Научный журнал

Успехи современного естествознания

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,775

• Авторы
• Резюме
• Файлы
• Ключевые слова
• Литература

Теребова Е.Н. 1 Павлова М.А. 1

---

1 ФГБОУ ВО «Петрозаводский государственный университет»

В работе исследованы условия произрастания и накопления тяжелых металлов доминантным галофитным видом астра солончаковая (Aster tripolium L.) приливно-отливной зоны Белого моря в районе п. Рабочеостровск. Три пробные площади были заложены на берегах острова Октябрьской революции в июле 2019 г. Грунты приморских территорий – примитивные маршевые песчаные и супесчаные литоральные – не загрязнены тяжелыми металлами (содержание металлов превышает фоновые значения). Среднее содержание железа в морском грунте литорали установлено в количестве 13179,39 ± 6968 мг/кг, марганца – 122,29 ± 47 мг/кг, цинка – 31,21 ± 19 мг/кг, меди – 14,36 ± 9 мг/кг, никеля – 12,39 ± 7 и свинца – на уровне 7,59 ± 5 мг/кг. Морская вода соленостью 23–26 ‰ была сильно загрязнена нитратами до значений 83,72 мг/л (2,1 ПДК), никелем до значений 0,18 мг/л (17,7 ПДК), железом – 0,32 мг/л (6,4 ПДК) и свинцом – 0,098 мг/л (9,8 ПДК). Поступление тяжелых металлов в воды Белого моря, возможно, происходит со стоковыми течениями рек от металлургических предприятий Северо-Запада России. Растения астры солончаковой депонировали до 32 г/кг железа, 560 мг/кг никеля и 478 мг/кг свинца, 70–90 % всех металлов накапливалось корнями растений астры. Исследованы коэффициенты биологического поглощения (КБП) металлов всем растением, корнями и надземными органами. Ряд накопления металлов всем растением астры солончаковой: Ni (15,84) > > Pb (8,21) > Zn (2,93) > Cu (2,82) > Mn (2,08) > Fe (1,71). Предложено считать астру солончаковую гипераккумулятором Fe, Ni, Pb на литорали Белого моря.

Статья в формате PDF

1182 KB

Aster tripolium

галофит

гипераккумулятор металлов

литоральные грунты

Белое море

1. Государственный доклад о состоянии окружающей среды Республики Карелия в 2019 г. (Министерство природных ресурсов и экологии Республики Карелия) / Под ред. Громцева А.Н. Петрозаводск, 2020. 248 с. // ФИЦ «Карельский научный центр Российской академии наук». [Электронный ресурс]. URL: http://www.krc.karelia.ru/publ.php?id=m166&plang=r (дата обращения: 12.10.2021).

2. Salt D.E., Smith R.D., Raskin L. Phytoremediation. Annual Review of Plant Physiology and Plant Molecular Biology. 1998. Vol. 49 (1). P. 643–668. DOI: 10.1146/annurev.arplant.49.1.643.

3. Van Osten M.J., Maggio A. Functional biology of halophytes in the phytoremediation of heavy metal contaminated soils. Environmental and Experimental Botany. 2015. Vol. 111. P. 135–146. DOI: 10.1016/j.envexpbot.2014.11.010.

4. Rabhi M., Ferchichi S., Jouini J., Hamrouni M.H, Koyro H.-W., Ranieri A., Abdelly C., Smaoui A. Phytodesalination of a salt-affected soil with the halophyte Sesuvium portulacastrum L. to arrange in advance the requirements for the successful growth of a glycophytic crop. Bioresour. Technol. 2010. Vol. 101. P. 6822–6828. DOI: 10.1016/j.biortech.2010.03.097.

5. Alatorre E.B., Shabala S., Chen Z., Pottosin I. Reduced tonoplast FV and SV channels activity is essential for conferring salinity tolerance in a facultative halophyte. Chenopodium quinoa. Plant Physiol. 2013. P. 113–126. DOI: 10.1104 / pp.113.216572.

6. Markovskaya E., Terebova E., Androsova V., Pavlova M., Taskina K. Ecological and physiological features of metal accumulation of halophytic plants on the White Sea coast. Handbook of bioremediation: Physiological, Molecular and Biotechnological Interventions. India, 2020. P. 295–327.

7. Tseyts M.A., Dobrynin D.V. Classification of Marsh Soils in Russia. Eurasian Soil Science. 2005. Vol. 38. № 1. P. 44–48.

8. Таскина К.Б. Динамика приморской растительности на западном побережье Белого моря (окрестности пос. Рабочеостровск) // Карелия глазами ученых: основные результаты экспедиционной деятельности (2019). 2020. [Электронный ресурс]. URL: https://elibrary.karelia.ru/book.shtml?id=47002. (дата обращения: 12.10.2021).

9. Морозова К.В., Гуляева Е.Н., Марковская Е.Ф. Анатомо-морфологическая характеристика листьев Астры солончаковой (Aster tripolium L.) на побережье Белого моря // Ученые записки Петрозаводского государственного университета. 2014. № 8. Т. 2. С. 21–26.

10. Приказ Министерства сельского хозяйства РФ от 13 декабря 2016 года № 552 // Об утверждении нормативов качества воды водных объектов рыбохозяйственного значения, в том числе нормативов предельно допустимых концентраций вредных веществ в водах водных объектов рыбохозяйственного значения. Электронный фонд правовых и нормативно-технических документов. [Электронный ресурс]. URL: https://docs.cntd.ru/document/420389120 (дата обращения: 12.10.2021).

11. Ильин Г.В., Усягина И.С., Касаткина Н.Е. Геоэкологическое состояние среды морей Российского сектора Арктики в условиях современных техногенных нагрузок // Вестник Кольского научного центра РАН. 2015. № 2 (21). С. 82–93.

12. Pendias A. Trace Elements in Soils and Plants. 4th edition. Boca Raton, FL, USA: CRC Press/Taylor & Francis Group. 2010. 548 р. DOI: 10.1201/b10158.

13. Naila A., Meerdink G., Jayasena V., Sulaiman A.Z., Ajit A.B., Graziella Berta, G. A review on global metal accumulators-mechanism, enhancement, commercial application, and research trend. Environmental Science and Pollution Research. 2019. Vol. 26. P. 26449–26471. DOI: 10.1007/s11356-019-05992-4.

14. Terebova E., Markovskaya E., Androsova V., Pavlova M., Oreshnikova N. Cell wall functional activity and metal accumulation of halophytic plant species Plantago maritima and Triglochin maritima on the White Sea littoral zone (NW Russia). Czech Polar Reports. 2020. Vol. 10 (2). P. 169–188.

15. Yadav S. Heavy Metals Toxicity in Plants: An Overview on the Role of Glutathione and Phytochelatins in Heavy Metal Stress Tolerance of Plants. South African Journal of Botany. 2010. Vol. 76 (2). P. 167–179. DOI: 10.1016/j.sajb.2009.10.007.

Усиленное освоение приморских территорий в Арктическом регионе привело к увеличению антропогенной нагрузки на морские экосистемы в виде загрязнения разными видами органических веществ и тяжелых металлов [1]. Разработка систем фиторемедиации соленых морских вод приморских территорий становится одним из основных направлений теоретических и прикладных исследований в экологии и природопользовании. Фиторемедиация определяется как использование растений для очистки окружающей среды от загрязнителей путем их депонирования и перевода в нетоксичную форму [2]. В литературе имеются примеры использования различных родов галофитов (Zostera, Atriplex, Salicornia) для фиторемедиации морских территорий [3–5].

На приморских территориях зоной контакта суши и моря является литораль. Для нее характерна приливно-отливная динамика морской воды. Два раза в сутки растения то заливаются водой, то осушаются, при этом полностью меняется среда обитания растений и все климатические условия. На литорали успешно произрастают и проходят все этапы развития уникальные растения галофиты, имеющие механизмы адаптации к стрессовым условиям существования [6]. Однако вопрос о возможности поглощения и накопления растениями литорали тяжелых металлов остается открытым.

Цель исследования – оценить условия обитания и накопление тяжелых металлов в растениях астры солончаковой (Aster tripolium L.) на приливно-отливной зоне Белого моря (п. Рабочеостровск).

Материалы и методы исследования

Район исследования

Работа выполнена на побережье Белого моря в районе г. Кемь, п. Рабочеостровск (Кемский район) (рис. 1), в июле 2019 г. Поселок Рабочеостровск расположен в зоне шхерных берегов побережья Белого моря. На западном и восточном берегах острова Октябрьской революции (соединён насыпью с коренным берегом) были заложены пробные площади. На трех пробных площадях (ПП) от линии уреза воды (во время отлива) до зоны контакта штормовых выбросов у коренного берега были заложены три трансекты. На пробных площадях по трансектам было сделано описание растительности, грунтов литорали, собраны растения астры солончаковой, грунт под растениями и пробы морской воды. Названия маршевых почвогрунтов даны по работе М.А. Цейца (2005) [7].

ПП1 – западная часть о. Октябрьской революции – 65 °00'37.3"N 34 °48'10.6"E, расположена на пологом илисто-песчаном берегу с наличием валунно-галечниковых скоплений (размер валунов от 30 до 50 см) в средней части литорали. Соленость морской воды в отлив 24 ‰. От коренного берега до линии уреза воды маршевый примитивный супесчаный оторфованный грунт переходил в маршевый примитивный супесчаный оглеенный грунт и далее – в супесчаный литоральный грунт. Общее видовое богатство изученных сообществ составляет 19 видов [8].

ПП2 – восточный берег о. Октябрьской революции – 64 °59'43.2"N 34 °47'35.0"E. Илисто-песчаный берег довольно завалунен, встречаются как крупные (1,5 м), так и более мелкие валуны (около 60 см). Соленость морской воды в отлив 23 ‰. Грунт песчаный оглеенный литоральный. Общее видовое богатство изученных сообществ составляет 13 видов [8].

ПП3 – район порта – 64 °59'29.5"N 34 °47'19.4"E, расположена на скалистых выступах берегов, обнажающихся в отлив (луды). Поверхность осушки нередко покрыта морскими выбросами и нанесенным приливами мусором (древесные остатки с металлическими гвоздями, пластиковые пакеты, битое стекло и др.). Соленость морской воды в отлив 26 ‰.

Грунт слоистый заиленный песчаный литоральный. Общее видовое богатство изученных сообществ составляет 4 вида [8] (рис. 1).

Объект исследования

Объект исследования – Астра солончаковая (Aster tripolium L.) относится к семейству Астровые (Asteraceae), евроазиатский бореальный вид, являющийся доминантом и субдоминантом различных приморских растительных сообществ (рис. 2). Это распространенный вид приморского галофитного комплекса [9].

Методы исследования

Определение солености воды проводили рефрактометром RHS-10ATC.

Содержание тяжелых металлов определяли атомно-абсорбционным методом (атомно-абсорбционный спектрофотометр АА–7000 (Shimadzu, Япония) на оборудовании Центра коллективного пользования Федерального исследовательского центра «Карельский научный центр Российской академии наук». В работе представлены валовые средние арифметические значения содержания тяжелых металлов в грунтах, корнях, надземных органах, целом растении и морской воде.

Коэффициент биологического поглощения (КБП) металлов рассчитывали как отношение содержания металла в растении к сумме его содержания в воде и грунте. КБП металлов характеризует способность растений поглощать тяжелые металлы из среды. Считается, что если коэффициент больше единицы, то растение активно накапливает металлы. Литоральный грунт собирали непосредственно в зоне корней растений. Растения астры солончаковой отбирали в средней части литорали на каждой пробной площади (n = 5) и делили на корни и надземную часть.

Статистическая обработка данных

Достоверность полученных результатов оценивали с помощью критерия Фишера, регрессионного и корреляционного анализов с учетом объема сравниваемых совокупностей и порога доверительной вероятности 0,95 (программа Statgraphics 2.1 для Windows).

Рис. 1. Пробные площади (ПП1, ПП2, ПП3)

Рис. 2. Астра солончаковая Aster tripolium L.

Результаты исследования и их обсуждение

Содержание элементов в грунтах и морской воде

Морская вода в окрестностях п. Рабочеостровск значительно загрязнена нитратами до 2,1–0,9 ПДК, железом – до 6,4–0,8 ПДК, никелем – до 17,7–14,8 ПДК и свинцом – до 9,8–2,4 ПДК. Наибольшее загрязнение морской воды этими элементами на ПП1. Содержание марганца, цинка и меди в морской воде не превышает предельно допустимых значений. Соленость воды 23–26 ‰.

Литоральные грунты на пробных площадях не загрязнены тяжелыми металлами (табл. 2). Среднее содержание железа в грунте (ПП1–ПП3) было на уровне 13179,39 ± 6968 мг/кг, марганца – 122,29 ± 47 мг/кг, цинка – 31,21 ± 19 мг/кг, меди – 14,36 ± 9 мг/кг, никеля – 12,39 ± 7 и свинца на уровне 7,59 ± 5 мг/кг. Однако можно отметить более высокие уровни металлов в грунтах на ПП3 (район порта), превышающие фоновые значения по меди, свинцу и цинку и равные 0,4 ОДК цинка, 0,9 ОДК меди, 0,8 ОДК никеля и 0,6 ОДК свинца.

Накопление элементов растениями Aster tripolium L.

Установлена положительная связь между содержанием элементов в среде обитания (грунт + вода) и накоплением металлов астрой солончаковой. Коэффициенты корреляции (r) между содержанием металлов в среде и в растениях астры равны для железа 0,51; марганца 0,33; для цинка 0,83; меди 0,90; никеля 0,64 и свинца 0,95. Рассмотрим накопление каждого металла подробнее.

Железо. Астра солончаковая накапливала железо в количестве 15–32 г. Это очень высокие значения содержания железа у растений (ПДК > 0,5 г). Астра – гипераккумулятор железа на литорали Белого моря. При этом максимальное накопление железа установлено на ПП3 (зона порта) и в целом 90 % от общего содержания в растении железа накапливалось в корнях астры. КБП железа больше единицы и равны 1,06–2,50 (табл. 3).

Марганец. Марганец накапливался в растениях астры в значениях 137– 417 мг/кг, на ПП2 до значений ПДК. КБП 0,91–4,76. Основная часть марганца (70 %) также накапливалась в корнях астры (табл. 3).

Цинк. Содержание цинка в растениях было на уровне 30–250 мг/кг, максимально на ПП3 (зона порта), где накопление марганца превышало критический уровень для растений. КБП 1,36–3,94 и 90–50 % металла накапливалось также в подземных органах астры.

Медь. Медь была на уровне 12–70 мг/кг в растениях астры, при этом максимальные значения были установлены также у растений ПП3 (превышение ПДК). КБП 1,78–3,86. Корни астры накапливали 50–80 % всей содержащейся в растении меди (табл. 3).

Никель. Астра солончаковая накапливала очень высокие количества никеля 66–560 мг/кг, максимально на ПП3. Астра – гипераккумулятор никеля на литорали Белого моря. КБП никеля были очень высокие 6,27–24,24. Никель в растениях превышал критический уровень у растений в 6–56 раз. При этом корень также вмещал 90 % всего растительного никеля (табл. 3).

Свинец. 11–478 мг/кг свинца содержалось в растениях астры. На ПП3 превышение критического уровня составило 24 ПДК. Астра – гипераккумулятор свинца на литорали Белого моря. КБП 2,55–27,70. И 90 % растительного свинца накапливали корни астры (табл. 3).

Таким образом, астра солончаковая активно накапливает металлы (КБП > 1). Средний ряд (ПП1–ПП3) накопления металлов Ni (15,84) > Pb (8,21) > Zn (2,93) > Cu (2,82) > Mn (2,08) > Fe (1,71). По абсолютным значениям содержания металлов в растениях можно сделать вывод, что астра – гипераккумулятор железа, никеля и свинца в условиях обитания на литорали Белого моря. Корни растений накапливают 70–90 % всех поступающих в растение металлов по сравнению с надземной частью астры солончаковой.

Астра солончаковая (Aster tripolium L.) доминирует в растительном покрове литорали Белого моря в пределах изученных пробных площадей в окрестностях п. Рабочеостровск [7]. Растения астры обитают в условиях значительного загрязнения морской воды нитратами до 2,1–0,9 ПДК, железом до 6,4–0,8 ПДК, никелем до 17,7–14,8 ПДК и свинцом 9,8–2,4 ПДК (табл. 1). Литоральные грунты не загрязнены тяжелыми металлами. Однако можно отметить, что на ПП3 (зона порта) установлены уровни металлов, превышающие фоновые значения и равные 0,4 ОДК цинка, 0,9 ОДК меди, 0,8 ОДК никеля и 0,6 ОДК свинца (табл. 2).

Ранее нами было показано, что растения Plantago maritima L. и Triglochin maritima L., обитающие на литорали Белого моря в районе п. Кереть, также накапливают железо до уровней 13–22 г/кг соответственно [14]. Есть факты, что галофиты Salicornia europaea, Suaeda maritima, Salsola soda и Halimione portulacoides с засоленных морских территорий могут накапливать до 2,3 г/кг железа всем растением и в корнях 1,3 г/кг [6]. Хорошо известно, что клеточная стенка растений может депонировать тяжелые металлы [6, 14]. Возможно, связывание атомов железа клеточной стенкой корней и листьев астры солончаковой может повышать её жесткость, обеспечивая повышение прочности органов в условиях наибольшей приливно-отливной динамики моря.

Корни растений Aster tripolium L. накапливают 70–90 % всех поступающих в растение металлов по сравнению с надземной частью астры солончаковой. Хорошо известно, что именно корневая система и ее ткани – первый барьер на пути загрязняющих веществ [3, 15]. Адаптация растений на уровне организма направлена на иммобилизацию металлов в корнях, чтобы защитить от токсического действия металлов репродуктивные органы и семена [15]. Следует отметить, что астра солончаковая – корневищное растение, накапливает металлы в корне в течение всей жизни растения, в то время как наземная часть растений отмирает каждый год и её минеральные элементы питают грунты литорали и берега в виде выбросов.

Таким образом, в условиях загрязнения среды обитания нитратами, железом, никелем и свинцом на литорали Белого моря растения-галофиты Aster tripolium L. активно накапливают металлы, в основном корнями, и могут рассматриваться как гипераккумуляторы железа, никеля и свинца.

Библиографическая ссылка