Статья: ОЦЕНКА ДОПУСТИМЫХ НАГРУЗОК ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ НА МАКРОФИТЫ В ВОДНОЙ СРЕДЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДА РЕКУРРЕНТНЫХ ДОБАВОК.



Статья: 
Соломонова Е.А., Остроумов С.А. Оценка допустимых нагрузок загрязняющих веществ на макрофиты в водной среде с использованием метода рекуррентных добавок // Водное хозяйство России — 2014 — № 2. — С. 88-101.  

ОЦЕНКА ДОПУСТИМЫХ НАГРУЗОК ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ НА МАКРОФИТЫ В ВОДНОЙ СРЕДЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДА РЕКУРРЕНТНЫХ ДОБАВОК.
Проведено экспериментальное обоснование эффективности нового метода рекуррентных добавок и его применения для изучения диапазона устойчивости конкретных видов высших водных растений. Научная ценность нового метода и новых фактов состоит  во внесении вклада в разработку экологической технологии очищения загрязненной водной среды с использованием фиторемедиации.  


http://5bio5.blogspot.com/2015/08/blog-post.html
Полный текст онлайн бесплатно:
Московский государственный университет им М.В.Ломоносова, Москва

Ключевые слова: фиторемедиация, водные растения, поверхностно-активные вещества, детергенты, качество воды, Elodeacanadensis, Potamogeton crispus, Najas guadelupensis , Fontinalis antipyretica, макрофит. 

Пример цитирования этой статьи в следующей публикации:



Макеев И.С., Горбунова С.Ю., Коротаева М.И. ВЛИЯНИЕ СОЛЁНОСТИ ВОДЫ НА РОСТ И РАЗМНОЖЕНИЕ ВОДНОГО ГИАЦИНТА В УСЛОВИЯХ БИОГЕННОЙ НАГРУЗКИ // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 6;
URL: www.science-education.ru/120-17139(дата обращения: 08.08.2015)



**


Биологические науки
УДК 574.635:574.23+57.044
ВЛИЯНИЕ СОЛЁНОСТИ ВОДЫ НА РОСТ И РАЗМНОЖЕНИЕ ВОДНОГО ГИАЦИНТА В УСЛОВИЯХ БИОГЕННОЙ НАГРУЗКИ
Макеев И.С. 1, Горбунова С.Ю. 2, Коротаева М.И. 1
1. Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского
2. Институт биологии южных морей им. А.О. Ковалевского (АР Крым, г. Севастополь)
Водные макрофиты способны интенсивно поглощать и накапливать многие минеральные и органические вещества, входящие в состав промышленных и хозяйственно-бытовых сточных вод. Ассимиляционная способность гидрофитов широко используется для биоремедиации промышленно загрязненных вод [1-3, 6-10, 14].
В последнее время подробно исследованы процессы поглощения, ассимиляции и детоксикации водными макрофитами тяжелых металлов, фенолов, нефтепродуктов, СПАВ и др. [1, 2, 7-10, 12-14]. Однако исследованиям солеустойчивости и деминерализационной способности гидрофитов уделяется мало внимания [4, 5, 15]. Определение верхних порогов и изучение адаптационных механизмов солеустойчивости гидрофитов является важной задачей в связи с оптимизацией подбора видов и конструирования биоплато для фиторемедиации природных и сточных вод в аридных зонах и при комбинированном загрязнении [5, 7].
Наиболее широкое применение в фиторемедиации комплексно загрязненных сточных вод и природных водоемов имеет водный гиацинт (Eichornia crassipes) – представитель семейства понтедериевых – южноамериканский интродуцент. Это многолетнее, плавающее в поверхностном слое воды розеточное растение (плейстонный гидрофит) – доминант небольших водоемов и водотоков тропической и субтропической зон.
Экологические особенности водного гиацинта следующие [3, 15–18]:
- светолюбивый;
-теплолюбивый (рост и размножение: +16-33°С, оптимум: +25-29°С, гибель: +4°С);
- размножение вегетативное с очень высокой скоростью (до 70 раметов в месяц);
- способность расти и размножаться в среде, содержащей высокие концентрации загрязняющих веществ, вызывающие гибель других водных растений;
- высокая скорость поглощения и биоаккумуляции токсикантов.
Установлен выраженный аллелопатический эффект сырого экстракта эйхорнии по отношению к зеленым водорослям Chlorella vulgaris и Dictyochloropsis splendida и к цианобактериям Spirulina platensis, Nostoc piscinale. Наибольшее подавление роста и размножения наблюдается у Chlorella vulgaris [17].
Имеются фрагментарные сведения о влиянии солёности воды на рост и размножение водного гиацинта [15, 16, 18]. Холм и др. отмечали, что водной гиацинт не выносит солоноватой воды [16]. Экспериментально определена обратная зависимость между продуктивностью E. crassipes и минерализацией воды [18]. При солености выше 6 ‰ прекращается рост, образуются некротические пятна на листьях, а выше 8 ‰ – необратимые физиологические повреждения [15, 18].
Целью работы является изучение повышенной солености воды (2 ‰, 4 ‰ и 6 ‰) в условиях стартовой азотной и фосфорной нагрузки на рост, развитие и размножение лабораторной культуры водного гиацинта.
Материал и методы исследования
Исследования накопительной культуры водного гиацинта проводили на базе отдела биотехнологий и фиторесурсов Института биологии южных морей (г. Севастополь) в условиях лабораторного эксперимента при круглосуточном освещении лампами DRLS в 4-х бассейнах объемом 100 л. В качестве питательной среды использовали водные вытяжки низинного торфа (10 кг торфа / 100 л воды). После загрузки торфа и заполнения бассейнов пресной водой провели отстаивание в течение 3 суток. Объем водной среды составлял 50,0 л. На 3-и сутки к объему среды добавили навески морской соли для получения растворов 2 ‰, 4 ‰ и 6 ‰. Для контроля использовали пресную воду с минерализацией 0,5 ‰. Уровень воды в бассейне поддерживали, компенсируя испарение воды добавлением профильтрованной водопроводной воды.
В качестве имитации залповой эвтрофикации водоема произведено однократное внесение в бассейны по 50 г карбамида и 20 г К2НРО4. В результате превышение ПДК по нормативам для рыбохозяйственных водоемов эвтрофного типа составило для мочевины – 12,5 раз, фосфатов – 2 раза [11]. Активная реакция среды – 9,0. Среду нейтрализовали добавлением 0,1 % раствора соляной кислоты под контролем буферного раствора соды.
Таблица 1
Условия проведения эксперимента*
№ эксперимент группы
1
2
3
4
Серия эксперимента
контроль
2 ‰
4 ‰
6 ‰
Температура воды, °С
26,0-31,0
26,0-30,0
26,0-29,0
26,0-31,0
29,1±1,1
28,6±0,7
28,2±0,9
29,3±1,2
Активная реакция, лог.ед.
7,31-8,53
6,50-7,67
6,30-8,00
6,50-8,20
7,98±0,35
7,00±0,30
7,00±0,42
7,52±0,37
* над чертой – пределы колебаний, под чертой – среднее и среднеквадратичное отклонение.
Продолжительность эксперимента – 55 суток (17.02-14.04.2014). Интенсивность освещения у листовой поверхности (3000 лк) контролировали с помощью люксметра Ю-116. Активную реакцию среды измеряли с помощью иономера И-160М.
Ежедневно в 11 ч. в бассейнах измеряли температур и рН воды. Температуру воды регулировали с помощью аквариумных обогревателей AQ-200W. Температуру воздуха поддерживали в пределах: 19–25 °С.
Биомассу определяли в начале эксперимента и, начиная с 22 суток, через каждые 3 дня. В течение первых 22 суток стресса растения не извлекали. Для взвешивания растения кратковременно подсушивали между двумя слоями фильтровальной бумаги. Измеряли морфометрические параметры (длину черешка и корней, длину и ширину листовой пластинки), количество раметов, проводили взвешивание каждого растения с помощью аналитических весов ВЛР-200 с пределами измерений 1 мг – 200 г по ГОСТ 24104-80. Затем растения возвращали в культивационные бассейны. Сырую биомассу пересчитывали на абсолютно сухое вещество (АСВ) по коэффициенту 0,088.
Результаты исследования и их обсуждение
В период стресса, вызванного избыточной биогенной нагрузкой, отмечалось развитие хлороза, некротических пятен и краевого усыхания листьев, а также отмирание части корней и их замещение новыми. Динамика биомассы имеет фазовый характер (рис. 1).

Рис. 1.  Динамика биомассы (г/л сухого вещества) водного гиацинта в бассейнах с разной соленостью среды
В период первых 22 суток прирост биомассы отмечался при солености 2 ‰ и 4 ‰, продуктивность была сравнительно высокой за счет активного роста корней. В контроле и при солености 6 ‰ биомасса значимо не изменялась (табл. 2).
Таблица 2
Динамика биомассы (B, мг/л АСВ) и суточной продукции (Pn, мг/л сут. АСВ) при разной солености среды
Количество
суток
контроль
2,0 ‰
4,0 ‰
6,0 ‰
B
Pn
B
Pn
B
Pn
B
Pn
0
357,3
 
1,4
348,5
 
5,0
286,9
 
6,7
339,7
 
1,6
22
387,2
458,5
433,8
375,8
25
400,4
4,4
450,0
-2,8
413,6
-6,7
355,5
-6,7
29
374,9
-6,4
434,7
-3,8
398,6
-3,7
345,0
-2,6
32
364,1
-3,6
446,7
4,0
0,0
0
0,0
0
35
378,9
4,9
449,9
1,1
0,0
0
0,0
0
38
383,9
1,6
465,2
5,1
0,0
0
0,0
0
41
434,9
17,0
480,0
4,9
0,0
0
0,0
0
45
482,2
11,8
499,8
5,0
0,0
0
0,0
0
48
493,7
3,8
485,8
-4,7
0,0
0
0,0
0
52
503,0
2,3
518,7
8,2
0,0
0
0,0
0
55
505,1
0,7
501,8
-5,6
0,0
0
0,0
0
Период – 22–32 сутки был критическим, происходило отмирание поврежденных и медленный рост молодых листьев. В контроле и в среде 2 ‰ образовались 1 и 2 рамета (рис. 2). В опытах с 4 и 6 ‰ развития молодых листьев и размножения не произошло, растения погибли. Прирост биомассы не компенсировал потери некромассы, поэтому в целом баланс был отрицательным и лишь в контроле – положительным (табл. 2).
Период прироста биомассы в результате формирования и развития молодых раметов начался с 33-х суток в контроле и с 30-х сут. в 2 ‰ среде и продолжался до 45 суток. Наибольшая удельная суточная продуктивность (P/B) – 4,4 % сут-1 отмечалась в контроле в 38–41 сутки. При солености 2 ‰ наблюдался медленный рост. Высокая скорость размножения отмечалась в период 41–52 сутки в контроле (максимум: 48–52 сутки – 1,3 рамета/сут.), а в 2 ‰ среде она была значительно ниже (максимум: 45–48 сутки – 0,33 рамета/сут.). Различия по критерию Крускала-Уоллеса значимые (H=4,05, p=0,044).
 
Рис. 2. Динамика образования раметов водного гиацинта в бассейнах с разной соленостью среды
В период – 45–55 сутки наряду с ростом и размножением началось усыхание поврежденных листьев, наиболее выраженное при 2 ‰ солености. В период – 52–55 сутки рост и размножение прекратились (рис. 2), что вызвано исчерпанием биогенных элементов в воде.
Множественное последовательное сравнение биомасс всех серий опыта с контрольной по критерию Крускала-Уоллеса показало статистически значимые различия  по биомассе (K=31, p=0,0001) и скорости размножения (K=34, p=0,0001). Парное сравнение критерием Дана (p<0,05) выявило значимые различия по этим показателям между контролем и группами 4 ‰, 6 ‰, а также между группами 2 ‰ и 4 ‰; 2 ‰ и 6 ‰.
Корреляционный анализ динамики биомассы и суточной продукции критерием ранговой корреляции Спирмена показал следующее (табл. 3).
Таблица 3
Ранговая корреляция биомассы и чистой продукции при разной солености
Корреляция
Спирмена
Биомасса
Суточная продукция
2,0 ‰
4,0 ‰
6,0 ‰
2,0 ‰
4,0 ‰
6,0 ‰
контроль
0,951
-0,164
-0,164
0,230
0,214
0,214
2,0 ‰
 
-0,294
-0,294
 
0,518
0,518
4,0 ‰
 
 
1,000
 
 
1,000
Жирным шрифтом выделены значимые корреляции показателей (P<0,05).
Наибольшую согласованность (r=1,00; p=0,0001) имеет динамика биомассы и суточной продукции при солености 4 и 6 ‰. Высокая корреляция (r=0,95 p=0,0001) отмечена по биомассе в контроле и в среде 2 ‰. Однако в этой группе сравнения суточная продукция значимо не коррелированна (r=0,23 p=0,485), что объясняется различием в периодах размножения и отмирания старых листьев.
Динамика биомассы коррелирует с изменением pH среды: r=0,81, p=0,002 (контроль) и r=0,97, p=0,0001 (2 ‰ раствор). Активный рост и увеличение биомассы гиацинта вызывают смещение pH среды в щелочную сторону, что мы наблюдаем в ходе эксперимента (рис. 3).

Рис. 3.  Динамика pH в культивационных бассейнах с разной соленостью среды
Выводы
1. Изменения биомассы в контроле и опытной серии солености среды имеют фазовый характер. В начальный период отмечается прирост биомассы, наиболее выраженный при солености 2 ‰ и 4 ‰, с последующим угнетением и гибелью на 32-е сутки растений в среде 4 ‰, 6 ‰ и восстановлением культуры в 2 ‰ среде и пресной воде (контроль).
2. Активное вегетативное размножение отмечается в контроле в период 41–52 сутки (максимум: 1,3 рамет/сут.). При солености 0,2 % скорость размножения значительно меньше (максимум:  0,33 рамет/сут.).
3. Динамика биомассы коррелирует с изменением активной реакции среды, отражающей увеличение скорость фотосинтеза.
4. Критической соленостью для водного гиацинта в условиях высокой стартовой биогенной нагрузки является 2 ‰.
Рецензенты:
Дмитриев А. И., д.б.н., профессор, заведующий кафедрой биологии, химии и биолого-химического образования ФГБОУ ВО «Нижегородский государственный педагогический университет им. К. Минина», г. Нижний Новгород;
 Воскресенская О. Л., д.б.н., профессор, директор института биологии и естественных наук и заведующая кафедрой экологии ФГБОУ ВО «Марийский государственный университет», г. Йошкар-Ола.

Пристатейные списки литературы
1. Борисова Г.Г., Чукина Н.В., Малева М.Г. Использование гидрофитов для биоиндикации и фиторемедиации загрязненных водных объектов // Водное хозяйство России. — 2006. — № 2. — С. 30–40. 2. Борисова Г.Г., Чукина Н.В., Малева М.Г. Адаптивный потенциал высших водных растений с разной аккумулятивной способностью // Водное хозяйство России: проблемы, технологии, управление. — 2013. — № 3. — С. 104-114.
3. Горбунова С. Ю. Использование водного гиацинта Eichornia crassipes для биологической доочистки сточных вод // Экология моря. — 2009. — Вып. 78. — C.40-43.
4. Жутов А.С., Рогачева С.М., Губина Т.И. Использование макрофитов для деминерализации искусственных водоемов // Проблемы региональной экологии. — 2008. — № 4. — С. 99-101.
5. Жутов А.С., Рогачева С.М., Губина Т.И. Исследование возможности обессоливания водоема-охладителя Балаковской АЭС с помощью высших водных растений // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. — 2010. — Т. 12. — № 1 (8). — С. 2125-2128.
6. Калайда М. Л. Доочистка производственных сточных вод с помощью высших водных растений // Экология и промышленность России. — 2010. — № 3. — С.33-35.
7. Крот Ю.Г. Использование высших водных растений в биотехнологиях очистки поверхностных и сточных вод // Гидробиол. журнал. — 2006. — Т. 42. — № 1. — С. 47-58.
8. Куок Ч.Х., Мельник И.В. Водные макрофиты как биосорбенты для удаления ионов тяжелых металлов из воды // Вода: химия и экология. — 2012. — № 12 (54).— С. 130-134.
9. Минаева О.М., Акимова Е.Е., Минаев К.М., Семенов С.Ю., Писарчук А.Д. Поглощение ряда тяжелых металлов из водных растворов растениями водного гиацинта (Eichhornia crassipes (Mart.) Solms) // Вестник Томского гос. ун-та. Серия: Биология. — 2009. — № 4. — С. 106-111.
10. Остроумов С.А., Соломонова Е.А. Инновационная разработка экотехнологического подхода к очищению вод: фиторемедиация с использованием водных макрофитов // Вода: технология и экология. — 2008. — № 3. — С. 48-56.
11. Перечень рыбохозяйственных нормативов: предельно допустимых концентраций (ПДК) и ориентировочно безопасных уровней воздействия (ОБУВ) вредных веществ для воды водных объектов, имеющих рыбохозяйственное значение. Приказ государственного комитета РФ по рыболовству № 96 от 28 апреля 1999 г. – 188 с.
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 — 2014 — № 2. — С. 88-101.
13. Чукина Н.В., Борисова Г.Г. Структурно-функциональные показатели высших водных растений из местообитаний с разным уровнем антропогенного воздействия // Биология внутренних вод. — 2010. — № 1. — С. 49-56.
14. Agunbiade F.O., Olu-Owolabi B.I., Adebowale K.O. Phytoremediation potential of Eichornia crassipes in metal-contaminated coastal water // Bioresource Technology. — 2009. — Vol. 100, № 19. — P. 4521-4526.
15. de Casabianca M.-L., Laugier T. Eichhornia crassipes production on petroliferous wastewaters: Effects of salinity // Bioresource Technology. — 1995. —Vol. —54. P.39-43.
16. Holm L.G., Plucknett DL, Pancho J.V., Herberger JP. The world's worst weeds: Distribution and biology. Honolulu: University Press of Hawaii. 1977. 609 pp.
17. Shanab Sanaa M. M., Shalaby Emad A., Lightfoot David A., El-Shemy Hany A., Allelopathic Effects of Water Hyacinth (Eichhornia crassipes) // PLOS One. 2010 Oct 8; 5(10). doi: 10.1371/journal.pone.0013200.
18. Биология и экология водного гиацинта: обзор иностранных источников информации на сайте Морской биологической исследовательской станции Смитсона, Форт Пирс, США. URL: http://www.sms.si.edu/irlspec/eichhornia_crassipes.html (дата обращения: 18.12.2014).

Библиографическая ссылка
Макеев И.С., Горбунова С.Ю., Коротаева М.И. ВЛИЯНИЕ СОЛЁНОСТИ ВОДЫ НА РОСТ И РАЗМНОЖЕНИЕ ВОДНОГО ГИАЦИНТА В УСЛОВИЯХ БИОГЕННОЙ НАГРУЗКИ // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 6;
URL: www.science-education.ru/120-17139 (дата обращения: 08.08.2015).


**