О некоторых закономерностях накопления тяжелых металлов высшей водной растительностью на Волгоградском водохранилище

© Кочеткова А.И., 2012

УДК 502/504+58 ББК 20.1+28.5

О НЕКОТОРЫХ ЗАКОНОМЕРНОСТЯХ НАКОПЛЕНИЯ

ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ ВЫСШЕЙ ВОДНОЙ РАСТИТЕЛЬНОСТЬЮ НА ВОЛГОГРАДСКОМ ВОДОХРАНИЛИЩЕ

А.И. Кочеткова

Изучены особенности накопления тяжелых металлов высшей водной растительностью в условиях Волгоградского водохранилища. Установлены корреляционные связи между Fe, №, Сг, Со, Мп, Си, 2п, РЬ и ряды накопления их в золе макрофитов. Выявлены виды индикаторы Sr, Си, 2п, РЬ.

Ключевые слова: тяжелые металлы, высшая водная растительность, Волгоградское водохранилище, индикатор, коэффициент вариации, геохимический барьер, растения-конценторы.

Геохимические процессы аквальных ландшафтов представляют научный интерес в связи с их относительно слабой изученностью и постоянным увеличением антропогенной нагрузки на них. Важным объектом рыбохозяйственного и питьевого назначения является Волгоградское водохранилище, которое замыкает сеть гидротехнических сооружений Волжского каскада и вследствие этого находится под суммарным природно-антропогенным воздействием всей сети.

Одним из главных природных компонентов аквального ландшафта является растительность, которая выполняет средообразующую функцию и активно принимает участие в поддержании геоэкологического равновесия в нем. Известно, что на Волгоградском водохранилище макрофиты образуют около 30 % первичной продукции растительных сообществ и зарастание мелководий на 7,5 %, что лишний раз подтверждает их значимость в биогеохимическом круговороте веществ [6, с. 357]. Высшая водная растительность (ВВР) устойчива к кратковременным вспышкам загрязнения и способна аккумулировать в больших количествах различные вещества, в том числе и тяжелые металлы

(ТМ) [3, с. 12]. Это позволяет использовать их в качестве биогеохимических индикаторов загрязнения различными токсикантами [2, с. 141].

Цель нашей работы заключалась в изучении особенностей накопления ТМ различными экологическими группами ВВР на Волгоградском водохранилище. Для достижения цели были поставлены следующие задачи: анализ содержания ТМ в макрофитах и их био-геохимической специализации, а также выявление видов индикаторов.

Материалом для исследования послужили пробы макрофитов, отобранные в ходе экспедиций «Волжского плавучего университета» в период максимальной физиологической активности ВВР (июль) 2006-2008 годов. Образцы ВВР подвергались анализу на портативном рентгенофлуоресцентном кристалл-дифракционном сканирующем спектрометре «Спектроскан» в лаборатории мониторинга водных систем МГУ им М.В. Ломоносова, и в результате было определено валовое содержание тяжелых металлов: Cu, Zn, Pb, Cr, Ni, Co, Fe, Mn (см. рис. 1).

Для анализа отбирались наиболее распространенные в Волгоградском водохранилище виды, относящиеся к различным экологическим группам: гелофиты (прибрежно-водные, или воздушно-водные) - тростник обыкновенный (Phragmites australis (Cav.) Trin. ex. Steud.), рогоз узколистный (Tupha angustifolia L.); гидрофиты (настоящие водные растения) - уруть

колосистая (Myriophyllum spicatum L.), роголистник темно-зеленый (Ceratophyllum demersum L.), рдест пронзеннолистный (Potamogeton perfoliatus L.), рдест блестящий (Potamogeton lucens L.), рдест курчавый (Potamogeton crispus L.), элодея канадская (Elodea сanadensis М1Лх.).

Макрофиты Волгоградского водохранилища характеризуются высокой вариабельностью содержания ТМ, следовательно, их химический состав определяется не только биогео-химической специализацией, но в значительной степени концентрацией ТМ в среде (см. табл.).

Таким образом, содержание ТМ в основных источниках питания ВВР (вода и донные отложения) на Волгоградском водохранилище пространственно неоднородно и зависит от близости источника загрязнения [4, с. 234].

По отношению к накоплению различных ТМ растительность можно разделить на две группы: «фоновые» виды и виды-концентраторы. К первой группе относятся виды, имеющие физиологический барьер при аккумуляции ТМ, чем и определяется их биогеохимическая специализация. Ко вторым относятся виды, в которых содержание ТМ варьируется в больших пределах и в значительной мере зависит от состояния среды [2, с. 164].

Сравнительный анализ коэффициентов вариации дал возможность выделить фоновые виды (V < 40 %), для которых характерна специализация в накоплении ТМ: Мп, Fe - элодея канадская и тростник обыкновенный; Со -уруть колосистая, роголистник темно-зеленый; РЬ - рдест блестящий; N1 - рогоз узколистный; 2п - тростник обыкновенный, рогоз узколист-

Рис. 1. Схема расположения точек отбора проб ВВР на Волгоградском водохранилище *

: Составлено автором.

ный, рдест курчавый, элодея канадская. Следует отметить, что коэффициенты вариации для Сг во всех видах достаточно однородны и не превышают 30 %, и если учесть тот факт, что ВВР способна накапливать ТМ по безбарьер-ному принципу, то данный элемент пространственно однородно распределен по всей акватории Волгоградского водохранилища. С целью выделения видов-концентраторов мы взяли V < 80 % и в итоге выявили макрофиты, относящиеся к групповым концентраторам, то есть способные накапливать несколько металлов, зна-

чительно превышающих их содержание в среде. К таким видам относятся тростник обыкновенный (Си, М), роголистник темно-зеленый и рдест пронзеннолистный (РЬ, Мп). Таким образом, коэффициент вариации косвенным образом указывает на специфический характер концентрирования металлов [2, с. 163].

По абсолютному содержанию в растениях ТМ подразделяются на четыре группы: элементы повышенной концентрации ^г, Мп, Fe, 2п), средней (Си, №, РЬ,Сг) и низкой (Мо, Са, Se,Co) [5, с. 107].

Таблица

Статистические параметры распределения ТМ в макрофитах Волгоградского водохранилища

Вид * Параметры ** Си Zn № РЬ Со Fe Мп Сг Sг

ТО (20) 1 1 001 248 65 27 7 5 775 3 944 104 518

2 16 18 2 1 1 2 420 923 43 156

3 251,3 159,8 18,6 20,3 4,3 4 086,8 1 930,23 62,4 420,2

4 115,5 34,3 87,7 54,9 49,3 34,3 40 25,6 22,1

РУ (15) 1 1201 185 9 НП НП 6 150 6 339 61 730

2 30 101 2 НП НП 345 538 40 326

3 263,5 131,9 6,14 НП НП 3 288,8 2 919,6 55,1 610,3

4 161,2 23,1 36,3 НП НП 65 61,5 12,8 27,2

УК (11) 1 280 173 67 30 16 16 205 9 647 135 965

2 44 39 11 4 5 1 066 488 47 294

3 122,8 93,2 34,4 17,5 11,3 4 668 3 871,5 72,6 650,8

4 56,3 37,6 40,7 53,3 32 88 64,2 28,6 36,3

РТ-З (12) 1 319 194 89 28 16 16 590 17 703 71 949

2 59 27 10 4 8 825 1 001 57 453

3 184,4 75,3 46,9 11,5 11,7 6 718,9 3 973 65,4 613,1

4 46,3 58,8 39,5 83,5 28,3 75,5 119,7 6 28,2

РП (28) 1 229 225 79 63 16 12 030 8 093 120 1 356

2 7 26 10 1 1 104 243 39 658

3 96 90,9 32,4 14,6 6,5 4 814,7 1 607 60,4 1 039

4 58,3 46,5 50,8 126,4 59,5 69 100,8 19,5 20,3

РБ (12) 1 153 148 35 24 13 8 806 4 852 86 -

2 21 35 7 12 2 103 311 44 -

3 74 72,9 19,7 18,8 7,4 4 286,6 1 628,1 56,9 -

4 61,6 46,3 51,3 23,6 42,5 74,9 87,2 22,5 -

РК (14) 1 326 109 52 19 15 11 351 3 073 72 -

2 127 63 15 8 2 1 007 524 36 -

3 192,8 86,3 27 12 9 4 482 1 902,8 54,5 -

4 40,7 19,4 54,5 41,4 59,5 92,9 52,5 24,6 -

ЭК (19) 1 - 63 36 5 - 8 923 1 774 68 1 037

2 - 32 2 2 - 3 475 725 58 21

3 39 42,5 18,8 3,5 - 5 736 1 426 63,6 592,7

4 - 28,5 65,2 42,9 - 38,3 28,9 5,8 71

* Вид: ТО - тростник обыкновенный; РУ- рогоз узколистный; УК - уруть колосистая; РТ-З - роголистник темно-зеленый; РП - рдест пронзеннолистный; РБ - рдест блестящий; РК - рдест курчавый; ЭК - элодея канадская.

* * Параметры - концентрации, мг/кг: 1 - максимальная, 2 - минимальная, 3 - средняя; 4 - коэффициент

вариации (V), %; НП- ниже предела обнаружения; (...) - количество проб.

В общем виде ряд накопления ТМ в макрофитах Волгоградского водохранилища можно представить следующим образом: Fe > Мп > Sг > Си > 2п > Сг > N > РЬ > Со, но есть исключения, касающиеся рдеста блестящего Fe > Мп > Sг > Си < 2п > Сг > № < РЬ > Со, рдеста пронзеннолистного Fe > Мп > Sг > Си < 2п > Сг > № > РЬ > Со и роголистника темнозеленого с рдестом курчавым Fe > Мп > Sг > Си > 2п > Сг > № > РЬ < Со. Если в предыдущих примерах не изменяется последовательность ТМ и наблюдается парное приравнивание некоторых из них, то для элодеи канадской порядок незначительно изменился: Fe > Мп > Sг > Сг > Си > 2п > № > РЬ > Со. Из этого следует, что стабильной триадой для всех исследуемых видов являются элементы повышенной концентрации ^е, Мп, Sг), в отличие от других ТМ в ряде накопления их макрофитами, которые не имеют строгих последовательностей и пределов аккумулирования и зависят от видовой принадлежности растений.

Анализ корреляционной зависимости между содержанием ТМ в растениях и ДО не показал однонаправленной зависимости между ними (г < 0,5), что совпадает с исследованиями

В.Ф. Бреховских на Иваньковском водохранилище [1, с. 446]. В исследуемой растительности были выявлены различные уровни связи между ТМ. К первому уровню относятся связи с сильной корреляцией Fe-Cг (г = 0,9), Fe-Со (г = 0,83), Со-Мп (г = 0,83), ко второму - со средней корреляцией Fe-Ni (г = 0,74), Fe-Mn (г = 0,61), 2п-Си (г = 0,75), 2п-РЬ (г = 0,75) и к третьему - со слабой №-Сг (0,56) (рис. 2).

Таким образом, определяющим элементом связи для макрофитов Волгоградского водохранилища является Fe, которое имеет прямую зависимость с Сг, Со, Мп и М. Помимо этого, Fe по отношению к другим ТМ наиболее сильно аккумулируется растениями, что объясняется его важной физиологической ролью для макрофитов, а именно: Fe входит в состав ферментов, а также участвует в синтезе хлорофилла, в дыхании и в обмене веществ у растений.

Высокий коэффициент вариации металла в ВВР, наряду со слабыми его корреляционными связями с другими элементами, указывает на отсутствие биологического регулирования данного ТМ макрофитом [2, с. 164]. Синтезируя данные показатели, мы получили следующие виды-индикаторы загрязнения акваландшафта: элодея канадская ^г с V = 71), тростник обыкновенный и рогоз узколистный (Си с V = 115,5; V = 161,2 соответственно), роголистник темно-зеленый (2п с V = 58,8; РЬ с V = 83,5) и рдест пронзеннолистный (РЬ с V = 126,4).

Для элодеи канадской в 2006 г. максимальные значения Sг были зафиксированы в заливе Дубовка (1037 мг/кг) и заливе Ерзовка (1419 мг/ кг), а наименьшее - в заливе Нижняя Добринка (21 мг/кг). Следует отметить, что пространственное распределение Sг в элодее происходит в сторону возрастания вниз по течению. По отношению к Си удалось установить динамику накопления тростником обыкновенным и рогозом узколистным с 2006 по 2008 год. Распределение концентраций Си по всему водохранилищу происходит неравномерно. Наивысший пик концентраций Си в макрофитах приходится на

Рис. 2. Уровни связи микроэлементов в золе ВВР заливов Волгоградского водохранилища:

1-3 (г) = 0,8-0,9; 06-075; 0,5-0,59 соответственно *

* Составлено автором.

2007 г., и, вероятно, это связано с повышенным содержанием данного элемента в окружающей среде. В качестве примера мы рассмотрим содержание Си в тростнике обыкновенном: в заливе Ерзовка с 2006 по 2008 г. оно составило 16 мг/кг; 162 мг/кг; 2,1 мг/кг соответственно и в рогозе узколистном: в заливе Камышинском -20 мг/кг; 121 мг/кг; 4,3 мг/кг соответственно. Установить динамику содержания Zn в роголистнике темно-зеленом по Волгоградскому водохранилищу с 2006 по 2007 г. нам не удалось в связи с небольшой выборкой общих заливов за два года. Наибольшие концентрации Zn были выявлены в заливе Курдюм - 194 мг/кг в 2007 г. при среднем содержании 75,3 мг/кг по всей акватории. Биогеохимическая индикация РЬ возможна при наличии двух видов: роголистника темно-зеленого и рдеста пронзеннолистного. Выявлено, что данные виды с небольшими различиями аккумулируют в себе РЬ: так, в заливе Приморском в 2006 г. его содержание в рдесте пронзеннолистном составило 2 мг/кг, в роголистнике темно-зеленом - 7 мг/кг; в 2007 г. в заливе Курдюм - 1 мг/кг и 4 мг/кг; в залив г. Маркс - 28 мг/кг и 23 мг/кг соответственно. В 2007 г. наблюдается повышенное содержание РЬ в данных видах в среднем: в заливе Ер-зовка - 7 мг/кг, в заливе Пичуга - 10 мг/кг, в заливе Дубовка - 6 мг/кг, в заливе Камышинском - 3 мг/кг, в заливе Даниловском - 16 мг/кг, в отличие от 2006 г., где концентрации были ниже порога обнаружения.

Таким образом, ВВР выполняет роль естественного барьера для токсичных веществ. Наличие сильной корреляционной зависимости между Бе, Сг, Со и Мп в макрофитах Волгоградского водохранилища лишний раз под-

тверждает их значимость в биологических процессах растений. По отношению к ТМ макрофиты характеризуются сильной и слабой вариабельностью их содержания, на основании чего можно выделить фоновые виды и виды-концентраторы. По последним можно дать оценку сложившейся пространственно-временной геохимической ситуации на акватории.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Биохимия макрофитов в аквальных ландшафтах / Н. Ю. Лычагин [и др.]. // ГИС Астраханского заповедника. Геохимия ландшафтов дельты Волги. - М. : Геогр. фак. МГУ, 1999. - Вып. 3 : Геоэкология Прикаспия. - С. 141-164.

2. Микрякова, Т. Ф. Накопление тяжелых металлов в сусаке зонтичном (Виотш итЪе1Мш к) в Волжском плесе Рыбинского водохранилища / Т. Ф. Микрякова, В. Г. Папченков // Биология внутренних вод. - 2000. - Июль - сент. (№ 3). - С. 106-110.

3. Микрякова, Т. Ф. Содержание тяжелых металлов в макрофитах Моложского плеса Рыбинского водохранилища / Т. Ф. Микрякова // Биология внутренних вод. - 1996. - № 99. - С. 11-13.

4. Микрякова, Т. Ф. Тяжелые металлы в макрофитах Рыбинского водохранилища / Т. Ф. Микрякова // Водные ресурсы. - 1996. - Т. 23, № 2 (март - апр.). - С. 234-240.

5. Особенности накопления тяжелых металлов в донных отложениях и высшей водной растительности заливов Иваньковского водохранилища / В. Ф. Бреховских [и др.]. // Водные ресурсы. - 2001. - Т. 28, № 4. - С. 441-447.

6. Шашуловская, Е. А. О накоплении тяжелых металлов в высшей водной растительности Волгоградского водохранилища / Е. А. Шашуловская // Поволжский экологический журнал. - 2009. -№ 4. - С. 357-360.

SOME REGULARITIES OF ACCUMULATION OF HEAVY METALS HIGHER AQUATIC VEGETATION AT THE VOLGOGRAD RESERVOIR

A.I. Kochetkova

Specific features of accumulation of heavy metals higher aquatic vegetation in the Volgograd reservoir. Established correlations between Fe, Ni, Co, Mn, Cu, Zn, Pb and ranks them in the ash accumulation macrophytes. Indentified types of indicators Sr, Cu, Zn, Pb.

Key words: heavy metals, higher aquatic vegetation, Volgograd Reservoir, indicator, variability index, geochemical barrier, concentrator plants.