Малые водоемы и водотоки мегаполиса испытывают многофакторное антропогенное воздействие в виде промышленного, транспортного и коммунально-бытового загрязнения, а также изменений гидрологического режима в результате нарушения природного ландшафта водосборных территорий. При этом городские водоемы используются населением как рекреационные объекты и служат важным компонентом экологического каркаса города. Поэтому оздоровление (ремедиация) их экосистем является актуальной и практически значимой задачей современной урбоэкологии и прикладной гидроэкологии [15].
Одним из путей решения этой задачи является использование биоремедиационного потенциала высшей водной растительности, активно участвующей в процессах биологического самоочищения водоемов. Многие водные макрофиты в комплексе с биопленками микроорганизмов способны достаточно эффективно поглощать и утилизировать комплекс загрязняющих веществ, таких как биогенные элементы, тяжелые металлы, нефтепродукты, пестициды и синтетически поверхностно-активные вещества [2, 4, 7–11, 13, 14, 16].
Высшие водные растения выполняют следующие значимые санитарно-экологические функции в водоемах:
– газовую (насыщают воду кислородом и поглощают углекислоту при фотосинтезе);
– окислительную (окисляют органические вещества, способствуя их биодеструкции);
– седиментационную (способствуют улавливанию и осаждению взвешенных частиц);
– поглотительно-аккумуляционную (поглощают и ассимилируют биогенные элементы, тяжелые металлы и некоторые органические вещества);
– детоксикационную (иммобилизуют и преобразуют токсиканты в нетоксичные);
– экзометаболическую (образуют и выделяют в воду биологически активные вещества, в том числе фитонциды);
– илонакопительную (образуют детрит и способствуют накоплению органических веществ в донных отложениях);
– экотопическую (создают субстраты, убежища и местообитания для эпифитонных, планктонных, бентосных и нектонных видов) [6; дополнения авторов].
Одним из эффективных способов очистки загрязненных природных водоемов, а также доочистки сточных вод в современных экономических условиях является создание болотных экосистем и биологических прудов с конструированием полос биоплато с околоводной, прибрежно-водной и погруженной высшей водной растительностью («сконструированные ветланды»). Широко используются биотехнические сооружения из камыша с тростником для очистки хозяйственно-бытовых сточных вод и для очистки загрязненного поверхностного стока [1, 14].
В Ирландии (г. Вильямстоун) успешно эксплуатируется система совместной очистки хозяйственно-бытовых сточных вод (72 %) и поверхностного стока (28 %), сконструированная в виде трех мелководных бассейнов, два из которых засажены камышом и рогозом, а третья представляет собой биопруд с плавающими водными растениями: водным гиацинтом и ряской. Степень очищения воды составляет в среднем: 48 % по БПК, 83 % по взвешенным веществам, 51 % по общему азоту, 13 % по общему фосфору, 99 % по патогенным микроорганизмам [7].
Поскольку загрязнение поверхностных водоемов в мегаполисе носит комплексный характер, обусловливающий сложный химический состав и хроническую токсичность, необходим подбор видов водных макрофитов, способных при этом расти, размножаться и эффективно очищать воду. К числу таких растений, устойчивых к промышленному загрязнению, относится южноамериканский гидрофит – водный гиацинт (Eichhornia crassipes Martius) [5, 8, 13].
Экологические особенности водного гиацинта следующие:
– светолюбивый (> 1 клк);
– теплолюбивый (рост и размножение: +16–33 °С, оптимум: +25–29 °С, гибель: +4 °С);
– размножение вегетативное с очень высокой скоростью (до 70 раметов в месяц);
– способность расти и размножаться в воде с высокой концентрацией токсикантов и биогенных элементов, вызывающих гибель других водных растений;
– высокая эффективность поглощения и биоаккумуляции токсикантов и биогенов;
– выделение в воду биологически активных веществ, ингибирующих рост микроводорослей и патогенных бактерий [5, 8, 12, 17].
Эйхорния ускоряет процесс бактериального разложения нефтепродуктов и органических токсикантов (фенолов, хинонов и др.) за счет выделения корневой системой стимуляторов роста нефте- и фенолокисляющих бактерий [4].
В средней полосе России водный гиацинт используется на биологических очистных сооружениях в условиях искусственного подогрева. Его использование для фиторемедиации ограничено летним периодом с температурой воды не ниже +15 °С. Гибель растения при температуре воды ниже +5 °С обусловливает невозможность образования гиацинтом в открытых водоемах умеренной зоны постоянных популяций, что гарантирует экологическую безопасность его сезонной акклиматизации в природные водоемы для биоремедиации [8].
Цель работы: оценить параметры роста и размножения водного гиацинта в условиях акклиматизации в летний сезон на малой реке Левинке г. Нижнего Новгорода.
Этапы выполнения работы включали следующее:
1) выбор контрольных станций с разными биотопическими условиями и составом сообществ водной растительности;
2) высадка в водоем водного гиацинта на экспериментальной площадке;
3) оценка количественного развития аборигенной водной растительности;
4) оценка скорости роста и размножения акклиматизированного водного гиацинта.
Результаты исследования и их обсуждение
Исследования проводились в июне ? июле 2015 г. на участке среднего течения малой реки Левинки на семи контрольных станциях (рисунок, табл. 1).
Река Левинка – правый приток р. Волги – протекает по густонаселённой территории трёх районов города. Имеет площадь водосбора 11,6 км2 и длину 6,1 км. На расстоянии 3,2 км от устья в р. Левинку с левого берега впадает главный приток – р. Параша, имеющая длину 7,5 км и сопоставимый объем стока. Исследуемые малые реки испытывают значительное хозяйственно-бытовое и автотранспортное загрязнение, а река Параша – также зоогенное эвтрофирование от зоопарка. К числу их основных загрязняющих веществ относятся: железо, марганец, цинк, медь, аммоний, фосфаты, нефтепродукты, СПАВ, легкоокисляемые органические вещества [3].
Скорость течения на речном участке реки (ст. 2) в июне ? июле составляла 0,3–0,35 м/с, а на прудовом (ст. 3–7) – < 0,1–0,2 м/с. Температура воды варьировала от 18 до 23 °С. Глубина реки по станциям изменялась от 0,5 до 1,5 м, в среднем составила 0,83 ± 0,15 м. Прозрачность воды по белому диску была низкой: в среднем: 0,58 ± 0,05, варьировала от 0,37 до 0,77 м. Содержание кислорода в воде днем варьировала от 6,9 до 7,6 мг/л [15].
Для описания водной растительности исследуемого участка р. Левинки использовался метод пробных гидроботанических площадок в выделенных биотопах с относительно однородными экологическими условиями. В зависимости от площади однородного биотопа гидроботанические описания проводили на трех или пяти площадках по 4 м2, расположенных в шахматном порядке на акватории 100 м2. Определяли видовой состав, баллы обилия по шкале Друде и процент проективного покрытия вида, выделяли виды-доминанты и субдоминанты гидрофитов.
Результаты описания сообществ водных макрофитов исследуемого участка малой реки представлены в табл. 1.
Схема расположения станций отбора проб на реке Левинке
В устьевом участке реки Параши (ст. 1) высшая водная растительность отсутствовала. В реке Левинке в районе впадения р. Параши (ст. 2) на мелководном расширении русла наблюдалось массовое развитие кубышки желтой и многокоренника. В начале прудового расширения реки Левинки (ст. 3) значительную часть водного зеркала занимала ассоциация тростника обыкновенного (10 ? 8,5 м), выдающаяся с правого берега более чем на середину русла. Кубышка жёлтая и белокрыльник болотный встречались редко. Протяженный участок ст. 5 (ширина около 21,5 м) характеризовался доминированием рдеста плавающего (около 80 %) вдоль правого берега. Станция 6 оконтурена полосой плавающей растительности из рдеста плавающего и кубышки жёлтой, а также присутствием рдеста туполистного и рдеста нитевидного. Соотношение покрытия рдеста плавающего и кубышки жёлтой 70/30 %. На приплотинном мелководном участке (ст. 7) водная поверхность обильно покрыта кубышкой жёлтой. Встречаются небольшие вкрапления пузырчатки, манника наплывающего, стрелолиста обыкновенного.
Большинство видов водных макрофитов, выявленных на участке реки, относятся к эвтрофным ?-мезосапробам, индикаторам стоячих и малопроточных вод. Интересным исключением был Potamogeton filiformis Pers. (рдест нитевидный), который обычно приурочен к олиготрофным водоёмам и водотокам с песчаным или илистым дном.
Таким образом, основной вклад в самоочищение водной массы прудового участка реки вносят аборигенные сообщества гидрофитов: кубышки желтой, рдеста плавающего, многокоренника и тростника.
Высшая водная растительность исследуемого участка реки Левинки имела мозаичный характер, обусловленный как различной скоростью течения и глубиной, так и различием по уровню антропогенной нагрузки. Всего обнаружено 13 видов гидрофитов и гидатофитов.
Таблица 1
Развитие высшей водной растительности в исследуемых биотопах реки Левинки
|
Номер станции |
Биотоп |
Виды макрофитов |
Проективное покрытие, % |
Балл обилия по Друде |
|
|
общее |
отдельных видов |
||||
|
2 |
устье р. Параши с доминированием кубышки жёлтой |
Calla palustris L. |
60 |
2,0 |
1 |
|
Hydrocharis morsus-ranae L. |
0,5 |
1 |
|||
|
Nuphar lutea (L.) Sm. |
50,0 |
6 |
|||
|
Spirodela polyrrhiza (L.) Schleid. |
6,5 |
3 |
|||
|
3 |
начало прудового расширения с доминированием тростника обыкновенного |
Calla palustris L. |
75 |
1,0 |
+ |
|
Nuphar lutea (L.) Sm. |
1,0 |
+ |
|||
|
Phragmites australis (Can.) |
73,0 |
6 |
|||
|
5 |
участок прудового расширения у правого берега с доминирование рдеста плавающего |
Nuphar lutea (L.) Sm. |
54 |
1,5 |
+ |
|
Potamogeton natans L. |
45,0 |
6 |
|||
|
Spirodela polyrrhiza (L.) Schleid. |
1,5 |
2 |
|||
|
Utricularia sp. |
5,5 |
3 |
|||
|
6 |
участок прудового расширения у правого берега с тремя видами рдеста |
Nuphar lutea (L.) Sm. |
52 |
16,0 |
3 |
|
Potamogeton filiformis Pers. |
0,1 |
2 |
|||
|
Potamogeton natans L. |
35,0 |
4 |
|||
|
Potamogeton obtusifolius Mert. |
0,3 |
3 |
|||
|
7 |
участок выше коллектора под автодорогой с доминированием кубышки жёлтой |
Ceratophyllum demersum L. |
83 |
0,2 |
+ |
|
Elodea canadensis Michx. |
0,1 |
+ |
|||
|
Glyceria fluitans (L.) R.Br. |
1,0 |
2 |
|||
|
Nuphar lutea (L.) Sm. |
70,0 |
6 |
|||
|
Potamogeton natans L. |
6,0 |
3 |
|||
|
Sagittaria sagittifolia L. |
3,0 |
3 |
|||
|
Spirodela polyrrhiza (L.) Schleid |
1,0 |
1 |
|||
|
Utricularia sp. |
2,0 |
2 |
|||
На ст. 4 реки Левинки 15.06.2015 была заложена экспериментальная площадка в виде заякоренного, плавающего на поверхности пластикового обруча диаметром 1,0 м. На площадке были высажены 6 экземпляров водного гиацинта массой от 2 до 34 г (табл. 2). Каждое растение предварительно было описано по следующим показателям: количество листьев, длина черешка листа, длина и ширина листовой пластинки, длина основного и дочерних побегов (розеток), средняя и максимальная длина корней, биомасса. Повторные наблюдения проводили 30.06. Результаты представлены в табл. 2.
Таблица 2
Динамика морфометрических показателей и биомассы материнских растений водного гиацинта на экспериментальной площадке реки Левинки за период 15.06?30.06.2015 г.
|
Номер экземпляра |
Дочерние розетки |
Листья, количество |
Листовая поверхность (см2) |
Биомасса (г) |
Прирост биомассы (г) |
Удельная продукция, % |
||||
|
Даты |
15.06 |
30.06 |
15.06 |
30.06 |
15.06 |
30.06 |
15.06 |
30.06 |
||
|
1 |
1 |
5 |
6 |
10 |
15456 |
19264 |
33,78 |
106,6 |
72,82 |
215,57 |
|
2 |
1 |
4 |
6 |
12 |
12871 |
14587 |
28,05 |
52,0 |
23,95 |
85,38 |
|
3 |
1 |
3 |
7 |
12 |
7942 |
12035 |
16,71 |
43,8 |
27,09 |
162,12 |
|
4 |
1 |
3 |
7 |
10 |
7010 |
10369 |
14,47 |
40,53 |
26,06 |
180,10 |
|
5 |
1 |
3 |
7 |
8 |
6065 |
8541 |
11,15 |
38,03 |
26,88 |
241,08 |
|
6 |
0 |
0 |
5 |
8 |
1191 |
4390 |
1,93 |
9,42 |
7,49 |
388,08 |
|
Итого |
5 |
18 |
38 |
60 |
50534 |
69186 |
106,09 |
290,38 |
184,29 |
212,05 |
|
Прирост |
13 |
22 |
18652 |
184,29 |
||||||
Таблица 3
Морфометрические и весовые показатели дочерних растений водного гиацинта на экспериментальной площадке реки Левинки 30.06.2015 г.
|
Номер экземпляра |
Дочерние розетки |
Количество листьев |
Листовая поверхность (см2) |
Биомасса (г) |
|
|
7 |
3 |
7 |
3282 |
16,10 |
|
|
8 |
3 |
7 |
4038 |
14,52 |
|
|
9 |
3 |
6 |
4539 |
11,87 |
|
|
10 |
1 |
4 |
1695 |
4,95 |
|
|
11 |
1 |
3 |
1608 |
5,87 |
|
|
12 |
0 |
3 |
1042 |
4,61 |
|
|
Итого |
11 |
30 |
16204 |
57,92 |
|
Полученные результаты свидетельствуют об успешной акклиматизации водного гиацинта в реке Левинке во 2-й половине июня, когда, несмотря на длинный световой день, наблюдался активный рост и вегетативное размножение. Из высаженных шести материнских растений с пяти дочерними розетками (экземпляры № 1?6) образовалось 13 новых розеток и 6 самостоятельных раметов с 11 дочерними розетками (экземпляры № 7-12). Прирост листовой фотосинтетической поверхности составил в целом 3,486 м2 (69 %) за счет роста начальных 38 и развития 52 новых листьев. Чистая первичная продукция составила 242,2 г, а удельная продукция (П/Б-показатель) – 212 %.
Таким образом, летняя акклиматизация водного гиацинта в малой реке Левинке г. Нижнего Новгорода показала положительные результаты по скорости роста и размножения, что позволяет сделать вывод о возможности его использования для биоремедиации загрязненных малых водоемов и водотоков средней полосы России при условии защиты экспериментальных площадок.