Аккумуляция двух металлов в биомассе водных макрофитов

УДК 630.116.1:504.5

Два тяжелых металла - медь и цинк - были измерены в биомассе водных высших растений Elodeadensa. Использовали метод атомно-абсорбционной спектрофотометрии. Растения инкубировали при повышенных концентрациях двух металлов в водной среде. После инкубации концентрация меди в биомассе составляла 594% от фоновой концентрации. После аналогичной инкубации концентрация цинка составляла 133% от фоновой концентрации. Результаты могут быть полезны при анализе вопросов биологического мониторинга и очищения воды.

Ключевые слова: загрязнение воды, тяжелые металлы, медь, цинк, водные высшие растения, макрофиты, накопление металлов.

В научной литературе анализируется вопрос о накоплении водными растениями химических элементов, в том числе металлов, из водной среды [1-10]. Этот вопрос обсуждается в связи с разработкой проблем биологического мониторинга и научных основ биотехнологий (фитотехнологий) очищения водной среды [1, 11-14].

По этим вопросам опубликован немалый объем данных, полученных при изучении высших водных растений (макрофитов) отечественными и зарубежными исследователями [2-10].

Однако для разработки научных основ технологий использования растений для очищения воды необходимы как можно более широкие сведения о максимально возможном круге биологических видов макрофитов и химических элементов.

Цель данной публикации - сообщить результаты изучения взаимодействия двух металлов (медь, цинк) с макрофитами Elodeadensa.

Данная статья использует данные экспериментальной работы и предыдущие публикации авторов, в том числе [1].

Методы

До эксперимента очищенные от эпифитов и эпибионтов растения Elodeadensa в течение нескольких недель содержались в 40-литровом аквариуме (постоянная барботация воды воздухом, Т воды =21°С, фотопериод - 14С:10Т, освещенность - 16 мкМ квантов м-2 с-1 ). Один раз в 10 дней в водную среду вносили 5 мл раствора микроэлементов [15] и 5 мл подкормки (70 мМ N, 1,6 мМ P и 170 мМ C). Инкубацию растений в эксперименте проводили в пластиковых сосудах емкостью 1.0 л в барботируемой воздухом среде при весовом соотношении фитомассы и воды (1:100). Физические условия (температура воды, фотопериод и освещенность) инкубации растений в эксперименте соответствовали исходным условиям содержания в аквариуме.

По плану эксперимента растения в водной среде подвергали раздельному 24-часовому воздействию CuCl2 , CdCl 2, ZnCl2 , PbNO3 при конечной концентрации металлов в среде (5 мкММе/л). По окончании инкубации растения вынимали из пластиковых сосудов и дважды ополаскивали дистиллированной водой. Избыточную влагу с поверхности растений удаляли, тщательно промокая их фильтровальной бумагой.

Определение содержания металлов в целых растениях Elodeadensa проводили на атомно-абсорбционном спектрофотометре (метод пламенной ионизации) HITACHI-180-80 (Япония). Концентрацию металлов рассчитывали в мкМ на грамм массы сырого растения.

Результаты и обсуждение

Проведенные эксперименты позволили ответить на вопрос о том, как повышение концентрации меди и цинка в водной среде сказывается на их содержании в тканях высшего водного растения Elodeadensa.

Полученные данные о фоновом содержании металлов (медь, цинк) и о их накоплении в эксперименте в целых растениях Elodeadensa представлены в таблице 1.

Таблица 1. Содержание металлов в Elodeadensa при фоновой (0,01 мкММе/л) и повышенной (5,0 мкММе/л) концентрации металлов в среде

Результаты, представленные в таблице 1, показывают существенное увеличение содержания обоих металлов в тканях изученного макрофита.

Обращает на себя внимание тот факт, что после инкубации в водной среде с повышенной концентрацией металлов нарастание содержания двух металлов было выражено в разной степени для меди и цинка.

Содержание меди выросло более чем в пять раз (593,6%) по сравнению с концентрацией меди в контроле. Содержание цинка выросло, но в меньшей степени. После инкубации в среде с повышенным содержанием цинка концентрация этого металла в тканях макрофита Elodeadensa увеличилась в 1,3 раза (133,3%) по сравнению с концентрацией цинка в контроле.

Отметим, что полученные в данной работе результаты - данные о нарастании концентрации меди и цинка в биомассе макрофитов Elodeadensa - согласуются с данными других исследователей о возможности аккумуляции этих металлов в высших водных растениях.

С учетом данных научной литературы составлена таблица 2, где указаны примеры накопления изученных металлов водными растениями.

Таблица 2. Выявление накопления меди и цинка высшими водными растениями

Необходимо отметить двоякое практическое значение полученных результатов.

С одной стороны, повышение содержания токсичных металлов в водных растениях может использоваться как полезная информация при проведении биологического мониторинга состояния водоемов и водотоков в условиях химического загрязнения. С другой стороны, накопление экотоксикантов в биомассе водных растений означает удаление этих веществ из водной среды и связано с некоторым очищением водной среды. Новые данные в этой области помогают лучше видеть полезную роль растений в самоочищении воды.

Выводы:
1. Изучали содержание меди и цинка в высших водных растениях Elodeadensa методом атомно-абсорбционной спектрофотометрии в контроле и после инкубации при повышенных концентрациях этих металлов в водной среде.
2. Показано нарастание концентрации обоих металлов в изученных растениях Elodeadensa после инкубации в водной среде, куда добавили эти металлы и где была создана повышенная концентрация этих металлов.
3. Нарастание концентрации по сравнению с контролем было более значительно выражено для меди, чем для цинка.
4. Полученные результаты вносят вклад в понимание роли макрофитов в очищении водной среды и в разработку вопросов биологического мониторинга загрязнения водной среды.

Литература:
1. Тропин И. В., Остроумов С. А. Проблемы биологического мониторинга водных экосистем с использованием пресноводных растений. Биохимические аспекты накопления тяжелых металлов // Природные и антропогенные экосистемы: проблемы и решения. - Москва: Москва, 2017. С. 112-135.
2. Costa M.B., Tavares F.V., Martinez C.B., Colares I.G. and Martins, C.D.M.G., 2018. Accumulation and effects of copper on aquatic macrophytes Potamogeton pectinatus L.: Potential application to environmental monitoring and phytoremediation. Ecotoxicology and environmental safety, 155, pp.117124.
3. Ramachandra T.V., Sudarshan P.B., Mahesh M.K. and Vinay S., 2018. Spatial patterns of heavy metal accumulation in sediments and macrophytes of Bellandur wetland, Bangalore. Journal of environmental management, 206, pp.1204-1210.
4. SanchesFilho P.J., Nunes L., da Rosa N., Betemps G.R. and Pereira R.S., 2015. Comparison among native floating aquatic macrophytes for bioconcentration of heavy metals. Ecotoxicology and Environmental Contamination, 10 (1), pp.1-6.
5. Romero-Hernandez J.A., Amaya Chavez A., Balderas-Hernandez P., Roa-Morales G., Gonzalez-Rivas N. and Balderas-Plata, M.A., 2017. Tolerance and hyperaccumulation of a mixture of heavy metals (Cu, Pb, Hg, and Zn) by four aquatic macrophytes. International journal of phytoremediation, 19(3), pp.239-245.
6. Тропин И.В., Золотухина Е.Ю., Бурдин К.С. Распределение тяжелых металлов в биохимических фракциях тканей водных макрофитов // Океанология. 1994. Т.34. С.62-64.
7. Золотухина Е.Ю., Гавриленко Е.Е. Связывание меди, кадмия, железа, цинка и марганца белками водных макрофитов // Физиология растений. 1990. Т.37. №4. С.651658.
8. Золотухина Е.Ю., Тропин И.В., Кононенко Р.В. Распределение тяжелых металлов в талломах бурой водоросли Laminaria saccharina (Ag.) Kjellm. // Вестник МГУ, Серия 16. Биология. 1992. №1. С. 72-76.
9. Лубкова Т.Н., Пухов В.В., Шестакова Т.В., Тропин И.В., Котелевцев С.В., Остроумов С.А. Изучение взаимодействия токсичных металлов с биомассой одноклеточных водорослей методом ICP-MS // Токсикологический вестник. 2015. № 6. С.41-45.
10. Остроумов С.А., Котелевцев С.В., Шестакова Т.В., Колотилова Н.Н., Поклонов В.А., Соломонова Е.А. Новое о фиторемедиационном потенциале: ускорение снижения концентраций тяжелых металлов (Pb, Cd, Zn, Cu) в воде в присутствии элодеи // Экологическая химия. 2009. Т.18. № 2. С.111-119.
11. Остроумов С.А., Соломонова Е.А. Метод определения допустимых нагрузок загрязняющих веществ на высшие водные растения и перспективы его применения //Экология промышленного производства. 2012. Т.2. С. 54-60.
12. Соломонова Е.А., Остроумов С.А. Оценка допустимых нагрузок загрязняющих веществ на макрофиты в водной среде с использованием метода рекуррентных добавок // Водное хозяйство России: проблемы, технологии, управление. 2014. № 2. С.88-101.
13. Крот Ю.Г., 2006. Использование высших водных растений в биотехнологиях очистки поверхностных и сточных вод // Гидробиол. журнал. 2006. Т.42. №1. С.76-91.
14. Тарушкина Ю.А., Ольшанская Л.Н., Мечева О.Е., Лазуткина А.С. Высшие водные растения для очистки сточных вод // Экология и промышленность России. 2006. №5. С.36-39.
15. Шубравый О.И. Аквариум с искусственной морской водой для содержания и разведения примитивного многоклеточного организма Trichoplax и других мелких беспозвоночных // Зоологический журнал. 1983. Т.XII. № 4. С.618-621.

Accumulation of two metals in biomass of aquatic macrophytes

Two heavy metals, copper and zinc, were measured in biomass of aquatic higher plants Elodea densa. The methodused was atomic absorption spectrophotometry. The plants were incubated under increased concentrations of the two metals in aquatic environment. After the incubation, the concentration of copper in the biomass was 594% of the background concentration. After the incubation, the concentration of zinc was 133% of the background concentration. The results could be useful to address issues of biological monitoring and water purification.

Keywords: water pollution, heavy metals, copper, zinc, aquatic higher plants, macrophytes, metal accumulation.

Tropin Ivan Vladimirovich, PhD in biology, senior researcher, Department of biology, Lomonosov Moscow state University. 119991, Russia, Moscow, GSP-1, Leninskie Gory, d. 1, p. 12.

Ostroumov Sergey Andreevich, doctor of biology, leading researcher, Department of biology, Lomonosov Moscow state University. 119991, Russia, Moscow, GSP-1, Leninskie Gory, d. 1, p. 12.

Журнал «Вода Magazine», №4 (128), 2018 г.