Мониторинг содержания тяжелых металлов в высших водных растениях водоемов г. Гомеля, испытывающих различную антропогенную нагрузку

Для крупных городов с многопрофильной промышленностью характерно присутствие в окружающей среде не отдельного загрязнителя, а ассоциации загрязнителей, способных оказывать комбинированное действие на организм, при котором может наблю­даться как суммирование эффектов, так и их потенцирование [1]. Высшие водные растения удовлетворяют многим требованиям, предъявляемым к биоиндикаторам загрязнения водных экосистем тяжелыми металлами, среди которых повсеместная встречаемость, высокая чис­ленность, удобство сбора и обработки, относительно крупные размеры. Занимая прибреж­ную часть водоема, водные растения служат своеобразным барьером, предотвращающим проникновение в водоемы и водотоки недостаточно очищенных сточных вод.

Цель работы – анализ содержания тяжелых металлов в высших водных растениях во­доемов г. Гомеля, испытывающих различную антропогенную нагрузку.

Материалы и методы

Отбор проб высших водных растений производился с мая по август 2004-2017 гг. в водоемах г. Гомеля, различающихся по характеру антропогенной на­грузки. Для проведения сравнительной характеристики был выбран контрольный водоем (контроль), который не испытывает видимой антропогенной нагрузки и расположен на 15 км выше города по течению р. Сож. В процессе выполнения работы собраны макрофиты, широ­ко распространенные в водоемах Беларуси. Анализировалась надземная часть макрофитов. Пробы растений после тщательного ополаскивания последовательно высушивали до воз­душно-сухого состояния и озоляли до белой золы в муфельной печи при 450оС [2].

Содержание металлов в золе растений и донных отложений определяли атомно­эмиссионным спектральным методом на спектрофотометре РОБ-2 в лаборатории физико­химического анализа Республиканского унитарного предприятия «Белорусский научно­исследовательский геологоразведочный институт».

Результаты и их обсуждение

Поступление загрязнителей в водоемы городской зоны сопровождается изменением их содержания в различных компонентах водной экосистемы, в том числе и в высших водных растениях. При этом колебание содержания элементов в дон­ных отложениях и воде, изменение степени их биологической доступности по мере фикса­ции в составе донных отложений и включения в миграционные процессы биогеоценоза ото­бражается на многолетней динамике накопления этих элементов растениями.

В ходе исследований были получены данные по загрязненности тяжелыми металлами растений, произрастающих в водоемах г. Гомеля за период наблюдений с 2004 по 2017 гг. Необходимо отметить, что для нивелирования значительной вариабельности показателей у представителей различных водных растений было проведено усреднение результатов анали­за содержания металлов, обобщенные данные приведены на рисунках 1-6.

Проведенный анализ концентрации тяжелых металлов в растениях водоемов г. Гомеля показал, что, в целом, загрязнение растительности городских водоемов выше, чем контроль­ного водоема, расположенного вне зоны влияния промышленных предприятий и городского комплекса г. Гомеля. Наиболее существенная разница между содержанием металлов в расте­ниях городских водоемов и в контрольном водоеме обнаружена при анализе концентрации хрома и никеля. В среднем, за наблюдаемый период различия для данных металлов достига­ли 4-х кратного уровня, а максимальные различия составляли 6,2 раза. Также выявлено до­вольно существенное превышение контрольных уровней (в 2,0 раза и более) меди, цинка, ко­бальта и свинца для водной растительности водоемов г. Гомеля.

Анализируя годовую динамику содержания тяжелых металлов в растениях можно от­метить незначительное снижение загрязнения цинком и медью растений как водоемов город­ской черты, так и контрольного водоема с 2004 по 2014 гг. Однако за период исследований с 2015 по 2016 гг. ярко выражена тенденция повышения содержания меди и цинка в макрофи­тах всех изучаемых водоемов (рисунки 1, 2). Так, результаты мониторинга показали, что кон­центрация меди и цинка в растениях городских водоемов в 2016 г. возросла, в среднем, в 4,9 раза, по сравнению с данными, полученными в период с 2004 г. по 2015 г. Аналогичная за­кономерность обнаружена и при анализе содержания металлов в макрофитах контрольного водоема: концентрация меди и цинка в растениях повысилась, в среднем, в 5,5 раза.

Факт роста загрязнения растительности всеми изучаемыми металлами, выявленного в проведенных исследованиях как в водоемах, находящихся в зоне техногенного влияния, так и на относительно благополучной в экологическом аспекте территории объяснить затруднитель­но. Можно предложить, что существуют, по крайней мере, две причины, объясняющие повы­шенное в последние годы накопление изучаемых металлов водной растительностью. Во- первых, глобальные атмосферные выпадения веществ, содержащих тяжелые металлы. Извест­но, что значительная часть техногенных выбросов тяжелых металлов, поступающих в атмо­сферу в виде аэрозолей, может переноситься на большое расстояние и вызывать глобальное загрязнение [3]. Во-вторых, повышение накопления металлов в водных растениях может быть вызвано процессами, происходящими непосредственно в самих водоемах. Так, увеличение биодоступности тяжелых металлов в донных отложениях происходит при условиях, когда аб­сорбционная способность донных отложений исчерпывается и, кроме того, доступные формы различных загрязнителей переходят в воду, откуда легко поступают в ткани водных растений. Этому способствует повышение кислотности воды, сильное зарастание водоемов, интенсифи­кация выделения СО 2 в результате деятельности микроорганизмов. Изменение биологической доступности соединений металлов в компонентах водоемов могло быть вызвано снижением уровня воды в водных экосистемах г. Гомеля по данным гидрометеоцентра с 2013 по 2016 гг. практически на 1,2 метра, а в некоторых водоемах и более (максимальное падение уровня воды отмечено в 2016 г.), что повлекло за собой изменение физико-химических показателей состояния водоема [4]. В донных отложениях водных экосистем в данный период содержание металлов сни­зилось [5]. Вероятнее всего, произошло перераспределение соединений металлов в компонентах водоема и из донных отложений они перешли в водные массы водоема в доступных для живых организмов формах. Для проверки данных гипотез необходимы дополнительные исследования.

В 2017 г. содержание меди и цинка в растениях всех изучаемых водоемов значительно снизилось, что также может быть связано с погодными условиями, в частности, с увеличением количества осадков, и, следовательно, поступлением большого количества поверхностного стока в водоем, что вызывает так называемый «эффект разбавления» загрязненной воды водоема. Но с поверхностным стоком в водоемы могут поступать новые «порции» загрязненных веществ. Как было сказано выше, все это требует более детального изучения. Для других металлов, за исклю­чением свинца, снижение их концентрации в растениях после 2016 г. не отмечалось.

Содержание кобальта в растениях как городских водоемов, так и в контрольном водо­еме резко снижалось в период с 2004 г. по 2012 г. и в 2014 г. было ниже предела обнаруже­ния (рисунок 3). Этот факт однозначно свидетельствует о снижении техногенного воздейст­вия на водоемы исследуемой территории. Но с 2015 г. концентрация металла в макрофитах начинает увеличиваться, и в дальнейшем отмечена тенденция к незначительному росту со­держания кобальта в растениях городских водоемов и контрольного водоема.

Концентрация хрома в растениях водоемов города до 2015 г. резко снижалась, различия в содержании металла в макрофитах в 2004 г. и в 2014 г. составляли 6 раз (рисунок 4), но в контрольном водоеме отмечался рост концентрации хрома до 2014 г. (в 1,8 раза выше, в сравнении с 2004 г.). В литературе описываются примеры, когда в экосистемах с низким со­держанием загрязнителей в абиотических компонентах живые организмы накапливали ток­сиканты до высоких уровней, тогда как в загрязненных системах организмы включали меха­низм блокировки и токсиканты поступали избирательно в ткани животных и растений и уро­вень концентрации поллютантов был гораздо ниже, чем в чистых зонах [6]. Начиная с 2015 г. в городских водоемах отмечался рост содержания хрома в растениях, тогда как в контроль­ном водоеме с 2014 г. резко снижалась концентрация соединений металла и в 2015 г. в мак­рофитах уровень содержания хрома был ниже предела обнаружения. Такое разнохарактерное изменение в концентрации вышеназванного металла в растениях водоемов города и кон­трольного водоема, скорее всего, связано с внутриводоемными процессами и, в меньшей сте­пени, с характером антропогенной нагрузки, которую испытывают водоемы.

Для никеля, как и для других металлов, характерно уменьшение содержания в макро­фитах изучаемых водоемов до 2014 г. (рисунок 5). И если для растений контрольного водо­ема, расположенного вне зоны техногенного воздействия, концентрация уменьшилась к 2012 г., в среднем, в 2,2 раза, то для водоемов зоны воздействия промышленных предпри­ятий Гомеля снижение содержания составило 11,7 раза, что свидетельствует, как и в случае с кобальтом, о снижении поступления соединений никеля в изучаемые водоемы. К 2014 г. кон­центрация металла в макрофитах всех водоемов настолько уменьшилась, что стала ниже предела обнаружения, но в 2016 г. уровень содержания никеля в растениях непроточных во­доемов города с малой площадью водного зеркала вырос до 4,2 мг/кг сухой массы, а в сред­нем до 3,2 мг/кг. В контрольном водоеме рост концентрации металла в растениях был не столь значителен, и концентрация достигла величины 1,7 мг/кг сухой массы.

Уровень загрязнения свинцом растений городских водоемов с 2004 г. по 2015 г. снизился практически в 6,0 раз, а для растений контрольного водоема – в 4,5 раза (рисунок 6). Однако, как и для всех металлов, в 2016 г. наблюдалось увеличение содержания элемента в растениях пример­но в 2,5 раза. Также, как и для меди и цинка, содержание свинца снизилось к 2017 г. Возможно, медь, цинк и свинец поступали в растения в большей степени вследствие протекания в водоемах сложных процессов перераспределения соединений металлов между водой и донными отложе­ниями при значительном снижении уровня воды в водных экосистемах. Известно, что при опреде­ленных условиях донные отложения могут выступать источниками вторичного загрязнения водо­емов, причем металлы выходят из донных отложений в формах более доступных для биоты, чем поступают в водоемы извне [7]. Остальные изучаемые металлы поступали в растения исследуе­мых водоемов не только из донных отложений, но и имели приток извне с поверхностным сто­ком, а также с загрязненными сухими и влажными осаждениями на поверхность водоема.

В общем случае взаимосвязь и взаимовлияние тяжелых металлов в процессе накопле­ния их растениями можно охарактеризовать с помощью корреляционных соотношений кон­центраций данных элементов. Для расчетов значений коэффициентов корреляции использо­вались усредненные данные содержания металлов в растениях всех обследуемых водоемов. Полученные коэффициенты корреляции для растительности городских водоемов и кон­трольного водоема приведены в таблицах 1 и 2. Из таблицы 1 видно, что у растений, произ­растающих в водоемах городской черты, существуют достаточно четкие взаимосвязи содер­жания металлов. Высокая степень прямой корреляционной связи наблюдалась между содер­жанием меди и цинка (г = 0,74), никеля и свинца (г = 0,96), никеля и хрома (г = 0,93); никеля и кобальта (г = 0,71), свинца и хрома (г = 0,94), хрома и кобальта (г = 0,91).

Таблица 1 – Значения коэффициента корреляции г между содержанием изучаемых металлов в водных растениях водоемов г. Гомеля

Таблица 2 – Значения коэффициента корреляции г между содержанием изучаемых металлов в водных растениях контрольного водоема

Очевидно, существует высокая степень синергизма в потреблении данных элементов растениями. В то же время отмечены отрицательные корреляционные связи между медью, с одной стороны, и свинцом, никелем, хромом, кобальтом – с другой (значение коэффициент корреляции г составляет -0,44; -0,33; -0,41; -0,58 соответственно). Также характеризуются противоположными тенденциями в накоплении растениями цинк и кобальт, цинк и хром. Для пар цинк-свинец и цинк-никель корреляция не установлена (г = 0,07 и 0,02 соответст­венно). Аналогичные закономерности выявлены при анализе корреляционных связей в нако­плении металлов растениями из контрольного водоема (таблица 2).

На основании результатов корреляционного анализа можно сделать вывод, что сущест­вуют, по крайней мере две группы металлов, характеризующиеся различными механизмами накопления водной растительностью: группа I – цинк и медь, группа II – кобальт, хром, ни­кель, свинец. Таким образом, данные корреляционного анализа также подтверждают пока­занную выше разнонаправленность процессов, влияющих на динамику содержания тяжелых металлов в высшей водной растительности водоемов г. Гомеля.

Заключение

Проведенный анализ динамики содержания тяжелых металлов в высших водных растениях, произрастающих в водоемах г. Гомеля, показал, что за период с 2004 г. по 2017 г. концентрация в растениях всех анализируемых металлов претерпела существенные изменения. Для кобальта, хрома, никеля и свинца отмечено однонаправленное снижение уровня содержания в растениях водоемов до 2014 г. независимо от характера антропогенной нагрузки, оказываемой на водоем (исключение – хром в макрофитах контрольного водоема), что может объясняться снижением техногенного воздействия на водные экосистемы. Необ­ходимо отметить заметный рост загрязнения кобальтом, хромом и никелем растений как во­доемов городской черты, так и контрольного водоема в период с 2015 по 2017 гг., а для свинца, меди и цинка с 2015 по 2016 гг. Данный факт требует дальнейших более детальных исследований, но можно предположить, что в большей степени, чем техногенное воздейст­вие на повышение содержания свинца, меди и цинка в 2016 г. и дальнейшее снижение их концентрации в 2017 г. (что не отмечено для других изучаемых металлов) повлияли внутри­водоемные процессы перераспределения металлов между водой и донными отложениями, вызванные падением уровня воды в исследуемых водных экосистемах.

Растения городских водоемов загрязнены соединениями металлов в большей степени, чем в контрольном водоеме, что указывает на влияние Гомельского промышленного ком­плекса на экосистемы города.

Обнаружена высокая степень прямой корреляционной связи между содержанием в водных растениях меди и цинка, никеля и свинца, никеля и хрома, никеля и кобальта, свинца и хрома, хрома и кобальта. Исследованиями установлено, что существуют две группы метал­лов, характеризующиеся различными механизмами накопления водной растительностью: группа I – цинк и медь; группа II – кобальт, хром, никель и свинец. Полученные корреляци­онные зависимости могут быть использованы при проведении эколого-химической оценки степени загрязнения водоемов тяжелыми металлами.

Литература

1. Безель, В. С. Химическое загрязнение среды: вынос химических элементов надземной фитомас­сой травянистой растительности / В.С. Безель, Т.В. Жуйкова // Экология. – 2007. – № 4. – С. 259-267.
2. Никаноров, А.М. Биомониторинг тяжелых металлов в пресноводных экосистемах / А.М. Ни­каноров, А.В. Жулидов, А.Д. Покаржевский. – Л.: Гидрометеоиздат, 1985. – 143 с.
3. Баглаева, Е.М. Пространственная структура техногенного загрязнения снегового покрова промышленного города и его окрестностей растворимыми и нерастворимыми формами металлов / Е.М. Баглаева, А.П. Сергеев, А.Н. Медведев // Геоэкология. Инженерная геология. Гидрогеология. Геокриология. – 2012. – № 4. – С. 326-335.
4. Интернет-портал республиканского центра по гидрометеорологии, контролю радиоактивного загрязнения и мониторингу окружающей среды [Электронный ресурс] / Министерство природных ресурсов и охраны окружающей среды Республики Беларусь. – Режим доступа : http://www.pogoda.by/gidroarchive. – Дата доступа: 03.08.2017.
5. Макаренко, Т.В. Динамика содержания тяжелых металлов в донных отложениях и водных растениях р. Сож в районе Гомеля / Т.В. Макаренко, А.С. Косматьков // Журн. Белорус. гос. ун-та. Экология. – 2018. – № 1. – С. 48-60.
6. Головатый, С.Е. Научные основы минимизации накопления тяжелых металлов в растение­водческой продукции на дерново-подзолистых почвах : автореф. дис. … д. сельскохоз. наук : 06.01.04 / С.Е. Головатый ; НИРУП Ин-т почвовед. и агрохим. НАН Беларуси. – Минск, 2003. – 47 с.
7. Болдырев, К.А. Методика расчета выхода тяжелых металлов из слоя донных отложений во­доемов / К.А. Болдырев, В.В. Кузьмин, Н.П. Куранов // Водоснабжение и санитарная техника. – 2016. – № 6. – С. 43-47.

Автор: Т.В. Макаренко
Источник: Известия Гомельского государственного университета имени Ф. Скорины. Сер.: Естественные науки. — 2019. — № 6 (117). С. 61-67.