изучаемые виды макрофитов относятся к деконцентраторам и «исключителям» свинца. Как видно из рисунка 1, при низких концентрациях элемента в донных отложениях у водных растений отмечаются высокие значения коэффициентов накопления. Примером может служить накопление свинца растениями старичного комплекса. Грунты старицы у д. Поляновка характеризуются низкими концентрациями металла, а К_н свинца водными растениями имеют высокие значения. По мере увеличения содержания элемента в осадках водоемов коэффициент накопления у всех видов растений уменьшается, т.е. все меньшая доля содержащегося в донных грунтах токсиканта переходит в корневые системы. Вышесказанное свидетельствует о наличии некоторого механизма защиты у растений, ограничивающего

Таблица 1. Коэффициенты накопления металлов растениями разных экологических групп в зависимости от их содержания в донных отложениях водоемов

Свободное поступление поллютантов в органы растений. Одним из таких механизмов, вероятно, является корневой барьер. Благодаря корневому барьеру при повышении концентрации металла в грунте величина К_н изменяется незначительно. Минимальные значения коэффициентов накопления свинца отмечены для водных растений оз. Круглое, осадки которого содержат максимальное количество металла. У макрофитов данного водоема наблюдается насыщение свинцом, и дальнейшее его поступление в органы растений может привести к срыву регуляторных процессов и гибели растений. Исключение составляют растения, произрастающие в оз. Малое, значения К_н для которых повышаются при увеличении металла в донных осадках, что не соответствует тенденции для остальных водоемов. При достаточно высоких концентрациях элемента в донных отложениях барьерная функция, скорее всего, нарушается, и любое повышение концентрации свинца в грунтах ведет к пропорциональному накоплению его корнями растений.

Рис. 1. Коэффициенты накопления свинца в растениях различных экологических групп

По нашим оценкам, пороговые концентрации свинца в донных отложениях водоемов, при достижении которых происходит скачкообразный переход функционального состояния растения (в том числе способность аккумулировать тяжелые металлы) на новый уровень устойчивости, находятся в диапазоне от 20 до 25 мг/кг сухой массы. По величине коэффициентов накопления свинца для растений разных экологических групп можно выстроить следующий ряд: К_{н III гр.} > К_{н IV гр.} > К_{н II гр}. Погруженные виды растений III группы поглощают элемент интенсивнее надводных и прикрепленных растений с плавающими листьями. Но многие виды погруженных макрофитов III группы неоднозначны как объекты водного мониторинга, поскольку на протяжении вегетационного сезона могут менять источники поступления вещества в свои ткани.

Похожая картина наблюдается при накоплении меди в тканях изучаемых видов водных растений. В диапазоне низких концентраций металла в донных отложениях (старица у д. Поляновка) отмечаются максимальные значения коэффициентов накопления меди растениями (К_{н II гр.} = 0.81; К_{н III гр.} = 3.78; К_{н IV гр.} = 0.798). Представители II группы, произрастающие в старице, аккумулируют металл в 314 раз интенсивнее в сравнении с растениями той же группы из всех остальных водоемов опробования (для оз. Круглое и старицы различия в значении К_н достигают 100 раз). Погруженные виды растений (III гр.) накапливают медь из грунтов старицы до уровней, которые в 6 14 раз выше, чем у растений данной группы из других водоемов (для оз. Круглое и старицы различия составляют 19 раз, для оз. Малое 42 раза). Значения К_н элемента у представителей IV группы старицы в 4 5 раз выше по сравнению с другими водоемами (для оз. Круглое различия составляют 18 раз, для оз. Волотовское 30 раз). Погруженные виды растений старицы накапливают медь из грунтов почти в 5 раз интенсивнее, чем остальные водные растения данного водоема. В оз. Волотовское, где дно загрязнено металлами, значения К_н у растений III группы в 21 раз выше, в сравнении с плавающими прикрепленными и воздушно водными растениями. В озерах Малое, Дедно, Шапор, наоборот, растения IV группы поглощают металл в количествах, которые в 2 раза выше, чем у погруженных макрофитов. По мере увеличения концентрации меди в осадках водоемов, значения коэффициентов накопления элемента в растениях уменьшаются (рис. 2). Грунты оз. Круглое содержат медь в максимальных количествах, а коэффициенты накопления металла макрофитами всех трех групп, как и в случае со свинцом, имеют самые низкие, по сравнению с другими водоемами, значения.

Рис. 2. Коэффициенты накопления меди в растениях различных экологических групп

Макроконцентраторами и «накопителями» меди являются погруженные виды растений III группы, произрастающие в старице. «Индикаторами» элемента можно назвать растения III и IV групп из р. Сож ниже города (д. Ченки), растения III группы из озер Дедно, Шапор, а также растения II и III групп из старицы у д. Поляновка. Остальные макрофиты являются деконцентраторами данного металла. Ряд накопления меди водными растениями имеет вид: К_{н III э.г.} К_{н IV э.г.} > К_{н II э.г}, хотя значения коэффициентов накопления меди у воздушно водных растений IV группы, в некоторых случаях, были выше, чем у погруженных растений III группы. По нашим предположениям, критические пороговые концентрации меди для растений в донных отложениях находятся в диапазоне от 13 до 20 мг/кг сухой массы. На низкую биодоступность элемента в условиях техногенного загрязнения почв указывают А. Кабата-Пендиас и Х. Пендиас в обзорной работе, посвященной проблеме поведения микроэлементов в системе почва-растение [4].

Коэффициенты накопления марганца растениями II и III групп, произрастающих в изучаемых водоемах различаются в 46 раз, а в р. Сож у д. Ченки - в 26 раз. Для макрофитов III и IV групп различия составляют 27 раз, в старице - 13 раз, в оз. Волотовское - 56 раз. Это говорит о разной поглотительной способности растений различных экологических групп по отношению к металлу даже при одинаковых условиях произрастания. По содержанию марганца подавляющее число макрофитов из всех экологических групп отнесены нами к макроконцентраторам и «накопителям», особое место среди которых занимают плавающие прикрепленные растения из оз. Дедно и р. Сож (д. Кленки), а также погруженные растения из р. Сож (д. Кленки) и старицы. К микроконцентраторам и «индикаторам» элемента относятся погруженные виды растений оз. Володькино, р. Сож (д. Ченки), озер Любенское и Малое а также надводные растения озер Дедно, Шапор и старицы. Деконцентраторами и «исключителями» марганца являются растения всех экологических групп Гребного канала, прикрепленные плавающие растения оз. Круглое и р. Сож (д. Кленки), воздушно водные растения р. Сож (д. Кленки), озер Круглое, Волотовское и Малое. Из числа макроконцентраторов выделяются своей способностью аккумулировать металл погруженные виды растений, произрастающие в р. Сож выше города. У растений на данном участке реки, где определено самое низкое содержание элемента в донных отложениях, отмечены самые высокие коэффициенты накопления металла (рис. 3). По мере увеличения концентрации марганца в донных осадках водоемов, значения коэффициентов накопления уменьшаются и достигают минимума при максимальных содержаниях элемента в грунтах р. Сож у д. Ченки. Ряд накопления металла изучаемыми растениями выстраивается следующим образом: К_{н III э.г.} > К_{н IV э.г.} > К_{н II э.г} Критические пороговые концентрации марганца в донных отложениях находятся в диапазоне от 500 до 700 мг/кг сухой массы.

Рис. 3. Коэффициенты накопления марганца в растениях различных экологических групп

По отношению к хрому все изученные виды макрофитов являются деконцентраторами и «исключителями». Среди водных растений водоемов опробования выделяются погруженные растения оз. Малого, имеющие максимальные значения коэффициентов накопления хрома (в 1, 5 6 раз выше, чем в других водоемах) и плавающие прикрепленные растения из оз. Круглое с минимальной величиной К_н данного металла (различия с растениями изучаемых водоемов составляют 4, 5 26 раз). Полученные результаты указывают на низкую аккумулирующую способность всех плавающих прикрепленных растений II группы по отношению к хрому: в четырех из шести изучаемых водоемов макрофиты не аккумулируют металл вообще, а в двух других значение К_н минимально. Интересно отметить следующее: содержание хрома в донных отложениях исследуемых водоемов изменяется в тех же пределах, что и концентрация меди, но максимальное значение константы накопления хрома не превышает величину, равную 0, 188, тогда как значение К_н меди намного выше и достигает отметки 3, 78. Этот факт свидетельствует о низкой биодоступности хрома для водных растений из грунтов водоемов опробования.

При аккумуляции хрома растениями оз. Круглое наблюдается тенденция, отмеченная при накоплении свинца и меди у макрофитов водоема: в грунтах озера содержание хрома, также как свинца и меди, максимально, а значения К_н данного элемента, как и двух указанных ранее металлов, низкие. Из общей схемы выпадают растения оз. Малое, имеющие максимальные значения К_н хрома при достаточно высоком содержании его в донных осадках водоема. Возможно, у данных макрофитов произошел срыв регуляторных процессов, что вызвало поглощение хрома (также как свинца и меди) до высоких пределов. Не соответствуют общей тенденции и растения старицы, которые при минимальном содержании хрома в донных отложениях не накапливают металл вообще. Высокой вариабельности в значениях коэффициентов накопления элемента, характерной для других металлов, не отмечается. Ряд накопления хрома водными растениями имеет вид: К_{н III э.г.} К_{н IV э.г.} > К_{н II э.г}. Критические пороговые концентрации металла в донных осадках находятся у отметки 30 мг/кг сухой массы (рис. 4).

Рис. 4. Коэффициенты накопления хрома в растениях различных экологических групп

Низкими значениями коэффициентов накопления никеля характеризуются растения всех групп в оз. Круглое, донные отложения которого содержат никель в высоких концентрациях. Это согласуется с тенденцией, отмеченной для других изучаемых металлов по мере увеличения концентрации элемента в донных осадках водоемов значения К_н данного элемента в растениях уменьшаются (рис. 5). Однако минимальная величина коэффициента накопления никеля определена для представителей IV группы оз. Любенское, осадки которого загрязнены элементом незначительно. Причем, способность к накоплению металла у макрофитов III группы данного озера отличается от таковой у погруженных растений (III гр.) из других водоемов незначительно при существенных различиях в содержании элемента в донных отложениях. Этот факт требует дальнейшего изучения.

Рис. 5. Коэффициенты накопления никеля в растениях различных экологических групп

Погруженные макрофиты оз. Волотовское имеют максимальные значения К_н никеля при повышенном содержании его в грунтах водоема (в 4, 0 34 раза выше, чем у представителей группы в других водоемах). Видимо, как и в случае с растениями оз. Малое при накоплении свинца и хрома, у макрофитов оз. Волотовское нарушились защитные механизмы, предотвращающие излишнее поступление металлов в растения. В оз. Володькино различия в накоплении никеля погруженными, воздушно водными и плавающими прикрепленными растениями составляют 17 раз. Это еще раз подтверждает предположение о существовании различных механизмов поступления металлов в водные растения. Высокой поглотительной способностью по отношению к никелю характеризуются погруженные растения озер Дедно и Круглое в сравнении с плавающими прикрепленными видами (у погруженных растений значение К_н в 7 раз выше). В оз. Любенское величина коэффициента накопления элемента у растения III группы в 13, 5 раз выше в сравнении с макрофитами IV группы. Микроконцентраторами и «накопителями» никеля являются погруженные растения III группы озер Володькино и Волотовское. Следует отметить тот факт, когда при высокой накопительной способности растений III группы в оз. Волотовское, у растений IV группы данного водоема элемент не обнаружен. Не накапливают металл представители II группы, отобранные в старице, р. Сож ниже города и в Гребном канале, а также растения III группы из р. Сож выше города. Все остальные изучаемые макрофиты относятся к деконцентраторам и «исключителям» данного элемента. По величине коэффициентов поглощения никеля для растений разных экологических групп можно выстроить следующий ряд: К_{н III гр.} > К_{н IV гр.} > К_{н II гр.} Как и в случае с медью, в некоторых водоемах (озера Малое, Шапор, р. Сож выше и ниже города) макрофиты IV группы накапливают никель интенсивнее, чем растения III группы. Пороговые концентрации элемента для растений в донных отложениях находятся в диапазоне от 10 до 20 мг/кг сухой массы (рис. 5).

При сравнительно одинаковом содержании никеля и ванадия в донных осадках исследуемых водоемов последний поглощается водными растениями в значительно меньшей степени - значения коэффициентов накопления ванадия не превышают 0.25 (Гребной канал). Не накапливают металл грунты старицы и в растениях водоема элемент не обнаружен. Низкая аккумулирующая способность по отношению к ванадию отмечена у плавающих прикрепленных растений II группы во всех изучаемых водоемах. Как и в случае с хромом, в четырех из шести водоемов опробования макрофиты не аккумулируют металл вообще, а в двух других значение К_н минимально. Максимальными значениями К_н элемента отличаются погруженные растения Гребного канала, что не соответствуют общей тенденции, так как в грунтах водоема не отмечается повышенного содержания металла. На втором месте по накоплению ванадия находятся погруженные макрофиты оз. Волотовское с минималым содержанием элемента в донных отложениях. Но в указанном водоеме, вопреки общей закономерности, ванадий не накапливается в воздушно водных растениях IV группы. Для изучаемых растений наиболее четкие различия между значениями коэффициентов накопления ванадия отмечены у представителей II и III групп (рис. 6). Значения К_н у погруженных и воздушно водных растений во всех водоемах отличаются незначительно (1, 5 2, 5 раза). Ряд накопления элемента для растений водоемов опробования выглядит следующим образом: К_{н III э.г.} > К_{н IV э.г.} > К_{н II э.г}. Изученные виды растений являются деконцентраторами и «исключителями» ванадия.

Рис. 6. Коэффициенты накопления ванадия в растениях различных экологических групп

Из всех изучаемых металлов больше всего вопросов возникает при рассмотрении накопления кобальта (рис. 7). При довольно низких концентрациях его в донных отложениях (в 100 раз меньше, чем марганца и в 10 - чем хрома и меди) коэффициенты накопления металла у растений были достаточно высокими, что говорит о нахождении элемента в биодоступных формах в донных отложениях отдельных водоемов опробования. Следует отметить, что у растений разных экологических групп одного водоема имеются значительные различия в аккумуляции кобальта. Например, в озерах Волотовское, Любенское и Дедно в воздушно водных растениях элемент не накапливается, тогда как погруженные макрофиты водоемов активно аккумулируют кобальт из донных отложений (значение К_н в 2 5, 5 раза выше, чем у представителей группы в других водоемах). У плавающих прикрепленных растений ни в одном из изучаемых водоемов металл не обнаружен. Донные отложения оз. Круглое содержат максимальное количество элемента, но в растениях кобальт не накапливается вообще. Возможно, это связано с присутствием элемента в грунтах водоема в формах, недоступных для растений. Это также может быть вызвано работой блокирующих механизмов, предотвращающих поступления токсичных веществ в растительные организмы. Как было указано выше, дно оз. Круглое сильно загрязнено изучаемыми элементами и значения К_н практически для всех металлов у макрофитов озера минимальны. Это говорит о сильной активизации механизмов устойчивости растений оз. Круглое к токсическому действию металлов, что может полностью подавлять накопления кобальта в макрофитах водоема. При одинаковом содержании элемента на участках реки выше и ниже города, растения, собранные у д. Кленки (выше города) не содержат соединений никеля, что требует дальнейшего изучения. Значения коэффициентов накопления металла у погруженных растений в 1, 5 6, 5 раза выше, чем у воздушно водных (за исключением макрофитов оз. Малое и Гребного канала). Активнее всех поглощают элемент из донных осадков погруженные растения озер Дедно, Володькино и Волотовское. Данные растения мы можем отнести к «индикаторам» кобальта, остальные являются деконцентраторами и «исключителями» металла. Минимальные значения К_н у надводных растений Гребного канала и оз. Шапор. Погруженные виды водных растений занимают первое место по поглощению кобальта из донных отложений, за ними стоят надводные макрофиты, а прикрепленные растения с плавающими листьями не поглощают данный металл вообще.

Рис. 7. Коэффициенты накопления кобальта в растениях различных экологических групп

Полученные данные позволяют сделать выбор объектов биомониторинга тяжелых металлов при изучении загрязнения водных экосистем. Ими могут быть макроконцентраторы марганца и никеля, а также «индикаторы» марганца, меди и кобальта, у которых значения К_н металлов близки к единице. Остальные растения являются деконцентраторами изучаемых металлов, и это может вызвать определенные сложности при использовании их в качестве объектов биомониторинга. Из графического материала видно, что интенсивнее всех поглощают минеральные вещества из донных осадков погруженные виды водных растений, в меньшей степени - надводные макрофиты. Низкая аккумулирующая способность, характерная для плавающих прикрепленных растений, затрудняет использование их в качестве мониторов загрязнения водоемов тяжелыми металлами. В процессе проведения исследований были установлены пороговые уровни содержания свинца, меди, марганца, никеля и хрома в донных отложениях водоемов опробования. По биодоступности для водных растений из донных осадков изучаемые элементы можно выстроить в следующий ряд: Mn>Co>Ni>Cu>Pb>V>Cr.

Заключение

Для большинства изучаемых металлов прослеживается тенденция снижения значения коэффициентов накопления элементов в растениях по мере увеличения их в донных отложениях: в диапазоне низких концентраций химических элементов в грунтах водоемов степень поглощения их растениями высока, а при высоких концентрациях у растений наблюдается насыщение элементом и степень его поглощения снижается - значение К_н стабилизируется. Таким образом, на доступность металла для растений влияют содержание и форма нахождения его в среде обитания, а также природа самого химического элемента. Можно предположить также, что для некоторых металлов процесс накопления их макрофитами определяется, в частности, критическими уровнями концентраций, при достижении которых происходит скачкообразный переход функционального состояния растения (в том числе, способность аккумулировать тяжелые металлы) на новый уровень устойчивости. Доступность металлов в донных отложениях для водных растений зависит также и от их биологии, позволяющей регулировать содержание химических элементов в различных видах даже при одинаковом количестве металлов в грунтах водоемов. Полученные данные могут быть использованы при решении такой проблемы, как оценка экологической емкости водных экосистем по отношению к тяжелым металлам.

Литература

1. Школьник М.Я. Микроэлементы в жизни растений. - М.: Наука, 1974. - 325 с.