Регистрация / Вход
Прислать материал

Биоиндикаторы для экологического мониторинга водоемов Ленинградской области

Сведения об участнике
ФИО
Бахвалова Елена Вячеславовна
ФИО (на английском языке)
Bakhvalova Elena
Название организации
АО «Научные приборы»
Информация о докладе
Вид доклада
Не заполнено
Секция
Биоиндикация и химический анализ в экологическом мониторинге
Название доклада
Биоиндикаторы для экологического мониторинга водоемов Ленинградской области
Соавторы доклада (ФИО, организация, город, страна)
Донских Виктор Александрович, АО "Научные приборы", Санкт-Петербург, Россия; Горская Валентина Алексеевна, Санкт-Петербургский Государственный университет, Факультет географии и геоэкологии, Санкт-Петербург, Россия
Аннотация
На сегодняшний день существенно возрастает уровень антропогенных воздействий на водные объекты. Благодаря способности аккумулировать различные химические элементы водными растениями становится возможным использование метода биоиндикации для решения задач экологического мониторинга водоемов. Нами были исследованы различные группы макрофитов водоемов Ленинградской области и показано, что содержание микроэлементов в биомассе зависит от экоморфологических особенностей видов. Показано, что степень загрязнённости исследуемых водоемов низкая.
Ключевые слова
биоиндикаторы, рентгенофлуоресцентный анализ, экология, элементный состав
Введение

Водные объекты, как естественного происхождения, так и искусственно созданные, являются важной составляющей современного урболандшафта. Они в той или иной степени могут испытывать негативное воздействие человеческой деятельности. Для контроля над состоянием водоемов целесообразно предложить в качестве индикатора макрофиты и их сообщества. Макрофитная растительность является одной из самых перспективных групп для фитомониторинга (оценки состояния природной среды по ботаническим признакам). Поглощение макрофитами различных химических элементов, в том числе и металлов, способствует очищению природных вод, так как в отличие от микрофитов в макрофитах химические элементы закрепляются надолго. Кроме того, макрофиты образуют биоценозы с участием животных фильтраторов, которые способны переводить многие загрязнения в неактивную форму. Макрофиты препятствуют чрезмерному развитию микрофитов, вызывающих цветение воды, что влечет за собой ухудшение ее качества.

Трудность использования водных растений для индикации загрязнения определяется сложной зависимостью их состава от условий среды (вода, взвесь, донные осадки), компоненты которой влияют на растения разных экологических групп по-разному. Кроме того, сложность использования макрофитов для биоиндикации связана еще и с тем, что их химический состав в значительной мере определяется биогеохимической специализацией, а также с большими отличиями в уровнях накопления тяжелых металлов растениями разных видов в связи со специализацией и наличием или отсутствием пределов поглощения микроэлементов (барьерностью и безбарьерностью видов).

Микроэлементный состав биоиндикаторов позволяет оценить биогеохимический фон и, кроме того, наиболее адекватно отражает текущее состояние водоема и динамику загрязнения во времени и пространстве. 

Методы и материалы

Нами было исследовано содержание элементов в золе водных растений озера Суури Ленинградской области, залива Лахта Нижне-Свирского государственного заповедника и Северного пруда Елагина острова Санкт-Петербурга. Исследования проводились на водоемах в период максимального развития растительности (июль – начало августа). В качестве индикаторов загрязнений исследованных водоемов выбраны Carex acuta, Phragmutes australis, Scirpus sylvaticus, Nuphar lutea, Sparganium emersum, Potamogeton natans, так как эти растения в течение длительного времени широко распространены на исследуемой территории. Классификацию растений проводили согласно Вейсбергу [1].

Количественное определение элементов в золе проводили методом рентгенофлуоресцентного анализа. Метод основан на зависимости интенсивности характеристических линий рентгеновской флуоресценции химических элементов от их массовой доли в пробе.  Анализируемую пробу облучают первичным рентгеновским пучком, возбуждая в ней флуоресцентное (вторичное) излучение, в том числе излучение характеристических линий определяемых элементов. Регистрирующим устройством служит полупроводниковый энергодисперсионный детектор.

Измерения проводили на спектрометре «РЕАН» (АО «Научные приборы») и анализаторе «ПАНДА» (АО «Научные приборы»).

Универсальный рентгенофлуоресцентный энергодисперсионный анализатор «РЕАН» позволяет одновременно определять все элементы в диапазоне от C6 до U92. Измерения легких элементов проводятся в атмосфере гелия или вакуума. Время анализа от 5 секунд. Диапазон определяемых концентраций от первых ppm и до 100%. В «РЕАН» применена специальная геометрия рентгенооптической схемы для минимизации фоновой составляющей (как рассеянного первичного излучения, так и элементов конструкции камеры). Пределы обнаружения большинства элементов составляет 10-2 – 10-5 % (масс.).      Спектрометр «РЕАН» позволяет анализировать образцы в твердом, порошкообразном, жидком состоянии, а также нанесенные на поверхность или осажденные на фильтры. В спектрометре «РЕАН» установлен автоматический пробоподатчик, который позволяет в автоматическом режиме анализировать до 144 образцов.  

Компактный рентгенофлуоресцентный анализатор «Панда» позволяет одновременно определять все элементы в диапазоне от Al13 до U92. Отличительной характеристикой «Панда» является возможность его использования в учебном процессе и для проведения проектных и исследовательских работ.  Эргономика прибора обеспечивает простоту работы с ним и надежную защиту от механических повреждений. Безопасность его эксплуатации обеспечивается высокой степенью радиологической защиты, что подтверждено соответствующим экспертным заключением. На корпусе прибора располагаются только кнопки включения/выключения прибора, а все управление осуществляется с помощью компьютера.

Для расчета концентраций использовали безэталонный метод фундаментальных параметров, реализуемый программным обеспечением спектрометра и анализатора. Данный метод не требует каких-либо дополнительных измерений, в частности, измерений спектров стандартных образцов.

 

Полученные результаты

В результате проведенного исследования показано, что накопление химических элементов в макрофитах различается для гигрофитов, гелофитов и гидрофитов. В результате проведенного анализа выявлена тенденция, что концентрации химических элементов меняются от мелководных прибрежных частей водоемов, где произрастают гелофиты (гигрофиты), близкие по эколого-морфологическим особенностям к наземным растения (тростник, осока), до глубинных зон, с условиями местообитания и особенностями строения растений, схожими с морскими. Например, миграция кальция особенно разнообразна – это главный элемент живого вещества. Кальциевая геохимическая функция растений и животных исключительно велика [2]. В гидрофитах с плавающими листьями, таких как кубышка и рдест его больше, чем в гелофитах и гигрофитах оз. Суури. Полученные результаты подтвердили ранее отмеченные закономерности, что химические элементы в большей степени накапливаются в погруженных макрофитах и в меньшей степени в гидрофитах с плавающими листьями и гигрофитах [3]. Однако калия в гидрофитах меньше, вероятно в результате его слабой миграции из-за сорбции глинами и активного потребления живыми организмами. Различие в степени накопления у растений одной группы может быть объяснено их морфологическим строением: чем оно более тонкое и хрупкое, тем больше его способность поглощать химические элементы из водной среды. Железо – один из наиболее важных элементов, который участвует в образовании хлорофилла при фотосинтезе, поэтому его содержание больше, чем других микроэлементов. Следует отметить, что валовое содержание микроэлементов в Potamogeton natans существенно выше не только по сравнению с такими гигрофитами и гелофитами как Phragmutes australis, Scirpus sylvaticus, Carex acuta, но и Nuphar lutea. Возможно причина в том, что рдест является разнолистным гидрофитом и имеет длинные ползучие корневища и плавающие надводные и подводные листья. По достоверным показателям нескольких авторов эти растения отличаются более высокими концентрациями химических элементов по сравнению с кувшинковыми [3].

Таким образом, содержание элементов в растениях зависит от особенностей миграции микроэлементов в биосфере, а также с необходимостью элементов для жизнедеятельности растения, обусловленного его строением и особенностями обитания.

Для выявления особенностей накопления химических элементов растениями разного систематического положения нами были рассчитаны коэффициенты биологического накопления к кларку в литосфере (Кбн1 - отношение содержания химического элемента в золе растения к его содержанию в почве или горной породе), для каждого отдельно взятого макрофита и для каждого химического элемента, соответственно [4]. При расчетах использованы данные по Д.М. Малюге [5]. Коэффициенты титана и железа менее единицы. Титан является техногенным загрязнителем, и его отсутствие свидетельствует об относительном благополучии водоемов. Поступление железа в растение идет по барьерному типу, поэтому даже значительная концентрация его в почве не приводит к повышенному накоплению этого элемента в макрофитах [6].

Коэффициент биологического накопления (Кбн1) выявил общие закономерности видовой специфики аккумуляции химических элементов макрофитами: в изученных водоемах накапливались такие элементы как Mn, Ni, Cu, Zn, Sr.

Коэффициенты биологического накопления для элементов залива Лахта значительно выше, чем для аналогичных элементов в других водоемах. Коэффициенты биологического накопления к почве близки для всех озер. Следовательно, можно сделать вывод о высоком накоплении химических элементов в регионе залива Лахта.

Способность высших водных растений накапливать вещества в концентрациях, превышающих фоновые значения, позволила использовать их в системе мониторинга и контроля за состоянием окружающей среды. Для объективной оценки загрязнения водоемов использовали коэффициенты концентрации – отношение содержания элемента в исследуемом объекте к его фоновому содержанию в соответствующих компонентах окружающей среды [4].

В Carex acuta накапливаются все микроэлементы, особенно рубидий и титан, которые в два-три раза превышают фоновые концентрации. Остальные элементы либо соответствуют фоновым, либо меньше. Scirpus sylvaticus накапливает только цинк, который в три раза превышает концентрации фоновых местоообитаний. Коэффициент суммарного загрязнения составил 6,4 для Carex acuta; 4,9 для Scirpus sylvaticus и 3,1 для Phragmites australis, что свидетельствует о слабой степени загрязнения водоема.

 

Заключение

При оценке экологического состояния водных объектов было выявлено, что из трех изученных водоемов Северный пруд Елагина острова испытывает наибольшее антропогенное воздействие, которое удалось выявить с помощью метода биогеохимической индикации. Однако степень загрязнения низкая. На заливе Лахта прослеживается аккумуляция химических элементов, которая обусловлена региональными особенностями биогенной миграции элементов на данной территории. Озеро Суури соответствует в среднем эталонным параметрам.

Полученная характеристика изученных водоемов может служить отправной точкой для проведения экологического мониторинга, а также планировать мероприятия по их охране. Это особенно важно в связи с тем, что водная растительность водоемов Ленинградской области многообразна и в настоящее время привлекает внимание ввиду разработки проектов сохранения и восстановления биологического разнообразия достаточно обширной в географическом плане территории.

Цитируемая литература
1. Вейсберг Е.И. Жизненные формы и экологические группы макрофитов предгорных озер южного урала (Челябинская область)// Изв. Челябинского научного центра: 2004, Т. 24, №3. С 111-116.
2. Перельман А.И., Касимов Н.С. Геохимия ландшафта: Учебное пособие. Издание 3-е, переработанное и дополненое М.: Астрея – 2000, 1999. – 768 с.
3. Лычагина Н.Ю., Касимов Н.С., Лычагин М.Ю. Биогеохимия макрофитов дельты Волги. М.: Географический ф-т МГУ, 1998. 84 с. Выпуск 4 Москва 1998
4. Терехина Н.В. Методические указания к проведению фитогеохимических исследований: учебно-методическое пособие. – СПб, 2010. – 25с.
5. Малюга Д.П. Биогеохимический метод поисков рудных месторождений. М. 1963
6. Уфимцева М.Д., Терехина Н.В. Фитоиндикация экологического состояния урбогеосистем Санкт-Петербурга. – СПб.: Наука, 2005. – 339с.
Благодарности
Не заполнено
Название, авторы, резюме (на английском языке)

Bioindicators for Leningrad Region waterbodies ecological monitoring

Bakhvalova Elena Vyacheslavovna, AO "Scientific Instrumets", Sankt-Peterburg, Russia

Donskikh Viktor Aleksandrovich, AO "Scientific Instrumets", Sankt-Peterburg, Russia

Gorskaya Valentina Alekseevna, Saint Petersburg State University, Institute of Earth Sciences, Sankt-Peterburg, Russia

To date, the level of anthropogenic impacts on waterbodies significantly increased. With the ability of the water plants to accumulate the various elements, bioindication method is possible to use for solving environmental monitoring of waterbodies. Different groups of macrophyte of the Leningrad Region waterbodies were investigated. The content of microelements in their biomass depends of the ecomorphologically features species. The contamination degree of the studied waterbodies is low.