Содержание тяжелых металлов в осоке водяной (Carex aquatilis Wahlenb.) прибрежно-водных биоценозов природного парка "Нумто"

Введение. Обязательное присутствие в растениях небольших количеств некоторых тяжелых металлов обусловлено их участием в целом ряде естественных процессов метаболизма, роста и развития. В качестве микроэлементов тяжелые металлы, в частности, могут входить в состав естественных биологических ферментов, которые регулируют белковый, углеводный и жировой обмен, участвовать в синтезе нуклеиновых кислот. Однако при избытке тяжелых металлов в окружающей среде динамическое равновесие нарушается, и те же химические элементы, попадая в растение в значительно больших количествах, уже могут вызывать сильное токсическое действие [3, 4, 9].

Тяжелые металлы поглощаются растениями, произрастающими на суше, водными растениями и растениями, обитающими на «пограничных» территориях водоемов в разных количествах и с разной интенсивностью. Условия обитания, так или иначе, определяют механизм процесса поглощения тяжелых металлов, его длительность и быстроту. Растения, находящиеся на суше, поглощают подвижные формы тяжелых металлов, в основном за счет своего корневого питания из почвы, либо попадающие на поверхность растений из атмосферы в составе сезонных осадков, пыли и т.д. Подвижные формы тяжелых металлов, которые растворены в воде, поглощаются значительно легче, и поэтому виды растений, имеющие длительный контакт с водными объектами, в большей степени подвержены риску возникновения повышенного содержания металлов. Однако растения, постоянно находящиеся в воде и не прикрепленные к грунту, лишены возможности поглощать тяжелые металлы из донных отложений или минералов почвы и могут потреблять эти элементы только из водной среды. Растения, располагающиеся на границе водоемов или в прибрежной зоне, имеющие постоянный контакт с водой и развитую корневую систему, имеют возможность поглощать тяжелые металлы как из почвы, так и из водной среды. Кроме того, прибрежная растительность, находясь в более комфортных условиях, способна образовывать достаточно плотные заросли, превращающиеся в своеобразный накопитель веществ, которые переносятся в форме различных потоков с поверхности суши в водоем либо (в период сезонных паводков) из воды на сушу. Роль накопителя усиливается, когда в составе задерживаемых веществ находятся поллютанты разной природы. Часто в составе загрязняющих веществ присутствуют источники тяжелых металлов. Следовательно, растения, формирующие прибрежный буфер, потенциально могут находиться в условиях наиболее длительного их воздействия. В связи с этим важным является изучение степени накопления тяжелых металлов прибрежно-водной растительностью и выявление ее видов, способных к высокой аккумуляции этих элементов.

Осока является типичным представителем прибрежной растительности, и на ее примере целесообразно рассматривать степень влияния повышенного содержания тяжелых металлов в окружающей среде на их содержание в зеленой массе. Чтобы корректно оценивать фактор воздействия повышенных концентраций тяжелых металлов на растения, необходимо иметь представление о границах нормального содержания этих элементов в растениях чистых «фоновых» территорий.

В качестве чистых мест удобно использовать особо охраняемые природные территории Ханты-Мансийского автономного округа, например

Природный парк «Нумто», расположенный в Белоярском районе Югры. Прибрежно-водные биоценозы водных объектов парка «Нумто» находятся на значительном удалении от крупных промышленных объектов, транспортных магистралей и больших городских поселений и не подвержены риску техногенного загрязнения.

Цель исследования . Оценить содержание тяжелых металлов в зеленой массе надводной части прибрежно-водной растительности водных объектов на территории Природного парка «Нумто».

Задачи исследования : установить присутствие и определить концентрацию подвижных форм тяжелых металлов (хрома, марганца, никеля, железа, меди, цинка, кадмия, свинца) в водных объектах и оценить степень их загрязнения данными элементами; изучить характер накопления тяжелых металлов в органах травянистых прибрежно-водных растений на примере осоки водяной ( Carex aquatilis Wahlenb.) Природного парка «Нумто».

Теоретическая и практическая значимость. С теоретической точки зрения полученная информация об устойчивости Carex aquatilis Wahlenb. к различным естественным концентрациям тяжелых металлов (Cr, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, Cd, Pb) может представлять интерес при исследовании механизма обмена микроэлементами растения с окружающей средой, установлении лимитирующих стадий этого процесса и особенностей переноса тяжелых металлов внутри растения. Индифферентное отношение Carex aquatilis к естественным для водоемов Югры концентрациям тяжелых металлов (Cr, Mn, Cu, Zn, Cd, Pb), ее резистивные свойства к повышенному содержанию растворимых форм железа и эффект аккумулирования по отношению к никелю позволяют лучше понять особенности движения и накопления перечисленных химических элементов в природных объектах. С практической точки зрения представленные результаты исследования могут использоваться при проведении экологического мониторинга водных объектов Природного парка «Нумто», организации рационального управления территорией, планировании и проведении природоохранных мероприятий.

Объекты и методы исследования. Объектом исследований служила осока водяная

( Carex aquatilis Wahlenb.), формирующая прибрежную полосу растительности водоемов с разным гидродинамическим режимом Природного парка «Нумто» Белоярского района Ханты-Мансийского автономного округа.

Отбор растений для анализа проводился на пробных площадках (ПП), располагающихся непосредственно вдоль р. Казым (ПП 6) и вблизи двух типов озер (ПП 1–5) в границах Природного парка «Нумто» (рис.). Озера первого типа имели каналы сообщения с основным руслом реки (ПП 2–5), и прибрежная растительность могла подвергаться затоплению при сезонных паводках так же, как и береговая растительность самой реки. Озера второго типа распола- гались на надпойменной террасе (ПП 1), на коренном берегу не имели прямого сообщения с основным руслом реки и занимали понижения на границе верховых болот и соснового бора. Прибрежная полоса растений таких озер находилась в более стабильных гидрологических условиях, так как было исключено затопление паводковыми водами реки, а их водная подпитка осуществлялась за счет болотных вод и сезонных осадков.

Из водоемов, вблизи которых были выбраны пробные площадки сбора осоки, были также отобраны пробы воды для анализа содержания в ней тяжелых металлов.

Карта-схема участка Природного парка «Нумто» с указанием мест отбора проб

Отбор проб воды из водных объектов проводили с глубины 30–100 см согласно ГОСТу [1]. Фиксацию мест отбора проб воды и растений осуществляли с помощью навигатора Garmin.

Отбор растительных образцов выполнен по существующим правилам отбора проб [8]. Анализ содержания подвижных форм тяжелых металлов (Cr, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, Cd, Pb) в пробах воды и в растительном сырье проводили методом атомной абсорбции на приборе МГА-915 МД [2, 5] в научной лаборатории биохимии и комплексного мониторинга окружающей среды Научно-исследовательского института экологии Севера Сургутского государственного университета. Анализ фитомассы осуществляли после ее сухого воздушного озоления при температуре 550 °С и растворения золы в азотной кислоте [2].

Результаты исследования и их обсуждение. Количественные результаты содержания тяжелых металлов в воде и в сухой массе Carex aquatilis представлены в таблице.

Содержание тяжёлых металлов в воде (мкг/дм3) и Carex aquatilis (мкг/г) водных объектов поймы р. Казым на территории Природного парка «Нумто» Ханты-Мансийского автономного округа - Югры

Номер ПП	Объект	Cr	Mn	Fe	Ni	Cu	Zn	Cd	Pb
1	Вода	0,40±0,02	7,75±0,07	72,83±3,15	0,15± 0,01	0,35±0,01	32,77±1,71	0,03±0,001	0,19±0,01
	Осока	0,12±0,01	0,81±0,03	-	0,35±0,01	0,21±0,01	12,19±0,38	0,02±0,001	0,12±0,01
2	Вода	0,81±0,04	6,66±0,08	1779,35±68,07	0,17±0,01	0,34±0,01	8,09±0,71	0,03±0,001	0,24±0,01
	Осока	0,12±0,01	0,63±0,01	44,19±2,69	0,64±0,01	0,27±0,01	16,77±0,25	0,01±0,001	0,06±0,01
3	Вода	0,35±0,01	2,76±0,08	451,89±17,79	0,09±0,01	0,21±0,01	13,27±0,53	0,03±0,001	0,34±0,01
	Осока	0,13±0,01	0,68±0,02	147,55±5,48	0,50±0,01	0,15±0,01	9,35±0,23	0,01±0,001	0,11±0,01
4	Вода	0,26±0,01	12,68±0,77	41,60±0,75	0,28±0,01	0,15±0,01	-	0,03±0,001	0,11±0,01
	Осока	0,07±0,01	0,54±0,02	36,02±1,26	0,14±0,01	0,08±0,01	12,32±0,40	0,01±0,001	0,07±0,01
5	Вода	0,60±0,02	4,66±0,24	261,67±1,49	0,35±0,01	0,32±0,01	4,76±0,16	0,04±0,001	0,31±0,01
	Осока	0,08±0,01	0,43±0,01	35,33±2,42	0,85±0,01	0,27±0,01	8,07±0,23	0,01±0,001	0,04±0,01
6	Вода	0,68±0,02	7,10±0,03	1657,64±59,53	0,34±0,01	0,28±0,01	18,08±0,93	0,07±0,002	0,50±0,01
	Осока	0,11±0,01	0,43±0,01	70,90±1,19	0,33±0,01	0,20±0,01	11,51±0,46	0,10±0,002	0,05±0,01

'прочерк в таблице означает отсутствие данных.

гГя^рн atfyuahmovongj

Анализ присутствия и количественного содержания тяжелых металлов в воде исследованных водных объектов и растениях (табл.) показал, что все перечисленные тяжелые металлы в разных количествах присутствуют как в воде, так и в зеленой массе растений. При этом содержание в воде растворимых форм Cr, Mn, Ni, Cu, Cd и Pb было значительно ниже нормативных значений предельно допустимых концентраций, а концентрации Zn и Fe превышали установленные нормы для 50 и 67 % исследованных водоемов соответственно [6].

При исследовании содержания тяжелых металлов в зеленой массе осоки установлено, что по отношению к Cr, Mn, Cu, Cd и Pb эффект аккумулирования не выражен или выражен очень слабо. Содержание этих элементов в зеленой массе растений во всех случаях ниже, чем в водной среде водоема (табл.).

Диапазон содержания железа в воде исследованных водоемов достаточно широк (72,83– 1779,35 мкг/дм³) (табл.). Однако, как в случае низких концентраций, так и при высоком содержании растворенного железа в водной среде (max 17,8 ПДК), это не приводит к существенному увеличению элемента в фитомассе Carex aquatilis. Среднее содержание железа в зеленой массе растения составляет 66,79 мкг/г.

Среднее содержание цинка в зеленой массе осоки составляет 11,7 мкг/г, при этом отмечено некоторое превышение содержания элемента в растении при его концентрации в воде ниже нормативов ПДК. При увеличении концентрации цинка в воде выше норматива (до 3,3 ПДК) увеличения его содержания в растении не наблюдается. Такое поведение растений по отношению к цинку можно объяснить его ограниченным переходом в надземную массу фитоценозов [7].

При исследовании растений на содержание никеля зафиксировано существенное превышение количества металла в растении по сравнению с водной средой. Установленный факт можно объяснить способностью Carex aquatilis накапливать высокие концентрации этого металла в течение жизни и выступать в роли биохимического барьера по отношению к этому элементу [7].

Выводы. Получена информация о фоновом содержании Cr, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, Cd и Pb в зеленой массе осоки Carex aquatilis, произра- стающей в прибрежной зоне исследованных водоемов Природного парка «Нумто» Белоярского района Ханты-Мансийского автономного округа – Югры, которые не подвергались техногенному воздействию. Установлено, что по отношению к высоким естественным концентрациям железа в водной среде Carex aquatilis проявляет резистивные свойства, а по отношению к подвижным формам никеля наблюдается эффект аккумулирования.