 |
 |
|
Временны́е аспекты загрязнения среды тяжелыми металлами на примере водной растительности
Крупина М.В. Marina V. Krupina
Московский Государственный Университет имени М.В.Ломоносова,
УДК 574.632:669.018
На примере доминирующих видов морских фитоценозов твердых и мягких грунтов показано значение временн´ых аспектов загрязнения. В статье используется новый термин «депонирование» (временное содержание) для обозначения срока нахождения металлов в объекте или его части. Использованы собственные и литературные данные. Ключевые слова: загрязнение; тяжелые металлы; депонирование; время; водная растительность.
Тяжелые металлы, в отличие от большинства других веществ антропогенного происхождения, не разрушаются, находясь в природной среде, а только переходят из одного ее компонента в другой, сохраняя свою токсичность практически бесконечно (Филенко, Хоботьев, 1976). Эти процессы во многом определяют развитие экологической ситуации в современных водоемах. Гидробионты вынуждены участвовать в этих процессах, так как в процессе эволюции у них сформировались механизмы поглощения биогенных элементов из среды, а при антропогенном загрязнение многие биогенные элементы переходят в разряд «тяжелых металлов» (Cu, Zn, Ni, Co, Mn, Fe) и, накапливаясь в организме, могут оказывать на него токсическое воздействие. Антропогенное загрязнение природной среды становится опасным именно потому, что повышается содержание тяжелых металлов в живых организмах. Тяжелые металлы поступают в организм как элементы минерального питания, вступают в органические соединения и локализуются в определенных тканях и органах. Таким образом, на некоторое время элементы связываются и не участвуют в движении вещества в водоеме. В живых организмах постоянно происходят различные физиологические процессы, в результате которых через некоторое время тяжелые металлы опять оказываются вне организма. Если численность и биомасса гидробионтов значительна, то это влияет и даже определяет уровень элементов в среде. Фитобентос прибрежно-морских экосистем может служить наглядным примером влияния биоты на состав среды. Нахождение тяжелых металлов в любом гидробионте носит временный характер, зависящий от биологии объекта и факторов среды. Временное нахождение тяжелых металлов в живых и не живых компонентах экосистемы мы предлагаем называть депонированием (временным содержанием), что предполагает наличие фактора времени при рассмотрении происходящих в природе процессов перемещения тяжелых металлов. Рассмотрим прибрежно-морскую экосистему твердых грунтов Черного моря как модельный объект. Фитобентос Черного моря и биология массовых видов макрофитов всесторонне изучалась выдающимся альгологом А.А. Калугиной-Гутник в течение десятков лет и изложена в ее монографии «Фитобентос Черного моря». Используя результаты исследования, изложенные в монографии, и собственные данные по содержанию тяжелых металлов в макрофитах, можно наглядно проиллюстрировать значение временно́го аспекта загрязнения водной среды тяжелыми металлами и участие в этих процессах гидробионтов. Морские макроводоросли по численности и биомассе являются основными компонентами прибрежного сообщества. В фитоценозах твердых грунтов биомасса бурых водорослей рода Cystoseira составляет 75-96% в зависимости от сезона и местообитания. Биомасса цистозиры по сезонам может различаться в 7 раз, что обусловлено биологией развития растения – таллом цистозиры состоит из многолетнего ствола (до 20 лет) и боковых ветвей, срок жизни которых составляет от 5 до 7 месяцев, а наибольшее количество ветвей образуется в весенне-летние месяцы. Соотношение веса таллома к весу ствола у цистозиры колеблется от 1,3 до 7,9 и зависит от возраста и сезона. Средняя биомасса - 3,4 кг/м², максимальная – 21 кг/м². В Новороссийской бухте наибольшая биомасса цистозиры - 8,7 кг/м², у Анапы - 8,1 кг/м² (Калугина–Гутник, 1975), эти районы мы используем для наглядных расчетов движения вещества. Нами исследовалось распределение металлов в разных частях слоевища на растениях Cystoseira crinita в возрасте 10 лет. Талломы водорослей были поделены на четыре части: 1 - ствол, 2 - короткие ветви (4,1-4,7 см), 3 - ветви средней длины (4,7-6,0 см), 4 - длинные ветви (6,0-13 см). Длина ветвей соответствует их возрасту – чем длинней, тем старше. Концентрация металлов в этих частях слоевища в относительных единицах представлена на рис. 1.
Рис 1. Распределение металлов в стволе и ветвях разной длины Cystoseira crinita 1 - ствол, 2 - короткие ветви, 3 - ветви средней длины, 4 - длинные ветви.
Концентрации Fe, Mn, Zn и Ni убывают в ветвях цистозиры по мере старения ветвей. В молодых ветвях концентрация Fe в 2,5 раза, а Mn и Zn в 1,7 раза больше, чем в старых. В стволах обнаружена самая высокая концентрация Ni. По сравнению с самыми старыми ветвями концентрация его в стволах больше в 1,5 раза, а Fe больше в 1,7 раза. Концентрация Сu в стволах и неразрушающихся ветвях примерно одинакова, а в старых ветвях ее в 2 раза меньше. В старых ветвях концентрация Рb в несколько раз выше, чем в других частях растения. Мы выявили значительные различия в содержании тяжелых металлов в многолетних и однолетних частях таллома цистозиры. Приблизительные расчеты показывают, что только 1 часть (около 1 кг) биомассы цистозиры с м² в году сохраняет свой микроэлементный состав и этот 1 кг находится в многолетних стволах. 7 частей (около 7 кг) органического вещества (вместе с включенными тяжелыми металлами), находится в перманентной стадии синтеза - распада. Если учесть соотношение биомасс цистозиры и сопутствующих видов (75-96%), то поток веществ около 5 кг с 1 м² дна поступает в прибрежную экосистему ежегодно! По расчетам А.А.Калугиной-Гутник, на 1975 г. общие запасы цистозиры вдоль бывшего советского побережья Черного моря составляли 2 млн.т. Исходя из вышеизложенного, около 250 тыс. т были связаны на срок до 20 лет, а 1 млн. 750 тыс. т ежегодно включалось в круговорот веществ моря. Тяжелые металлы в биологических объектах определялись в мкг/г (или г/кг) сухого веса. По соотношению сухого и сырого веса можно примерно подсчитать поступление металлов в морскую среду. По нашим данным, диапазон концентрации металлов в C.crinita в различных районах Черного моря в те годы составлял для Fe 140-2800, Mn - 20-80, Zn - 23-80, Ni - 5-60, Cu - 2-40, Pb - 2-50. Можно привести еще одно существенное наблюдение: наибольшее число сопутствующих видов отмечается летом и весной (например, для Севастопольской бухты определено 67 видов: весна – 47, лето - 50, осень – 41, зима - 33). Из сообщества выпадают однолетние или сезонные виды, которые вносят свой вклад в ежегодный поток веществ внутри или через экосистему. В 1975 году в Черном море насчитывалось 75 видов многолетних макроводорослей, что составляло около 28,5% от всего видового состава. Учитывая, что наибольшую биомассу макрофитобентоса Черного моря образуют именно многолетние водоросли (филлофора, цистозира), то время жизни водоросли или частей ее таллома играет очень важное значение при решении задач загрязнения или очистки водоемов. Высшее растение морская трава Zostera marina, доминирующий вид многих морских фитоценозов мягких грунтов, также имеет различия в содержании тяжелых металлов в многолетней части растения (корневищах) и сезонных частях – листьях. Мы проанализировали содержание тяжелых металлов в различных частях растения на 4 станциях Белого моря. Средние значения концентраций Zn (6,1), Mn (1,6), Cu (1,2) и Cd в листьях в 1,2–6,1 раз выше, чем в корневищах, а концентрации Fe и Ni выше в 1,5 и 5 раз в многолетней части растения – корневищах. Cd в корневищах не обнаружен (Крупина, Любимов, Стуколова, 2004). У высших водных растений роль корневого питания практически отсутствует, корни и корневища выполняют функцию закрепления в грунте на определенной глубине, достаточной для фотосинтеза. Минеральные вещества (в том числе и тяжелые металлы) поглощаются из воды всей поверхностью растения, а проводящие системы сильно редуцированы. Различия физиологических процессов в листьях и корневищах зостеры определяют уровень содержания тяжелых металлов в этих органах. Однако сроки нахождения (время депонирования) тяжелых металлов в различных органах растения определяются временем существования органа: для листьев – несколько месяцев, для корневищ – несколько лет. Соотношение биомассы «наддонной» части и корневищ у морских трав зависит от систематической принадлежности. У некоторых тропических видов биомасса корневищ во много раз превышает наддонную биомассу. Сроки депонирования некоторых тяжелых металлов в различных частях морских трав могут отличаться на несколько лет, в зависимости от их локализации в растении. На двух вышеизложенных примерах мы показываем, что оценка, прогноз загрязнения тяжелыми металлами водных объектов и даже их очистка, должны осуществляться на основе изучения роста, развития и физиологических процессов у массовых и доминирующих видов гидробионтов основных биотопов водоема. Исследование вышеизложенных явлений необходимо для прогноза загрязнений и разработки эффективных мероприятий по защите морских акваторий от экологической деградации. Живые компоненты экосистемы имеют обусловленную их биологией способность депонировать тяжелые металлы на предсказуемый период времени. Для решения этих задач необходима сумма знаний по анатомии, индивидуальному развитию вида, физиологии растений, гидроботаническому картированию и методам определения микроэлементного состава растений.
Список литературы 1. Калугина–Гутник А.А. Фитобентос Черного моря. Киев: Наук. думка, 1975. 246 с. 2. Крупина М.В., Любимов М.В., Стуколова И.В. Содержание тяжелых металлов в Zostera marina Белого моря // Водные экосистемы и организмы – 5. - М.: MAX Press, 2004. 3. Филенко О.Ф., Хоботьев В.П. Загрязнение металлами. Водная токсикология // Итоги науки и техники. Общая экология, биоценология, гидробиология. М., 1976. №3. С.110-150. опубликовано - декабрь 2012 г.
Temporal dimensions of environment pollution with heavy metals by the example of aquatic vegetation On the example of the dominant species of marine phytocenosis of hard and soft soils shows the importance of the temporal dimensions of pollution. In the article uses the term «Deposit» (temporary grade) to denote the period of the metals in the object or its part. Used our own and literature data. Key words: pollution; heavy metals; deposits; time, aquatic vegetation.
Об авторе Крупина Марина Владимировна - Krupina Marina Vladimirovna кандидат биологических наук markrupina@yandex.ru Корреспондентский адрес: Россия, 119991, Москва, Ленинские горы, Московский Государственный Университет им.М.В.Ломоносова, д. 1, стр. 12, Биологический ф-т, каф. гидробиологии; тел.: (495) 939-11-48
ССЫЛКА НА СТАТЬЮ: Крупина М.В. Временны́е аспекты загрязнения среды тяжелыми металлами на примере водной растительности // Вопросы современной альгологии. 2012. № 2 (2). URL: http://algology.ru/130
|
|
|
 | | ||
| |||
