Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Биохимические показатели и содержание тяжелых металлов в растениях береговой линии водоёмов г. Тюмени в условиях антропогенного загрязнения

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Биохимические показатели и содержание тяжелых металлов в растениях береговой линии водоёмов г. Тюмени в условиях антропогенного загрязнения"

На правах рукописи

Корнилов Алексей Леонидович

БИОХИМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ И СОДЕРЖАНИЕ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В РАСТЕНИЯХ БЕРЕГОВОЙ ЛИНИИ ВОДОЁМОВ Г. ТЮМЕНИ В УСЛОВИЯХ АНТРОПОГЕННОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ

03.02.08 - Экология (биология)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

2 ОКТ 2014

Тюмень - 2014

005552994

005552994

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Тюменском государственном университете

Научный руководитель: доктор биологических наук, профессор

Петухова Галина Александровна

Официальные оппоненты: Синдирева Анна Владимировна,

доктор биологических наук, доцент, Омский государственный аграрный университет им. П.А. Столыпина, профессор кафедры экологии, природопользования и биологии

Гаевая Елена Викторовна,

кандидат биологических наук, Тюменский государственный архитектурно-строительный университет, доцент кафедры техносферной безопасности

Ведущая организация: Кемеровский государственный университет

Защита состоится «20» ноября 2014 г. в 13-00 часов на заседании диссертационного совета Д 220.064.02 при Государственном аграрном университете Северного Зауралья по адресу: 625003, г. Тюмень, ул. Республики, д. 7, тел./факс: 8 (3452) 46-87-77; E-mail: dissTGSHA@mail.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного аграрного университета Северного Зауралья и на сайте www.tsaa.ru

Автореферат разослан «24» сентября 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат с.-х. наук

Литвиненко Н.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Влияние хозяйственной деятельности человека значимо, прежде всего, для водных экосистем, так как связано с поступлением широкого спектра токсикантов в организм человека с водой и рыбной продукцией.

Для городских водоемов основными источниками загрязнений являются такие факторы, как автотранспорт, захламленность и загрязнение территории. Наряду с местными источниками загрязнений, определенное воздействие на качество природных вод оказывает трансграничный перенос загрязняющих веществ воздушными массами (Гусейнов, 2001).

Из-за застройки поймы реки Туры, ее озера, которые находятся в городской черте, превращаются в сточные канавы, накопители токсических веществ, создавая непосредственную угрозу для населения, использующего водные объекты в рекреационных целях (Михайлова, 1999; Исаков, 2002 и др.). Указанные обстоятельства способствуют нарушению гидрологического, гидрохимического и гидробиологического режимов водоемов города.

В условиях хронического загрязнения береговых и прибрежно-водных зон водных объектов г. Тюмени загрязняющими веществами, мусором наиболее ценную информацию о масштабах и интенсивности загрязнения можно получить при анализе биохимических показателей береговых и прибрежно-водных растений. Ответные реакции береговых и прибрежно-водных растений являются дополнительными к геохимическим исследованиям репрезентативными показателями состояния водоема. Приуроченность растений к определенному субстрату, неподвижность позволяет использовать растения для регистрации антропогенного воздействия на водные экосистемы.

Цель работы - анализ биохимических показателей и содержания тяжелых металлов в растениях береговой линии водоёмов г. Тюмени в условиях антропогенного загрязнения, с целью мониторинга окружающей среды.

Задачи исследования:

1. Изучить гидрохимические показатели исследуемых водоемов г. Тюмени для оценки степени антропогенного воздействия;

2. Исследовать содержание тяжелых металлов в почве и донных отложениях изучаемых водоёмов с последующим определением их накопления в растениях береговой линии;

3. Провести анализ содержания продуктов перекисного окисления липи-дов и систем антиоксидантной защиты растений;

4. Оценить влияние рассматриваемых факторов на биохимические реакции растений береговой линии исследуемых водоёмов.

г\ *

Основные положения, выносимые на защиту:

1. В воде обследованных водоёмов, почве и донных отложениях увеличивается содержание биогенных веществ и тяжелых металлов (Си, Хп, Сг, 1\Ч), что отражает проявления антропогенного пресса на водные объекты г. Тюмени. Исследованные водоёмы ранжированы по степени убывания загрязнения в ряду: пр. Кристальные родники, озёра Алебашево, Оброчное, пр. Утиный, оз. Круглое, пр. Лесной, пр. Южный.

2. В растениях береговой линии выявлено высокое содержание РЬ, Си, Хп, Мп, Сг, связанное с высокой концентрацией тяжелых металлов в депонирующих средах. В почвах и растениях береговой зоны накапливается больше тяжелых металлов, по сравнению с донными отложениями и прибрежно-водными растениями.

3. У большинства растений береговой линии водоёмов увеличено содержание низкомолекулярных антиоксидантов и пигментов фотосинтеза, что приводит к снижению концентрации продуктов перекисного окисления липидов, как проявление адаптивных способностей растений в условиях антропогенного воздействия

Научная новизна. Впервые проведен анализ содержания тяжелых металлов в почве, донных отложениях и аккумуляция их в растениях береговой и при-брежно-водной зон крупных водоёмов г. Тюмени.

Показано снижение уровня перекисного окисления липидов при действии низкомолекулярных антиоксидантов у растений береговой и прибрежно-водной зоны городских водоёмов.

Многофакторный анализ позволил установить сильное влияние загрязняющих веществ на содержание продуктов перекисного окисления липидов и активизацию системы антиоксидантной защиты в клетке.

Практическая значимость. Материалы научного исследования могут быть использованы для проведения мониторинговых исследований на территориях, подвергнутых антропогенному и техногенному прессу. Исходя из полученных в работе результатов, были разработаны рекомендации, которые включены в природоохранную документацию со ссылкой на проводимые исследования:

• итоговый отчет по экологическому мониторингу Ванкорского ЛУ (заказчик ЗАО «Ванкорнефть»);

• промежуточный отчёт по мониторингу окружающей среды Самбург-ского ЛУ (заказчик ОАО «АРКТИКГАЗ»);

• отчет по мониторингу состояния окружающей среды на Соболох-Неджелинском ЛУ (заказчик ООО «Газпром геологоразведка»).

Апробированные методические подходы, используемые в диссертационной работе, нашли применение в экспериментальных исследованиях в лаборатории отдела Биоресурсов Криосферы земли СО РАН.

На основе применяемых в диссертационной работе методик биохимического анализа растительного сырья был написан и издан учебно-методический комплекс - методические рекомендации «Биотестирование загрязненных сред: методы биотестирования и биоиндикации в оценке состояния окружающей среды».

Апробация результатов исследований. Материалы диссертационной работы докладывались на заседаниях кафедры экологии и генетики Тюменского государственного университета (2011-2013 гг.); II международной конференции «Окружающая среда и менеджмент природных ресурсов» (Тюмень, 2011 г.); Всеросийской конференции с международным участием «Физиологические, биохимические и молекулярно-генетические механизмы адаптаций гидробио-нтов» (Борок, 2012 г.).

Опубликованность результатов. По теме диссертации опубликовано 5 работ, из них две - в журналах из перечня ВАК, 3 - в трудах и материалах международных конференций.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 3 основных глав, выводов и приложений. Список литературы включает 204 источника, в том числе 18 на иностранном языке. Диссертация изложена на 184 страницах машинописного текста и иллюстрирована 32 таблицами и 41 рисунком, 6 приложениями.

Выражаю большую признательность и благодарность: А.И. Коваленко, Н.В. Хозяиновой, Т.А. Кремлёвой, JI.B. Михайловой, A.M. Субботину, H.A. Бо-ме.

Особую благодарность выражаю научному руководителю д.б.н., профессору Г.А. Петуховой.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Проанализированы литературные данные об источниках антропогенного влияния на береговые и прибрежно-водные фитоценозы водных объектов в г. Тюмени. Приведена информация о типах загрязнений окружающей среды городских водоёмов, распространении и влиянии тяжелых металлов на жизнедеятельность, реакции растений в условиях стресса. Описано образование и физиологические реакции активных форм кислорода в клетках растений. Рассмотрены

з

процессы биохимического повреждения растений под влиянием антропогенной нагрузки. Проанализирована литература по антиоксидантной системе защиты растений. Приведены классификации антиоксидантов, описание ферментативных и низкомолекулярных антиоксидантов.

2 МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Диссертационные исследования проводились с 2010 по 2012 гг. Результаты по годам имеют одинаковые тенденции. Приведено краткое описание исследуемых водоёмов г. Тюмени и потенциальных источников их загрязнения. Рассматриваются методы учёта выбросов автотранспорта (НИИ Атмосфера, 1999), отбора проб воды для гидрохимического анализа (Алекин, 1970; Коваленко, 2009), фитоценотического описания районов обследования (Ярошенко, 1969; Суворов,1996). Приведена краткая характеристика 5 видов растений, распространенных в береговой и прибрежно-водной зонах исследуемых водоёмов. Описана методика анализа тяжелых металлов в растениях (Высшая школа, 1990). Приводятся методики биохимического анализа отобранного растительного материала: определение концентрации пигментов фотосинтеза (Шульгин, 1974), флавоноидов (Третьяков, 2000), шиффовых оснований и диеновых конъ-югатов (Шведова, 1992), свободного пролина (Bates, 1973), восстановленной аскорбиновой кислоты (Hewitt, 1961), активности каталазы (Королюк, 1988). Приведены методы математической обработки результатов.

3 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ОБСУЖДЕНИЕ 3.1 Антропогенные источники загрязнения водных объектов г. Тюмени

Источниками загрязнения исследуемых водоёмов является автотранспорт, железнодорожный транспорт (пруды Утиный и Кристальные родники), речной транспорт (оз. Круглое), канализационные стоки, ТЭЦ-1 (оз. Оброчное) и ТЭЦ-2 (пр. Лесной), строительные работы, рекреация.

ЗЛ.1 Загрязнение выхлопными газами автомобильного транспорта. На основе расчета по методике определения выбросов автотранспорта (НИИ Атмосфера, 1999) представлены результаты загрязнения атмосферы города. По полученным результатам территории озера Алебашево, прудов Утиный и Кристальные родники подвержены наибольшему негативному влиянию автотранспорта.

ЗЛ.2 Гидрохимический анализ вод изучаемых водоёмов г. Тюмени. В

лаборатории ФГУГТ «Госрыбцентр» проведён гидрохимический анализ вод

изучаемых водоёмов города Тюмени. Все обследованные водоемы относятся к пресным, с величиной общей минерализации от 74,97 до 745 мг/дм3. По солевому составу водоемы преимущественно гидрокарбонатно-кальциевые, III типа. Вода пр. Кристальные родники имела гидрокарбонатный класс, кальциево-магниевую группу. Вода озера Алебашево была хлоридно-гидрокарбонатного класса с натриево-кальциевой группой. Повышенное содержание магния в воде пр. Кристальные родники, и высокая концентрация хлоридов в воде оз. Алебашево указывают на значительное антропогенное воздействие (строительные работы, автотранспорт, канализационные стоки), оказываемое на эти водоемы.

Два водоема (пруды Лесной и Южный) имеют II тип воды и три водоема (оз. Оброчное и пр. Кристальные родники) имеют I тип воды. Минимальные значения химических показателей солевого состава, фиксировались в воде пр. Южном и Лесном, максимальные - в пр. Кристальные родники (НСОэ", Са2'), оз. Алебашево, Оброчное и пр. Утиный (СГ, Ыа + К). Вода озер по величине рН имела среду преимущественно нейтральную или слабощелочную. Вода содержала повышенное количество органических веществ (оз. Оброчное и пр. Кристальные родники)). Содержание нефтепродуктов в трёх водоемах (пруды Кристальные родники, Утиный, оз. Круглое) было выше предельно допустимой концентрации (ПДК).

По данным гидрохимического анализа провели расчеты индексов степени загрязнения водоёмов. Были выбраны наиболее распространенные индексы -сапробное загрязнение (ГОСТ 17.1.1.02-77, 1977), ПХ310 (Приказ Минприроды РФ, 1992), ИЗВ (Временные методические указания, 1986), экотоксилогический критерий (Моисеенко, 1995), классификация по БПК5 (Крылов, 2005). По результатам расчетов индексов загрязнения водоёмов можно выделить наиболее грязные водоёмы - пр. Кристальные родники, озёра Оброчное, Алебашево, Круглое, пруды Лесной, Утиный. Самым чистым в гидрохимическом отношении был пруд Южный, который взят как объект сравнения (контрольный водоём).

3.1.3 Анализ содержания тяжелых металлов в почве из береговой зоны и донных отложениях изучаемых водоёмов г. Тюменн. Исследования содержания тяжелых металлов в почве и донных отложениях проводили в период 2010-2013гг. Анализ концентраций тяжелых металлов в почве береговой зоны (табл. 1) исследуемых водоёмов г.Тюмени выявил превышение ПДК N1 и Сг в почве береговой линии исследуемых водоёмов. Самое низкое содержание № и Сг обнаружено в почве береговой зоны пруда Лесного, а высокое - в береговой зоне озера Оброчное. За трёхлетний период содержание N1 в почве береговой

зоны увеличилось на 10,2% (пруд Лесной) - 23,7% (озеро Оброчное) и Сг - на 11,6% (пруд Лесной) - 41,8% (пруд Южный)

Концентрации РЬ и Ъп в почве береговой зоны исследуемых водоёмов больше, чем в почве береговой зоны пр. Южный. В 2012 году обнаружено превышение ПДК гг> в озерах Алебашево и Оброчное. В почве прибрежной территории всех исследуемых водных объектов содержание Си превышает ПДК, кроме концентрации Си в почве берега пруда Южного.

Таблица 1 - Концентрация подвижных форм тяжелых металлов в пробах почвы береговой зоны изучаемых водоёмов в 2012 году, мг/кг

Водоёмы Си Мп гп РЬ № Сг Ре

ПДК 3 1500 23 32 4 0,05 -

Южный 2,07± 0,02 105,61± 0,10 6,46± 0,03 6,53± 0,05 12,57± 0,12 1,12± 0,02 2003,83± 0,82

Лесной 5,34± 0,03* 150,41± 0,04* 7,79± 0,04* 6,76± 0,01* 12,36± 0,02 0,96± 0,01* 2608,50± 8,95*

Утиный 6,81± 0,04* 156,58± 0,28* 9,21± 0,04* 13,81± 0,01* 20,51± 0,01* 1,11± 0,01 3159,50± 9,53*

Алебашево 9,81± 0,04* 616,36± 0,21* 23,01± 0,01* 19,83± 0,03* 20,49± 0,03* 2,57± 0,01* 6060,67± 48,85*

Оброчное 12,63± 0,02* 577,94± 1,59* 24,19± 0,03* 18,37± 0,07* 26,35± 0,07* 8,69± 0,03* 14072,50± 201,42*

Примечание: * - статистически достоверные различия с пр. Южным (Р<0,05); жирным выделены значения превышающие ПДК.

Анализ исследования содержания тяжелых металлов в донных отложениях в 2010-2012 годах выявил тенденцию к увеличению содержания большинства тяжелых металлов в донных отложениях, что вероятно связано с оседанием из водной толщи соединений тяжелых металлов в донных отложениях. Наблюдения показывают, что в донных осадках из исследуемых водоёмов концентрация тяжелых металлов (7м, РЬ, №) больше контрольных значений (донные осадки пруда Южный) при Р<0,05.

Содержание Мп и Ре в донных осадках пр. Лесного ниже контрольных значений. Концентрация тяжелых металлов в почве береговой зоны больше, чем в донных осадках соответствующих водоёмов. Оседание соединений Сг на дно пруда Утиный, озёр Алебашево и Оброчное происходит интенсивней, чем на дно пруда Южный.

3.2 Фнтоценотнческое описание береговых и прибрежно-водных зон некоторых водоёмов г. Тюмени и её окрестностей

Самостоятельно было проведено фнтоценотнческое исследование. Все водоемы крайне неоднородны по видовому составу, проективному покрытию и ассоциациям. Наибольшее видовое разнообразие отмечено в трёх водоёмах (пр.Лесной (30 видов), озера Алебашево (28 видов), Оброчное (27 видов)), а низкое - в прудах Южный (24 вида), Кристальные родники (26 видов), оз. Круглое (26 видов) и пр. Утиный (26 видов). Высокая жизненность растений обнаружена во всех водоемах (3 балла), кроме пр. Кристальные родники (2 балла). На основании геоботанического описания для биоэкологического исследования были взяты пять видов (Trifolium repens L.. Plantago major L„ Typha ¡atifolia L„ Sagit-taria sagittifolia L., Juncus compressiis Jacq.), максимально представленных в береговых линиях изучаемых водоёмов.

3.3 Накопление тяжелых металлов растениями.

Больше всего тяжелых металлов аккумулирует береговая растительность (подорожник и клевер). Концентрации тяжелых металлов аккумулируется в меньшей степени в прибрежно-водной растительности (стрелолист, рогоз). При-брежно-водная растительность больше накапливает Ni, Zn, Mn, а береговая - Fe, Cr, Cu. Концентрация Pb относительно хорошо аккумулируют как береговые растения, так и прибрежно-водные. Береговые линии озера Алебашево, прудов Кристальные родники и Утиный являются наиболее загрязненными тяжелыми металлами (Pb, Cu, Ni, Fe, Zn, Cr).

Высокая концентрация Cr, Zn, Pb и Cu обнаружена в подорожнике; Fe, Cr, Cu, Zn- в клевере; Mn - в рогозе; Mn, Pb, Fe - в ситнике; Cu, Zn, Pb - в стрелолисте.

Больше всего Pb и Cu накапливают растения из береговой зоны озера Алебашево, пруда Кристальные родники. Концентрация Fe, Cr и Zn больше в растениях береговой линии прудов Утиный и Лесной. Высокое содержание Ni обнаружено в растениях береговых линий пруда Кристальные родники и озере Круглое. Основной вклад в загрязнение тяжелыми металлами вносят автотранспорт, строительные работы в районах расположения озера Алебашево, пруды Кристальные родники, Утиный.

3.4 Коэффициент биологического накопления в растениях из прибрежной зоны водоёмов г. Тюмени

Анализ полученных результатов биологического накопления тяжелых металлов (Московченко,1998) в период 2010-2012 года показал, что среди изучаемых береговых растений наибольшей силой аккумуляции тяжелых металлов обладает: из береговых растений - подорожник, из прибрежно-водных растений — ситник и рогоз. Общая суммарная интенсивность аккумуляции тяжелых металлов растениями в период обследования водоёмов снижается.

По результатам биологического накопления тяжелых металлов прибреж-но-водной растительностью в 2010-2012 годах отмечено, что ситник и рогоз являются растениями с интенсивным поглощением. Ситник в 2012 году в большей степени аккумулирует цинк (КБН=12,4-87,8), РЬ (КБН=5,6-19,8), Мп (КБН=5,8-13,8), Си (КБН=5,1-6,8) и № (КБН=1,6-9,9). В 2010 году ситник имел степень очень интенсивного поглощения Хп (КБН=14,0-37,3) и Сг (КБН=35,1). Рогоз в 2012 году интенсивно накапливает в своих тканях Мп (КБН=3,1-25,9), 7х\ (КБН= 1,9-27,6), Сг (КБН=1,1-11,3). В 2010 году рогоз более интенсивное поглощает Мп (КБН=15,1-67,8) Ъл (КБН=7,0-17,9), Ре (КБН=6,7-22,0) и Си (КБН=3,4-13,4). Очень интенсивное поглощение Zn в 2012 году обнаружено у ситника прибрежно-водной зоны пруда Утиный (КБН=87,8). Менее интенсивно поглощение РЬ наблюдается у ситника прибрежно-водной зоны прудов Южный и Утиный (КБН=19,8 и 11,4 соответственно), и Мп - прудов Южный и Лесной (КБН=10,9 и 13,8 соответственно). Стрелолист в 2012 году имел среднюю степень накопления большинства тяжелых металлов. Наиболее интенсивно стрелолистом поглощался 2п из прибрежно-водной зоны прудов Утиный (КБН=10,7) и Лесной (КБН=10,9).

Высокий КБН в 2010-2012 годах имели прибрежно-водные растения пруда Лесного, озёр Оброчное и Алебашево. Из тяжелых металлов больше поглощали Ът\ и Сг береговые растения, 7,п, Мп, РЬ - прибрежно-водные.

3.5 Ответные биохимические реакции исследуемых растений береговой линии водоёмов г. Тюмени на неблагоприятные факторы

Из литературы известно (Барабой, 1991), что накопление тяжелых металлов проявляется как стресс-реакция, приводящая к нарушениям клеточной мембраны и формированию продуктов перекисного окисления липидов (ПОЛ).

В большинстве изучаемых растений береговой линии исследуемых водоёмов (табл. 2) диеновых конъюгатов содержалось меньше, чем в растениях береговой линии пр. Южный, который был выбран объектом сравнения. Видимо ан-

тиоксидантная система защиты изучаемых растений активно нейтрализует свободные радикалы, которые появились в ходе действия антропогенного загрязнения.

Таблица 2 - Содержание продуктов перекисного окисления в изучаемых расте-_ ниях из исследуемых районов в 2012 году_

Водоёмы Подорожник Клевер Ситник Рогоз Стрелолист

Содержание диеновых конъюгатов, усл. ед./мл раствора

пр. Южный 19,92±0,99 19,95±2,09 20,12±0,81 22,47±1,57 24,88±0,46

пр. Кристальные родники 22,33±0,35* 18,78±0,66* 17,84±0,83 - 18,87±2,37*

пр. Лесной 8,63±1,92* 13,81±1,39* 17,11±1,80 26,44±0,69* 9,90±1,61*

пр. Утиный 13,70±0,15* 12,84±1,63* 17,29±1,55 18,55±2,02*

оз. Алебашево 14,12±1,73* 16,44±1,52* 11,82±1,65* 23,78±0,75* 14,26±1,79*

оз. Круглое 17,48±0,003* 13,90±0,31* 22,06±0,97 - —

оз. Оброчное 14,62±2,65 б,71±0,32* 18,37±0,98 21,05±1,02* 12,48±0,94*

Содержание оснований Шиффа, усл. ед./мг навески

пр. Южный 1,37±0,07 1,86±0,15 1,22±0,17 0,81 ±0,11 1,07±0,12

пр. Кристальные родники 0,44±0,05* 0,45±0,01* 0,18±0,01* - 0,51±0,07*

пр. Лесной 0,73±0,14* 0,63±0,11* 0,49±0,08* 0,70±0,17* 0,50±0,09*

пр. Утиный 0,87±0,06* 1,ЗОЯ),15* 0,51±0,04* 0,65±0,09* _

оз. Алебашево 0,63±0,05* 0,64 ±0,08* 0,71 ±0,05* 0,37±0,04* 0,50±0,002*

Примечание: *-статистически значимые различия с контролем (пр. Южный), при Г'<0,05; — - отсутствовал растительный материал для анализа.

Содержание диеновых конъюгатов (табл. 2) было выше в подорожнике из береговой зоны пр. Кристальные родники и рогозе из прибрежно-водной зоны пр. Лесного и оз. Алебашево, вероятно, это свидетельствует о высокой концентрации свободных радикалов и активации процесса ПОЛ.

Содержание оснований Шиффа ниже (табл. 2) во всех изучаемых растениях по сравнению с концентрацией в растениях пр. Южный, что, вероятно связано с работой защитных механизмов растений.

В стрессовых условиях растениями используется большее количество органических веществ. Большая роль в накоплении органических веществ принадлежит фотосинтетической системе. Она компенсирует стрессовое состояние растений, увеличивая общую концентрацию пигментов фотосинтеза у большинства изучаемых растений.

За период 2010-2012 гг. среди изучаемых видов растений следует выделить рогоз и ситник, как растения, обладающие наибольшей продуктивностью органического вещества. Меньше всего за период исследования органического

9

вещества образовали - стрелолист и подорожник, что вызвано видовыми особенностями и большей чувствительностью к антропогенному загрязнению (табл. 3).

Таблица 3 — Содержание органического вещества в изучаемых растениях

береговой линии исследуемых водоёмов в 2012 году, %

Водоёмы Подорожник Клевер Ситник Рогоз Стрелолист

пр. Южный 85,33±0,97 88,01±0,55 92,61±0,56 90,92±0,85 88,02±0,75

пр. Кристальные родники 82,92±0,52 86,25±1,26 88,63±0,81* - 84,23±0,96*

пр. Лесной 84,61±0,70 87,08±0,91 90,91±0,57 89,90±1,01 86,34±0,80

пр. Утиный 84,31±1,21 88,77±0,46 91,06±0,69 89,18±0,76 -

оз. Алебашево 86,14±0,90 86,31 ±0,65 - 88,85±0,88 83,95±0,56*

оз. Круглое 85,46±0,79 87,59±0,89 89,84±1,28 - -

оз. Оброчное 82,83±0,91 87,21±0,73 - 89,73±0,87 84,44±0,95*

Примечание: *-статистически значимые различия с контролем (пр. Южный), при Р<0,05; — - отсутствовал растительный материал для анализа.

Результаты исследований показали, что растения береговой линии исследуемых водоёмов по-разному реагируют на те или иные воздействия. В береговых растениях доля защитного пигмента по отношению к зеленым пигментам выше, чем в прибрежно-водных растениях. Отчасти это вызвано средой обитания в береговой зоне, а также повышенным антропогенным воздействием.

Выявлена высокая концентрация хлорофилла а и каротиноидов (рис. 1) в подорожнике всех исследуемых водоёмов по отношению к содержанию пигментов в подорожнике береговой зоны пруда Южного (Р<0,05). Количество хлорофилла Ь в подорожнике с берегов пр. Утиного и исследуемых озёр выше, чем в подорожнике пруда Южного (Р<0,05). В прибрежно-водной зоне большинства исследуемых водоёмов ситник содержит повышенное количество пигментов фотосинтеза (ПФ), относительно концентрации ПФ в ситнике пр. Южного (Р<0,05). Вероятно, пигментная система фотосинтеза в этих растениях испытывает высокую антропогенную нагрузку, не успевая компенсировать её негативное влияние.

Определенный вклад на накопление органических веществ вносит повышение концентрации пигментов фотосинтеза. Вероятно увеличение органических веществ и пигментов фотосинтеза, связано с необходимостью активизации систем биохимической защиты растений, в частности, низкомолекулярных ан-

тиоксидантов. к числу которых относится аскорбиновая кислота, которая выступает в роли восстановителя, донора и акцептора водорода. " 180

/////// У

'Хдоро^ютЬ ■|.г,:,»щи

а

1 Ф'И

■К»(«ч>»»штм

Рисунок 1 - Содержание пигментов фотосинтеза в листьях подорожника (а) и ситника (б) из исследуемых районов, в мг/100 г

(1риы«<ммж • -епткеллеекм доспжрхые ргатт с пр Юмн (Р<0,05)

Клевер, подорожник и ситник береговых линий изучаемых водоёмов сильнее реагирует на загрязнение среды обитания, что отражается увеличением аскорбиновой кислоты (табл. 4).

Таблица 4 - Содержание аскорбиновой кислоты в растениях береговых и прибрежно-водных зон водоёмов г. Тюмени в 2012 год>. в мкг/г навески

Ноло£мы 1 Подорожник

Южный Кристальные родники

0.8И0.02 1,18*0.05*

Лесной Утиный

0,73+0,03«

0.70*0,04«

Длсбашево 0,96*0,03*

Круглое 0.69*0,07 Оброчное | 0,86*0,003'

Клевер

3.14*0.07

2.18*0.0014

3.07*0,02

2,33*0,002*

4,21*0.0004*

3,38*0.005«

Ситник

Рогоз

1.16*0.002 1,35*0.006*

6.87*0.25

2.24*0.002» 2,26*0,005* 2.90*0,17* 2,42*0,004* I 1,23*0,001*

4.10*0.002«

1.69*0.002*

2.53*0.001'

1.85*0,002*

Стрелолист

3.84*0,13 1.83*0,15*

2,03*0.002*

1.33*0,003«

Примситс • • (ппклппш лостокрмыс ршмм с пр К>*мии (МММ). •• - огсутетюмл расти-гелший м«тсрэд для малки

Растения береговой линии наиболее загрязненных водоемов (пр. Кристальные родники. озСра Алсбашево и Круглое) накапливают больше аскорбиновой кислоты, чем растения тех водоёмов (пр. Лесной), которые испытывают меньшее ашроногсннос воздействие. В прибрежно-водной растительности (рогозе и стрелолисте) содержаюсь аскорбиновой кислоты меньше, чем в берего-

1)

вой, что, вероятно, связано с меньшей интенсивностью работы системы антиок-

сидантной защиты клеток.

Другим низкомолекулярным антиоксидантом являются флавоноиды. Они являются веществами с легкоподвижным атомом водорода, способные перехватывать свободные радикалы. Растения с высокими концентрациями флавонои-дов (табл. 5), чаще встречаются в береговых линиях пр. Кристальные родники (клевер, стрелолист) и оз. Круглое (подорожник, ситник). Большая концентрация флавоноидов обнаружена в стрелолисте (оз. Алебашево, пр. Утиный), клевере (оз. Оброчное) и ситнике (пр. Лесной). Меньшие концентрации флавоноидов показаны в растениях береговых линий прудов Утиный (клевер) и Лесной (подорожник, рогоз), оз. Алебашево (клевер, подорожник, рогоз).

Таблица 5 - Содержание флавоноидов в растениях береговых и прибрежно-водных зон водоёмов г. Тюмени, в мг/100г навески

Водоёмы

Южный

Кристальные родники_

Лесной

Утиный

Алебашево

Круглое

Оброчное

Подорожник

0,83±0,008

0,41±0,02*

0,54±0,05*

0,81 ±0,05

0,75±0,02*

1,15±0,03*

0,82±0,02

Клевер

1,84±0,01

2,40±0,02*

1,84±0,02

0,78±0,03<

1,64±0,05<

1,79±0,04

2,14±0,07*

Ситник

1,65±0,05

1,74±0,04

2,00±0,02*

1,75±0,06

2,04±0,05*

Рогоз

2,90±0,17

1,00±0,005*

2,57±0,10

1,68±0,003*

Стрелолист

0,64±0,02

1,19±0,03*

0,6М,07

0,98±0,02*

0,95±0,005*

0,62±0,01

Примечание: ' - статистически достоверные различия с пр. Южным (Р<0,05); - - отсутствовал растительный материал для анализа.

Одним из универсальных соединений стресс-реакции у высших растений является пролин, который способен "тушить" синглетный кислород (1 02) и гид-роксил радикал (ОН°). Высокое содержание свободного пролина (табл. 6) обнаружено в подорожнике (береговые зоны прудов Кристальные родники, Утиный, озёр Алебашево и Оброчное), клевере и рогозе (береговая линия пр. Лесной), стрелолисте (прибрежно-водная зона оз. Оброчное).

Низкие концентрации свободного пролина встречаются в растениях береговых линий прудов Лесной (в подорожнике, ситнике, стрелолисте) и Кристальные родники (в клевере, ситнике), озёр Алебашево (в рогозе) и Оброчное (в клевере), пруда Утиный (в клевере, ситнике), озера Круглое (в подорожнике, ситнике).

Береговая растительность более активно отвечает (накопление свободного пролина выше) на комплекс неблагоприятных факторов, по сравнению с нри-

брежно-водными растениями. Наряду с низкомолекулярными антиоксидантами в нейтрализации свободных радикалов в клетке работают ферментные системы, в частности каталазная система нейтрализации перекиси водорода.

Таблица 6 - Содержание свободного пролина в растениях береговых и прибрежно-водных зон водоёмов г. Тюмени, в мкмоль/г

Водоёмы Клевер Подорожник Ситник Рогоз Стрелолист

Южный 24,07± 0,34 32,83±0,16 44,03±2,27 27,91±0,12 29,17±0,94

Кристальные родники 21,24±0,01* 105,33±14,86* 22,75±0,06* - 115,60±33,54

Лесной 29,92±1,16* 17,78±1,15* 25,54±0,50* 49,27±1,45* 26,39±0,18

Утиный 22,87±0,04* 242,80±28,05* 33,59±0,22* 25,97±0,63* -

Алебашево 25,76±1,29 128,83±21,54 - 21,36±0,02* -

Круглое 23,45±0,12 31,70±0,18* 33,37±1,65* - -

Оброчное 21,23±0,13* 45,90±5,84* - - 100,18±23,17*

Примечание: * - статистически достоверные различия с пр. Южным (Р<0,05); — - отсутствовал растительный материал для анализа.

Анализ активности каталазы показал (табл. 7), что она выше в подорожнике и стрелолисте береговых зон исследуемых водоёмов. Изменение активности каталазы отмечено в изучаемых растениях береговых линий прудов Кристальные родники, Утиный, озера Оброчное. Вероятно, береговые линии этих водоёмов наиболее загрязнены. Каталазная активность снизилась у изучаемых видов растений береговых линий озёр Оброчное и Алебашево, так как, вероятно, водоёмы подвержены хроническому антропогенному загрязнению.

Таблица 7 - Активность каталазы в растениях береговых и прибрежно-водных зон водоёмов г. Тюмени, в млмоль/с

Водоёмы Клевер Подорожник Ситник Рогоз Стрелолист

Южный 0,084±0,02 0,171±0,004 0,122±0,03 0,098±0,01 0,130±0,01

Кристальные родники 0,029±0,01 0,002±0,01* 0,249±0,04* - 0,234±0,01*

Лесной 0,060±0,01 0,044±0,01* 0,059±0,01 0,084±0,01 0,242±0,01*

Утиный 0,063±0,01 0,139±0,01* 0,135±0,02 0,138±0,01* 0,221±0,01*

Алебашево 0,049±0,01 0,070±0,01 * - 0,096±0,01 0,089±0,01*

Круглое 0,024±0,01* 0,217±0,01* 0,169±0,01 - —

Оброчное 0,032±0,01 0,032±0,01* - 0,030±0,01* 0,039±0,01*

Примечание: * - статистически достоверные различия с пр. Южным (Р<0,05); — - отсутствовал расти-телышй материал для анализа.

3.6 Кластерный анализ гидрохимических показателей водоёмов г. Тюмени

Пруд Кристальные родники различается по большинству гидрохимических показателей (превышения ПДК) с большинством исследуемых водоёмов. В одну из групп можно отнести пруды Лесной и Южный, с меньшей степенью загрязнения. В другую группу входят пруд Утиный и озёра со средним количеством превышений ПДК и сходной гидрохимической составляющей, особенно пруд Утиный и озеро Оброчное.

Вероятно, разница в результатах гидрохимического состава в исследуемых водоёмах с 2010 по 2012 год уменьшалась, что нашло отражение в результатах кластерного анализа. Из графиков видно, что в 2010 и 2011 году условно водоёмы можно разделить на три группы. Наиболее близкими в 2010 году были озеро Алебашево и пруд Утиный, а в другой группе - озёра Круглое и Оброчное. В 2011 году сходными гидрохимическими параметрами обладали озёра Круглое и Оброчное, а в другую группу входили пруды Утиный и Южный. Данные водоёмы имеют близкий гидрохимический состав по пяти компонентам (азот нитратный, железо общее, кальций, кадмий и медь, нефтепродукты жесткость и рН воды). В период исследования пруд Кристальные родники показал наименьшее сходство по гидрохимическому составу с остальными изучаемыми водоёмами. Он имел больше гидрохимических показателей с превышением ПДК.

3.7 Сравнительный анализ водоёмов г. Тюменн по биохимическим показателям изучаемых растений

Была проанализирована взаимосвязь антропогенного загрязнения исследуемых водоёмов (выхлопы автотранспорта, гидрохимические показатели, содержание тяжелых металлов в депонирующих средах и растениях) и биохимических показателей растений (содержание продуктов ПОЛ, пигментов фотосинтеза, низкомолекулярных и высокомолекулярных антиоксидантов). При анализе полученных данных, согласно программе ЗЬШзиса 10.0 учитывалась сила связи, при которой дисперсия больше 0,7. Выхлопы автотранспорта, загрязнение водоёмов (гидрохимические показатели) не оказали значимой взаимосвязи с другими изучаемыми показателями.

Из проведенного многомерного факторного анализа видно, что у изучаемых видов растений биохимические реакции на накопление тяжелых металлов разные. Но есть общность в антиоксидантном ответе - роль низкомолекулярных антиоксидантов выше высокомолекулярных. Вероятно, марганец и цинк в малых дозах не обладают токсичной функцией. Концентрация продуктов ПОЛ и анти-

оксидантов зависит от содержания свинца в стрелолисте и ситнике. Обнаружена высокая зависимость пигментов фотосинтеза, флавоноидов между собой. Исходя из анализа аскорбиновой кислоты, обнаружена сильная связь с первичными продуктами ПОЛ (диеновыми конъюгатами). Сильная зависимость выявлена между концентрациями пигментов фотосинтеза и аскорбиновой кислотой, что подтверждается литературными данными (Hewitt E.J., 1961). Чувствительными видами к загрязнению тяжелыми металлами оказались клевер и подорожник, так как обнаружена высокая положительная связь между содержанием тяжелых металлов и диеновых конъюгатов.

ВЫВОДЫ

1. В воде обследованных водоёмах г.Тюмени выявлено содержание нефтепродуктов, биогенных веществ, тяжелых металлов с превышением ПДК. Все исследованные водоёмы могут быть отнесены к категориям «грязные», «загрязненные» и проранжированы по степени убывания загрязнения в ряду: пр. Кристальные родники, озёра Алебашево, Оброчное, пр. Утиный, оз. Круглое, пр. Лесной, пр. Южный.

2. В почвах береговой зоны обследованных водоёмов содержание тяжелых металлов (цинка, никеля, меди и хрома) выше ПДК. Установлено наибольшее загрязнение тяжелыми металлами почв береговой зоны озера Оброчное. Выявлены высокие концентрации железа, марганца, цинка, свинца, меди, хрома, никеля в донных отложениях исследуемых водоёмов. Установлено более высокое накопление тяжелых металлов в почве береговой зоны, чем в донных отложениях соответствующих водоёмов.

3. В береговых и прибрежно-водных растениях происходит аккумуляция тяжелых металлов (Pb, Си, Zn, Мп, Сг). Суммарное накопление тяжелых металлов и коэффициент биологического накопления у береговых растений выше, чем у прибрежно-водной растительности. Среди обследованных видов растений интенсивным поглощением тяжелых металлов отличаются Planlago major, Junciis compressns и Тур ha latifolia.

4. У большинства растений береговых и прибрежно-водных зон исследуемых водоёмов содержание продуктов ПОЛ снижено, что, вероятно, связано с отбором устойчивых генотипов в условиях антропогенного влияния на водные объекты.

5. Под влиянием комплекса антропогенных факторов растения из исследуемых районов повышают концентрацию пигментов фотосинтеза и активизируют работу систем антиоксидантной защиты (аскорбиновой кислоты, пролина,

флавоноидов и каталазы) в изучаемых растениях. Более активными системами являются низкомолекулярные вещества в растениях из береговых и прибрежно-водных зон пруда Кристальные родники и озера Алебашево. Системы антиокси-дантной защиты сильнее активизируются в растениях береговых зон по сравнению с растениями прибрежно-водных зон исследуемых водоёмов.

6. Многофакторный анализ позволил выявить высокую степень связи накопления РЬ в Ва^Шаг 'ш sagittifolia и Мпсив сотргеяхиз с активацией систем АОЗ и с увеличением содержания продуктов ПОЛ. Обнаружена высокая зависимость между содержанием в растениях пигментов фотосинтеза и флавоноидов, а также между концентрациями аскорбиновой кислоты и диеновыми конъюгатами. Роль в антиоксидантном ответе у низкомолекулярных антиоксидантов выше высокомолекулярных.

РАБОТЫ, ОПУБЛИКОВАННЫЕ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Корнилов А.Л. Ответные биохимические реакции растений из прибрежной зоны водоемов г. Тюмени / А.Л. Корнилов, Г.А. Петухова, А.И. Коваленко // Электронный журнал «Современные проблемы науки и образования». - 2012. - № 3. - С. 1-8.

2. Корнилов А.Л. Влияние накопления тяжелых металлов на содержание пигментов фотосинтеза растений из прибрежной зоны водоемов г. Тюмени / А .Л. Корнилов, Г.А. Петухова, А.И. Коваленко // Вестник ТюмГУ -Тюмень: Изд-во ТюмГУ. - 2012. - С. 189-194.

3. Корнилов А.Л. Изменение концентрации пигментов фотосинтеза у растений прибрежной зоны водоемов г. Тюмени / АЛ. Корнилов, Г.А. Петухова, А.И. Коваленко // Окружающая среда и менеджмент природных ресурсов - Тюмень: Изд-во ТюмГУ.-2011.-С. 173-175.

4. Корнилов А.Л. Влияние загрязнений на пигментные системы растений из прибрежной зоны водоемов г. Тюмени / А.Л. Корнилов, Г.А. Петухова, А.И. Коваленко // Физиологические, биохимические и молекулярно-генетические механизмы адаптации гидробионтов - Борок: Изд-во Борок. — 2012. - С. 184-188.

5. Корнилов А. Л. Биотестирование загрязненных сред: методы биотестирования и биоиндикации в оценке состояния окружающей среды. Учебно-методический комплекс. Методические рекомендации для студентов / А.Л. Корнилов, Е.С. Петухова // Тюмень: Изд-во ТюмГУ. -2012.-40 с.

Подписано в печать 20.09.2014 г. Тираж 120 экз. Печать трафаретная. Заказ 078. Отпечатано в печатном цехе «Ризограф» Тюменского Аграрного Академического Союза 625003, г. Тюмень, ул. Республики, 7