научная статья по теме РЕАКЦИЯ ГИДРОФИТОВ НА ЗАГРЯЗНЕНИЕ СРЕДЫ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ Охрана окружающей среды. Экология человека

Текст научной статьи на тему «РЕАКЦИЯ ГИДРОФИТОВ НА ЗАГРЯЗНЕНИЕ СРЕДЫ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ»

ЭКОЛОГИЯ, 2004, № 4, с. 266-272

УДК 581.526.3:581.132(546.3)

РЕАКЦИЯ ГИДРОФИТОВ НА ЗАГРЯЗНЕНИЕ СРЕДЫ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ

© 2004 г. М. Г. Малёва, Г. Ф. Некрасова, В. С. Безель

Уральский государственный университет им. A.M. Горького 620083 Екатеринбург, просп. Ленина, 51 Поступила в редакцию 04.04.2003 г.

В модельных экспериментах исследовали влияние низкой (0.025 мг/л) и высокой (0.25 мг/л) концентраций Cu2+, Cd2+ и Ni2+ на накопительную способность, состояние пигментного комплекса и интенсивность фотосинтеза трех плавающих (Hydrocharis morsus-ranae L., Lemna gibba L., Potamogeton na-tans L.) и четырех погруженных (Elodea canadensis Michx., Lemna trisulka L., Ceratophyllum demersum L., Potamogeton lucens L.) гидрофитов. Особенно токсичными при выбранных концентрациях были медь и кадмий. Наиболее выраженный эффект на Cu2+ проявлялся у гидатофитов, на Cd2+ - у плей-стофитов. Высказывается предположение, что различия в накоплении металлов гидрофитами и снижении фотосинтетических характеристик могут привести к преимущественной элиминации погруженных видов. Вследствие этого в загрязненных металлами водоемах можно ожидать изменения видовой структуры сообществ гидрофитов.

Ключевые слова: тяжелые металлы, гидрофиты, видовая структура сообществ, пигментный комплекс, фотосинтез.

Проблема загрязнения водной среды тяжелыми металлами становится все более актуальной. Металлы попадают в водоемы с промышленными стоками, из атмосферы, при внесении в почву химикатов, в том числе удобрений. Кроме того, повышенное содержание солей тяжелых металлов в водных экосистемах может быть обусловлено геохимическими особенностями региона (Мур и др., 1987).

Многие высшие водные растения могут накапливать значительные количества растворенных в воде металлов и удерживать их в тканях в течение продолжительного времени. Способность гидрофитов к накоплению токсикантов зависит от видовой специфичности растения и содержания ионов в водной среде (Чернавская, 1988; Кадукин и др., 1982). При концентрациях, превышающих предельно допустимые (ПДК), наблюдается негативное влияние металлов на морфо-функцио-нальные параметры гидрофитов (Константинов, 1979). Повреждения приводят к снижению первичной продуктивности как отдельных растений, так в целом гидроценозов.

Влияние тяжелых металлов на физиологические характеристики листьев (интенсивность фотосинтеза, дыхания, содержание пигментов и т.д.) изучено в основном на наземных растениях (Ша-лыго и др., 1999; Chugh, Sawhney, 1999). Имеются некоторые сведения по влиянию ряда ионов на высшие водные растения (Hagemeyer, 1999; Prasad et al., 2001). Между тем только прямое сопостав-

ление концентраций металлов в биомассе растений с их фотосинтетическими характеристиками позволит объяснить возможные изменения видового состава и продуктивности сообщества гидрофитов в условиях химического загрязнения среды.

Цель настоящей работы - сравнительное изучение накопления Си2+, Сё2+ и №2+ гидрофитами, а также оценка ответной реакции фотосинтези-рующей системы плавающих и погруженных листьев на действие ионов тяжелых металлов. Чтобы выделить действие отдельных ионов, в питательной среде для выращивания гидрофитов создавали разные концентрации Си2+, Сё2+ или №2+. В этих вариантах изучали коэффициент биологического накопления, состояние пигментного комплекса и интенсивность фотосинтеза высших водных растений с разной степенью погружения.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследования проведены на трех видах плавающих водных растений (плейстофиты): водокрас лягушачий (Hydrocharis morsus-ranae L.), ряска горбатая (Lemna gibba L.), рдест плавающий (Potamogeton natans L.), и четырех видах погруженных водных растений (гидатофиты): элодея канадская (Elodea canadensis Michx.), ряска трехраз-дельная (Lemna trisulka L.), роголистник темно-зеленый (Ceratophyllum demersum L.), рдест блестящий (Potamogeton lucens L.). Материал был со-

РЕАКЦИЯ ГИДРОФИТОВ НА ЗАГРЯЗНЕНИЕ СРЕДЫ Таблица 1. Коэффициенты накопления тяжелых металлов гидрофитами

Концентрация, мг/л

Растения Cu2+ Cd2+ Ni2+

0.025 0.25 0.025 0.25 0.025 0.25

Погруженные: E. canadensis 3173 1423 - - - -

L. trisulka 1805 666 1613 582 1606 440

C. demersum 2620 1077 1686 1270 1690 695

P. lucens 2190 1040 1247 890 1155 466

Плавающие: H. morsus-ranae 618 336 597 276 480 282

L. gibba 866 465 827 320 212 123

P. natans 1915 605 1625 665 410 225

бран летом 2002 г. в Свердловской области в бассейнах рек Сысерть и Исеть.

Растения выращивали в лабораторных условиях в течение пяти дней на 5%-ной среде Хогланда-Арнона I (Гродзинский А., Гродзинский Д., 1964) при естественном освещении, максимальная освещенность составляла 8-10 тыс. лк. В опытные варианты перед началом инкубации в питательную среду добавляли сульфаты Cu, Cd и Ni в концентрациях 0.025 и 0.25 мг/л по металлу. Среду в опытных и контрольных сосудах обновляли ежедневно для поддержания заданных концентраций ионов. Высокая концентрация металлов (0.25 мг/л) была подобрана опытным путем для полного исключения токсического эффекта, приводящего к гибели растений. После окончания инкубации растения отмывали 0.01%-процентным раствором Na-ЭДТА, затем дистиллированной водой, пробы высушивали при 70°С.

Содержание металлов в листьях гидрофитов определяли методом атомно-абсорбционной спектроскопии на приборе Perkin Elmer после мокрого озо-ления 70%-ной HNO3 (Чернавина и др., 1978).

Для оценки потенциального фотосинтеза и содержания пигментов у всех видов гидрофитов использовали листья среднего яруса. Количество пигментов определяли спектрофотометрически на СФ-46. Расчет хлорофиллов проводили по формуле Vernon, содержание каротиноидов - по Wettstein (Гавриленко и др., 1975).

Интенсивность потенциального фотосинтеза у плавающего и погруженного листа измеряли радиоизотопным методом (Мокроносов, Добров, 1973) при оптимальных для гидрофитов условиях (Некрасова и др., 1998). Экспозиция в 14С02 составляла 5 мин, удельная радиоактивность в опыте была 1000 МБк/л 14С02. Для радиометрии использовали радиометр 20046 Veb Robotron-Messelektronik.

Данные обработаны статистически. Все определения сделаны в трех биологических повторно-

стях. Сравнение показателей проводили с использованием критерия Стьюдента, достоверность различий справедлива для уровня значимости 0.05.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Поглощение ионов тяжелых металлов опытными растениями зависело от вида объекта и типа металла (рис. 1). Погруженные гидрофиты накапливали металлы в 2.3-4.0 раза больше по сравнению с плавающими. При этом все опытные растения активнее поглощали ионы меди и кадмия. Наибольшей накопительной способностью по отношению ко всем ионам среди погруженных гидрофитов обладал C. demersum - он накапливал до 269.3 мкг/г сух. веса Си2+, 317.2 мкг/г сух. веса Сё2+ и 173.8 мкг/г сух. веса №2+. Среди плавающих растений самым активным накопителем ионов меди и кадмия был P. natans (151.1 и 166.2 мкг/г сух. веса соответственно), ионов никеля - H. mor-sus-ranae (70.6 мкг/г сух. веса).

Расчет коэффициента биологического накопления (КБН) для изученных гидрофитов показал одинаковую закономерность его изменения при увеличении концентрации металлов в растворе -у всех опытных растений он уменьшался (табл. 1). Наибольшие значения КБН при низкой концентрации ионов (0.025 мг/л) наблюдались у C. demer-sum: 2620 - для Си2+, 1686 - для Сё2+ и 1690 - для №2+. Среди плейстофитов наибольшие значения КБН для меди и кадмия наблюдали у P. natans (1915 и 1625 соответственно), для никеля - у H. morsus-ranae (480).

Таким образом, высшие водные растения обладали разной накопительной способностью по отношению к определенному иону. Можно предположить, что в первую очередь это связано с наличием у них различных клеточных механизмов поглощения тяжелых металлов. Известно (Юрин и др., 1991), что в транспорте меди могут принимать участие как неспецифические механизмы (ионные каналы, редуктазные системы), в целом

canadensis

Содержание, мкг/г сух. веса 500

400 300 200 100 0

400 300 200 100 0

200 150 100 50 0

(а)

-1-1-1-1-1-1-

E. L. trisulka C. P. lucens H. morsus- L. gibba P. natans

7

demersum

(6)

L. trisulka C. P. lucens H. morsus- L. gibba P. natans

Y

demersum

(B)

□ Контроль ■ 0.025 мг/л

□ 0.25 мг/л

-1-1-1-1-1-

L. trisulka C. P. lucens H. morsus- L. gibba P. natans

demersum ranae

7

ranae

ranae

Рис. 1. Содержание Cu2+ (а), Cd2+ (б) и Ni2+ (в) в листьях плавающих (H. morsus-ranae, L. gibba, P. natans) и погруженных (E. canadensis, L. trisulka, C. demersum, P. lucens) гидрофитов после 5-дневного выращивания на 5%-ной среде Хогланда-Арнона I с добавлением разных концентраций ионов тяжелых металлов.

характерные для всех других микроэлементов, так и специфические. К ним относят перенос меди в комплексе с никотинамином (Pich, Scholz, 1996) и наличие Си2+-АТФаз - ферментов, обеспечивающих транспорт меди через плазмолемму (Lidon, Henrigues, 1993). Для кадмия и никеля специфические механизмы поглощения пока не выявлены. Предполагают (Salt et al., 1995), что в большинстве случаев Cd2+ и Ni2+ проникают в клетку в результате ионо-обменных процессов.

Кроме того, различия в поглощении ионов тяжелых металлов могли быть обусловлены особенностями анатомического строения листьев плавающих и погруженных растений (Некрасова

и др., 1998). Отсутствие или наличие слабо развитой кутикулы, множество мелких пор, обеспечивающих высокий обмен веществ с окружающей средой, более тонкая листовая пластинка погруженных листьев способствовали большему накоплению элементов в гидатофитах.

Состояние пигментной системы - один из важнейших факторов, обеспечивающих эффективную фотоассимиляцию СО2. По влиянию на содержание хлорофиллов и каротиноидов использованные тяжелые металлы выстроились в следующую последовательность: Си2+ —-—► Сё2+ —► №2+ (рис. 2), что соответствует ряду общей фитотоксичности (Кабата-Пендиас и др.,

Сумма хлорофиллов (A + B)

(a) E. canadensis

150

P. natans

L. gibba

H. morsus-ranae

L. trisulka

(б)

P. natans

C. demersum L. gibba

Каротиноиды

E. canadensis 150

P. lucens

H. morsu

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Охрана окружающей среды. Экология человека»