Высшая водная растительность (ВВР, макрофиты) является важнейшим компонентом экосистем континентальных водоемов. Велико её значение в процессах формирования качества воды и биологического режима водохранилищ. Только растения в процессе фотосинтеза обеспечивают новообразование органического вещества. Особенно велика роль высшей водной растительности в водных объектах, испытывающих значительную антропогенную нагрузку, так как она играет главную роль в поддержании биотического баланса, участвуя как непосредственно, так и опосредованно в очистке водоема от загрязнений, поглощая их. Поэтому водные и околоводные растения могут служить весьма информативным показателем степени загрязнения экосистемы водного объекта.
Учитывая избирательную способность макрофитов к поглощению различных веществ, можно использовать водные растения как индикаторы присутствия химических веществ в водной среде [1]. Однако растения проявляют значительную устойчивость к кратковременным вспышкам загрязнения и могут накапливать поллютанты в тканях в больших количествах без видимых функциональных изменений. В наибольшей мере это относится к тяжелым металлам (ТМ), которые в отличие от органических поллютантов не способны разрушаться до безопасных форм [6, 7]. Поэтому содержание ТМ в золе растений – важная характеристика состояния загрязнения экосистемы. Объектом нашего исследования явилось Волгоградское водохранилище – водоем, играющий важнейшую роль для всего Волжского бассейна ниже Балаковской ГЭС. Это и ресурс питьевого водоснабжения населения, и источник воды для Волго-Ахтубинской поймы, и водоем рыбохозяйственного назначения. Вот почему очень важен мониторинг состояния его экосистемы.
Материалы и методы исследования
Нами проведен отбор проб высшей водной растительности в некоторых точках Волгоградского водохранилища, главным образом, в его заливах, где макрофиты наиболее распространены вследствие пониженного течения и волнения. Изучение аккумуляции ТМ высшей водной растительностью проводилось в заливах: Ерзовка, Пичуга, Дубовка, Оленье, Мочаги, Даниловский, Горная Пролейка, Яблоневый, Караваинка, Антиповка, створ Камышин – Николаевск, Нижний Ураков, Нижняя Добринка, Сухая Балка, Большая Балка, Калиновая Балка. Пробы отобраны в ходе экспедиций «Волжский плавучий университет» на судне «Шторм» (руководитель экспедиции А.В. Плякин) и ФГУ «Управление эксплуатации Волгоградского водохранилища» на судне «Туман» (руководитель экспедиции Н.И. Козлов).
Высшие водные и околоводные растения отбирались вручную, высушивались на крафт-бумаге в ходе экспедиции. Всего было отобрано 142 пробы высшей водной растительности, включая как мягкую, так и жесткую. Каждое место отбора проб выбиралось так, чтобы на нем произрастало как можно больше растений различных экологических групп.
Для анализа отбирались растения различных экологических групп: погруженные – валлиснерия (Vallisneria spiralis L.), рдесты: гребенчатый (Potamogeton pectinatus L.), блестящий (P. lucens L.), пронзеннолистный (P. perfoliatus L.), курчавый (P. crispus L.); уруть колосистая (Myriophyllum spicatum), элодея канадская (Elodea сanadensis), роголистник темно-зеленый (Ceratophyllum demersum L.); с плавающими на поверхности воды листьями – горец земноводный (Persicaria amphibian L.), лютик плавающий (Ranunculus natans C.A.M.); воздушно-водные – рогоз узколистный (Tupha angustifolia), тростник обыкновенный (Phragmites communis Trin).
Подготовку проб к анализу осуществляли в учебной экологической лаборатории Волжского гуманитарного института (филиала) ВолГУ. Образцы измельчали и подвергали озолению в муфельной печи. Для определения зольности проводили взвешивание образцов проб до и после озоления. Количественное определение валового содержания Cu, Fe, Mn, Ni, Co, Cr, Pb, Zn в золе осуществляли на базе лаборатории «Экологического мониторинга водных объектов» МГУ им. М.В. Ломоносова рентгено-флуоресцентным методом, а также в токсикологической лаборатории филиала ФГУЗ «Центр гигиены и эпидемиологии в Волгоградской области в городе Волжский, Ленинском, Среднеахтубинском районах» методом атомно-абсорбционной спектрометрии.
Результаты исследования и их обсуждение
Проанализировано накопление различных ТМ различными видами ВВР (рис. 1, 2). Наряду с общими биогеохимическими особенностями, свойственными различным экологическим группам макрофитов, отдельные виды обнаруживают специфические биогеохимические черты. При анализе содержания металлов в золе отдельных видов высших водных растений видно, что накопление практически всех определенных ТМ определялось не столько видом растительности, сколько природой и свойствами самого металла.
Рис. 1. Накопление Cu, Fe и Mn видами ВВР Волгоградского водохранилища, 2007
По уровню содержания в макрофитах Волгоградского водохранилища тяжелые металлы можно расположить в следующий ряд:
Fe > Mn > Cu > Zn > Cr > Ni > Co ≈ Pb.
Этот ряд соответствует ряду содержания ТМ в воде и донных отложениях Волгоградского водохранилища [4, 5].
Отсюда следует, что наиболее интенсивно высшей водной растительностью вовлекаются в миграционные циклы Fe, Mn, Zn, Cu, а в меньшей степени – Co, Ni и Pb. Такая избирательная способность Fe, Mn, Zn, Cu, Ni, накапливаться в высшей водной растительности, вероятно, связана с их участием в процессах метаболизма, так как эти элементы входят в состав пигментов, витаминов, ферментов и, возможно, во время активного вегетационного периода способны преодолевать антиконцентрационные барьеры и в избыточных количествах накапливаться по безбарьерному типу [3]. Металлы обычно накапливаются на поверхности и внутри растений в составе аморфных гидроксидов, сульфидных минералов и самородного вещества [2].
Рис. 2. Накопление Ni, Co, Cr, и Zn различными видами ВВР Волгоградского водохранилища, 2007
Анализируя видоспецифичность накопления тяжелых металлов, обнаружили, что все изучаемые металлы накапливаются во всех растениях с незначительными отличиями. Наибольшие количества Fe обнаружены в горце земноводном (5091 мг/кг), Mn – в валлиснерии (3008 мг/кг), Cu – в рдесте блестящем (631,5 мг/кг).
В меньшем количестве аккумулируются такие элементы, как Ni, Co, Pb, Zn. Так, рдест пронзеннолистный больше всего аккумулирует никель, хром, кобальт и свинец в концентрациях, равных 42,8; 61,4; 18,5; 22,5 мг/кг соответственно, и меньше других цинк (133,2 мг/кг). Нами проанализирована зольность отдельных видов ВВР по данным 2006 г., которая косвенно указывает на содержание органического вещества в тканях растений (рис. 3).
Группа погруженных в воду растений (гидрофитов) характеризуется наибольшей зольностью, что связано с высокими сорбционными свойствами их стеблей и листьев, которые накапливают взвесь в отличие от водно-болотных растений (гелиофитов). Наибольшее среднее значение зольности были зафиксированы в 2006 г. в элодее канадской, а наименьшее – в рогозе узколистном и составляет 44,93 и 13,18 % соответственно. Четко прослеживается тенденция большего накопления зольных элементов растениями, имеющими более разветвленные листья.
Рис. 3. Среднее значение зольности ВВР Волгоградского водохранилища, 2006, ( %)
Нами проведена оценка накопления ТМ наиболее распространенным видом (рдест пронзеннолистный) в разных точках Волгоградского водохранилища. Значительные количества ТМ накапливаются тканями данного вида в заливах Курдюм, Осадный и Ерзовка, балках Даниловской и Водяной, а наименьшие – у г. Маркса, с. Антиповка, верховьях залива Камышинского (рис. 4, 5). Большие накопления железа приурочены к местам стоянки судов – балка Осадная, залив Камышинский, залив г. Маркс. Однако четкой закономерности изменения накопления ТМ с севера на юг водохранилища нами не выявлено, причины различий, по-видимому, связаны с местными источниками загрязнений. Таким образом, рдест пронзеннолистный может быть использован в качестве биоиндикатора для определения уровня загрязнения водоема.
Рис. 4. Накопление Pb, Zn, Co и Cr рдестом пронзеннолистным в различных точках Волгоградского водохранилища, 2007
Рис. 5. Накопление Fe, Mn и Cu рдестом пронзеннолистным в различных точках Волгоградского водохранилища, 2007. Примечание. График Сu построен по дополнительной оси
Заключение
Водные растения независимо от их принадлежности к различным экологическим группам в процессе своей жизнедеятельности могут накапливать элементы в довольно высоких концентрациях.
Исследования ВВР является необходимой составляющей мониторинга водных объектов, т.к. компоненты природной среды демонстрируют различный отклик на техногенное вмешательство. Способность накопления химических элементов имеет большое значение в оценке качества вод Волгоградского водохранилища.
Рецензенты:
Андрианов В.А., д.г.н., профессор кафедры экологии, природопользования, землеустройства и безопасности жизнедеятельности Астраханского государственного университета, г. Астрахань;
Якубов Ш.А., д.б.н., профессор, вице-президент Международной академии наук экологии и безопасности жизнедеятельности, г. Сакнт-Петербург.
Работа поступила в редакцию 08.04.2013.