CC BY
110
УДК 581.192: [581.526.323.4]
ББК 28.080.3:[28.57:28.592.7]
В. В. Ермаков, А. А. Жилкин, В. Ф. Зайцев, М. Ю. Карапун
МИНЕРАЛЬНЫЙ СОСТАВ МОРСКОЙ ТРАВЫ СЕМЕЙСТВА ZOSTERACEAE КАСПИЙСКОГО МОРЯ
V. V. Ermakov, A. A. Zhilkin, V. F. Zaitsev, M. Yu. Karapun
MINERAL COMPOSITION OF SEA PLANT OF FAMILY ZOSTERACEAE OF THE CASPIAN SEA
Исследован минеральный состав морской травы Zostera marina L., сбор которой осуществлялся в различных частях Северного и Среднего Каспия и в техноэкологической системе - озере Караколь (Республика Казахстан). Выявлено более низкое концентрирование металлов морскими макрофитами по сравнению с пресноводными, что связано с меньшей биодоступностью микроэлементов в морской воде. Валовые формы микроэлементов в растениях в 2009-2010 гг. располагались следующим образом: Каспийское море - Co = Cu > Pb > Mn = Ni > Zn > Fe; озеро Караколь - Pb > Co > Ni = Mn > Cu > Zn > Fe.
Ключевые слова: Северный Каспий, Средний Каспий, водные растения, Zostera marina L., макроэлементы, озеро Караколь, биофильные элементы.
The mineral composition of the sea plant Zostera marina L., which was gathered in different parts of the Northern and Middle Caspian Sea and in the techno-ecological system - the Lake Karakol (the Republic of Kazakhstan) has been studied. There has been revealed the lower concentration of metals in sea macrovegetation in comparison with the freshwater ones; it is connected with the lower bioavailability of microelements in sea water. Gross formulas of microelements of plants in 2009-2010 were placed in the following way: the Caspian Sea - Co = Cu > Pb > Mn = Ni > Zn > Fe; the Lake Karakol -Pb > Co > Ni = Mn > Cu > Zn > Fe.
Key words: the Northern Caspian Sea, the Middle Caspian, aquatic plants, Zostera marina L., major mineral elements, the Lake Karakol, biophilic elements.
Высшая водная растительность (или макрофиты) играет важную роль в биоценозе. Среди формаций макрофитов обитают разнообразные виды беспозвоночных животных и молоди рыб.
Морские макрофиты населяют глубины от супралиторали (зона заплеска) до 20-30 м, границы распространения макрофитов обусловлены минимально необходимым уровнем освещённости и наличием подходящего субстрата.
Водные растения Каспия имеют практическое значение, т. к. содержат в своём составе такие вещества, как белок - 6-29 %, углеводы - 17-60 %, липиды - 4 %, много витаминов и минеральные соли [1].
Первые упоминания о морской и прибрежно-водной растительности Каспийского моря появляются в 18 в., после известных экспедиций А. Бековича-Черкасского в 1715 г. и описания российских академиков С. Г. Гмелина (1785) и П. С. Палласа (1786) [2].
Начиная с 20 в. в работах таких ученых, как Л. И. Волков (1934) [3], М. С. Киреева и Т. Ф. Щапова [4-6] впервые описаны полные исследования каспийского фитобентоса, в частности макрофитов. Впервые приводится описание и данные по запасам Zostera noltii Hornem. и более 30 видов водорослей различных отрядов для Северного Каспия.
В настоящее время в различных районах Каспийского моря (в северо-восточной части Северного Каспия и на Среднем Каспии) встречаются различные ассоциации формаций водной растительности: Zostera marina L., Zostera noltii Hornem. и Zostera nana [7-9].
Данные виды относятся к семейству Взморниковые (Zosteraceae). Это небольшое семейство, представителей которого часто называют морской травой, принадлежит к очень интересной в биологическом отношении группе цветковых растений, приспособившихся к обитанию в соленой воде морей и океанов.
Морские травы семейства Zosteraceaе довольно эвритермны, характерны для умеренных вод. Они способны цвести и продуцировать семена при температуре от 0 до 30 °С (в северной части ареала - до 13 °С), в отличие от тропических трав, у которых нормальная вегетация происходит при температуре 17-32 °С.
Продукционная способность морских трав исключительно высока, их сообщества - среди наиболее продуктивных автотрофных сообществ планеты, включая сельскохозяйственные. Так, взморник за год образует 0,3-0,6 кг/м2 сухой массы (без учета продукции корней).
Сухие листья взморниковых издавна использовали для набивки матрацев, мягкой мебели и других предметов обихода, а также в качестве упаковочного материала. Листья и побеги взморника, в больших количествах выносимые на берег, можно использовать как ценное удобрение для полей (в свежем состоянии или после сжигания).
Среди живых организмов на планете главными аккумуляторами химических элементов, в настоящее время именуемых «тяжелые металлы», являются растения. В связи с этим необходимо иметь объективное представление о нормальных (фоновых) концентрациях данных элементов в компонентах растительного мира [10-11].
Цель исследования заключалась в изучении минерального состава (биофильных (биогенных) элементов) макрофитов Каспийского моря, обладающих высокой аккумуляционной способностью, в силу чего они сами могут становиться токсически опасными и передавать накопленные токсичные вещества по трофической цепи.
Материалы и методы исследований
Объектом исследования послужила морская трава из сем. Zosteraceae - зостера морская (Zostera marina L.), являющаяся основной формацией макрофитобентоса экологических зон северной и других частей Каспийского моря [7].
Сбор осуществлялся в различных частях Северного и Среднего Каспия (табл. 1, рис. 1), а также, для сравнения, в озере Караколь - особо охраняемой природной территории (ООПТ) «Карагие-Каракольский зоологический заказник республиканского значения» (Казахстан) в различные периоды 2009- 2010 гг.
Таблица 1
Координаты расположения гидроботанических станций
Год Месяц Координаты Название станции
2009 Август -сентябрь 49°55' 44°45 ' Северный Каспий, кв. 383
49°25 ' 44°05 ' Северный Каспий, кв. 469
Август -сентябрь 43°34’ 51°16’ Оз. Караколь, ст. № 3
43°32’ 51°17’ Оз. Караколь, ст. № 4
2010 Апрель 44°02’ 50°52’ Средний Каспий, «Район 43 км» ст. № 1
43°34’ 51°16’ Оз. Караколь, ст. № 3
43°32’ 51°17’ Оз. Караколь, ст. № 4
Август 44°02’ 50°52’ Средний Каспий, «Район 43 км» ст. № 1
44°08’ 50°51’ Средний Каспий, «Г олубая бухта» ст. № 2
Октябрь 44°02’ 50°52’ Средний Каспий, «Район 43 км» ст. № 1
43°34’ 51°16’ Оз. Караколь, ст. № 3
43°32’ 51°17’ Оз. Караколь, ст. № 4
Рис. 1. Расположение станций отбора проб высшей водной растительности: а - Каспийское море; б - оз. Караколь
Содержание микроэлементов в пробах высшей водной растительности определяли атомно-абсорбционным методом на спектрофотометре «Hitachi» модель 180-50 в пламени пропанвоздух [12, 13]. Анализ проводили в жидкой фракции после кислотного разложения смесью сильных одноосновных кислот - азотной (HNO3) и соляной (HCl), с добавлением пероксида водорода (Н2О2) в лаборатории кафедры «Г идробиология и общая экология» Астраханского государственного технического университета.
Для определения содержания химических элементов ниже биологического оптимума использовался экспрессный метод, отличающийся высокой точностью и позволяющий проводить определение концентраций элементов от F до U в широком диапазоне от n • 10-4 до 100 %, -рентгенофлуоресцентный метод анализа [14, 15].
Анализ проводили при помощи рентгенофлуоресцентного спектрометра Axios Advanced («PANalytical B. V.», Голландия) со сканирующим каналом, снабженного в качестве источника возбуждения характеристического излучения элементов рентгеновской трубкой с Rh-анодом.
Статистическая обработка материала проведена с использованием общепринятых методов [16]. Статистический анализ и построение графических изображений выполнены с использованием компьютерной программы Excel 2003 для Windows и пакета программы STATISTICA.
Результаты исследований и их обсуждение
Биофильные (биогенные) элементы, такие как фосфор (P), сера (S), хлор (Cl), кальций (Ca), магний (Mg), калий (K), натрий (Na), марганец (Mn), железо (Fe), медь (Cu), цинк (Zn), кремний (Si) и др., являются главными компонентами организмов, ныне живущих на планете [17].
H. J. M. Bowen [18] отмечала особую роль в организме растения таких цикличных микро-биогенных металлов, как медь, цинк и железо, входящих в несущий скелет растений.
Содержание в августе - сентябре 2009 г. этих микроэлементов в морской траве Zostera marina L. в Северном Каспии составило 7,76 ± 0,14 мг/кг для меди, 54,09 ± 0,23 мг/кг для цинка и 137,91 ± 1,03 мг/кг для железа. Содержание в оз. Караколь этих же химических элементов составило 6,73 ± 0,31, 29,58 ± 0,12 и 157,12 ± 1,24 мг/кг соответственно (рис. 2). Концентрация меди в северной части Каспийского моря и оз. Караколь соответственно в 3,8 и 4,5 раза меньше максимально допустимого уровня (МДУ = 30,0 мг/кг) элемента в кормах.
Содержание цинка в сравнении с показателями МДУ для кормов в Северном Каспии имело незначительное превышение по установленной норме (МДУ = 50,0 мг/кг), а в озере, наоборот, произошло снижение примерно в 1,5 раза.
160 140 120 100
м
S 80 60
40
20
0
Рис. 2. Содержание микроэлементов в Zostera marina в летний период 2009 г.
Концентрация ионных форм никеля (Ni) и кобальта (Со) на исследуемых участках в летний период 2009 г. составила для Северного Каспия 14,4 ± 0,02 и 9,54 ± 0,25 мг/кг, для оз. Караколь - 30,94 ± 0,14 и 11,44 ± 0,41 мг/кг соответственно.
Среднее содержание такого токсичного элемента, как свинец (РЬ) и менее токсичного марганца находилось в пределах 8,94 ± 0,51 и 28,67 ± 1,25 мг/кг (Северный Каспий), тогда как в морской траве из оз. Караколь оно составило 12,21 ± 0,17 для свинца и 40,67 ± 0,14 мг/кг для марганца, что в 1,5 раза больше по сравнению с Северным Каспием.
Так, концентрация свинца превышает МДУ (МДУ = 5,0 мг/кг) содержания этого элемента в кормах в 1,7 (для Северного Каспия) и 2,4 раза для оз. Караколь.
В весенний период 2010 г. в Среднем Каспии в тканях морской травы сем. Zosteraceae содержание меди находилось на уровне 9,70 ± 1,21 мг/кг, цинка - 93,10 ± 1,79 и железа -725,22 ± 17,81 мг/кг, в техноэкологической системе эти показатели составили: для меди -12,01 ± 3,49, цинка - 49,24 ± 8,46 и железа - 119,97 ± 4,96 мг/кг (оз. Караколь) (рис. 3).
Никель Медь Свинец Кобальт Марганец Цинк
Рис. 3. Содержание микробиогенных элементов в Zostera marina в весенний период 2010 г.
В данном макрофите концентрация никеля изменялась от 13,07 до 23,18 мг/кг, кобальта -от 8,32 до 11,04 мг/кг и в среднем составила 17,08 ± 3,09 и 9,96 ± 0,83 мг/кг соответственно (рис. 3). Ионные формы этих цикличных элементов в Zostera marina L. из оз. Караколь варьировали от 2,42 до 4,45 мг/кг для никеля (в среднем 3,20 ± 0,62) и от 15,84 до 25,88 мг/кг для кобальта (в среднем 20,81 ± 2,89 мг/кг).
Содержание свинца колебалось от 9,45 до 11,23 мг/кг, марганца - от 20,53 до 22,74 мг/кг, в среднем составив 10,20 ± 0,53 и 21,75 ± 0,64 мг/кг соответственно. В взморниковых оз. Караколь эти концентрации составили 5,70 ± 2,06 и 7,94 ± 7,94 мг/кг, что в 1,7 и 2,7 раза меньше по сравнению со Средним Каспием.
В осенний период 2010 г. концентрации меди и железа в Среднем Каспии возросли в 1,2 и 3 раза, содержание цинка незначительно снизилось по сравнению с весенним периодом, составив для меди 11,94 ± 0,31, для цинка 92,50 ± 4,46, для железа - 2 432,59 ± 26,92 мг/кг (рис. 4).
100 90 80 70 « 60
40 30 20 10 0-
Рис. 4. Содержание цикличных элементов в Zostera marina в осенний период 2010 г.
I оз. Караколь I Средний Каспий
Никель
Медь
Свинец Кобальт Марганец Цинк
При статистической обработке полученных результатов был выявлен средний парный коэффициент (r = 0,89) корреляционной зависимости между концентрациями биогенных элементов Fe - Cu в траве, собранной в Среднем Каспии и в оз. Караколь, в траве которого коэффициент корреляционной зависимости был выше (г = 0,95). Этот факт может объясняться тем, что погруженные и прибрежные макрофиты (особенно весной и осенью) являются накопителями железа, меди, марганца и могут проявлять взаимозамещения друг друга в организме растения.
В оз. Караколь концентрация меди в среднем составила 38,47 ± 11,79, цинка - 85,22 ± 9,03, железа - 1 527,58 ± 59,34 мг/кг.
Концентрация ионных форм никеля и кобальта в осенний период составила для Среднего Каспия 22,40 ± 7,92 и 7,79 ± 1,02 мг/кг, для оз. Караколь - 18,05 ± 3,34 и 7,92 ± 0,82 мг/кг соответственно.
Среднее содержание свинца и марганца находилось в пределах 11,88 ± 1,38 и 2,50 ± 0,24 мг/кг (для Среднего Каспия). Концентрация свинца в траве из оз. Караколь составила 7,04 ± 1,29, марганца - 4,08 ± 0,65 мг/кг, что в 1,6 раза ниже для свинца и больше для марганца по сравнению со Средним Каспием.
Биофильные элементы поглощаются растениями и другими гидробионтами, как известно, активно (особенно в условиях дефицита их подвижных соединений в среде). Так, в «дарах моря» различного происхождения сконцентрированы такие макробиогены, как кальций, хлор, фосфор, сера и др.
Как известно, Zostera marina L. является гидатофитом - растением, которое приспособилось жить целиком погруженным в воду, причем приспособилось к жизни в морской среде с высокой соленостью [19].
Подтверждением могут служить данные по содержанию в тканях растения такого жизненно важного (эссенциального) микроэлемента, как хлор (рис. 5), содержание которого составило 4,39 ± 0,33 % сухого вещества.
Mg
Cl
P
-р Na
Ох
S
K
Ca
Рис. 5. Содержание основных макроэлементов в морской траве Zostera marina в летний период 2010 г.
Как видно из рис. 5, в состав организма растений входят также такие макробиогенные элементы, как фосфор, сера и кальций, являющиеся неотъемлемой частью различных бикомплексов клетки, особенно белков-ферментов. Например, кальций входит в состав ряда структурных белков клетки, а сера присутствует почти во всех белках как компонент сульфогидрильных групп.
Как видно из результатов, полученных при помощи рентгенофлуоресцентного анализа водной растительности (рис. 6), в состав тканей морской травы входят алюминий (Al), содержание которого в наземных растениях выше, чем в морских в 10 раз. Содержание данного элемента составило 0,139 ± 0,03 %. Наземные растения являются основным источником таких важных микроэлементов, как марганец, алюминий, железо и др., которые, благодаря своей переменной валентности, принимают участие в окислительно-восстановительных процессах: фотосинтезе, дыхании, усвоении молекулярного и нитратного азота, в образовании хлорофилла.
0.813 1 1.010
^ 0,128
1.95 1.84
002
2.23 1.74
\\\\\\\\\4ч\\^ 1.61 3.97
ЕЭ Средний Каспий - ст. 2 «Голубая бухта» Q Средний Каспий - ст. 1 «Район 43 км»
В морских же растениях такими элементами считаются цинк и железо, обеспечивающие фотосинтез и еще две необходимые для организма растения функции - азотного обмена и метаболическую.
Концентрация кремния в траве составляла 0,457 ± 1015 % (рис. 6). В прибрежной части Среднего Каспия (полуостров Мангышлак) в состав организма растений входят такие элементы, как стронций (8г) - 0,0808 ± 0,02 % и барий (Ва) - 0,010 ± 0,0004 %.
Si
Sr
Fe
Al
£
Mn
Ba
Zn
Cu
Рис. 6. Содержание основных микроэлементов в морской траве Zostera marina в летний период 2010 г.
В заключение следует отметить, что с помощью морских трав сем. Zosteraceae в настоящее время осуществляются попытки оценивать биогеохимическую ситуацию в водной среде, в данном случае в донных отложениях, т. к. морские травы в большей степени поглощают минеральные элементы из грунта, чем из воды [20]. На современном этапе исследований в биогеохимическом круговороте элементов (миграция, аккумуляция) учеными в большей части рассматриваются такие вещества, как ртуть (Hg), кадмий (Cd), свинец, хром (Cr), кобальт, молибден (Mo), никель, медь, цинк, реже - стронций (Sr), марганец, железо, тилур (Ti), висмут (V) и другие химические элементы [10, 21].
На основании полученных данных в сравнении с лабораторными исследованиями [22] и полевыми данными [23, 24] выявлено более низкое концентрирование металлов морскими макрофитами по сравнению с пресноводными, что связано с меньшей биодоступностью элементов в морской воде. Валовые формы микроэлементов в растениях в 2009-2010 гг. располагаются в следующем возрастающем ряду:
Каспийское море Co = Cu > Pb > Mn = Ni > Zn > Fe
Техноэкосистема (оз. Караколь) Pb > Co > Ni = Mn > Cu > Zn > Fe
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
1. Водные растения Волго-Каспия и возможность их переработки / М. Д. Мукатова, А. В. Привезенцев, Н. А. Киричко, Р. Р. Утеушев // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Рыбное хозяйство. - 2005. -№ 3 (26). - С. 158-166.
2. Громов В. В. Водная и прибрежно-водная растительность авандельты р. Волги и Северного Каспия // Journal of Siberian Federal University. Biology 3. - 2009. - 2. - С. 286-298.
3. Волков Л. И. Растительность Каспийского моря. - Ростов н/Д: Изд-во Рост. пед. ин-та. - 1934. -№ 1. - С. 69-77.
4. Киреева М. С., Щапова Т. Ф. Донная растительность северо-восточной части Каспийского моря // Бюл. МОИП. Отдел биологии. - 1939. - № 48 (2-3). - С. 3-14.
5. Киреева М. С., Щапова Т. Ф. Донная растительность северо-восточной части Каспийского моря // Бюл. МОИП. Отдел биологии. - 1939. - № 48 (5-6). - С. 3-14.
6. Киреева М. С., Щапова Т. Ф. Материалы по систематическому составу и биомассе водорослей и высшей водной растительности Каспийского моря // Тр. ИОАН. - № 23. - М.: Изд-во АН СССР, 1957. - С. 125-137.
7. Чиженкова О. А. Особенности формирования фито- и зообентосных сообществ северной части Каспийского моря: автореф. дис. ... канд. биол. наук. - Астрахань, 2009. - 24 с.
:\4444444444444444W4444444444444W4444444444444^^^ 0,434 0,479
-.ЧЧЧЧЧЧЧЧ4 0,0563 J 0,1054
0,133 0,080
1 0 101 0,177
5Ü 0,013 ÍÁÁA 0,037
а 0,010 - 0,010
а 0,0065 J 0,0080
0,0008 0,0010
Н Средний Каспий - ст. 2 «Голубая бухта» 0 Средний Каспий - ст. 1 «Район 43 км»
8. Громов В. В. Водная и прибрежно-водная растительность Северного Каспия: авандельта р. Волги, калмыцкое и казахское побережье // Journal of Siberian Federal University. Biology 3. - 2010. - 3. - С. 286-298.
9. Салиева А. Р. Обоснование и разработка комплексной технологии полисахаридов из высших водных растений Волго-Каспийского бассейна: автореф. дис. ... канд. техн. наук. - М., 2011. - 24 с.
10. Алексеев Ю. В. Тяжелые металлы в почвах и растениях. - Л.: Агропромиздат, 1987. - 142 с.
11. Прохорова Н. В., Матвеев Н. М. Тяжелые металлы в почвах и растениях в условиях техногенеза // Вестн. Самар. гос. ун-та. Естественнонауч. сер. - 1996. - № 2 (2). - С. 125-147.
12. Брицке М. Э. Атомно-абсорбционный спектрохимический анализ. - М.: Химия, 1982. - 232 с.
13. Прайс С. В. Аналитическая атомно-абсорбционная спектроскопия. - М.: Мир, 1976. - 355 с.
14. Гуничева Т. Н. Развитие рентгенофлуоресцентного метода для обеспечения качества экогеоаналити-ческих данных: автореф. дис. ... д-ра хим. наук. - Иркутск, 1998. - 36 с.
15. Рощина И. А. Применение рентгенофлуоресцентного анализа в биогеохимических исследованиях // Материалы второй рос. школы «Геохимическая экология и биогеохимическое районирование биосферы» / РАН. - М., 1999. - С. 220-222.
16. Пузаченко Ю. Г. Математические методы в экологических и географических исследованиях. - М.: Академия, 2004. - 416 с.
17. Goldschmidt V. M. Geochemische Verteilungsgesetze der Elemente. Vol. II. Nor. Vidernsk. - Akad. Skrifter, Kristiania, 1924.
18. Bowen H. J. M. Trace elements in biochemistry. - New York. L.: Academic press, 1966. - 241 p.
19. Громов В. В. Адаптация растений к изменяющимся условиям среды: материалы молодеж. школ. -Ростов н/Д: Изд-во ЮНЦ РАН, 2005. - С. 154-163.
20. Ковековдова Л. Т., Иваненко Н. В., Симоконь М. В. Особенности распределения As в компонентах морских прибрежных экосистем Приморья // Электронный журнал «Исследовано в России». - 2002. -№ 2. - С. 1437-1445.
21. Алексеенко В. А. Геохимия ландшафтов и окружающая среда. - М.: Наука, 1990. - С. 12-16.
22. Гавриленко Е. Е. Изучение аккумуляции и токсичности некоторых тяжелых металлов у водных макрофитов: автореф. дис. ... канд. биол. наук. - М., 1988. - 24 с.
23. Лавриненко А. В., Айтимова А. М., Котельников А. В. Микроэлементный состав пресноводных макрофитов Астраханской области // Естественные науки. - № 1 (34). - Астрахань: Изд. дом АГУ, 2011. - С. 64-67.
24. Лавриненко А. В., Котельников А. В., Айтимова А. М. Особенности накопления микроэлементов пресноводными фитобентосными организмами // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Рыбное хозяйство. - 2011. - № 1. - С. 100-102.
Статья поступила в редакцию 13.03.2012
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Ермаков Вадим Викторович - Институт геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского Российской академии наук, Москва; д-р биол. наук, профессор; зав. лабораторией «Биогеохимия окружающей среды»; ermakov@geokhi.ru.
Ermakov Vadim Victorovich - Institute of Geochemistry and Analytical Chemistry named after V. I. Ver-nadskiy of Russian Academy of Science, Moscow; Doctor of Biological Science, Professor; Head of the Laboratory "Biogeochemistry of the Environment"; ermakov@geokhi.ru.
Жилкин Александр Александрович - Астраханский государственный технический университет, д-р биол. наук, профессор; viacheslav-zaitsev@yandex.ru.
Zhilkin Alexander Aleksandrovich - Astrakhan State Technical University; Doctor of Biological Science, Professor; viacheslav-zaitsev@yandex.ru.
Зайцев Вячеслав Фёдорович - Астраханский государственный технический университет; д-р с.-х. наук, профессор; зав. кафедрой «Гидробиология и общая экология»; viacheslav-zaitsev@yandex.ru.
Zaitsev Vyacheslav Fedorovich - Astrakhan State Technical University; Doctor of Agricultural Science, Professor; Head of the Department "Hydrobiology and General Ecology"; viacheslav-zaitsev@yandex.ru.
Карапун Михаил Юрьевич - Астраханский государственный технический университет; аспирант кафедры «Гидробиология и общая экология»; aktay_misha@yahoo.com.
Karapun Mikhail Yurievich - Astrakhan State Technical University; Postgraduate Student of the Department "Hydrobiology and General Ecology"; aktay_misha@yahoo.com.
