Курсовая  работа 

"Особенности накопления тяжелых металлов высшими водными растениями водоемов и водотоков г. Гомеля и прилежащих территорий" 
 

 

     Введение 

     Для того чтобы противостоять избыточному  поступлению тяжелых металлов в  организм, растения располагают системой защитных реакций и механизмов, выработанных в процессе эволюции а также в ответ на изменение среды обитания. При поступлении тяжелых металлов из почвы в растения первый барьер на их пути – это корневая система. Избыточная аккумуляция металлов разными видами растений ограничивается избирательной способностью корневого поглощения по отношению к определенным элементам [1, 2].

     Из  литературных источников известно, что  при незначительном содержании химических элементов в почвах растения поглощают все доступные для них формы соединений. При высоких концентрациях веществ в почвах у растений наблюдается насыщение химическим элементом, при котором его количество в растениях может оставаться на определенном уровне или даже снижаться при дальнейшем увеличении содержания элемента в почве [3]. В работе [4] указывается, что линейная зависимость аккумуляции металлов в системе почва-растение наблюдается только в диапазоне малых концентраций микроэлементов в среде произрастания. При высоких концентрациях наблюдается обратная зависимость – чем выше содержание элемента в среде, тем ниже степень его поглощения [4].

     Принимая  во внимание вышесказанное, для характеристики процессов накопления загрязнителей в растениях используют не только абсолютные содержания веществ в растительных тканях, но и значение коэффициента биологического поглощения или коэффициент накопления элементов [5]. Коэффициент накопления элемента – это величина, которая рассчитывается как отношение концентрации элемента в золе водных растений к его содержанию в донных отложениях: 

     К_н = С_раст./С_д.о.

 

      Коэффициент накопления свидетельствует  о наличии факта «контроля» со стороны растений за поступлением загрязнителей в метаболически важные центры и позволяет косвенно судить о степени доступности элемента в среде обитания для растительных организмов и о поведении поллютантов в системе «среда обитания - растение».

     По  величине аккумуляции металлов макрофиты  условно подразделяют на макро-, микро- и деконцентраторы [6]. К макроконцентраторам относят растения с К_н > 2, к микро – с К_н =1–2 и к деконцентраторам – с К_н <1. Один и тот же вид при разных уровнях содержания металлов в донных отложениях может одновременно относиться к разным классификационным группам. По характеру накопления и распределения металлов в зависимости от содержания их в среде обитания растения также делят на 3 группы [7]: 1) «накопители» - характеризуются повышенным содержанием металлов в органах независимо от концентрации последних в среде обитания (К_н >1); 2) «индикаторы» - поглощение металлов пропорционально их концентрации в среде обитания (К_н =1); 3) у «исключителей» концентрация данного металла поддерживается на постоянно низком уровне независимо от внешних концентраций (К_н <<1). Предполагается, что механизмы устойчивости растений к токсичности отдельных тяжелых металлов действуют независимо один от другого. Для растений характерно наличие активной «внутренней» детоксикации соединений металлов. Растения разных групп различаются местом, где происходит обезвреживание: у «накопителей» оно осуществляется, главным образом, в надземной части, а у «исключителей» – в корнях.

 

      Материалы и методы

 

     Отбор проб донных отложений и высших водных растений производился с мая по август 2000 г. в водоемах г. Гомеля и прилегающих территорий, различающихся по степени антропогенной нагрузки. Пробы растений (надводную часть) после тщательного ополаскивания последовательно высушивали до воздушно-сухого, затем абсолютно сухого состояния и озоляли до белой золы в муфельной печи при 450^оС [8]. Донные отложения отбирали с помощью дночерпателя Боруцкого, высушивали до воздушно-сухого, затем абсолютно сухого состояния и озоляли до белой золы в муфельной печи при 450^оС [8]. Содержание металлов в золе растений и донных отложений определяли атомно-эмиссионным спектральным методом на спектрофотометре IGSM в лаборатории физико-химического анализа Института геологических наук НАН Беларуси (аналитик И.Н. Тетерева).

     В процессе выполнения работы собраны  макрофиты, широко распространенные в  водоемах Беларуси, которые относятся к 4 экологическим группам: I – свободноплавающие неприкрепленные – ряска малая (Lemma minor L.) и водяной орех (Trapa natans L.); II – плавающие прикрепленные растения – кубышка желтая (Nuphar luteum (L) Sm.) и горец земноводный (Polygonum amphibium L.); III – подводные (погруженные) растения – элодея канадская (Elodea canadensis Rich.), роголистник погруженный (Ceratophyllem demersum L.), рдест пронзеннолистный (Potamogeton perfoliatus L.); IV – надводные (земноводные или воздушно - водные) растения – стрелолист обыкновенный (Sagittaria sagittifolia L.), сусак зонтичный (Butomus umbellatus L.), частуха подорожниковая (Alisma peantago-aquatica L.), манник наплывающий (Gluceria fluitans), болотница болотная (Eleocharis palustris), камыш озерный (Scirpus lacustris L.), тростник обыкновенный (Phragmites communis Trin) [9].

 

     Результаты и их обсуждение 

     Проведенные исследования показывают значительные различия в накоплении металлов из донных отложений у изучаемых видов водных растений (табл. 1). Например, погруженные растения III группы, отобранные в оз. Дедно, накапливают свинец из донных осадков до уровней, которые 4 раза выше, чем у надводных растений IV группы и в 10 раз выше в сравнении с растениями II группы. Такая же тенденция при накоплении металла наблюдается для представителей других водоемов опробования, в которых произрастают плавающие прикрепленные растения – коэффициенты накопления свинца макрофитами III и IV групп в 2, 5 - 5 раз выше таковых у растений II экологической группы (за исключением старицы). Погруженные растения III группы аккумулируют свинец в количествах, которые в 1, 4 - 1, 8 раза выше в сравнении с воздушно-водными макрофитами IV группы. У растений из загрязненного оз. Волотовского различие между значением К_н элемента у погруженных и воздушно-водных представителей составляет 23 раза. Полученные данные подтверждают предположение о том, что доступность свинца из донных осадков для растений зависит от их биологии, позволяющей регулировать его содержание в различных видах даже при одинаковом количестве металла в грунтах исследуемых водоемов. Исходя из предложенных ранее классификаций, все изучаемые виды макрофитов относятся к деконцентраторам и «исключителям» свинца. Как видно из рисунка 1, при низких концентрациях элемента в донных отложениях у водных растений отмечаются высокие значения коэффициентов накопления. Примером может служить накопление свинца растениями старичного комплекса. Грунты старицы у д. Поляновка характеризуются низкими концентрациями металла, а К_н свинца водными растениями имеют высокие значения. По мере увеличения содержания элемента в осадках водоемов коэффициент накопления у всех видов растений уменьшается, т.е. все меньшая доля содержащегося в донных грунтах токсиканта переходит в корневые системы. Вышесказанное свидетельствует о наличии некоторого механизма защиты у растений, ограничивающего 

     Таблица 1. Коэффициенты накопления металлов растениями разных экологических групп в зависимости от их содержания в донных отложениях водоемов

     

 

      Свободное поступление поллютантов в органы растений. Одним из таких механизмов, вероятно, является корневой барьер. Благодаря корневому барьеру при повышении концентрации металла в грунте величина К_н изменяется незначительно. Минимальные значения коэффициентов накопления свинца отмечены для водных растений оз. Круглое, осадки которого содержат максимальное количество металла. У макрофитов данного водоема наблюдается насыщение свинцом, и дальнейшее его поступление в органы растений может привести к срыву регуляторных процессов и гибели растений. Исключение составляют растения, произрастающие в оз. Малое, значения К_н для которых повышаются при увеличении металла в донных осадках, что не соответствует тенденции для остальных водоемов. При достаточно высоких концентрациях элемента в донных отложениях барьерная функция, скорее всего, нарушается, и любое повышение концентрации свинца в грунтах ведет к пропорциональному накоплению его корнями растений. 

     

     Рис. 1. Коэффициенты накопления свинца в растениях различных экологических групп

 

      По нашим оценкам, пороговые концентрации свинца в донных отложениях водоемов, при достижении которых происходит скачкообразный переход функционального  состояния растения (в том числе  способность аккумулировать тяжелые  металлы) на новый уровень устойчивости, находятся в диапазоне от 20 до 25 мг/кг сухой массы. По величине коэффициентов накопления свинца для растений разных экологических групп можно выстроить следующий ряд: К_{н III гр.} > К_{н IV гр.} > К_{н II гр}. Погруженные виды растений III группы поглощают элемент интенсивнее надводных и прикрепленных растений с плавающими листьями. Но многие виды погруженных макрофитов III группы неоднозначны как объекты водного мониторинга, поскольку на протяжении вегетационного сезона могут менять источники поступления вещества в свои ткани.

     Похожая картина наблюдается при накоплении меди в тканях изучаемых видов  водных растений. В диапазоне низких концентраций металла в донных отложениях (старица у д. Поляновка) отмечаются максимальные значения коэффициентов накопления меди растениями (К_{н II гр.} = 0.81; К_{н III гр.} = 3.78; К_{н IV гр.} = 0.798). Представители II группы, произрастающие в старице, аккумулируют металл в 3-14 раз интенсивнее в сравнении с растениями той же группы из всех остальных водоемов опробования (для оз. Круглое и старицы различия в значении К_н достигают 100 раз). Погруженные виды растений (III гр.) накапливают медь из грунтов старицы до уровней, которые в 6 - 14 раз выше, чем у растений данной группы из других водоемов (для оз. Круглое и старицы различия составляют 19 раз, для оз. Малое - 42 раза). Значения К_н элемента у представителей IV группы старицы в 4 -5 раз выше по сравнению с другими водоемами (для оз. Круглое различия составляют 18 раз, для оз. Волотовское - 30 раз). Погруженные виды растений старицы накапливают медь из грунтов почти в 5 раз интенсивнее, чем остальные водные растения данного водоема. В оз. Волотовское, где дно загрязнено металлами, значения К_н у растений III группы в 21 раз выше, в сравнении с плавающими прикрепленными и воздушно - водными растениями. В озерах Малое, Дедно, Шапор, наоборот, растения IV группы поглощают металл в количествах, которые в 2 раза выше, чем у погруженных макрофитов. По мере увеличения концентрации меди в осадках водоемов, значения коэффициентов накопления элемента в растениях уменьшаются (рис. 2). Грунты оз. Круглое содержат медь в максимальных количествах, а коэффициенты накопления металла макрофитами всех трех групп, как и в случае со свинцом, имеют самые низкие, по сравнению с другими водоемами, значения. 

     

     Рис. 2. Коэффициенты накопления меди в растениях различных экологических групп 

     Макроконцентраторами  и «накопителями» меди являются погруженные виды растений III группы, произрастающие в старице. «Индикаторами» элемента можно назвать растения III и IV групп из р. Сож ниже города (д. Ченки), растения III группы из озер Дедно, Шапор, а также растения II и III групп из старицы у д. Поляновка. Остальные макрофиты являются деконцентраторами данного металла. Ряд накопления меди водными растениями имеет вид: К_{н III э.г.} ³ К_{н IV э.г.} > К_{н II э.г}, хотя значения коэффициентов накопления меди у воздушно - водных растений IV группы, в некоторых случаях, были выше, чем у погруженных растений III группы. По нашим предположениям, критические пороговые концентрации меди для растений в донных отложениях находятся в диапазоне от 13 до 20 мг/кг сухой массы. На низкую биодоступность элемента в условиях техногенного загрязнения почв указывают А. Кабата-Пендиас и Х. Пендиас в обзорной работе, посвященной проблеме поведения микроэлементов в системе почва-растение [4].

     Коэффициенты  накопления марганца растениями II и III групп, произрастающих в изучаемых водоемах различаются в 4-6 раз, а в р. Сож у д. Ченки – в 26 раз. Для макрофитов III и IV групп различия составляют 2-7 раз, в старице – 13 раз, в оз. Волотовское – 56 раз. Это говорит о разной поглотительной способности растений различных экологических групп по отношению к металлу даже при одинаковых условиях произрастания. По содержанию марганца подавляющее число макрофитов из всех экологических групп отнесены нами к макроконцентраторам и «накопителям», особое место среди которых занимают плавающие прикрепленные растения из оз. Дедно и р. Сож (д. Кленки), а также погруженные растения из р. Сож (д. Кленки) и старицы. К микроконцентраторам и «индикаторам» элемента относятся погруженные виды растений оз. Володькино, р. Сож (д. Ченки), озер Любенское и Малое а также надводные растения озер Дедно, Шапор и старицы. Деконцентраторами и «исключителями» марганца являются растения всех экологических групп Гребного канала, прикрепленные плавающие растения оз. Круглое и р. Сож (д. Кленки), воздушно - водные растения р. Сож (д. Кленки), озер Круглое, Волотовское и Малое. Из числа макроконцентраторов выделяются своей способностью аккумулировать металл погруженные виды растений, произрастающие в р. Сож выше города. У растений на данном участке реки, где определено самое низкое содержание элемента в донных отложениях, отмечены самые высокие коэффициенты накопления металла (рис. 3). По мере увеличения концентрации марганца в донных осадках водоемов, значения коэффициентов накопления уменьшаются и достигают минимума при максимальных содержаниях элемента в грунтах р. Сож у д. Ченки. Ряд накопления металла изучаемыми растениями выстраивается следующим образом: К_{н III э.г.} > К_{н IV э.г.} > К_{н II э.г} Критические пороговые концентрации марганца в донных отложениях находятся в диапазоне от 500 до 700 мг/кг сухой массы.