UDC 627.157
CSCSTI 68.31
Russian Classification of Professions by Education 35.06.01
Russian Library and Bibliographic Classification 40
Russian Trade and Bibliographic Classification 5607
BISAC TEC003050 Agriculture / Irrigation
In the conditions of modern anthropogenic expansion, the ecosystem of water bodies is a source of accumulation of pollutants, and the sediments of reservoirs, in most cases, are a potential barrier to the further movement of one of the most toxic pollutants – heavy metals. An obligatory attribute of such objects is aquatic vegetation, which, on the one hand, is a factor in the sedimentation of a fine fraction – an active sorbent of heavy metals, and on the other – a direct accumulator depositing heavy metals. The issues of studying the pollution of aquatic vegetation on the territory of the Ivan’kovo reservoir are considered. The ratios of various heavy metals in the rhizomes, stems, and foliage of lake reed (Schoenoplectus lacustris (L.) Palla) have been determined. Some methodological and experimental actions in pollution monitoring are presented. It is noted that aquatic vegetation, to a lesser extent than bottom sediments, is an environment depositing heavy metal pollution of the studied object
heavy metals, aquatic vegetation pollution, sediments, water bodies, monitoring
В водной среде загрязняющие вещества концентрируются в основном в составе донных отложений (ДО), влияя непосредственно и опосредовано на качество воды. ДО водных объектов можно считать конечным звеном круговорота техногенных элементов в ландшафте: вследствие своих высоких сорбционных свойств тонкие фракции сорбируют достаточно широкий комплекс загрязнителей. Степень загрязнения ДО может рассматриваться в качестве интегрального показателя техногенной нагрузки на водный объект, а также является информацией об интенсивности и направленности инженерно-хозяйственной деятельности на сопредельной водосборной территории. Изучение загрязнения ДО водных объектов химическими элементами продолжает оставаться одной из важных проблем геоэкологии и охраны окружающей среды. Отсутствие формальной нормативной базы по этим показателям привело к различным и многообразным подходам и методам решений поставленной задачи. В настоящее время состояние водных объектов, в значительной степени, определяется техногенными факторами. Наиболее опасными загрязняющими веществами являются тяжелые металлы (ТМ): Hg, Cd, Zn, Pb, Cu, Cr, Co, Ni, Fe, Mn и As. Исследования ДО водоемов позволяют установить неблагополучные участки и определить источники загрязнения для водных объектов, являющимися как источниками водообеспечения, так и рекреационными территориями [1, 2].
Таблица 1
Точки отбора образцов растений (камыш) и ДО, Иваньковское вдхр.
|
№ пробы |
Описание |
Глубина |
|
Т1 (т.5 ДО) |
р. Донховка лодочная станция, левый берег, причал лодочной станции |
60-70 см |
|
Т2 (т.25 ДО) |
Мошковский залив, левый берег вблизи устья |
40-50 см |
|
Т3 (т.75 ДО) |
остров Омутня, бечевник (о. Клинцы, 100м до о. Омутня) |
10-20 см |
|
Т4 (т.58 ДО) |
Бабенский залив, левый берег, 100 м выше устья, причал |
70-80 см |
|
Т5 (т.76 ДО) |
Остров Б. Сухаринский, нижняя оконечность, 100 м от берега к западу |
50-60 см |
Наряду с ДО, водные и прибрежно-водные растения являются важнейшим компонентом водных биоценозов: они оказывают значимое средообразующее влияние, изменяя газовый режим и активную реакцию воды, принимая участие в процессах перераспределения веществ между ДО и водой [3]. Прибрежно-водная растительность – важный элемент водных экосистем. Ее изучение дает возможность охарактеризовать экологическое состояние, понять закономерности их формирования и функционирования. Растения этой группы широко используются в качестве биофильтров для очистки сточных вод, служат индикаторами изменения качества воды, имеют большое значение для рыбного хозяйства и др. [4]. Общие положения. Обязательное присутствие в растениях небольших количеств некоторых ТМ обусловлено их участием в целом ряде естественных процессов метаболизма, роста и развития. В качестве микроэлементов ТМ, в частности, могут входить в состав естественных биологических ферментов, которые регулируют белковый, углеводный и жировой обмен, участвовать в синтезе нуклеиновых кислот. Однако при избытке ТМ в окружающей среде динамическое равновесие нарушается, и те же химические элементы, попадая в растение в значительно бóльших количествах, уже могут вызывать сильное токсическое воздействие [5–7]. Накапливая элементы, высшая водная растительность (ВВР) может удерживать загрязнители, исключая их из круговорота в водоеме практически в течение всего вегетационного периода, до своего отмирания и разложения, и играть роль очистителя [8]. Поэтому изучение химического состава водных растений, являющихся мощным аккумулятором загрязнителей, позволяет выявить наиболее контрастные техногенные биогеохимические аномалии, образующиеся при загрязнении воды и ДО. ВВР оказывает разностороннее воздействие на динамику водных масс и ДО. Прежде всего, она оказывает механическое сопротивление движению воды и тем самым способствует накоплению взвешенных в воде веществ. Также растительность сорбирует различные вещества на листьях и стеблях и поглощает их в процессе обмена с внешней средой [9]. Растения, располагающиеся на границе водоемов или в прибрежной зоне, имеющие постоянный контакт с водой и развитую корневую систему, имеют возможность поглощать ТМ как из почвы, так и из водной среды. Кроме того, прибрежная растительность, находясь в более комфортных условиях, способна образовывать достаточно плотные заросли, превращающиеся в своеобразный накопитель веществ, которые переносятся в форме различных потоков с поверхности суши в водоем либо (в период сезонных паводков) из воды на сушу. Роль накопителя усиливается, когда в составе задерживаемых веществ находятся поллютанты различной природы. Часто в составе загрязняющих веществ присутствуют источники ТМ. Следовательно, растения, формирующие прибрежный барьер, потенциально могут находиться в условиях наиболее длительного их воздействия. В этой связи важным является изучение степени накопления ТМ прибрежно-водной растительностью и выявление ее видов, способных к высокой аккумуляции этих элементов [10]. ВВР составляют неотъемлемый компонент водной экосистемы и являются биологическими ресурсами и индикаторами состояния водной среды. Мониторинг накопления ТМ прибрежно-водной растительностью водоемов является одним из значимых инструментов контроля процессов техногенного воздействия на окружающую среду, вызванного функционированием объектов хозяйственной деятельности [11]. Объекты и методы исследования. Иваньковское водохранилище – один из главных источников водоснабжения г. Москвы, поэтому проблема его загрязнения в связи с возрастающей техногенной нагрузкой на его водосборную площадь и ухудшением качества воды, подаваемой в канал им. Москвы, продолжает оставаться актуальной. Приведена оценка загрязнения ДО и камыша озерного (Schoenoplectus lacustris (L.) Palla) ряда районов водохранилища следующими микроэлементами: Cd, Cu, Pb, Zn, Cr, Ni, Co, As, а также макроэлементами: Fe и Mn. В табл. 1 указаны пункты, в которых отбирались образцы иловатых отложений и растительности, в непосредственной близости друг от друга. Тонкие фракции ДО (<20 мкм) способны удовлетворять требованиям оценки содержания в них ТМ, предпочтение следует отдавать быстрому, простому и экономичному отделению и анализу [12]. Эта фракция довольно близко соответствует взвешенному веществу в толще водного объекта [13]. Аккумуляцию ТМ ДО рекомендуется оценивать с помощью «индекса геоаккумуляции» [14], который характеризует относительную кратность загрязнения ДО (относительно природного фона) во фракциях грунта <20 мкм, где геохимическая фоновая концентрация элемента оценивается по [15, 16].
ДО подразделяются на классы качества (игео-классы) по каждому ТМ и As. Фоновое значение дается с определенным запасом, и каждому игео-классу присвоен уровень загрязнения и техногенной нагрузки [14]. Кроме загрязнения ДО изучено содержание ТМ в прибрежной водной растительности водохранилища – а именно для изучения выбран камыш озерный. Камыш озерный – вид травянистых растений семейства осоковые (Cyperaceae) [17], выбран как один из наиболее массовых представителей прибрежной ВВР прибрежной зоны Иваньковского водохранилища. Отобранный камыш (растение целиком, включая корневища) высушивался при комнатной температуре до воздушно-сухого состояния. Высохшие растения разделялись на три части: корневище, стебель, листовые пластинки в свободном расположении. Каждая часть растения измельчалась для удобства размещения в кварцевой чашке для выпаривания. Предварительное сжигание производилось в этих чашках на песчаной бане под воздушной вытяжкой до прекращения выделения дыма. Затем полученный материал для дальнейшей подготовки помещался в муфельную печь. Согласно рекомендациям при температуре 550 °С образцы сжигаются три часа.
Таблица 2
Содержание ТМ в ДО Иваньковского водохранилища (числитель – концентрация, мг/кг; знаменатель – игео-класс).
|
№ |
Pb |
As |
Zn |
Cu |
Ni |
Co |
Fe, % |
Mn |
Cr |
Cd |
|
05 |
33/1 |
17,4/0 |
401/2 |
46/0 |
51/0 |
9,0/0 |
- |
- |
139/1 |
0,37/0 |
|
25 |
26/0 |
10,3/0 |
487/2 |
43/0 |
52/0 |
6,7/0 |
- |
- |
147/1 |
0,54/1 |
|
58 |
44/1 |
14,6/0 |
585/3 |
33/0 |
41/0 |
3,9/0 |
- |
- |
214/1 |
0,54/1 |
|
75 |
21/0 |
9,9/0 |
227/1 |
- |
25/0 |
52,4/1 |
5,17/0 |
1616/1 |
116/0 |
- |
|
76 |
28/0 |
11,0/0 |
176/1 |
- |
29/0 |
66,3/2 |
4,13/0 |
1284/1 |
265/1 |
- |
Полученный материал взвешивается и далее, после остывания, готов для последующих действий. Аналитические исследования проводились на спектрометре «Спектроскан-МАКС». В рабочей емкости из порошка борной кислоты при давлении 4 атм формируется подложка (гильза) таблетки, которая заполняется полученным при сжигании материалом, далее материал уплотнении прессом при давлении 4 атм. Программа позволяет менять набор определяемых данных. В нашем случае определялись Pb, As, Ni, Cu, Cr, Zn, Fe, Co, Mn, Cd, Mo. Обычно на анализ одного образца затрачивается 30…40 мин. Осуществлялось трехкратное повторение определений и для дальнейшего анализа использовались средние результаты. Обсуждение результатов.
В табл. 2 приведены концентрации ТМ в ДО изученных районов водохранилища, также дана оценка загрязнения ДО по «индексу геоаккумуляции». Содержание практически всех ТМ в изученных ДО соответствует уровням от «фонового» до «незагрязненного». Исключение составляют Co и Zn. Содержание Co в районе Большого Сухаринского острова напротив г. Конаково соответствует 2‑му игео-классу – «умеренно загрязненному» уровню, что отчасти может объясняться техногенной нагрузкой. Содержание Zn в ДО в районе моторно-лодочной станции, а также Мошковского залива, соответствует 2‑му классу – «умеренно загрязненному» уровню. В ДО р. Бабня содержание Zn соответствует 3‑му игео-классу – «средне загрязненному» уровню. Эти уровни содержания Zn могут быть объяснены активным использованием водного транспорта, при этом они не представляют существенной опасности вторичного загрязнения водной среды. Более подробные данные о характере загрязнения ТМ и мышьяком ДО приведены в [12, 18].
Таблица 3
Содержание ТМ в камышах Иваньковского водохранилища (мг/кг)
|
№ |
Часть растения |
Pb |
As |
Cu |
Cr |
Zn |
Fe |
Co |
Mn |
Mo |
|
1 |
листья |
- |
4,20 |
- |
4,88 |
- |
1301,47 |
17,98 |
- |
- |
|
стебли |
- |
7,15 |
- |
6,11 |
1,32 |
991,73 |
18,43 |
- |
- |
|
|
кореневища |
- |
76,74 |
- |
22,42 |
67,66 |
80618,73 |
- |
- |
- |
|
|
2 |
листья |
40,82 |
28,96 |
- |
24,54 |
120,44 |
4160,73 |
8,56 |
974,59 |
2,21 |
|
стебли |
54,88 |
44,88 |
- |
14,32 |
34,50 |
3306,90 |
9,56 |
605,08 |
0,60 |
|
|
3 |
листья |
- |
4,51 |
- |
5,49 |
- |
1561,47 |
17,12 |
258,41 |
- |
|
стебли |
- |
5,67 |
- |
4,87 |
- |
2018,10 |
14,52 |
1166,00 |
- |
|
|
кореневища |
5,00 |
14,89 |
- |
15,32 |
27,87 |
11351,47 |
- |
1404,78 |
3,32 |
|
|
4 |
листья |
8,92 |
0,38 |
9,41 |
26,07 |
2163,60 |
15,14 |
- |
- |
- |
|
стебли |
8,23 |
- |
10,55 |
5,23 |
2584,47 |
13,513 |
- |
- |
1,35 |
|
|
кореневища |
1,02 |
9,79 |
- |
12,62 |
53,51 |
5067,63 |
6,15 |
- |
- |
|
|
5 |
листья |
24,38 |
19,10 |
- |
23,16 |
266,69 |
5042,13 |
6,54 |
200,60 |
- |
|
стебли |
- |
7,87 |
- |
4,12 |
29,84 |
1237,00 |
18,39 |
4,02 |
- |
|
|
кореневища |
- |
33,72 |
- |
28,67 |
61,14 |
32744,73 |
- |
- |
- |
В табл. 3 приведены концентрации ТМ в прибрежной водной растительности изученных районов водохранилища – в трех основных компонентах (корневища, стебли, листья) для определения закономерностей загрязнений. На основании полученных данных отмечается, что наибольшее количество ТМ, в особенности Fe, находится в корневой системе растений. Это свидетельствует о том, что она является аккумулирующей средой, поглощающей ТМ из ДО, при этом часть ТМ транзитом попадают в стебель, и далее в листья. Поскольку корневая система камыша отличается разветвленной структурой, ее можно рассматривать как компонент ДО, который после отмирания остается в отложениях с аккумулированными в ней запасами загрязняющих веществ. Значительная часть As во всех образцах находится в корневищах, содержание Zn и Cr в корневищах преобладают только в районе причала лодочной станции и в Омутнинском заливе. В районах причала на р. Бабня (Бабенский залив) и Мошковского залива, а также о. Большой Сухаринский Zn и Cr накапливаются в основном в листьях, что может быть связано с активным использованием водного транспорта. Содержание Co сосредоточено в корневищах камыша в Бабенском заливе, в остальных районах соотношение распределено между стеблями и листьями приблизительно в равной пропорции. Для изученных районов рассчитано отношение содержания ряда наиболее характерных элементов – Cr, Zn, As, Fe – в ДО к их содержанию в корневой системе камыша (рисунок). Содержание As в корнях либо равно (заливы Омутнинский и Бабенский), либо существенно превышает (лодочная станция и о. Большой Сухаринский) его содержание в ДО. В растительности As содержится в основном в корневищах, что свидетельствует о том, что корневая система камыша является аккумулирующей средой As. Содержание Zn в ДО существенно превышает его содержание в корнях растительности (от 3…6 до 21 раз в Омутнинском заливе). Это означает, что прибрежная растительность не является аккумулятором Zn из ДО. В то же время в Бабенском заливе и вблизи о. Большой Сухаринский содержание Zn сосредоточено в основном в стеблях и листьях камыша – на этих участках корневища являются транзитом Zn из ДО к листьям. Содержание Cr, как и содержание Zn, в ДО значительно превышает его содержание в корневищах (от 6 до 14 раз). При этом практически во всех районах исследований оно сосредоточено именно в корневой системе, что в свою очередь свидетельствует о слабом поступлении Cr из ДО в растительность. Также и содержание Fe в ДО, соответствуя незагрязненным уровням игео-классов вблизи о. Больщой Сухаринский равно содержанию в корневищах, а в Бабенском заливе превышает в 10 раз его же содержание в корневищах камыша.
Рисунок 1 – Распределение содержания ТМ в корневищах, стеблях и листьях камышей изучаемых районов (%).
Принимая во внимание, что в корневищах содержится основная масса Fe, можно сделать вывод об его умеренной аккумуляции корневой системой из ДО. Из полученных результатов отмечено, что прибрежная водная растительность аккумулирует незначительную часть ТМ из ДО, исключение составляет только поглощаемый корневищами As. Водная растительность, расположенная в прибрежной зоне, в локальных районах, не может существенно влиять на перемещение взвешенного вещества в водохранилище и на процесс осадконакопления. Значимое влияние на осадконакопление растительность оказывает только в районах своего непосредственного произрастания. Заключение. Основная часть ТМ и мышьяка аккумулируется в корневой системе водной растительности, что в совокупности смощной и разветвленной структурой позволяет считать корневую систему камыша значимой аккумулирующей средой.
Таким образом, попадание в корневую систему ТМ выводит их из оборота системы вода–ДО. Содержание большинства ТМ в корневой системе значительно уступает их содержанию в ДО, исключение составляет только поглощаемый корнями As. Это свидетельствует о том, что водная растительность не может существенно влиять на загрязнение ТМ отложений водохранилища. Вкомплексе с ДО, водная растительность является сорбентом ТМ и мышьяка, удаляя их из водной толщи. Водная растительность, расположенная в прибрежной зоне, является локальным фактором осадконакопления тонких фракций. Она не может существенно влиять на перемещение взвешенного вещества и на процесс осадконакопления в масштабах водохранилища. Показатели содержания ТМ в ДО и прибрежной растительности является индикатором состояния загрязнения водного объекта и его биологических компонентов
1. Tehnogennoe zagryaznenie rechnyh ekosistem / Pod red. V.E. Raynina, G.N. Vinogradovoy. M.: Nauchnyy mir, 2002. 140 s.
2. Ocenka tehnogennoy nagruzki na vodnye ob'ekty po zagryaznennosti donnyh otlozheniy / N.V. Kolomiycev, B.I. Korzhenevskiy, T.A. Il'ina, E.N. Get'man // Melioraciya i vodnoe hozyaystvo. 2015. № 6. S. 15–19.
3. Osobennosti ekologo-sanitarnogo sostoyaniya rybohozyaystvennyh vodoemov v usloviyah lesostepnoy zony Chelyabinskoy oblasti / M.A. Derho, L.V. Chernyshova, T.N. Makarova, O.S. Ulitina, S.N. Burylov // APK Rossii. 2022. T. 29. № 2. S. 192–199.
4. Dyukova A.S., Evgrafova A.B., Tret'yakova A.A. Ocenka ekologicheskogo sostoyaniya ozera Galichskoe Kostromskoy oblasti po sostoyaniyu pribrezhno-vodnoy rastitel'nosti // Prirodopol'zovanie i ohrana prirody: Ohrana pamyatnikov prirody, biologicheskogo i landshaftnogo raznoobraziya Tomskogo Priob'ya i drugih regionov Rossii: materialy IX Vserossiyskoy s mezhdunarodnym uchastiem nauchno-prakticheskoy konferencii. 2020. S. 160–163.
5. Il'in V.B., Syso A.I. Mikroelementy i tyazhelye metally v pochvah i rasteniyah Novosibirskoy oblasti. Novosibirsk: Izdvo SO RAN, 2001. 229 s.
6. Kabata-Pendias A., Pendias H. Mikroelementy v pochvah i rasteniyah. M.: Mir, 1989. 439 s.
7. Hall J., Williams E. Transition metal transporters in plants // J. Exp. Bot. 2003. Vol. 54. Pp. 2601–2613.
8. Prasad M.N.V. Heavy Metal Stress in Plants // From Biomolecules to Ecosystems. Springer, 2004. 462 p.
9. Kazmiruk V.D. Nakoplenie tyazhelyh metallov vysshey vodnoy rastitel'nost'yu razlichnyh biotopov ust'evoy oblasti Volgi // Antropogennoe vliyanie na vodnye organizmy i ekosistemy: materialy III Vseros. konf. po vodnoy toksikologii, posvyaschennoy pamyati B.A. Flerova (Borok, 11–16 oktyabrya 2008 g.). Borok, 2008. S. 30–33.
10. Murashko Yu.A., Kravchenko I.V. Soderzhanie tyazhelyh metallov v osoke vodyanoy (carex aquatilis wahlenb.) pribrezhno-vodnyh biocenozov prirodnogo parka «Numto» // Vestnik KrasGAU. 2017. № 8(131). S. 104–110.
11. Dayneko N.M., Timofeev S.F., Zhad'ko S.V. Minimal'noe i maksimal'noe nakoplenie tyazhelyh metallov pribrezhno–vodnoy rastitel'nost'yu vodoemov vblizi promyshlennogo centra g. Rechica // Byulleten' nauki i praktiki. 2017. № 2(15). S. 99–109.
12. Zakonomernosti zagryazneniya donnyh otlozheniy vodnyh ob'ektov tyazhelymi metallami / N.V. Kolomiycev, G.Yu. Tolkachev, B.I. Korzhenevskiy, T.A. Il'ina. M.: VNIIGiM, 2023. 180 s. ISBN 978-5-907464-44-5.
13. Mueller G., Ottenstein R., Yahya A. Standardized particle size for monitoring, inventory, and assessment of metals and other trace elements in sediments: <20 µM or <2 µM? // Fresenius’ Journal of Analytical Chemistry. 2001. V. 371. No. 5. P. 637–642.
14. Mueller G. Schwermetalle in den Sedimenten des Rheins –Veraenderungen seit 1971 // Umschau 79. 1979. H.24. S. 778–783.
15. Vinogradov A.P. Geohimiya redkih i rasseyannyh elementov v pochvah. M.: Izd-vo AN SSSR, 1957. 235 s.
16. Turekian K.K., Wedepohl K.H. Distribution of the Elements in Some Major Units of the Earth’s Crust // Geological Society of America, Bulletin. 1961. Vol. 72. Rp. 175–192.
17. 298. Scirpus lacustris L. [Schoenoplectus lacustris (L.) Palla] – Kamysh ozernyy / I.A. Gubanov, K.V. Kiseleva, V.S. Novikov, V.N. Tihomirov // Illyustrirovannyy opredelitel' rasteniy Sredney Rossii: v 3 t. M.: Tovarischestvo nauch. izd. KMK: In-t tehnol. issled. 2002. T. 1: Paporotniki, hvoschi, plauny, golosemennye, pokrytosemennye (odnodol'nye). 527 s. ISBN 5-87317-091-6.
18. Soderzhanie tyazhelyh metallov i ih raspredelenie po formam suschestvovaniya v donnyh otlozheniyah Ivan'kovskogo vodohranilischa i ego pritokov / G.Yu. Tolkachev, B.I. Korzhenevskiy, N.V. Kolomiycev, T.A. Il'ina // Bezopasnost' zhiznedeyatel'nosti. 2023. № 4(268). S. 31–38
