CC BY
72
-Ф-
-Ф-
УДК 910.2
DOI: 10.24411/1728-323X-2018-13022
АККУМУЛЯЦИОННЫЕ СПОСОБНОСТИ БУРОЙ ВОДОРОСЛИ ЦИСТОЗИРА БАРБАТА (СУБТОБЕ^А BARBATA) К НАКОПЛЕНИЮ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ
Е. С. Панькова, аспирант, Московский государственный университет МГУ имени М. В. Ломоносова, [email protected], Е. И. Голубева, д. б. н, профессор, Московский государственный университет МГУ имени М. В. Ломоносова, [email protected]
Рассмотрены аккумуляционные свойства бурой водоросли цистозира барбата (Cystoseira ЬагЪш) и сезонная изменчивость содержания тяжелых металлов (кадмий, свинец, марганец, никель, медь) в ее талломе и морских прибрежных водах Черного моря. Содержание большинства металлов в макрофитах определялось сезонностью, в то время как содержание металлов в пробах морских вод данной закономерности не подчинялось. В ходе проведенного анализа был рассчитан коэффициент биологического поглощения тяжелых металлов бурой водорослью и построен ряд биологического поглощения исследуемых элементов. На основе полученных данных выделены тяжелые металлы, которые наиболее активно накапливаются в (
In the article, the accumulation properties of the brown alga Cystoseira barbata and the seasonal variability of heavy metals (cadmium, lead, manganese, nickel, copper) in its thallus and marine coastal waters of the Black Sea are considered. The content of most metals in macro-phytes was due to seasonality, while the content of metals in the sea water samples did not follow this pattern. The coefficient of biological absorption of heavy metals by the brown alga was calculated and the range of biological uptake of the investigated elements was created. On the basis of the obtained data we made the conclusions on the heavy metals which are most actively accumulated in Cystoseira barbata.
Ключевые слова: биоиндикация, тяжелые металлы, бурые водоросли, коэффициент биологического поглощения, Черное море, биофильтры.
Keywords: bio-indication, heavy metals, brown alga Cystoseira barbata, biological absorption coefficient, the Black Sea, bio-filters.
Введение. Интенсивное освоение прибрежных территорий Черного моря является причиной увеличения антропогенной нагрузки на прибрежную акваторию, в связи с ч ем региональный мониторинг качества морских вод становится все более актуальным. В настоящий момент наиболее распространенной методикой исследований загрязненности воды является количественный химический анализ вод и донных отложений. Однако д анная методика не всегда может д остоверно отразить экологическое состояние прибрежной акватории, поскольку водные массы быстро перемещаются течениями. Это не всегда дает возможность получать корректные данные по поступлению тяжелых металлов в акваторию, поскольку загрязняющие вещества могут сразу быть перемещены течениями от мест отбора проб. Хорошими индикаторами поступления загрязняющих веществ в водных объектах являются донные отложения, но они отображают ситуацию в конкретной точке. В рамках нашего исследования предлагается использование еще одного метода биоиндикации поступления токсикантов в морские воды — альгоиндикации, то есть использование в качестве тест-объекта водоросли.
Преимущество использования макрофитов в качестве биоиндикатора связано с тем, они всегда находятся в прямом контакте со средой и поэтому адекватно отражают состояние окружающих вод. Способность макрофитов накапливать преимущественно растворенные в воде металлы и в течение продолжительного времени удерживать их в своем организме позволяет рекомендовать эти растения в качестве организмов-мониторов [1].
В нашем исследовании в качестве тест-объекта был использован макрофит — цистозира барбата barbata, С. ЛяагёИ, 1820), наиболее распространенный вид бурых водорослей в Черном море. Для проведения мониторинговых работ авторами был выбран именно данный вид бурых во-дорос лей, так как он отличается широким ареалом и диапазоном глубины произрастания, круглогодичной вегетацией, высокой толерантностью по отношению к воздействию ионов тяжелых металлов, накопление которых в талломах водорослей прямо пропорционально их концентрации в воде, и, наконец, доступностью сбора [2]. Наши исследования в 2012—2015 гг. показали хорошие индикаторные свойства цистозиры барбаты [3].
Цель исследования — оценить аккумулятивную способность бурых водорослей к накоплению тяжелых металлов. Были поставлены и решались следующие задачи:
-Ф-
-Ф-
1. Проанализировать содержание ряда тяжелых металлов (Сё, РЬ, Мп, N1, Си) в воде и в талломе бурых водорослей в прибрежной части акватории Черного моря;
2. Рассчитать значения коэффициентов биологического поглощения тяжелых металлов бурыми водорослями;
3. Оценить способности бурой водоросли С. ЬагЬМй аккумулировать тяжелые металлы и возможности ее использования в качестве биофильтра.
Материалы и методы исследования
Отбор водорослей проводили в соответствии с принятыми критериями для выбора организма — индикатора загрязнения. Для исследования химического состава вида водоросли отбирались талломы, размером не менее 10 см в доступных для сбора практически чистых и загрязненных в разной степени районах акватории Черного моря (рис. 1). В течение трех сезонов (весна, лето, осень) 2016 г. одновременно отбирались пробы растений одного возраста (3—4 года) в районах, отличающихся характером и степенью антропогенной нагрузки: станция 1 — акватория заповедника «Утришский» — условно фоновый участок, станция 2 — центральный пляж в поселке Боль-
шой Утриш, станция 3 — яхт-клуб «Змеиное озеро»; станция 4 — устрично-мидийная ферма; станция 5 — устье реки Сукко; станция 6 — устье реки Шингари; станция 7 — район бытовых сточных вод в г. Анапа. Всего в семи разных участках акватории отобрано 63 пробы бурых водорослей.
Во время пробоподготовки образцы водорослей отмывались от песка, обломков горных пород, очищались от ракушек и далее высушивали в хорошо проветриваемом помещении. Содержание тяжелых м еталлов (Сё, РЬ, Мп, N1, Си) в талломах водорослей определяли с помощью атом-но-абсорбционного анализа.
Отбор проб морских вод проводили одновременно с отбором проб водорослей на тех же станциях в соответствии с ГОСТ 31861—2012 «Вода. Общие требования к отбору проб». На каждой станции пробу отбирали в пластиковую бутылку объемом 1 литр, фильтровали и далее подкисляли 20 мл конц. HNOз. Анализ проб на содержание марганца (Мп) проводили в соответствии с РД 52.10.778—2013. Определение кадмия, свинца, никеля и меди (Сё, РЬ, N1, Си) проводили в соответствии с РД 52.10.243—92. Все пробы морских вод обрабатывались в лаборатории токсикологии ФГБУ «ВНИРО» при помощи метода атомной абсорбции.
-Ф
37°20 Е
37°40 Е
37°20'Е
37°40 'Е
Ф-
Рис. 1. Схема станций отбора проб водорослей и морских вод Черного моря
"Ф
-Ф-
Результаты исследований и обсуждение
В ходе проведенного анализа мы получили результаты, характеризующие особенности распределения тяжелых металлов в талломах водоросли С. ЬагЬМй и морских водах на протяжении трех сезонов (весна, лето, осень) 2016 года (табл. 1).
Как видно, концентрация кадмия (Сё) в наших пробах варьируется в течение года более, чем в 10 раз от 0,06 до 1,49 мкг/г. сух. в-ва; меди (Си) в 25 раз— от 0,69 до 18,21 мкг/г. сух. в-ва; марганца (Мп) в 12 раз — от 6,7 до 78,2 мкг/г. сух. в-ва; никеля (N1) в 15 раз — от 1,48 до 21,51 мкг/г. сух. в-ва; свинца (РЬ) в 5 раз — от 0,48 до 2,58 мкг/г. сух. в-ва. Ряд убываний средних концентраций металлов в бурых водорослях выглядит следующим образом: Мп > Си > N1 > РЬ > Сё.
Если г оворить о динамике изменений концентрации тяжелых металлов в воде, то содержание кадмия (Сё) в пробах варьируется более чем в
3 раза — от 0,0003 до 0,001 мкг/мл; меди (Си) в
4 раза — от 0,01 до 0,04 мкг/мл; марганца (Мп) в 30 раз — от 0,0001 до 0,003 мкг/мл; никеля (N1) в 4 раза — от 0,02 до 0,08 мкг/мл; свинца (РЬ) в 15 раз — от 0,001 до 0,015 мкг/мл. Ряд убываний средних концентраций металлов в морских водах выглядит следующим образом: N1 > Си > РЬ > > Мп > Сё.
Однако при сравнении динамики изменения концентраций каждого отдельного металла в талломе водоросли и морской воде мы не обнаружили прямой корреляции. Это скорее всего связано с тем, что содержание большинства металлов в
Таблица 1
Концентрации тяжелых металлов в морских водах (мкг/мл), талломе бурой водоросли С. БатЪаХа (мкг/г) и коэффициент биологического поглощения
-Ф
Элемент Сезон Са Си Мп N1 РЬ
Станция *К1 **К2 ***А К1 К2 Ах К1 К2 Ах К1 К2 Ах К1 К2 Ах
Т1 весна 0,0005 0,06 120 0,02 1,65 94 0,0001 6,70 86975 0,04 1,72 39,8 0,002 0,51 225
лето 0,0003 0,06 233 0,00 0,69 446 0,0001 10,10 91046 0,02 1,33 81,6 0,001 0,48 376
осень 0,0003 0,11 426 0,01 0,77 56 0,0005 12,60 25834 0,03 1,48 55,1 0,004 0,52 118
Т2 весна 0,0007 1,49 2111 0,02 6,26 273 0,0006 28,05 44673 0,02 3,81 161,0 0,004 2,54 620
лето 0,0005 0,21 445 0,01 5,01 353 0,0003 49,77 189532 0,02 6,95 340,5 0,002 2,58 1087
осень 0,0004 0,28 712 0,02 6,38 323 0,0034 32,76 9634 0,04 5,31 131,5 0,009 1,94 212
Т3 весна 0,0010 0,69 666 0,03 4,67 180 0,0004 9,90 26820 0,04 2,18 48,6 0,009 0,70 82
лето 0,0008 0,25 303 0,02 16,54 669 0,0003 74,04 261253 0,04 10,21 272,6 0,007 1,82 269
осень 0,0008 0,31 410 0,02 18,21 825 0,0004 78,21 175634 0,05 12,90 261,3 0,006 2,67 463
Т4 весна 0,0003 0,28 983 0,03 6,03 212 0,0005 46,45 98346 0,02 21,51 1085,0 0,002 2,39 1096
лето 0,0004 0,15 395 0,02 6,99 314 0,0000 11,24 292982 0,04 4,10 92,1 0,001 0,82 659
осень 0,0004 0,21 560 0,03 8,64 283 0,0009 13,44 14684 0,02 6,22 249,1 0,003 0,75 216
Т5 весна 0,0005 0,25 504 0,02 2,48 103 0,0004 10,57 28935 0,02 2,47 105,3 0,003 0,55 214
лето 0,0004 0,16 393 0,02 6,41 260 0,0002 15,63 69917 0,04 5,62 126,1 0,004 1,46 355
осень 0,0006 0,23 399 0,02 9,66 397 0,0003 21,90 68480 0,08 10,34 127,3 0,007 1,58 214
Т6 весна 0,0003 0,21 702 0,02 4,69 194 0,0002 6,87 37421 0,02 2,17 119,0 0,002 0,67 317
лето 0,0004 0,84 2296 0,04 9,19 242 0,0001 43,96 693438 0,04 10,67 255,0 0,004 0,87 237
осень 0,0005 0,87 1736 0,03 12,46 448 0,0003 47,60 156476 0,05 11,28 232,1 0,007 0,90 138
Т7 весна 0,0004 0,15 338 0,02 2,66 151 0,0006 7,22 13002 0,02 2,03 107,2 0,002 0,62 270
лето 0,0005 0,34 699 0,02 7,88 358 0,0006 34,20 60360 0,05 7,34 155,1 0,004 1,22 290
осень 0,0006 0,46 734 0,03 10,28 340 0,0010 38,90 38664 0,05 9,26 175,1 0,015 1,38 94
Ф-
* Значение концентрации элемента в морских водах, мкг/мл.
** Значение концентрации элемента в бурой водоросли, мкг/г.
*** Значение коэффициента биологического поглощения.
-Ф-
-Ф-
Рис. 2. Распределение максимального, среднего и минимального значений коэффициента биологического поглощения
тяжелых металлов
макрофитах определяется сезонностью [4] и не всегда напрямую зависит от поступления загрязняющих веществ в акваторию. Таким образом, для исследований сезонной изменчивости поступления загрязняющих веществ в акваторию мы рекомендуем дополнительно использовать методы количественного химического анализа морских вод для более полной оценки исследуемых показателей.
Как известно, большинство водорослей накапливают минеральные элементы пропорционально их содержанию в морской воде [5]. Для того, чтобы сделать предположение о способности цистозиры накапливать в себе токсиканты со временем, мы привели полученные значения к единой размерности и рассчитали интенсивность поглощения элемента водорослью — коэффициент биологического поглощения (Ах) [6, 7]. Он рассчитывался как отношение концентрации химического элемента в водоросли (мкг/г) к его концентрации в воде (мкг/мл) (табл. 1). Для наглядности изменения полученных данных нами также были рассчитаны статистические показатели, представленные в таблице 2 и на рисунке 2.
Согласно полученным данным коэффициент биологического поглощения кадмия (Сё) цисто-зирой изменяется от 120 до 2296 при среднем равном 504, меди (Си) — от 56 до 825 при среднем равном 358, марганца (Мп) — от 9634 до 693 438 при среднем равном 68480, никеля (N1) — от 40 до 1085 при среднем равном 132, свинца (РЬ) — от 82 до 1096 при среднем равном 269. Это говорит о том, что при высоких значениях концентраций исследуемых тяжелых металлов в талломе
водоросли, количества этих же элементов в морских водах очень малы.
Получив значения коэффициента биологического поглощения для ряда элементов мы построили ряд биологического поглощения тяжелых металлов С. ЬагЬМа, который выглядит следующим образом: Мп > Сё > РЬ > N1 > Си. Такие высокие значения концентраций Мп в исследуемой бурой водоросли (средний коэффициент биологического поглощения равен 68 480) можно объяснить морфологическими и физиологическими особенностями макрофитов. Как известно, Бе и Мп участвуют в процессах фотосинтеза [8], а также предположительно необходимы для формирования устойчивого каркаса и обеспечения жизненных функций в условиях активного гидроди-
Таблица 2 Результаты статистического анализа коэффициента биологического поглощения
Элемент Мини-маль-ное 0,25 КВ* Среднее 0,75 КВ** Максимальное СКО***
Сё 120 395 504 712 2296 581
Си 56 194 283 358 825 179
Мп 9634 28 935 68 480 156 476 693 438 150 980
N1 40 105 132 249 1085 214
РЬ 82 214 269 376 1096 279
* — первая квартиль; ** — третья квартиль; *** — среднеквадратическое отклонение.
-Ф-
намического режима произрастания видов этой экологической группы. Если говорить об остальных изученных элементах, то они скорее являются результатом антропогенного воздействия на акваторию. Медь, если она не связана с добычей и переработкой руд, выплавкой металлов или гальваническими цехами, чаще всего характеризует коммунально-бытовое воздействие, так как входит в число тривиальных компонентов хозяйственно-бытовых стоков. Кадмий, никель и свинец являются трассерами техногенного пресса на окружающую среду (Христофорова, 1989). Все они поступают в окружающую среду при сжигании топлива, но наибольшие объемы поступления характерны никелю. Этот металл сопровождает все нефтепродукты, которые скорее всего поступают в акваторию с судов, работающих на мазуте. Таким образом, следует отметить, что бурая водоросль С. ЬагЬа(а может быть использована в качестве надежного индикатора поступления Сё, РЬ, N1 и Си, так как накапливает в себе данные элементы в количествах, на один два порядка превышающих содержание токсикантов в морских водах.
Известно, что по степени биологического поглощения тест-объекты ранжируются следующим образом: I группа — Ах > 100п — элементы энергичного накопления; II группа — Ах « 10п — элементы сильного накопления; III группа — Ах « п — элементы слабого накопления. Подобные тест-объекты называют объектами биологического накопления (Лх > 1). Если применить данную классификацию к нашим данным, то можно отметить, что бурая водоросль С. ЬагЬа(а относится к группе тест-объектов энергичного накопления, так как по всем из исследуемых элементов ее коэффициент биологического поглощения равен значениям, более 100. Таким образом, можно сделать вывод о том, что цистозира барбата может использоваться в качестве биоиндикатора, способного накапливать в себе высокие концентрации токсикантов, а значит служить объектом многолетнего экологического мониторинга качества вод прибрежных акваторий. В то
же самое время, данный вид водоросли также можно рассматривать в качестве биофильтра, активно аккумулирующего в себе тяжелые металлы и при этом способного функционировать.
Выводы. Проведенные исследования позволили сделать следующие выводы:
1) Бурая водоросль С.ЬагЬа(а может быть использована в качестве надежного индикатора поступления Сё, РЬ, N1 и Си в акваторию, так как концентрации тяжелых металлов в ее талломе на один-два порядка выше, чем в пробах морских вод.
2) Используемый нами тест-объект способен накапливать очень высокие концентрации исследуемых тяжелых металлов, что может рекомендовать водоросль С. ЬагЬа(а для использования в качестве индикатора многолетнего загрязнения прибрежных акваторий и биофильтра поступающих загрязняющих веществ.
3) Корреляция между динамикой изменений концентрации токсикантов в водорослях и морских водах не была обнаружена, так как содержание большинства металлов в макрофитах определяется сезонностью и не всегда напрямую зависит от поступления загрязняющих веществ в акваторию. В связи этим мы рекомендуем в случае сезонного мониторинга за поступлением загрязняющих веществ дополнительно использовать методики количественного химического анализа морских вод;
Таким образом исследуемый нами тест-объект может быть рекомендован для использования в качестве биондикатора при экол ого-геохимических исследованиях. Он отвечает важнейшим требованиям, предъявляемым к организмам-индикаторам — широко распространен в пределах исследуемой акватории и реагирует на изменение концетраиця тяжелых металлов в морских водах повышенным накоплением элементов в широком интервале концентраций. В тоже время высокие значения коэффициента биологического поглощения С.ЬагЬа(а покаывают ее высокую активность в участии в биогеохимических циклах водных экосистем.
Библиографический список
1. Савельев И. Б. Фототрофные организмы в системе мониторинга загрязнения водной среды тяжелыми металлами. Автореф. дис. ... канд. биол. наук. — М.: МГУ 2000. 40 с.
2. Теюбова В. Ф. Особенности накопления тяжелых металлов в разновозрастных талломах цистозиры (Новороссийская бухта, Черное море). Морской экологический журнал, 2011. Вып. 10 (3). С. 67—75.
3. Панькова Е. С., Камнев А. Н., Голубева Е. И. Особенности распределения тяжелых металлов в бурой водоросли Cystoseira barbata (Анапский район Краснодарского края). Международный научно-популярный журнал «Европа— Азия». Науки о земле, № 5 (14), 2015. С. 25—28.
4. Христофорова Н. К. Подбор основных параметров при использовании макрофитов как индикаторов состояния среды // III Всесоюз. совещ. по морской альгологии — макрофитобентосу: Тез. докл. — Киев, 1979. — С. 125—127.
-ф-
-Ф-
-Ф-
-Ф-
5. Phillips D. J. H. The use of siological indicator organisms to monitor trace metal pollution in marine and estuarine envinronments: A review // Envir. Pollut. — 1977. — Vol. 13, № 4. — P. 281—317.
6. Полынов В. Б. Избранные труды. — М.: Изд-во АН СССР, 1956. — 751 с.
7. Перельман А. И. Геохимия ландшафта. — М.: Высшая школа, 1975. — 392 с.
8. Куриленко В. В., Осмоловская Н. Г. Биоиндикаторная роль высших растений при диагностике загрязнений водных экосистем на примере малых водоемов г. Санкт-Петербурга // Водные ресурсы. 2007. Т. 34, № 6. С. 757—764.
9. Христофорова Н. К. Биоиндикация и мониторинг загрязнения морских вод тяжелыми металлами. — Л.: Наука, 1989. 192 с.
ACCUMULATION ABILITY OF THE BROWN ALGA CYSTOSEIRA BARBATA TO THE ACCUMULATION OF HEAVY METALS
E. S. Pankova, Postgraduate student, Lomonosov Moscow State University, Geography Faculty, Department of Environmental management, [email protected],
E. I. Golubeva, Ph. D. (Biology), Dr. Habil., Professor, Lomonosov Moscow State University, [email protected] References
1. Savelyev I. B. Fototrofnye organizmy v sisteme monitoringa zagryazneniya vodnoy sredy tyazhelymi metallami. [Phototrophic organisms in the system of monitoring of water pollution by heavy metals]. Thesis abstract for PhD in Biology. Moscow, Moscow state University 2000. 40 p. [in Russian]
2. Teubova V. F. Osobennosti nakopleniya tyazhyolykh metallov v raznovozrastnykh tallomakh cistoziry (Novorossiyskaya bukhta, Chyornoe more). [Features of the accumulation of heavy metals in thalli of different ages of Cystoseira (the Novorossiysk Bay, the Black sea)]. Marine environmental journal, 2011. No. 10 (3). P. 67—75 [in Russian]
3. Pan'kova E. S., Kamnev A. N., Golubeva E. I. Osobennosti raspredeleniya tyazhelykh metallov v buroy vodorosli Cystoseira barbata (Anapskiy rayon Krasnodarskogo kraya). [Features of distribution of heavy metals in the brown algae Cystoseira bar-bata (the Anapa District of the Krasnodar Region)]. International popular scientific journal "Europe-Asia". Nauki o Zemle, No. 5 (14), 2015. P. 25—28 [in Russian]
4. Khristoforova N. Podbor osnovnykh parametrov pri ispolzovanii makrofitov kak indikatorov sostoyaniya sredy [Selection of the main parameters when using macrophytes as indicators of the state of the environment]. The Third All-Union meeting on Marine Algology — macrophytobenthos: proc. Doc. Kiev, 1979. P. 125—127 [in Russian]
5. Phillips D. J. H. [The use of siological indicator organizations to monitor trace metal pollution in marine and estuarine environments: a review]. Envir. Pollut. 1977. Vol. 13, No. 4. P. 281—317.
6. Polynov B. B. Izbrannye trudy [Selected papers]. Moscow, Publishing house of the Academy of Sciences of the USSR, 1956. 751 p. [in Russian]
7. Perelman A. I. Geokhimiya landshafta [Geochemistry of landscape]. Moscow, Vysshaya Shcola, 1975. 392 p. [in Russian]
8. Kurilenko V. V., Osmolovskaya N. D. Bioindikatornaya rol vysshikh rasteniy pri diagnostike zagryazneniy vodnykh eko-sistem na primere malykh vodoemov g. Sankt-Peterburga [Bioindicator role of higher plants in the diagnosis of pollution of aquatic ecosystems in the study of small water bodies of St. Petersburg]. Water resources. 2007. Vol. 34, No. 6. P. 757—764 [in Russian]
9. Khristoforova N. C. Bioindikaciya i monitoring zagryazneniya morskikh vod tyazhelymi metallami. [Bioindication and monitoring of marine water pollution by heavy metals]. Leningrad, Nauka. 1989. 192 p. [in Russian]
