Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Накопление тяжелых металлов морскими макроводорослями 41
1.1. Многолетние наблюдения за содержанием металлов в макроводорослях Черного моря 41
1.2. Накопление металлов разными видами макроводорослей 44
1.3. Содержание металлов в бурой водоросли Cystoseira crinita из различных районов черного моря 46
1.4. Накопление металлов близкородственными видами различных регионов 48
Глава 2. Накопление тяжелых металлов в зависимости от возраста и частей талломов 49
2.1. Накопление металлов в зависимости от возраста водоросли 49
2.2. Накопление металлов в разных частях таллома водорослей 52
Глава 3. Влияние загрязнения тяжелыми металлами на организм, популяцию и фитоценоз 61
3.1.Влияние комплексного хозяйственно-бытового стока на популяцию черноморской бурой водоросли Cystoseira crmita...—61
3.2. Влияние антропогенного загрязнения на видовой состав макрофитобентоса 69
3.3. Системный подход при изучении загрязнения тяжелыми металлами фитобентосного сообщества 71
Глава 4. Экспериментальные исследования процессов накопления, выведения и влияния тяжелых металлов на морские макроводоросли 76
4.1. Изучение динамики накопления и выведения металлов водорослями 76
4.2. Изучение накопления, выведения и влияния тяжелых металлов на макроводоросли 78
4.2.1. Комбинированное влияние Си, Рb и Zn на черноморские водоросли в непроточных системах 78
4.2.2. Изучение влияния металлов на дальневосточные водоросли с использованием проточных систем 85
4.2.3. Изучение влияния тяжелых металлов на высечки из слоевищ водорослей 93
Заключение 97
Выводы 98
Литература 101
- Многолетние наблюдения за содержанием металлов в макроводорослях Черного моря
- Накопление металлов в разных частях таллома водорослей
- Системный подход при изучении загрязнения тяжелыми металлами фитобентосного сообщества
- Изучение влияния металлов на дальневосточные водоросли с использованием проточных систем
Многолетние наблюдения за содержанием металлов в макроводорослях Черного моря
Многолетние наблюдения за содержание металлов в водорослях Крымского побережья Черного моря проводили в районе Карадагской биостанции в июле-августе 1978, 1979, 1980, 1981 и 1983 гг. Район достаточно удален от промышленных источников загрязнения и может считаться условно-чистым. Это один из флористических районов Черного моря с наибольшим разнообразием видового состава макрофигобентоса, по литературным данным, для него описано 207 видов водорослей. Были проанализированы результаты исследований содержания металлов у 30 видов макроводорослей из числа ежегодно встречающиеся и пригодные для сбора проб. В таблице 8 представлены средние значения зольности, минимальные и максимальные концентрации металлов за 5 лет для 30 видов с трех станций в районе Кара-Дата.
Средние значения концентраций тяжелых металлов для подавляющего числа исследованных видов водорослей убывают в последовательности:
1978 г Fe Mn Zn Ni Cu Pb
1979 г Fe Mn Zn Ni Cu Pb
1980 г. Fe Zn Mn Cu Ni Pb 1981г. Fe Zn Mn Cu Ni Pb 1983 г. Fe Mn Zn Cu Ni Pb
Соотношение концентрации Мп и Zn, Си и Ni для большинства видов изменяются по годам, так в 1978 и 1979 гг. концентрации Мп были больше, чем Zn, а концентрация Ni была больше, чем Си, что может быть связано с изменением соотношения этих элементов в воде. Отмечается увеличение Мп, Zn и РЬ в пробах водорослей 1980 г., 1981 г. и 1983 г. по сравнению с 1978 и 1979 гг., что связано с расширением рекреационной зоны Крыма и ростом бытового стока, где основными компонентами являются эти элементы. Биогеохимическое изучение морских макрофитов дает возможность оценить микроэлементный состав среды их обитания. Содержание металлов в водорослях соответствует реальной ситуации загрязнения морской прибрежной зоны. Ежегодный контроль содержания тяжелых металлов в водорослях позволяет получить качественную и количественную оценку степени загрязнения определенного участка прибрежной зоны.
Количественную оценку уровня загрязнения можно получить, используя средние значения содержания тяжелых металлов в водорослях, при условии использования одного и того же набора видов водорослей для анализов.
Соотношение и концентрации металлов в морских макроводорослях существенно отличаются в разные годы. Контроль содержания тяжелых металлов в водорослях дает возможность оценить степень загрязнения локального участка прибрежной зоны моря и проводить многолетние наблюдения. В целях ежегодного диагностического мониторинга уровня загрязнения следует использовать средние значения содержания тяжелых металлов в одном и том же строго определенном наборе видов.
Накопление металлов в разных частях таллома водорослей
Морские многоклеточные водоросли представлены огромным разнообразием морфологических форм и анатомического строения. Как показывают исследования, в широком диапазоне морфофизиологических приспособлений талломов зеленых, бурых и красных водорослей к обитанию в морской среде на разных глубинах и субстратах обнаруживается неоднозначность в величине откликов даже на уровне таллома (Хайлов, Парчевский, 1983). Это особенно ярко проявляется у водорослей отдела Phaeophyta, которые в эволюционном отношении оказались настолько продвинутыми, что даже по внешнему виду некоторые из них, например, из семейства Sargassacea можно принять за высшие растения. Естественно, возникает Влияние морфо-физиологических особенностей на накопление металлов изучали на водорослях отдела Phaeophyta, имеющих высокий уровень дефференсации тканей, и отдела Chlorophyta, с простым талломом. Определяли накопление тяжелых металлов в различных частях талломов водорослей.
Распределение .металлов в разных частях слоевища исследовалось на растениях с той же станции, где отбирали пробы цистозиры для изучения накопления металлов в зависимости от возраста растений. Слоевище С. crinita в возрасте 10 лет было поделено на четыре части: 1 - ствол, 2 - короткие боковые ветви (4,1-4,7 см), 3 -боковые ветви средней длины (4,7-6,0 см), 4 - длинные боковые ветви (6,0-13 см). Концентрация металлов в этих частях слоевища в относительных единицах представлена на рис. 4.
По наблюдениям А.А. Калугиной-Гутник (1975), продолжительность жизни боковых и адвентивных ветвей составляет не более 5-7 месяцев. За весенний период на одном слоевище вырастает 5-7 боковых ветвей, которые в июле-августе резко замедляют свой рост и опадают. На пеньках опавших боковых ветвей через 3-4 месяца появляются адвентивные ветви, которые через 5-7 месяцев тоже опадают.
В возрасте 10 лет общая масса слоевища С. crinita в два раза больше массы 8-летних растений за счет резкого увеличения количества адвентивных ветвей.
Из трех размерных -групп боковых ветвей самые высокие концентрации Fe, Мп, Zn и Ni наблюдаются в коротких, несколько ниже - в ветвях средней длины и самые низкие - в ветвях максимальной длины (рис. 4.). В коротких ветвях концентрация Fe в 2,5 раза, а Мп и Zn в 1,7 раза больше, чем в длинных. В стволе обнаружена самая высокая концентрация Ni .По сравнению с длинными боковыми ветвями концентрация его в стволе в 1,5 раза , a Fe в 1,7 раза выше. Обращает на себя внимание заметное снижение концентрации Fe, Ni, Мп и Zn по мере удлинения боковых ветвей, что может быть связано с разной стадией дегенерации вегетативных и генеративных ветвей перед спадом. Концентрация Си в стволе, в коротких и средних боковых ветвях приблизительно одинакова, а в длинных ветвях ее в 2,4 раза меньше, чем в ветвях средней длины. В длинных боковых ветвях концентрация РЬ в несколько раз выше, чем в других частях растения.
Для выяснения роли разных частей ствола и боковых ветвей в общей картине распределения металлов по всему слоевищу цистозиры было взято растение в возрасте 9-10 лет и поделено пополам. С каждой половины ствола срезали все главные и адвентивные ветви. Отдельную пробу составили боковые ветви с рецептакулами со всей длины ствола. Из целого растения было приготовлено пять проб: 1 - нижняя часть ствола от подошвы до середины; 2 - боковые ветви нижней половины ствола; 3 -верхняя часть ствола, включая апикальную зону; 4 - боковые ветви верхней половины ствола; 5 - боковые ветви с рецептакулами. На рис. 5. приведены концентрации Fe, Mn, Zn, Си, Ni и РЬ в этих пробах, выраженные в относительных единицах.
На поперечном срезе многолетнего ствола цистозиры С. crinita по всей длине от вершины до основания видны наружная кутикула, коровый слой, ассимиляционные клетки и клетки среднего и центрального слоев, за счет которых происходит утолщение ствола (Калугина-Гутник, 1975). Нижняя половина многолетнего слоевища цистозиры - более старая - ее возраст 5-10 лет, а возраст верхней - молодой -0,5 лет. Так как боковые ветви живут не более 5-7 месяцев, основная часть боковых ветвей, которые были взяты нами в конце июля 1978 г. начала свой интенсивный рост в феврале-марте того же года. Сопоставление полученных концентраций металлов в стволе и боковых ветвях нижней и верхней половины слоевища показывает, что концентрация Fe в боковых ветвях старой части ствола в 1,5 раза ниже концентрации этого элемента в ветвях молодой части и несколько выше, чем в стволе, на котором они росли. Однако, самая высокая концентрация Fe отмечена у ветвей с рецептакулами: в 2,5-2,8 раза выше, чем в старой части ствола и его ветвях. Ранее (Калугина-Гутник, 1975) было установлено, что рецептакулы С. crinita достигают весеннего максимума массы в мае, и после выхода половых продуктов пустые рецептакулы разрушаются через 1-2 месяца и затем опадают вместе с ветвью. В нашей пробе рецептакулы к концу июля были в основном пустые и находились в стадии деградации. Но, видимо, именно их присутствие на ветвях определило столь высокое содержание Fe в пробе.
Сопоставление концентраций Mn, Zn и Си в разных частях слоевищ свидетельствует об их сравнительно равномерном распределении в основных частях растений. Так, концентрации Мп в старой и молодой частях ствола, а также в ветвях сходны. Несколько выше концентрация этого металла в ветвях старой части таллома и ветвях с рецептакулами. Цинк накапливается в основном в молодой части ствола. Здесь концентрация его в 1,6 раза выше, чем в боковых ветвях и старой части ствола, ив 2,5 раза выше, чем в боковых ветвях старой части ствола и ветвях с рецептакулами. Весьма неравномерно распределение Ni по отдельным частям слоевища С. crinita. В старой части ствола его больше в три раза, чем в молодой части ствола и ветвях и в 1,5 раза - чем в ветвях со старой части ствола. Самая низкая концентрация Ni отмечена в ветвях с рецептакулами. Концентрация Си в обеих частях ствола одинакова и почти в два раза выше, чем в других частях слоевища. Особое внимание привлекает РЬ, т.к. он относится к тяжелым металлам, попавшим в приоритетный список глобальных загрязнений. Самая высокая его концентрация обнаружена в ветвях со старой части ствола: в 3 раза выше, чем в молодой части ствола и в ветвях с рецептакулами.
Концентрации изученных металлов в пробах убывают в таких последовательностях:
1-ая проба: Fe Ni Mn Zn Cu Pb
2-ая проба: Fe Ni Mn Pb Zn Cu
3-я проба: Fe Zn Mn Ni Pb Cu
4-ая проба: Fe Mn Zn Ni Cu Pb
5-ая проба: Fe Mn Zn Ni Pb Cu
Равномерность распределения металлов по стволу исследовали на 8-летнем растении. Ствол без боковых ветвей разделили на 4 равные части: 1 - первый от основания отрезок в возрасте 6-S лет; 2 - второй от основания в возрасте 4-6 лет; 3 - в возрасте 2-4 года; 4 - в возрасте 0-2 года.
В самой старой части ствола вместе с подошвой обнаружены наиболее низкие концентрации Fe и Мп, и наиболее высокие - Ni, Си и РЬ (рис. 6). По мере приближения от старой к самой молодой части ствола концентрации Fe и Мп растут, достигая максимальных значений у 2-4-летнего отрезка. В самой молодой части ствола, включая апикальную точку, концентрации этих металлов падают (Fe - в 2 раза). Относительно равномерно по всему стволу распределены Zn, Си и РЬ, за исключением самой молодой части, где концентрация Zn в 1,1-1,4 раза выше по сравнению с более старыми отрезками. Ni распределяется по стволу неравномерно. Максимальная его концентрация обнаружена в самой старой части ствола, где она в 4 раза выше, чем во втором отрезке, и в 2 раза выше, чем в самом молодом отрезке. Концентрации металлов с первого по четвертый отрезок убывают в последовательности:
1-ый отрезок: Fe Ni Zn Mn Cu Pb
2-ой отрезок: Fe Zn Mn Ni Cu Pb
3-ий отрезок: Fe Mn Ni Zn Cu Pb
4-ый отрезок: Fe Zn Mn Ni Cu Pb
Системный подход при изучении загрязнения тяжелыми металлами фитобентосного сообщества
На примере гидроботанического разреза в одной из бухт Охотского моря можно показать значение системного подхода при изучении влияния загрязнения на фитобентосное сообщество.
Работа проводилась на о. Шикотан Малой Курильской гряды. На трансекте, по разрезу от 0 до глубины 10 м, были выделены шесть ассоциаций водорослей и трав на глубинах: 0-1,5; 1,5 - 2,5; 2,5 - 3,5; 3,5 - 5,5; 5,5 - 8,0; и 8 - 10 метров. Было обнаружено, что суммарное содержание металлов в ассоциациях зависит не только от биомассы, но и от видового состава водорослей, доминирующих в ассоциациях (таблица 14).
В таблице приведены суммарные значения биомассы, органического вещества и зольных элементов (Pb, Ni, Си, Mn, Zn, Fe, Са), рассчитанные на единицу площади покрытия растениями дна.
В фитобентосных ассоциациях преобладают бурые водоросли и морские травы: по количеству сырой биомассы доминирующие виды располагаются на обследованной трансекте в следующей последовательности по убыванию:
Laminaria cichorioid.es, L. japonica;
Zostera marina, Z. asiatica;
Cystoseira crassipes;
Fucus evanescens.
Суммарная биомасса фитобентоса по мере удаления от береговой линии линейно возрастает на расстоянии 30 м, затем падает, и на расстоянии около 100 м ( глубина Юм) растения практически отсутствуют.
Содержание почти всех металлов в пробах имеют два максимума на расстоянии от берега 25 м (глубина 2,5-3,5 м) и 65 м (5,5-8 м). Наибольшее количество элементов содержится в растениях, обитающих на растоянии 20-30 м от берега, глубина 2,5-3,5 м. Распределение Fe имеет только один максимум, кривая распределения Си, в отличие от других элементов, имеет колоколообразную форму с максимумом на глубине около 6-7 м.
Наибольшую способность к накоплению металлов проявляют травы рода Zostera и бурые водоросли Cystoseira crassipes. Виды рода Laminaria содержат значительно меньшие концентрации элементов.
Можно отметить, что два максимума распределения металлов в растениях с разных глубин совпадают с теми фитобентосными ассоциациями, в которых доминирующими видами являются представители высших растений рода Zostera.
Ассоциация Zostera marina - Laminaria chichorioides с глубины 2,5-3,5 м имела наибольшую биомассу 10,6 кг/м , однако наибольшее суммарное содержание Си обнаружено в ассоциации Laminaria japonica — Cystotoseira crassipes с глубины 3,5-5,5 м за счет того, что виды, ее составляющие, содержали более высокие концентрации Си. Возможно, величина биомассы растений влияет на накопление металлов. Проявилось влияние экологических факторов, так у Cystjseira crassipes с увеличением глубины (меняется освещенность, скорость движения воды, температура) возрастает содержание РЬ, Си и Са.
На примере гидроботанического разреза выявлена зависимость содержания тяжелых металлов в водорослях от совокупности биотических и абиотических факторов. Геохимическую роль морского фитобентоса можно оценить только с учетом структуры растительного сообщества. Результаты изучения отдельных видов макрофитов не позволяют выявить потоки вещества в прибрежной зоне морей при изучении вклада макрофитобентоса в процессы самоочищения водоемов и определении антропогенной нагрузки.
Изучение влияния металлов на дальневосточные водоросли с использованием проточных систем
Условия, наиболее приближенные к естественным, обеспечивались в проточных аквариальных системах. У дальневосточных водорослей Sargassum pallidum, Ulva fenestrate и Laminaria cichorioides одновременно с отбором проб на содержание металлов проводилась оценка физиологического состояния по интенсивности выделения Ог высечками из талломов этих водорослей. Перед началом опытов у всех видов водорослей определяли зольность, содержание Са и других элементов (Таблица 20). Как видно из таблицы, зольность саргассума примерно на одну треть ниже, чем ульвы и ламинарии. Однако, сравнение уровней накопления металлов водорослями, которые были взяты в опыт, показывает, что в пробах ламинарии самые высокие концентрации Си и Zn, в саргассуме - Мп, а в ульве и ламинарии низкие концентрации РЬ и Fe, соответственно.
Ранжированные ряды убывания значений концентрации по измеренным металлам совпадают у саргассума и ульвы. Ламинария отличается от других видов повышенной концентрацией РЬ и пониженной Мп.
Исследуемые виды имеют выраженные морфологические различия: таллом ульвы состоит из двух слоев клеток, ламинария и саргассум имеют более сложное многоклеточное строение.
Использовали концентрации металлов на уровне 100 ПДК для морских организмов (Патин, 1979) Си - 0,5, Zn- 5, Pb-1 мг/л.
Серия рисунков (14 - 21) иллюстрирует накопление и выведение металлов тремя видами водорослей при внесении солей металлов в разных концентрациях, а также изменение интенсивности выделения кислорода высечками из соответствующих талломов. В опытах с саргассумом (рис. 14) через 116 часов подача металлов прекращалась и в последующие часы до конца опыта наблюдали за выведением металлов из водорослей. Сравнивая кривые, изображенные на рисунках 14 и 94, можно видеть, что общий ход кривых накопления металлов при раздельном и комбинированном действии сохраняется. Однако, соотношение концентраций Cu:Pb:Zn в проточной воде (1:2:10) не воспроизводится в пробах водорослей, видимо, из-за взаимовлияния металлов, а также в связи с тем, что концентрации всех металлов в проточной воде были выше предельных, определяющих максимальные скорости накопления, характерные для этих макрофитов. В пользу последнего предположения свидетельствует тот факт, что концентрации всех трех металлов в саргассуме через 100 часов возрастает примерно в 40 раз. Через 44 часа после начала опыта (см. рис.92) скорость накопления металлов увеличивается, а интенсивность выделения кислорода снижается (см. рис. 93). По-видимому, подавление жизненно важных метаболических процессов водорослей приводит к неконтролируемому поступлению металлов в клетки растении.
Ионы меди особенно активно угнетают фотосинтетическую деятельность саргассума. Через двое суток выделение кислорода снижается в три раза, а через четверо суток полностью прекращается. Присутствие солей Zn и РЪ не приводило к полному прекращению фотосинтетического выделения О2 саргассумом (рис. 15). В первые 40 часов опыта наблюдалось даже некоторое повышение уровня продуцируемого 0г, по сравнению с контролем, но впоследствии скорость выделения 0г снижалась примерно в 1,5 раза по сравнению с начальной.
При одновременном действии всех трех металлов полное торможение фотосинтетического выделения кислорода наблюдалось через трое суток (рис. 16 ).
(пунктирная линия) в опытах с саргассумом при одновременном комбинированном действии солей трех металлов.
При внесении комбинации металлов отмечается накопление водорослями в значительно больших концентрациях Zn и РЬ, по сравнению с внесением этих металлов по отдельности. Кроме того, присутствие Zn и РЬ снижает накопление Си почти в 1,5 раза. Через восемь часов после того, как внесение металлов прекращалось, начинался процесс их выведения из растений. В опытах с раздельным внесением солей металлов наблюдалось лишь выведение Zn. Прекращение подачи в проточной воде Zn и РЬ почти сразу приводило к возрастанию интенсивности выделения Ог, что позволяет предполагать частичное восстановление фотосинтетической функции.
В опытах с ульвой внесение металлов отдельно и в смеси длилось 60 часов, и в последующие 40 часов наблюдали за процессом их выведения. Скорость и общая картина накопления металлов ульвой мало отличается от того, что было получено для саргассума (рис. 17). Однако, в опытах на ульве отчетливо проявилось альгицидное действие ионов Си. Особенно ярко это проявляется при действии Си в комбинации с РЬ и Zn. Выделение 02 полностью прекращается через сутки после начала опыта (рис. 18). Как и в опыте с саргассовой водорослью, под действием РЬ и Zn в первые сутки у Ulva fenestrata отмечается повышение интенсивности выделения 02, а затем к моменту прекращения подачи металлов она снижается в 1,2 - 2 раза. Несмотря на полное подавление фотосинтеза ульвы медью (рис. 18), скорость ее выведения из таллома мало отличается от скорости выведения РЬ и Zn (рис. 17). Сравнение опытов с раздельным и комбинированным (19) внесением металлов показывает, что концентрация Си и РЬ в ульве при внесении смеси всех трех металлов в 2 и 1,5 раза меньше, чем в опытах с внесением металлов в отдельности.
На рисунках 20 и 21 представлены результаты опытов с ламинарией при раздельном внесении солей Си, РЬ и Zn. Через 84 часа добавку солей металлов прекращали и следующие 60 часов наблюдали ход их выведения из талломов. При сравнении динамики процессов накопления и выведения металлов у ламинарии (рис. 20) и ульвы (рис. 17) не выявляют принципиальных различий.
Таким образом, на основании данных, полученных в краткосрочных опытах на водорослях в проточной системе, можно сделать вывод о том, что характер процессов накопления и выведения Си, РЬ и Zn у таких различных по систематике, морфологии и физиологии водорослях как саргассум, ульва и ламинария практически сходен, отличается только скорость и уровень накопления металлов. Обнаружена зависимость скорости накопления металлов от физиологического состояния водоросли - с ухудшением показателей жизнедеятельности (скорость фотосинтеза) происходит более активное поступление металлов в клетки или происходит замедление процесса их выведения, т.е. нарушаются механизмы регуляции минерального обмена. У саргассума (рис. 14, 15) проявляется токсический эффект металлов при накоплении Cu-60, Zn-400, Pb-360 мкг/г св., затем наблюдается резкое снижение фотосинтеза и ускоренное накопление металлов, что может стать причиной гибели водоросли. Устойчивость водоросли к действию металлов можно определить по времени регуляции содержания металлов: для саргассума 40 часов, ульвы 10-20, ламинарии 20 часов, что может зависеть от морфофизиологических характеристик водоросли. Действие металлов могут вызывать обратимые и необратимые последствия для водорослей. Токсический эффект Zn и РЬ снимался в чистой воде, а при действии Си в концентрации 0,5 мкг/л фотосинтез не восстановился у 3 видов водорослей.
В таблице 21 приведены величины отношения коэффициентов накопления металлов до опыта к коэффициентам накопления во время опыта и активность фотосинтеза (100%-в начале опыта) у саргассума. При действии Си через 78 часов скорость фотосинтеза составляла 15% от нормы, а коэффициент накопления снизился в 23 раза. Через 102 часа фотосинтез прекратился, а коэффициент стал меньше начального только в 2,3 раза. Т.к. концентрации металлов в воде были постоянные, то следует говорить об изменении коэффициента выведения металла водорослями.
Zn и РЬ менее токсичны для водоросли-через 102 часа произошло снижение фотосинтеза в 2 раза для Zn и на 1/3 для РЬ. Выявлено увеличение скорости фотосинтеза в первые 2 суток при действии Zn Pb , предполагается подобный эффект и для Си в первые часы действия. Можно предположить, что увеличение скорости фотосинтеза происходит как следствие интенсификации обменных процессов, для ускорения выведения токсических веществ. Увеличение скорости фотосинтеза может быть показателем энергетических затрат при выведении металлов.
