Динамика накопления тяжелых металлов в трофических цепях лесных экосистем

Введение. Тяжелые металлы (ТМ) представляют собой наиболее распространенные и опасные для биоты загрязнители окружающей среды. Техногенное загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами вызывает различные негативные реакции в живых организмах и создает неблагоприятные условия для существования растений, животных и человека. ТМ могут накапливаться в организмах и субстратах в количествах, значительно превышающих предельно допустимые концентрации. Высокий уровень содержания ТМ в живых организмах может вызывать необратимые процессы, приводящие к обеднению флоры и фауны.

Обладая мощным ферментативным аппаратом, грибы активно участвуют в круговороте биогенных элементов и очистке экосистем от загрязнения и радионуклидов. Поэтому вполне оправдана постановка вопроса об использовании грибов в качестве биологи- ческих индикаторов загрязнения окружающей среды [1–4]. В этом плане интересны попытки использования в качестве биоиндикаторов шляпочных и трутовых грибов [5–9].

Исследования отечественных и зарубежных авторов показали, что одним из результативных методов биоиндикации состояния лесных экосистем является использование дереворазрушающих грибов. Патогенные грибы, развивающиеся на древесных породах, в процессе своей жизнедеятельности вступают с ними в сложные и разносторонние взаимоотношения, поэтому характер накопления ТМ отдельными представителями патогенной микобиоты будет зависеть не только от индивидуальных биологических особенностей партнеров, но и от характера их взаимоотношений.

Одним из требований к организмам – индикаторам загрязнений является способность накапливать поллютанты в концентрациях, превышающих их содержание в окружающей среде, т.е. превышающих уровень фонового загрязнения. В лесных экосистемах основными элементами окружающей среды для грибов являются атмосферный воздух и субстрат, на котором они растут, чаще всего это почва и древесина. Поэтому при изучении биоиндика-ционных возможностей представителей микобиоты содержание ТМ в грибах можно сравнивать с уровнем фонового загрязнения питающих субстратов. Но фоновое загрязнение субстратов в разных местообитаниях грибов будет различным и зависит как от естественного содержания ТМ, так и от антропогенного загрязнения местности. В связи с этим для целей микоиндикации необходимо использовать фоновое загрязнение лесных экосистем, удаленных от крупных промышленных объектов и транспортных путей, т.е. относительно огражденных от техногенного воздействия.

Цель исследования. Изучение накопления тяжелых металлов в трофических цепях (почва, древесина, листья, грибы) лесных экосистем.

Материалы и методы. Материалом для исследования служили почва, древесина, листья и грибы в лесах Ульяновской области с различным уровнем антропогенной нагрузки. В каждой экологической группе выявлялись доминирующие грибы, в которых затем определялось содержание ТМ.

Грибами-доминантами среди факультативных сапротрофов определены на сосне обыкновенной сосновая губка ( Phellinus pini (Thore ex Fr.)), на дубе черешчатом ложный дубовый трутовик ( Phellinus robustus (Karst.) Bond. Et Galz.), на клене остролистном возбудитель черной пятнистости листьев ( Rhytisma acerinum (Pers.) Fr.)

Доминантными грибами среди факультативных паразитов определены на березе бородавчатой настоящий трутовик ( Fomes fomen-tarius (L.) Gill.), на дубе черешчатом опенок осенний ( Armillaria mellea (Fr.) Kumm.) и на вязе мелколистном чешуйчатый трутовик ( Polyporus squаmosus Huds. ex Fr.).

С целью проведения сравнительного анализа содержание ТМ определялось не только в представителях микобиоты, но и в почве, на которой растут исследуемые древесные породы, в древесине и листьях, на которых развиваются выделенные грибы.

Сбор грибов проводился в условиях различной антропогенной нагрузки на лесные экосистемы: в окрестностях р.п. Кузоватово (слабый уровень антропогенного воздействия), в окрестностях р.п. Старая Майна (средний уровень антропогенной нагрузки) и в лесопарке «Победа» г. Ульяновска (высокий уровень антропогенного воздействия). В перечисленных представителях микобиоты определялось содержание следующих ТМ: Cu, Zn, Ni, Cd, Pb, Co, Fe.

В лабораторных условиях проводился химический анализ всех собранных образцов на содержание в них ТМ. Пробоподготовка образцов для анализа проводилась по гостирован-ным методикам. Приготовленные для анализа образцы грибов и субстратов сжигались методом мокрого золения с применением смеси азотной и серной кислот. Химический анализ проб проводился с использованием атом-но-абсорбционного спектрофотометра «Квант».

Результаты и обсуждение. Определено содержание ТМ в грибах разных эволюционных групп в лесных экосистемах с различных уровнем антропогенной нагрузки. Результаты представлены в табл. 1.

Анализ полученных данных показывает, что наибольшее суммарное (среднее) содержание ТМ наблюдается в плодовых телах ложного дубового трутовика (208,89 мг/кг), наименьшее – в плодовых телах настоящего трутовика (189,05 мг/кг). Плодовые тела чешуйчатого трутовика содержат в среднем 194,03 мг, а опенка осеннего – 199,09 мг ТМ на 1 кг сухого веса грибов. Следовательно, можно констатировать, что в исследованных местообитаниях наибольшее суммарное (среднее) содержание ТМ отмечено в плодовых телах факультативного сапротрофа (ложного дубового трутовика).

Таблица 1

Table 1

Содержание тяжелых металлов в грибах разных экологических групп (X±Sx), мг/кг

Heavy metal content in fungi of different environmental groups (X±S x ), mg/kg

В исследованных грибах из изученных элементов больше всего содержится железа (115,98 мг/кг в среднем на один гриб), меньше всего – кадмия (2,99 мг/кг). Велико также содержание цинка (в среднем 24,85 мг/кг). Содержание в грибах изученных ТМ по мере увеличения их количества образует следующий ряд: Cd

Из полученных данных видно, что на содержание ТМ в плодовых телах грибов существенное влияние оказывают антропогенные нагрузки: чем сильнее их воздействие, тем выше содержание ТМ в грибах. Например, суммарное содержание ТМ в плодовых телах опенка осеннего в лесах р.п. Кузоватово с низкой антропогенной нагрузкой составляет 180,65 мг/кг, в лесах Старой Майны со сред-

ней антропогенной нагрузкой – 202,40 мг/кг, а в лесопарке г. Ульяновска с высокой антропогенной нагрузкой – 214,22 мг/кг.

Грибы, вызывающие различные пятнистости листьев, мучнистую росу, пожелтение и опадение хвои, занимают определенные трофические уровни в пищевых цепях лесных экосистем, и через эти органы растений также осуществляется движение ТМ. С этой точки зрения представляет большой научный интерес исследование характера накопления отдельных ТМ листьями и хвоей, пораженными и не пораженными этими болезнями. В табл. 2 представлены данные по содержанию ТМ в листьях клена остролистного, пораженных и не пораженных возбудителем черной пятнистости.

Таблица 2

Table 2

Heavy metal content in the leaves of Acer platanoídes (X±Sx), mg/kg

Содержание тяжелых металлов в листьях Acer platanoídes (X±Sx), мг/кг

Анализ полученных данных показывает, что не пораженные черной пятнистостью листья клена остролистного во всех исследованных местообитаниях имеют меньшее суммарное содержание ТМ, чем листья, пораженные этой болезнью. Например, валовое содержание ТМ в здоровых листьях клена в лесопарке г. Ульяновска составляет 628,39 мг/кг, в больных листьях – 666,30 мг/кг.

Во всех вариантах исследований суммарное содержание ТМ в листьях выше в местообитаниях с более высокой степенью антропогенной нагрузки. Например, в лесах р.п. Ку-зоватово здоровые листья клена содержат 523,90 мг/кг, больные – 590,14 мг/кг, в ле-

сопарке г. Ульяновска (с высокой техногенной нагрузкой) – соответственно 628,39 и 666,30 мг/кг. Содержание отдельных ТМ в здоровых и больных листьях клена остролистного образует следующий ряд: Cd

Для того чтобы использовать представителей микобиоты в качестве биоиндикаторов загрязнения тяжелыми металлами лесных экосистем, необходимо знать содержание этих металлов в субстратах, на которых растут грибы. В связи с этим было проведено изучение содержания ТМ в древесине и почве в разных местообитаниях грибов. Результаты представлены в табл. 3.

Таблица 3

Table 3

Heavy metal content in different substrates (X±Sx), mg/kg

• 4.    Суммарное содержание ТМ в богатых почвах больше, чем в бедных, что, по-види-мому, связано с большей аккумулирующей способностью первых по отношению ко вторым.

• 5.    Суммарное содержание ТМ в древесине ниже, чем в почве, на которой произрастало дерево. Это связано с тем, что корни растений усваивают только свободные тяжелые металлы, не адсорбированные почвенно-погло-щающими комплексами.

• 6.    Суммарное содержание ТМ в грибах выше, чем в древесине, на которой они произ-

• 7.    В исследованных лесных экосистемах отмечено влияние типа леса на содержание ТМ. В более богатых типах леса суммарное содержание ТМ выше, чем в более бедных. Это, по-видимому, связано с различным плодородием почв в разных лесорастительных условиях.

растают. Это можно объяснить тем, что грибы, находясь на вершине экологической пирамиды, накапливают больше ТМ, чем древесина, занимающая более низкий трофический уровень в этой пирамиде.

Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Вклад авторов

Концепция и дизайн исследования: Чураков Б.П., Зырянова У.П.

Литературный поиск, участие в исследовании, обработка материала: Зырянова У.П.,

Загидуллин Р.А., Парамонова Т.А., Митрофанова Н.А., Михеева А.В.

Статистическая обработка данных: Чураков Б.П., Зырянова У.П.

Анализ и интерпретация данных: Чураков Б.П., Зырянова У.П.

Написание и редактирование текста: Чураков Б.П., Зырянова У.П., Парамонова Т.А.