Особенности элементного состава некоторых видов макрофитов оз. Байкал

Полный текст

В настоящее время озеро Байкал является одним из приоритетных объектов социально-экономического развития Сибирского федерального округа. В то же время, это уникальный природный объект, биота которого легко уязвима в условиях антропогенного воздействия [1]. Побережье Малого моря отличается биологическим и ландшафтным разнообразием и является наиболее интересным для изучения. Данная территория принадлежит Прибайкальскому национальному парку. Здесь функционируют туристические базы, кемпинги, располагается значительное число неорганизованных туристов, отдыхающих, как на берегу, так и на воде.

Наблюдения за акваторией Малого Моря в период активного туристического сезона выявили некоторые виды макрофитов, более чувствительные к антропогенному воздействию на берегах Байкала, их можно рассматривать в качестве потенциальных индикаторов состояния водных экосистем. Однако химический состав макрофитов, как отражение экологических изменений на Байкальской природной территории до сих пор не изучался. Есть мнение, что увеличение фитомассы водных растений в прибрежной части водоема может служить признаком трансформации экосистем водоемов и водотоков [2, 3]. Экологическое значение макрофитов состоит в создании оптимальных условий для жизни гидробионтов и сохранения биоразнообразия [4–6]. Кроме того, изучение элементного состава макрофитов необходимо для понимания биофильтрационных функций водной растительности и вносит вклад в мониторинг содержания поллютантов [7–10].

Целью работы было определение элементного состава и индикаторных свойств некоторых видов макрофитов озера Байкал для оценки степени антропогенного воздействия на уникальный водный объект.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ

Район исследований — побережье озера Байкал вблизи территории и в зоне влияния базы отдыха «Зама», расположенной на территории Ольхонского района Иркутской области. Исследуемый участок расположен на предгорном шлейфе. Зона сильного климатического влияния Байкала включает прибрежную полосу шириной до 2 км, устьевые участки ручьевых долин, а также обращенные к озеру и опускающиеся практически до береговой линии склоны, до абсолютной высоты примерно 800 метров. На крутых склонах, обращенных к Байкалу, сформировались дерновые степные почвы. Эти почвы относятся к холодным, длительно промерзающим, несмотря на достаточную теплообеспеченность летнего периода. Среднегодовая температура воды в южной части озера составляет +0.6℃, в средней +0.5℃, в северной +0.4℃. В местности Калтыгей средняя годовая температура воды положительная +0.7℃. Переход температуры через 0℃ отмечается осенью в конце октября — начале ноября, весной в конце февраля — начале марта. Температура воздуха над озером определяется температурой подстилающей водной поверхности и повторяет ход ее изотерм. В течение года средняя температура воздуха над поверхностью Байкала меняется от –21℃ зимой до +15℃ летом в открытой части озера и от –25℃ до +17℃ в прибрежных частях. Минерализация озера Байкал составляет 100–120 мг/л. Вода озера содержит растворенные соединения кальция, магния, натрия, калия, а также сульфаты, хлориды и др. Этот уровень минерализации соответствует нижней границе умеренной минерализации (от 61 до 500 мг/л) и делает воду Байкала чистой и пригодной для питья.

Ближайшие источники вредных атмосферных выбросов находятся в поселках Зама и Онгурен. Вредные вещества попадают в атмосферу также от местного и транзитного автотранспорта (особенно в летний период) и от бытовых печей частного сектора. Территория по классификации рекреационного использования отнесена к классу соответствия «поселковый». Уровень использования территории в течение дня высокий. Существенным фактором использования береговой полосы является наличие сети дорог для проезда транспорта, поселка Зама, баз отдыха. Вдоль южного берега озера расположено 11 стоянок для палаток, 15 стоянок на галечной косе, 9 съездов к воде. Рекреационная емкость территории (по текущей емкости, ТЕ) составляет 190 человек (до 10 человек на 19 стоянках). Дополнительным фактором являются частое присутствие пасущегося скота и лошадей. Сеть оборудованных тропинок к объектам инфраструктуры отсутствует. По периметру участка имеется металлическое ограждение, препятствующее попаданию на территорию базы диких и сельскохозяйственных животных. В соответствии со статьей 17 закона «Об охране озера Байкал» (Государственный учет объектов, оказывающих негативное воздействие на окружающую среду Байкальской природной территории) база отдыха может быть отнесена к IV категории объектов, не оказывающих заметного воздействия на окружающую среду. Объект подлежит федеральному экологическому надзору. Деятельность базы отдыха является источником отходов пищевых продуктов, относящихся к V классу опасности. Состояние растительности на территории удовлетворительное, заметно участие синантропных видов.

Объектами исследования были виды: Potamogeton pectinatus L. (рдест гребенчатый), Potamogeton perfoliatus L. (рдест пронзеннолистный), Myriophyllum spicatum L. (уруть колосистая), Polygonum amphibium (L.) S. F. Grey (горец земноводный), Elodea canadensis Michx. (элодея канадская). Сбор материала проводили в период полевых работ 2021–2022 гг. в прибрежной зоне Малого моря в пределах участка рекреационного назначения (табл. 1). Параллельно изучали динамику содержания некоторых тяжелых металлов (ТМ) в спектре микроэкологических условий в пелагиали западного побережья оз. Байкал. Отбор проб надземных частей рдеста гребенчатого проводили в пунктах: 1 — Базарная; 2 — Куркутская; 3 — Бурлюк; 4 — Улан; 5 — Мухур; 6 — Тутай; 7 — Шактура; 8 — Шида; 9 — Улирба; 10 — Онтхой; 11 — Хунжир-Наганский; 12 — Сарма.

Таблица 1. Координаты пунктов и сроки сбора растительного материала на территории Ольхонского района

Table 1. Coordinates of points and terms of plant material collection on the territory of Olkhonsky district

Сбор растительного материала осуществляли в поверхностном слое литорали озера. Среднюю пробу составляли из 3–5 экземпляров, объединяя соответствующие части растений. Сушку производили в помещении до воздушно-сухого состояния. Среднюю пробу растительного материала измельчали в ручной кофемолке и истирали в агатовой ступке с добавлением нескольких капель этилового спирта. Из средней пробы отбирали навеску 2 г, которую дотирали до мелкодисперсного состояния. В металлический цилиндр вносили 0.5 г растертого материала, добавляли дозированное количество борной кислоты и прессовали таблетку-излучатель на гидравлическом прессе. Содержание 21 химического элемента в различных частях макрофитов определяли методом рентгенофлуоресцентного анализа (РФА). Измерения выполнены на волновом рентгеновском спектрометре S4 Pioneer (Bruker AXS, Germany). Погрешность метода РФА составляет 3–5% [11]. Полученные результаты сравнивали с литературными данными по Ranunculus circinatus Sibth. [12].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

На химический состав растений оказывает влияние характеристики среды, в которой они произрастают. Пути поступления химических элементов в водные растения — это абсорбция корнями, если они присутствуют, и внекорневым путем из окружающей водной среды. Поверхностные воды Байкала имели минерализацию от 59.69 до 123.30 мг/дм^–3 и по классификации О. А. Алекина [13] отнесены к маломинерализованным гидрокарбонатного класса, группы кальция, типа I.

В табл. 2 представлены сведения о содержании химических элементов в поверхностных водах оз. Байкал фоновых участков [14], в местности Калтыгей и на техногенно загрязненном участке Южного Байкала [15]. Из данных таблицы видно, что содержание в воде большинства элементов варьирует либо на низком (Cv = 13–25%), либо на среднем (Cv = 26–44%) уровне. К первым относятся Pb, Zn, Br, Rb, Al, S, Cr, ко вторым — Cu, Sr, Mn, Co. Содержание элементов в воде может изменяться при катастрофических нарушениях, вызванных природными или антропогенными факторами. Полученные нами данные для местности Калтыгей и литературные сведения свидетельствуют об отсутствии превышений норм, установленных как для токсичных тяжелых металлов (ТМ), негативно влияющих на растения даже в относительно невысоких концентрациях (Cd, Hg, Pb), так и для микроэлементов, необходимых для нормальной жизнедеятельности растительного организма, но являющихся токсичными при повышенном их уровне (Co, Cr, Cu, Fe, Mn, Ni, Zn). Установленные концентрации в отобранных пробах на порядок ниже законодательно установленных значений ПДК. Концентрации Mg, Zn, Pb оказались на уровне предела обнаружения прибора во всех пробах. Ввиду отсутствия постоянной системы мониторинговых наблюдений на оз. Байкал, можно условно принять приведенные величины как показатели качества байкальской воды. Сравнительный анализ данных показывает, что фон Байкала неоднороден и зависит во многом от района озера, впадающих притоков, от использования водоема и прибрежных зон человеком. За последние годы посещаемость туристами оз. Байкал возросла в несколько раз, статистические данные о туристическом потоке на оз. Байкал свидетельствуют, что он растет ежегодно на 40%. Более 3 млн. человек посетили озеро Байкал в 2023 г., примерно две трети этого потока пришлись на Малое море.

Таблица 2. Содержание микроэлементов (мкг/дм³) в пробах воды оз. Байкал (собственные и литературные данные [13–15])

Table 2. The content of microelements (µg/dm3) in water samples from Lake Baikal

Примечание: ¹ ПДК КБ – предельно допустимые значения химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования, утвержденные Главным государственным санитарным врачом РФ. Постановление от 27.04.2003 года №78; ² ПДК ВОЗ – рекомендованные Всемирной организацией здравоохранения параметры в отношении химических веществ, которые находясь в питьевой воде, могут оказывать воздействие на здоровье; ³ рубидий хлорид. Прочерк означает, что данное вещество в списке нормируемых отсутствует. * [14]; ** [15]; *** [16].

Note: ¹ MPC KB – permissible limits for the content of chemicals in water of water bodies for domestic, drinking and cultural water use, approved by the Chief State Sanitary Doctor of the Russian Federation. Resolution No. 78 of April 27, 2003; ² WHO MAC – parameters recommended by the World Health Organization for chemicals that, when present in drinking water, may have an impact on health; ³ rubidium chloride. A dash means that this substance is not on the list of regulated substances. * [14]; ** [15]; *** [16].

Для озера характерна пространственно-временная неоднородность развития планктона (явление пэтчинга) и макрофитов. В результате рекреационной деятельности может происходить фрагментация или уничтожение местообитаний макрофитов, что приводит к изменениям видового богатства, обилия видов и структуры сообществ.

Среднее содержание химических элементов в макрофитах оз. Байкал в сравнении с литературными сведениями представлено в табл. 3. Содержание большинства изученных биогенных элементов в исследуемых видах колеблется в узких пределах. Вариабельность концентрации биогенных элементов у растений в экосистеме Малого моря невысока (Cv = 6–22%). Это говорит о сбалансированности химического состава видов и обеспеченности условий нормального роста и развития растений. Максимальное содержание Na, Mg, S, Cr отмечается у Myriophyllum spicatum, а максимум содержания Si, Fe, Sr у Elodea canadensis, что указывает на их повышенную способность к аккумуляции ряда химических элементов.

Таблица 3. Среднее содержание химических элементов в макрофитах оз. Байкал

Table 3. The average of content of chemical elements in macrophytes of Lake Baikal

Содержание макроэлементов в макрофитах оз. Байкал (табл. 3) можно представить в виде убывающих рядов: Elodea canadensis: Ca > Fe > P = K > S > Si > Na > Mg > Cl; Myriophyllum spicatum: Ca > P > K > S > Fe > Na > Mg > Si > Cl; Potamogeton perfoliatus: Ca > K > Fe > S > Na > P > Mg > Si > Cl; Potamogeton pectinatus: K > Fe > S > Ca > Na > P > Mg > Si > Cl; Polygonum amphibium: Ca > Fe > K > S > P > Na > Mg > Si > Cl.

Из приведенных данных следует, что как последовательность убывающих концентраций макроэлементов, так и сами концентрации в побегах макрофитов существенно различались. Среди исследуемых видов максимальное содержание Ca отмечено у Polygonum amphibium, P, K, S, Na, Mg у Myriophyllum spicatum, Fe и Si у Elodea canadensis. Минимальные значения содержания макроэлементов зарегистрированы: Ca, Р у Potamogeton pectinatus, K, S, Si у Polygonum amphibium, Fe P. perfoliatus, Na, Mg, Cl у Elodea canadensis.

При оценке качества окружающей среды особое внимание уделяется содержанию токсичных элементов, представляющих наибольшую опасность для биоты. Согласно полученным нами результатам (табл. 3), наблюдаются следующие последовательности их содержания в исследованных видах: Elodea canadensis: Mn > Sr > Cu > Ti > Zr > Zn > Pb > > Cr > Ni > Rb; Myriophyllum spicatum: Mn > Sr > Ti > > Cu > Zr > Zn > Cr > Pb > Rb > Ni; Potamogeton perfoliatus: Mn > Sr > Ti > Zn > Zr > Cu > Rb > Cr > > Pb = Ni; Potamogeton pectinatus: Mn > Sr > Ti > > Zn > Zr > Cu > Cr > Rb = Pb > Ni; Polygonum amphibium: Mn > Sr > Cu > Ti > Zr > Zn > Cr > > Rb = Pb > Ni.

Среди микроэлементов и потенциально токсичных металлов максимальное содержание Mn, Zn, Rb отмечено у Potamogeton pectinatus, Cu у Polygonum amphibium, Ti, Cr у Myriophyllum spicatum, Sr, Pb, Ni у Elodea canadensis. Минимальные концентрации зарегистрированы Mn у Myriophyllum spicatum, Cu, Zr, Cr, Pb, Sr у Potamogeton perfoliatus, Zn, Rb, Ni у Polygonum amphibium, Ti у Elodea canadensis.

Для наиболее токсичного металла свинца, построен ряд убывания концентраций: Elodea canadensis → Myriophyllum spicatum → Potamogeton pectinatus → P. perfoliatus = Polygonum amphibium. Исследуемые виды в убывающем ряду содержания меди располагаются следующим образом: Polygonum amphibium → Elodea canadensis → Myriophyllum spicatum → Potamogeton pectinatus → P. perfoliatus. Наиболее активно накапливают цинк побеги рдеста гребенчатого. Следует отметить повышенное содержание Sr во всех исследуемых видах макрофитов, которое варьирует от 78 до 295 мкг/г.

С учетом выявленной накопительной активности исследованных видов и способности к биофильтрации можно рекомендовать в качестве потенциальных видов-индикаторов загрязнения водной среды Elodea canadensis и Polygonum amphibium.

На обследованной территории уровень варьирования содержания большей части элементов у исследованных видов находится на среднем уровне (Сv = 17–25%). Повышенное и высокое варьирование содержания (Сv = 26–44%) отмечены для Mn, Cu, Zr. Обращает на себя внимание существенный размах варьирования содержания Cu (20.3–101.4 мкг/г).

При значительном антропогенном прессе, который испытывают рекреационные территории в летний период, в водосборы попадает много остатков антропогенной деятельности способных аккумулироваться в биологических объектах. В связи с этим, для некоторых представителей эндемичной биоты (рачек Epischura baikalensis) создаются благоприятные условия, чтобы перерабатывать органику, попадающую с рекреационных территорий.

Наибольшее превышение ПДК для меди отмечено в Polygonum amphibium и Elodea canadensis (табл. 3). Отметим, что Elodea canadensis инвазивный вид, который за несколько десятилетий широко расселился в южной литорали озера, и это вызывает тревогу среди экологов. Полученные данные говорят о том, что макрофиты оз. Байкал выполняют функцию естественного биофильтра, депонирующего биогенные элементы, а также токсические вещества, поступающие с водосборной площади в летнее время. Виды, осуществляющие биофильтрацию и имеющие более развитую фотосинтезирующую поверхность, соответственно содержат больше тяжелых металлов. Из исследованных нами видов оба вида рдестов Potamogeton perfoliatus и Potamogeton pectinatus накапливают максимальные концентрации Mn (587 и 456 мкг/г соответственно), что выше примерно в 2 раза, чем у Myriophyllum spicatum (283 мкг/г). На территории Бурятии, в растениях из оз. Гусиного содержание марганца в Myriophyllum spicatum L. составляет 471 ± 5 мг/кг, тогда как у Ranunculus circinatus Sibth. — 6439 ± 84 мг/кг, то есть выше на порядок [12, 17].

Данные о среднем содержании некоторых ТМ в Potamogeton pectinatus (рдест гребенчатый) в спектре микроэкологических условий в пелагиали западного побережья оз. Байкал показаны на рис. 1. Выявлены различия в содержании Cr, Ni, Pb, Cu в надземных частях рдеста в прибрежных акваториях. Содержание Cr в большинстве пунктов обследования превышает ПДК (10 мкг/г), а содержание Ni и Cu, в основном, меньше ПДК. Достаточно высокое содержание Pb обнаружено в наиболее посещаемых бухтах Базарная (9.7 мкг/г) и Куркутская (7.6 мкг/г), в которых превышение содержания этого элемента по сравнению с содержанием в других пунктах (5.6–5.0 мкг/г) составило в 1.5 раза. Установлено, что увеличение туристического потока в летнее время при отсутствии необходимой инфраструктуры на водоохранной территории по сравнению с фоновыми нагрузками, влечет конвертирование химических сбросов антропогенной природы в фитомассу водных растений [20].

Рис. 1. Среднее содержание некоторых тяжелых металлов в Potamogeton pectinatus в разных местах отбора проб на западном побережье оз. Байкал: 1 – Базарная; 2 – Куркутская; 3 – Бурлюк; 4 – Улан; 5 – Мухур; 6 – Тутай; 7 – Шактура; 8 – Шида; 9 – Улирба; 10 – Онтхой; 11 – Хунжир-Наганский; 12 – Сарма.

Fig. 1. Average of content of heavy metals in Potamogeton pectinatus depending on the sampling location on the west coast of Lake Baikal: 1 – Bazarnaya; 2 – Kurkutskaya; 3 – Burlyuk; 4 – Ulan; 5 – Mukhur; 6 – Tutai; 7 – Shaktura; 8 – Shida; 9 – Ulirba; 10 – Onthoi; 11 – Khunzhir-Nagansky; 12 – Sarma.

Различия в накоплении ТМ в разных органах водных растений представляют интерес для выявления путей их поглощения и передвижения. С этой целью определяли содержание Sr и Ba в различных органах Polygonum amphibium (рис. 2). Минимальными значениями содержания обоих металлов характеризуются листья, а максимальные их концентрации зарегистрированы в корнях. Интересно отметить, что в листьях содержание Sr больше по сравнению с Ba, а в корнях наблюдается обратное соотношение этих металлов. Анализ полученных данных показывает, что оба металла поступают в растение из грунта, задерживаются в корнях и слабо передвигаются в надземные части рдеста гребенчатого.

Рис. 2. Содержание Sr и Ba в разных органах Polygonum amphibium.

Fig. 2. Content of Sr and Ba in different organs of Polygonum amphibium.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Озеро Байкал является прохладным и маломинерализованным, общая минерализация составляет 123.91 мг/дм3. На момент исследования концентрации химических элементов и ионов тяжелых металлов в озере не превышали ПДК, за исключением меди. Результаты анализа содержания химических элементов в макрофитах оз. Байкал, проведенного в заповеднике «Прибайкальский национальный парк» в период 2020–2022 гг., показали различия в содержании некоторых ТМ в зависимости от места сбора и биологического вида растений. Это позволяет сделать вывод, что антропогенное загрязнение на берегах озера оказывает влияние на элементный состав водных растений.

Изученные виды: Potamogeton pectinatus L., Potamogeton perfoliatus L., Myriophyllum spicatum L., Polygonum amphibium (L.) S. F. Grey., Elodea canadensis Michx. реагировали на антропогенную нагрузку водного объекта в разной степени. С учетом выявленной накопительной активности исследованных видов и способности к биофильтрации можно рекомендовать в качестве потенциальных видов-индикаторов загрязнения водной среды Elodea canadensis и Polygonum amphibium. Elodea canadensis с учетом ее биологии особенно перспективна как модельный объект для биотестирования, поскольку она больше других видов аккумулирует тяжелые металлы.

Результаты исследования могут быть использованы для создания информационной основы химического мониторинга экологической безопасности и принятия решений для предотвращения отрицательных последствий туристической деятельности для озера Байкал. Необходимо продолжение постоянных биогеохимических исследований в мониторинговом режиме, особенно в районах рекреационной нагрузки на оз. Байкал.

БЛАГОДАРНОСТИ

Выражаю признательность за участие в полевых работах по Малому морю сотрудникам ФГБУН «Заповедное Прибайкалье» к. б. н. А. В. Мокрому и Л. Н. Молдавской, за ценные советы и рекомендации при выполнении работы – д. т. н., профессору В. А. Верхозиной (ИРНИТУ) и к. х. н., с. н. с. Е. В. Чупариной (ИГ им. А. П. Виноградова СО РАН).

Об авторах

О. А. Белых

Автор, ответственный за переписку.
Email: olga.belykh@klgtu.ru
Россия, Калининград

Список литературы

Дополнительные файлы

Доп. файлы

Действие

1. JATS XML

Скачать

2. Рис. 1. Среднее содержание некоторых тяжелых металлов в Potamogeton pectinatus в разных местах отбора проб на западном побережье оз. Байкал: 1 – Базарная; 2 – Куркутская; 3 – Бурлюк; 4 – Улан; 5 – Мухур; 6 – Тутай; 7 – Шактура; 8 – Шида; 9 – Улирба; 10 – Онтхой; 11 – Хунжир-Наганский; 12 – Сарма.

Скачать (140KB)

Метаданные

3. Рис. 2. Содержание Sr и Ba в разных органах Polygonum amphibium.

Скачать (130KB)

Метаданные