Накопление тяжелых металлов фитопланктоном в озере Большое Миассово (Южный Урал)

Присутствие тяжелых металлов (ТМ) в природных водах обусловлено геологическими предпосылками и антропогенным загрязнением окружающей среды. Котловина водоема является сложным геологическим объектом, представленным набором пород от ультраосновных до кислых и карбонатных. Геохимический состав горных пород оказывает влияние на состав воды за счет процессов выщелачивания и растворения соединений ТМ. Водоем также обогащается ТМ в результате аэрального переноса от удаленных локальных источников. Проведенные нами исследования [12] показали существенную роль эмиссии в атмосферу ТМ в формирование загрязнения озерных вод в условиях региона с развитой металлургической промышленностью. В гидрокар-бонатных водах озера Большое Миассово миграционная способность ТМ увеличена.

Фитопланктон, как совокупность автотрофных организмов с минеральным питанием, включает доступные формы ТМ в биохимические процессы. Внутриклеточная абсорбция ТМ и осаждение их после отмирания организмов играют значительную роль в круговороте вещества в акваль-ных экосистемах благодаря высокой продуктивности водорослей. Скорость естественного отмирания клеток фитопланктона составляет от 8% (Chlorophyta) до 31% (Bacillariophyta) в сутки [4]. Не менее существенна роль адсорбции: изменяя в процессе фотосинтеза рН воды и окислительновосстановительный потенциал, микроводоросли способствуют переходу ТМ из ионной формы в минеральную [9] и адсорбируют соединения металлов на клеточной оболочке или в колониальной слизи.

Взаимодействие водорослей с ТМ в основном исследовано с позиций токсического воздействия металлов на популяционные и морфологические характеристики [15, 17]. Многочисленные эксперименты «доза-эффект» [1, 3, 10, 14, 16] показывают, что потребности разных групп и видов водорослей в различных ТМ неодинаковы, при увеличении доз происходит усиленное отмирание клеток. Экспериментальные работы в лабораторных условиях не дают полной картины сложных системных откликов, которые присутствуют в условиях природных экосистем. Исследования природных ценозов, известные для почвенных водорослей [5, 6, 8, 11], показывают изменения их морфологических и популяционных характеристик и фиксируют некоторые пороговые для вегетации значения ТМ.

Целью нашего исследования была оценка накопления тяжелых металлов биомассой фитопланктона в природном водоеме.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

Для статистического анализа накопления ТМ фитопланктоном выполнен трехгодичный цикл исследований фитопланктона 2007-2009 гг. в природном водоеме в условиях фонового загрязнения ТМ. В качестве объекта исследований выбрано озеро Большое Миассово, термически стратифицированное с водой гидрокарбонатного класса, нейтрально-слабощелочной средой и минерализацией 163-240 мг/л.

Одновременный отбор фитопланктонных и гидрохимических проб воды выполняли батометром в безледный период методом послойного фракционного лова от поверхности до дна 25 м, чтобы в выборке для статистического анализа присутствовали краевые значения исследуемых параметров. Всего отобрано и обработано для статистического анализа 98 проб. Таксономическое определение видов водорослей проводили по общепринятой систематической литературе, количественный учет выполняли в счетной камере объемом 0,01 мл. Биомассу определяли расчет- ным методом, приравнивая форму клеток водорослей к геометрическим фигурам и считая удельный вес равным единице. Одновременно в пробах определяли концентрации Zn, Cu, Pb, Cd, Fe, Mn по ГОСТ Р 51309–99 методом атомноабсорбционной спектрометрии (Perkin-Elmer-3110), анализы выполнены в объединенной химико-аналитической лаборатории Института минералогии УрО РАН Ильменского заповедника УрО РАН Лапшиной Л.Б. Пробы воды при подготовке к анализу не отделяли от фитопланктонных организмов, находящихся в ней. Для статистического анализа выбрали Cyanophyta, поскольку максимальные летние биомассы планктона в оз. Б. Ми-ассово определяются синезелеными водорослями и при этом можно пренебречь вкладом зоопланктона. Количественная обработка данных выполнена с помощью табличного процессора Excel и программных пакетов Statistica 6.0.2.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Статистические методы исследования позволяют выявить сопряженность величин концентраций ТМ с развитием водорослевой биомассы.

Физический смысл связи между величиной биомассы фитопланктона в воде и концентрацией ТМ в воде обоснован опытами с культурами водорослей [10, 14, 16]. Прямую корреляцию можно интерпретировать как аккумуляцию ТМ, при этом разделить составляющую адсорбции с видоспецифичной абсорбцией невозможно. Исключение составляет цинк, который присутствует в природных водоемах преимущественно в ионной форме и потому не адсорбируется слизистыми оболочками в виде нерастворимых соединений, а поглощается клетками микроводорослей.

Поскольку число наших наблюдений приближается к 100, допустимо применение параметрической статистики для анализа связи биомассы фитопланктона и содержания ТМ [2]. Мы применили попарные и частные корреляции Пирсона предварительно исключив из выборки выбросы (табл. 1).

Таблица 1. Корреляция Пирсона общей биомассы фитопланктона и концентраций ТМ; отмечены значимые корреляции из числа наблюдений N = 86

Переменные	Биомасса	Fe	Cu	Zn	Mn	Pb	Cd
Биомасса	1,00	0,53	0,12	0,29	0,02	-0,02	0,26
Fe	0,000	1,00	0,14	0,36	0,29	-0,01	-0,03
Cu	0,506	0,556	1,00	0,28	-0,05	0,02	0,05
Zn	0,028	0,017	0,008	1,00	0,07	0,07	-0,02
Mn	0,406	0,000	0,813	0,736	1,00	-0,06	-0,04
Pb	0,552	0,865	0,831	0,507	0,720	1,00	0,03
Cd	0,007	0,582	0,432	0,729	0,429	0,700	1,00

Примечание: в нижней части таблице под диагональю даны значения уровней р-вероятностей соответствующих корреляций, выделены значимые р ≤ 0,05

Ре(мг/ды3) 0,038 0,034 0,030 0,020 0,014 0,011 0,009

0,1    2,5     5,0     6,3     8,7    10,3 12,0    14,2

Биомасса (мг/дм3)

Рис. 1. Диаграмма рассеяния значений биомассы фитопланктона в зависимости от концентраций железа в воде оз. Б. Миассово 2007-2009 гг. в период открытой воды

Наибольшей является сила связи биомассы фитопланктона с концентрациями железа. Объясняться это может присутствием в значимом коли- честве диатомовых водорослей (Bacillariophyta), активно потребляющих Fe на протяжении всего периода открытой воды и обычно имеющих максимумы биомассы в весенний и осенний периоды в исследуемом водоеме [13]. Диаграмма рассеяния для выявленной зависимости показывает, что расчетные значения отличаются от наблюдаемых и не входят в доверительный интервал, но тенденция увеличения концентраций с ростом биомассы хорошо выражена (рис. 1).

Далеко от доверительного интервала попадают величины концентраций ТМ при биомассе фитопланктона выше мезотрофного уровня – 2 мг/дм ³ . Мы посчитали такой разброс следствием полидоминантности фитопланктона в мезотрофном озере Б. Миассово, когда разные группы водорослей аккумулируют ТМ в разной степени.

Максимумы биомассы фитопланктона в исследуемый периоды были обусловлены синезелеными водорослями, хотя наибольшую ценотиче- скую значимость в озере Б. Миассово за счет высокой встречаемости имеют золотистые и диатомовые водоросли [13], Комплекс Cyanophyta, определяющий высокую биомассу фитопланктона с начала лета до поздней осени, состоит из видов Anabaena flos-aquae (Lyngb.) Bréb., A. hassalii (Kütz.) Wittr., A. spiroides Kleb., в отдельные годы достигали большого развития Aphanizomenon flos-aquae (Lemmerm.) Ralfs, Plankthotrix agardthii (Gomont) Anagn. et Komárek. Синезеленая водоросль с коротким периодом вегетации Gloeotri-chia echinulata (J. S. Smith) P. Richt. определяла биомассу фитопланктона озера от полутора до двух месяцев. Анализ зависимости содержания ТМ и биомассы Cyanophyta проведен с помощью непараметрической корреляции Спирмена (N=29, выбросы биомасс не убирали). Обнаружены значимые положительные корреляции на уровне p<0,05: наиболее сильная c Fe – 0,699 (рис. 2), а также с Cd – 0,369 и Zn – 0,300.

Рис. 2. Диаграмма рассеяния биомассы летнее-осеннего комплекса Cyanophyta в зависимости от концентраций железа в воде оз. Б. Миассово 20072009 гг.

Диаграммы рассеяния показывают хорошее попадание в доверительный интервал наблюдений при максимальных значениях биомасс Cya-nophyta свыше 20 мг/дм3. Из литературы известна невысокая потребность организмов Cyanophyta в железе [14]: в культурах водорослей железо поглощается этой группой в сравнительно небольших дозах. Проведенные опыты по определению ТМ в нагонных массах синезеленых водорослей в периоды их гиперразвития в озере Б. Миассово обнаружили накопление железа до 2550 мг/кг. Поскольку его накопление может быть обусловлено адсорбированием на поверхности клеток и в колониальной слизи. Вероятно, процесс адсорбции происходит при вертикальных суточных миграциях, свойственных синезеленым водорослям: нерастворимые соединения железа, оседая на дно, попадают в вязкую колониальную слизь. Обнаруженные высокие накопления марганца (3200 мг/кг) в нагонных массах фитопланктона, возможно, также связано с вертикальными мигра- циями массовых видов Cyanophyta и адсорбцией его нерастворимых окислов. В биомассе Cyanophyta обнаружили преимущественное накопление марганца по сравнению с железом, хотя среднее в водоемах соотношение Mn : Fe составляет 1/2 – 1/3 [14]. Таким образом, хорошее попадание в доверительный интервал (рис. 2) наивысших концентраций железа при максимальных значениях биомасс Cyanophyta согласуется с выводом об аккумуляции железа видами именно этой таксономической группы путем адсорбции на обильной колониальной слизи.

Рис. 3. Диаграмма рассеяния биомассы Gloeotrichia echinulata (Cyanophyta) в зависимости от концентраций железа в воде оз. Б. Миассово 2007-2009 гг.

Для выявления аккумуляции ТМ наиболее массовым видом Gloeotrichia echinulata (Cyano-phyta) применена корреляция Спирмена (N=30). Отмечена значимая положительная корреляция на уровне p<0,05 c Fe – 0,516, Cd – 0,523, и менее сильная зависимость с Zn – 0,258, то есть валовые концентрации данных ТМ в воде растут с увеличением развития глеотрихии (рис. 3).

Статистическая зависимость концентрирования цинка массовым видом глеотрихией невысока (рис. 4): выбросы биомассы порядка 20 мг/дм ³ усиливают корреляцию и придают ей значимость. Данный факт и многолетние наблюдения за массовым развитием G. echinulata позволяют предположить, что цинк становится необходимым и активно потребляется водорослью при массовом спорообразовании внутри колоний, когда биомасса резко нарастает. При дальнейшем нарастании биомассы вида в терминальных стадиях вегетации колонии приобретают подушковидную форму и происходит процесс разложения, вероятно, не сопровождающийся усиленной абсорбцией данного ТМ.

Определение содержания цинка в нагонных массах G. echinulata показали значения 355 мг/кг и превышает накопления других ТМ, за исключением железа и марганца. Это согласуется с известными данными: живые клетки способны на- капливать цинк сверх того количества, которое им необходимо для метаболизма [7].

Значимой статистической зависимости развития фитопланктона от концентраций меди и свинца не обнаружено (табл. 1). В нагонных массах синезеленых водорослей концентрации меди были до 49 мг/кг. свинца до 12 мг/кг.

Выявлена положительная корреляция биомассы синезеленых водорослей с концентрацией кадмия (рис. 5).

Zn (мг/дм3)

Рис. 4. Диаграмма рассеяния биомассы Gloeotrichia echinulata (Cyanophyta) в зависимости от концентраций цинка в воде оз. Б. Миассово 2007-2009 гг.

Рис. 5. Диаграмма рассеяния биомассы Gloeotrichia echinulata (Cyanophyta) в зависимости от концентраций кадмия в воде оз. Б. Миассово 2007-2009 гг.

Кадмий не относится к числу жизненно необходимых клетке элементов, в отличие от цинка, но, по литературным данным, активно связывается цитоплазматическими белками клеток водорослей [14], не оказывая в близких к фоновым концентрациях токсического воздействия. Данные статистического анализа показывают аккумуляцию Cd планктонной водорослью Gloeotri-chia echinulata и, как следствие, уменьшение известного [1] отрицательного воздействия повышенных концентраций ионов данного металла на природные экосистемы.

ВЫВОДЫ

• 1.    Фитопланктон в наибольшей степени накапливает Fe, Zn и Cd, величина статистической зависимости снижается при высокой биомассе (выше 2 мг/дм ³ ) из-за полидоминантности сообщества.

• 2.    Доминирующая группа фитопланктона – Cyanophyta в наибольшей степени аккумулирует железо, которое не является физиологически необходимым в большом количестве данной группе, путем адсорбции на слизистых оболочках колоний.

• 3.    Наиболее массовый вид водорослей Gloeo-trichia echinulata (Cyanophyta) преимущественно аккумулирует Fe, Zn и Cd.

• 4.    Данные по аккумуляции тяжелых металлов микроводорослями подтверждают их активное участие в седиментации ТМ.