Камыш озёр Якутска – естественный эколого- биогеохимический барьер

КАМЫШ ОЗЁР ЯКУТСКА -1СТЕСТВЕННЫЙ ЭКОЛОГО-

ЧЕСКИЙ БАРЬЕР

ОД**»

Владимир Николаевич Макаров,

доктор геолого-минералогических наук, профессор, главный научный сотрудник лаборатории подземных вод

и геохимии криолитозоны Института мерзлотоведения им. П. И. Мельникова СО РАН

Камыш (народн.) по-научному -тростник обыкновенный (Phragmites communis, syn. P. australis). Латинское название тростника происходит от греческого слова phragma, что означает плетень, забор. Это не случайно, поскольку с древних времён камыш использовали для покрытия крыш, устройства заборов, плетения корзин. Это высокое многолетнее прибрежно-водное травянистое растение. Характерной особенностью камыша является мощная (длиной до 2 м) корневая система, составляющая значительную часть его общей биомассы - 84,2% [1].

Стебли прямые, толщиной до 1 см, полые, гладкие, доверху олист-венные, сизо-зелёные, гибкие, от ветра не ломаются, а только сгибаются. Кроме стеблей развиты также ползучие побеги.

Листья шириной 5 -25 мм, плотные, серо- или тёмно-зелёные, длинные, узкие, ланцетно-линейные или линейные, суживающиеся к концу, заострённые, плоские, жёсткие, по краю шероховатые. Язычка у листьев нет, вместо него у основания листовой пластинки - небольшой валик с рядом прямых волосков. Листья всегда поворачиваются ребром к ветру.

Стебель заканчивается крупной (до 50 см длиной), развесистой, густой, поникающей метёлкой, с тёмно-буроватыми или фиолетовыми, реже - желтоватыми колосками. Камыш - влаголюбивое растение, поэтому широко распространён на почвах с близким стоянием грунтовых вод. Обычно он встречается на болотах, зарастающих озёрах, заливных

В. Н. Макаров

лугах, по берегам рек и озёр, на богатых, часто засоленных почвах. Особенно много его в низовьях рек, где он нередко образует обширные заросли. Семена камыша распространяются ветром и водой. Кроме того, известно вегетативное размножение, осуществляющееся посредством столонов и корневищ [2]. С приходом холодов камыш обыкновенный остаётся зимовать в водоёме. Покрытый первым инеем, а потом и снегом, камыш шуршит на ветру своими высохшими стеблями (рис. 1).

В черте г Якутска - на побережье почти всех городских проток и озёр - распространены густые заросли камыша выше человеческого

Рис. 1. Стебли камыша зимой по берегам озёр в окрестностях г. Якутска

Рис. 2. Заросли камыша на городских водоёмах Якутска

роста (рис. 2). На озере Сайсары даже проводятся ежегодные общегородские соревнования по кошению камышей - «Куулэй».

В Якутске и его пригородах насчитывается несколько десятков озёр, наиболее крупными из которых являются Сайсары, Белое, Хомустах и Хатынг-Юрях (табл. 1). Котловины озёр в основном имеют плоское дно и слабо-выраженные склоны, заросшие камышом и осокой. Наполнение этих водоёмов происходит за счёт таяния снега и частично летне-осенних дождей. Характер распространения растительности в озёрах г Якутска относительно однороден. Макрофиты представлены следующими видами: тростник обыкновенный (которому принадлежит ведущая роль в зарастании озёр), манник, болотница болотная, хвощ, ряска, вех, бекмания, рогоз, многокоренник, вейник, сусак и череда. По данным Л. А. Пестряковой [3], в озере Сайсары, с зеркалом воды около 0,5 км2, растительность занимает примерно 19% площади.

В результате хозяйственной деятельности (строительство дорог, автомагистралей, дамб, засыпка и захламление берегов водотоков и водоёмов) изменены морфологические характеристики городских озёр, нарушена естественная связь между озёрами и

р. Леной. Застройка озёрных мелководий и отсутствие надёжной ливневой канализации привели к значительному загрязнению городских озёр и проточных каналов, многие из которых превратились в канавы (рис. 3).

В живом веществе мировой суши находятся практически все рассеянные элементы. Считалось, что для нормального развития высших растений необходимы 10 элементов: С, N Р, S, О, Н, К, Мд, Са и Fe. В настоящее время список химических элементов, необходимых растениям, значительно расширился и, в частности, за счёт металлов Мп, Си, Zn, Мо и др. Многие редкие и рассеянные химические элементы в малых количествах являются стимуляторами роста и развития растений: N Сг, РЬ, Ra и др. Транспирационная деятельность растений проявляется в избирательном поглощении определённых ионов (калия, натрия, кальция, хлора, сульфатов) из воды [4].

Некоторые элементы требуются растениям только в ограниченных количествах, а при более высоких концентрациях они токсичны. Критические пределы концентрации таких элементов меняются в зависимости от конкретных растений. По степени токсичности ядовитые элементы подразделяются на три класса

Таблица 1

Параметры крупных озёр г. Якутска

Параметры озёр Единица измерения Названия озёр

Хомустах Белое Сайсары Хатынг-Юрях

Площадь зеркала воды км2 0,238 0,670 0,490 0,255

Объём воды м3 460 000 1 936 000 1 300 000 280 000

Площадь водосбора км2 0,75 1,23 5,66 1,03

Глубина максимальная м 3,1 6,5 6,0 3,0

Глубина средняя м 1,94 2,89 2,65 1,1

Длина озера км 1,05 1,3 1,4 5,2

Длина береговой линии км 3,1 6,7 5,4 10,7

Ширина максимальная км 0,31 1,28 0,47 0,16

Рис. 3. Заросли камыша вдоль «проточных» каналов

(табл. 2): очень ядовитые (они пагубны для растений даже в небольших количествах), умеренно ядовитые и слабоядовитые.

Большой обзор литературы по вопросам поглощения и выделения элементов организмами в морских и континентальных водах был составлен Х. Боуэном [5]. Исследование поглощения 19 элементов разными видами растений (32 вида водорослей, биофитов и сосудистых водорослей) показали высокие значения фактора концентрации (табл. 3).

Для всех изученных элементов установлены высокие значения фактора концентрации. Наиболее интенсивно химические элементы поглощаются растениями из газообразной, а наименее интенсивно - из твёрдой фаз. По данным А. Л. Ковалевского [7], из водной среды

растения поглощают химические элементы в 3000 раз более интенсивно, чем из твёрдой фазы почвы, а из воздуха - в 10 раз интенсивнее, чем из водных растворов. При наличии заметных концентраций химических элементов в водных растворах или в воздухе они могут вносить существенный, а иногда и основной вклад в наблюдаемые в растениях содержания этих элементов.

Нахождение металлов в растениях указывает на присутствие их в почвах. Однако прямой зависимости между содержанием химических элементов в доступной (усвояемой) форме и общим их содержанием в почвах не существует, так как многие соединения макро- и микроэлементов находятся в почвах и подстилающих породах в труднодоступной форме.

Таблица 2

Химические элементы в растениях [5, 6]

Необходимые для нормального роста Сокращающие рост

макропитание микропитание очень ядовитые умеренно ядовитые слабоядовитые

Н, О, N Р, S, С1, С, К, Са, Мд Fe, Си, Мп, Zn, В, Мо и, возможно, другие элементы Ад, Ве, Си, Нд, Sn, Со, N РЬ и, возможно, другие элементы ^ S, As, В, С1, Мп, Мо, Sb, Se, V, W и другие элементы Вг, С1, J, Ge, N Р, S, Si, 71, , Sr, Мд, К

Таблица 3

Среднее значение фактора концентрации микроэлементов в 32 видах пресноводных растений [5]

Элементы Фактор концентрации Элементы Фактор концентрации Элементы Фактор концентрации

Са 265 Ge 305 Fe 4935

Cd 1620 Нд 5915 Б 165

Се 7100 J 370 Sr 475

Со 4425 Nb 7640 У 6880

Сг 695 Р 5480 Zn 4600

Cs 480 Ra 1230 Zr 6230

Примечание. Фактор концентрации - сравнение концентрации элемента в высушенных растениях с концентрацией этого элемента в растворе, в котором растения жили.

Рис. 4. Пункты биохимического опробования

ле

• НИИ IVI .',

Рис. 5. Корень и стебель камыша

На территории г Якутска биогеохимическое опробование камыша проведено лабораторией геохимии крио-литозоны ИМЗ СО РАН в прибрежной полосе озёр и городских каналов (рис. 4). Отбирались пробы стеблей и корней камыша (рис. 5), растущего на берегах озёр и городских каналов. Отбор проб был стандартизован: сохранялось постоянство вида ^гадте сот.), органов (стебли и корни) и времени (август) опробования. Масса отбираемых проб составляла около 50 г, что достаточно для выполнения анализа золы. Средняя величина зольности составила 3,74% в корнях и 2,12% - в стеблях тростника. Зольность камыша, произрастающего в городских каналах, примерно на 76% выше, чем в озёрах (табл. 4).

Характерной особенностью камышей является то, что их биологическая активность продолжается и в зимний период при температуре воды в городских озёрах от +0,6 до +1,9° С. Продолжается зимой активность и

корневой системы, так как температура донных отложений озёр не опускается ниже +2,1° С (табл. 5).

Среднее содержание микроэлементов в растениях суши и камышах г. Якутска показано в табл. 6. По сравнению с кларковыми значениями содержания микроэлементов в растительности суши, камыши Якутска интенсивно накапливают литофильные элементы (Т Li, Ga, Сг, W) и халькофильный РЬ.

Аномалии W и РЬ в камыше можно объяснить техногенным обогащением донных отложений городских озёр, в которых их концентрация значительно превосходит кларк осадочных пород. В то же время повышенное содержание в камыше комплекса литофильных элементов (Т Li, Ga и Сг), концентрация которых в донных отложениях заметно ниже кларковых, возможно, связано с избирательным поглощением камышом определённых элементов.

Таблица 4

Зольность корней и стеблей камыша, п = 34

Часть растения Содержание золы в сухом веществе, %

озёра каналы среднее

Стебли 1,84 (1,28 - 2,2) 2,40 (1,40 - 4,54) 2,12

Корни 2,60 (1,41 - 3,52) 4,87 (1,45 - 10,2) 3,74

Корни/Стебли 1,4 2,0 1,8

Таблица 5

Температура придонной воды и донных отложений озёр г. Якутска

Озеро Вода, донные отложения Глубина, м ^ 0 С Источник

Ытык-Кюель Вода 2,0 + 1,9 По данным В. В. Куницкого, И. В. Дорофеева, И. И. Сыромятникова

Ил (илистый суглинок) тёмно-серый, с горизонтальной и волнистой слоистостью за счёт прослоев песка, озёрный, талый 3,0 +3,2

4,0 +3,8

Тёплое Вода 3,0 + 1,6

Суглинок (ил) чёрный, с тонкими (0,5 - 2,5 см) прослоями песка и сильным гнилостным запахом, талый 4,0 +2,1

Супесь тёмно-серая, тяжёлая, с тонкими (0,3 - 3,0 см) прослоями мелкого песка, талая 5,0 +2,4

Сергелях Вода 2,0 +0,6

Суглинок коричневый, пластичный, талый 3,0 +2,5

Супесь тёмно-серая, лёгкая, слабозаиленная, с небольшими (до 8 - 10 см) прослоями коричневого суглинка, талая 4,0 +3,3

Сайсары Вода (ноябрь - март) 5,0 +2,2 - +3,2 [3]

Таблица 6

Кларковое содержание микроэлементов в растениях и среднее содержание в камышах, мг/кг

Химические элементы Растения суши [5, 7] Кларк наземных растений [8 - 10] Камыш*

и 0,1 0,1 9

Ве 0,1 - < 1

В 50 50,0 43,4

Р 2300 700,0 3867

Sc 0,008 0,008 < 5

И 1,0 1,0 542

V 1,6 1,6 7,6

Сг 0,23 0,23 15,8

Мп 630 60,0 1318

Со 0,5 0,5 1,0

1\П 3 3,0 9

Си 14 2,0 26,4

Zn 100 14,0 92

Ga 0,06 0,06 4,2

Ge - п 0,75

У - 0,1 < 10

Nb 0,02 0,3 < 5

Мо 0,9 0,9 2,6

Ад 0,06 0,06 0,25

Sn 0,3 0,3 1,0

Sb 0,06 - 0,7

1_а 0,085 0,085 < 100

W 0,07 - 1,9

РЬ 2,7 2,7 26,3

* Атомно-эмиссионный анализ выполнен в Центральной геологической лаборатории ГУГГП «Якутскгеология» (аттестат аккредитации № РОСС RU.0001.5m39).

Наблюдается существенная неравномерность распределения микроэлементов в надземной (стебли) и подземной (корни) фитомассе камыша (табл. 7).

Содержание микроэлементов в корневой системе намного превышает их количество в надземной фито-массе. В корневой системе камыша наблюдается максимальное накопление Ga, РЬ, Со, V и Сг, среднее содержание которых в корнях в 4 - 9 раз выше, чем в стеблях камыша.

Корневая система камышей, произрастающих вдоль городских каналов (канав), содержит повышенные концентрации микроэлементов по сравнению с озёрными растениями. В корневой системе «канавных» камышей накапливаются преимущественно халь-кофильные элементы - серебро, свинец, олово. Они

считаются очень ядовитыми, препятствующими росту растений.

Донные отложения озёр активно аккумулируют компоненты-загрязнители - РЬ, Си, Zn, Sn, Ад, ^ концентрация которых в последнее десятилетие значительно возросла. Степень загрязнённости донных отложений озёр города оценивается как умеренная, но в отдельных водоёмах загрязнение достигает опасного и даже чрезвычайно опасного санитарно-токсикологического состояния (табл. 8).

Для группы химических элементов, концентрирующихся в донных отложениях городских озёр, характерна энергичная и сильная (Р, Мп, Zn, В, Мо, Си, РЬ), а также средняя (Оа, Sn, Сг, N0 интенсивность биологического поглощения. Величина коэффициентов биологического

Таблица 7

Содержание микроэлементов в корнях и стеблях камыша, мг/кг

Химические элементы Корни

средн. мин. макс. средн. мин. макс.

и 10 5 30 8 5 30

Ве < 1 - - < 1 - -

В 49 20 100 31 20 50

Р 4600 1500 7000 3400 700 5000

Sc < 5 - - < 5 - -

И 740 300 1000 360 200 500

V 14 7 20 2,9 1 7

Сг 26 7 50 6,2 5 15

Мп 1700 1000 7000 725 500 1000

Со 1,5 0,5 3 < 0,3 0,5 -

1\П 10,2 3 15 7,9 3 15

Си 32 20 50 25 20 50

гп 130 70 200 67 20 100

Оа 6,8 3 10 0,75 0,5 7

Се 0,4 0,1 1 0,7 0,1 1,5

У < 10 - - < 10 - -

ЫЬ < 5 - - < 5 - -

Мо 3,3 1,5 5 2 1,5 3

Ад 0,29 0,1 0,7 0,15 0,1 0,3

Sn 1,1 0,5 5 0,62 0,5 5

Sb 1 1 15 < 0,5 - -

1_а < 100 - - < 100 - -

W 2,8 1 5 1 1 1

РЬ 35 7 150 5,2 2 20

Таблица 8

Санитарно-токсикологическое состояние донных отложений озёр г. Якутска [11]

Кларк концентрации Химические компоненты

Превышение над ПДКпочв

10 п Cd, As, Sb, РЬ

п Си, гп, Р, И, И, В, Мо, Сг

0,п Мп, V, 1\П, Со, Sn, Нд

Таблица 9

Санитарно-токсикологическое состояние озёрных вод [13]

Кларк концентрации Химические компоненты

Превышение над гигиеническими ПДК

10 п Мп

п Мд, С1, ЫН4, Ыа, БО4, мин.

Превышение над рыбохозяйственными ПДК

10 п Мп, Р, ЫН4, Ре, Ыа, Мд, Си

п Мо, V, Zn, РЬ, К, С1, БО4, Р, мин., ОЖ

поглощения этих элементов - Ах > 1. Большинство перечисленных элементов являются приоритетными загрязнителями донных отложений (см. табл. 8).

В корнях камыша, произрастающего в озёрах г. Якутска, концентрируется, примерно, в 10 раз больше Р, в 5 раз Мп и на 20 - 30% больше В, 7п и Мо, чем содержится этих элементов в донных отложениях озёр.

Поглощающая способность стеблей камыша меньше, чем корней: поэтому Р концентрируется в стеблях в 6 раз больше, а Мп, Ад и В на 15 - 40% больше, чем в донных отложениях озёр. В корневой и надземной системах камыша максимально накапливаются элементы энергичной и сильной интенсивности биологического поглощения (Р, Мп и др.). Биологическое концентрирование в корнях камыша элементов-загрязнителей озёрных экосистем способствует захоронению загрязняющих веществ в донных отложениях, предотвращая их вторичное поступление в воду.

Практически все городские озёра по критериям оценки химического загрязнения поверхностных вод оцениваются как относительно удовлетворительные (концентрация химических веществ 1-2 классов опасности) [12]. Однако ряд озёр по присутствию соединений

3-4 классов опасности в воде может быть отнесён к зонам чрезвычайной экологической ситуации и даже экологического бедствия (район Птицефабрики, оз. Хо-мустах) (табл. 9).

Одной из важных задач экологии озёрных систем города является снижение концентрации в воде токсичных соединений, в первую очередь Мп, Р, ЫН4, Ре, Ыа, Мд и Си.

Корневая и надземная системы камыша способны концентрировать большинство микроэлементов, накапливающихся в озёрных водах (рис. 6).

Повышение концентрации микроэлементов (РЬ, Мп, Си, 7п, Со, Мо) в воде озёр в 4 - 10 раз сопровождается увеличением содержания этих элементов в камыше: в корнях в 1,5 - 3 раза, в стеблях (для большей части компонентов) в 1,5 - 2, а для РЬ - в 6 раз. Возможно, что аномальная контрастность превышения концентрации этого элемента в стеблях над корнями камыша связана с интенсивным поглощением РЬ также и из газообразной фазы. В приземной атмосфере центральной части города концентрация аэрозолей свинца достигает 580 нг/м3 [14].

Важным является вопрос о максимальном количестве микроэлементов, накапливаемых водными

стебли, мг/кг 10000

1000

100

10

1

од 0,01

гЧп 7

Си ♦

РЬ<

Мо ¿Г

Ад / Со

вода

0,01 ОД 1 10 100 1000 ШООмкг/л

Рис. 6. Соотношение содержания микроэлементов в системе «камыш (стебли, корни) - вода»

в озёрах г. Якутска

Таблица 10

Максимальные количества металлов, накапливаемых водными растениями за вегетационный период

Cr Mn Co Ni Cu Zn Pb Источник

57,5 2 760 860 840 140 1 250 580 [15]

50 7 000 3 15 50 200 150 Якутск, камыш, корни

15 1 000 0,5 15 50 100 20 Якутск, камыш, стебли

растениями в условиях сильного загрязнения воды. Имеющиеся в литературе сведения противоречивы. Наиболее надёжные данные по максимальному количеству металлов, накапливаемых водными растениями, были получены Дж. Джексоном c соавторами [15]. Приведённые этим исследователем сведения близки к показателям большинства элементов в корневой системе камыша г Якутска (табл. 10). Исключение составляют кобальт и никель, концентрация которых в воде озёр города незначительна.

Полученные данные свидетельствуют о том, что корни и стебли камыша обладают высокой поглощающей способностью к растворённым в воде и накапливающимся в донных отложениях микрокомпонентам. В продолжительный зимний период биологическая активность камыша снижается, но не прекращается. В целом, заросли камыша представляют собой естественный эколого-биогеохимический барьер, который можно использовать как эффективное средство для очистки загрязнённых вод городских озёр.

Список литературы

1. Пестриков, С. В. Обоснование эффективности эколого-геохимического барьера с высшими водными растениями для доочистки сточных вод от ионов тяжёлых металлов / С. В. Пестриков [и др.] // Инженерная экология. - 2007. - № 2. - С. 21-28.

2. Губанов, И. А. Phragmites australis (Cav.) Trin. ex Steud. (P. communis Trin.) - Тростник обыкновенный, или южный / И. А. Губанов [и др.] // Иллюстрированный определитель растений Средней России. Т. 1. Папоротники, хвощи, плауны, голосеменные, покрытосеменные (однодольные) - М. : Изд-во КМК, Институт технологических исследований, 2002. - С. 285.

3. Пестрякова, Л. А. Диатомовые комплексы озёр Якутии / Л. А. Пестрякова. - Якутск : Изд-во ЯГУ, 2008. - 197 с.

4. Ковальский, В. В. Геохимическая экология / В. В. Ковальский. - М. : Наука, 1974. - 299 с.

5. Bowen, H. J. M. Trace Elements in Biochemistry / H. J. M. Bowen. - New York : Academic Press, 1966. -241 p.

6. Fortescue, J. A. C. Biogeochemistry, plant growth and the environment / J. A. C. Fortescue. - CIM Bull. -1971. - 64 (August). - Pp. 77-82.

7. Ковалевский, А. Л. Особенности формирования рудных биогеохимических ореолов / А. Л. Ковалевский. - Новосибирск: Наука, 1975. - 115 с.

8. Виноградов, А. П. Геохимия редких и рассеянных химических элементов в почвах / А. П. Виноградов // Геохимия. - 1962. - № 7. - С. 555-571.

9. Иванов, В. В. Экологическая геохимия элементов / В. В. Иванов // Редкие элементы. Кн. 3. Редкие р-элементы. - М. : Экология, 1996. - 352 с.

10. Добровольский, В. В. Некоторые аспекты загрязнения окружающей среды тяжёлыми металлами /

B. В. Добровольский // Биологическая роль микроэлементов. - М. : Наука, 1983. - С. 44-54.

11. Макаров, В. Н. Микроэлементы в донных отложениях озёр г. Якутска / В. Н. Макаров // Наука и образование. - 2010. - № 4 (60). - С. 57-62.

12. Критерии оценки экологической обстановки территорий для выявления зон чрезвычайной экологической ситуации и зон экологического бедствия. -М.: Мин-во охраны окружающей среды РФ, 1992. - 48 с.

13. Макаров, В. Н. Экогеохимия озёрных систем Якутска / В. Н. Макаров, А. Н. Слепцов, Г. П. Левченко // Озёра холодных регионов : материалы Международной конференции. Ч. 3. Гидрогеохимические вопросы. - Якутск : Изд-во Якутского ун-та, 2000. -

C. 117-125.

14. Макаров, В. Н. Эколого-геохимический мониторинг окружающей среды города Якутска / В. Н. Макаров // Наука и образование. - 2013. - № 3 (70). -С. 95-100.

15. Jeckson, J. J. Empirical composition on aquatic macrophyts and their underlying sediments / J. J. Jeckson, J. B. Resmussen, R. H. Petters [et al.] // Biogeochemistry -1991. - Vol. 12. - P. 71-86.

ЛФХШ муюшхмысяш

Все науки более необходимы, чем философия, но прекраснее нет ни одной.

Аристотель