Яковлева Е. В., Габов Д. Н. Полициклические ароматические углеводороды в растениях естественных бугристых болот // Принципы экологии. 2019. № 2. С. 119–128. DOI: 10.15393/j1.art.2019.8822

Выпуск № 2

Оригинальные исследования

pdf-версия статьи

504.73: 547.912

Полициклические ароматические углеводороды в растениях естественных бугристых болот

Введение

Полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) – это органические соединения бензольного ряда, которые, с одной стороны, являются канцерогенными и мутагенными соединениями (Hamid et al., 2017; Liu et al., 2017), с другой – могут синтезироваться растениями и использоваться как питательные вещества (Аниськина, Яковлева, 2016). Растения естественных мест обитания, по данным ряда авторов, содержат незначительные количества, главным образом легких, полиаренов (Migaszewski et al., 2009; Dijk et al., 2015; Яковлева и др., 2016).

В высоких широтах бугристые болота занимают значительную часть поверхности суши и являются основными резервуарами углерода (Пастухов и др., 2018). При этом исследованию химического состава растительности болот уделяется мало внимания. В основном работы посвящены элементному составу макрофитов (Kufel et al., 2004; Манасыпов и др., 2012). Существуют данные о составе ПАУ растений, произрастающих на болотах, но они посвящены изучению воздействия процессов выгорания на изменение состава ПАУ и не затрагивают естественные фитоценозы (Vane et al., 2013). Исследование массовой доли полиаренов в растениях бугристых болот фоновых территорий позволит оценить естественные уровни содержания данных органических поллютантов в лесотундровых экосистемах. Полученные данные могут быть в дальнейшем использованы при проведении экологического мониторинга воздействия промышленных объектов на  фитоценозы бугристых болот. Результаты проведенных исследований дадут возможность проследить изменение состава ПАУ в разных органах растений в условиях техногенного воздействия и тем самым исследовать закономерности поглощения полиаренов разными видами.

В болотах растения долгое время находятся в неразложенном состоянии, в большей степени разложению подвергаются травянистые растения и лиственный опад, в меньшей степени мхи (Головацкая, Никонова, 2013). Исследование состава полиаренов растений бугристых болот позволит оценить вклад растений разных видов в формирование состава ПАУ почв. Изучение механизмов формирования торфяных почв как депо органического углерода является важнейшей задачей современных научных исследований.

Цель данной работы – оценить фоновые содержания полиаренов в доминирующих видах растений бугристых болот.

Материалы

Исследования проведены в лесотундровой зоне Республики Коми в бассейне р. Сейда. Видовой состав исследованного болота крайне беден, по предварительным данным, он насчитывает около 60 видов, включая высшие сосудистые растения, мхи и лишайники. Согласно комплексному гидролого-морфологическому подходу, исследованное болото относится к типу плоскобугристых. В соответствии с ботанико-географическими принципами (Юрковская, 1992), болото принадлежит к типу травяно-лишайниковых северовосточноевропейских болот: травяно-кустарничково-мохово-лишайниковых на буграх, пушицево-осоково-сфагновых и осоковых в понижениях. Болото характеризуется хорошо выраженным микрорельефом, в значительной степени обусловленным мерзлотными процессами. Около 60 % массива занимают повышения, или бугры, остальное пространство – мочажины, топи, обводненные в ложбины стока и вторичные озерки. Микрорельефом вызвана и комплексность растительного покрова. Преобладают плоские бугры высотой 0.8–1 м.

Вследствие мелкокочковатой поверхности горизонтальная структура сообществ носит мозаичный характер, куртины низких кустарничков на лишайниковых подушках чередуются с высокорослыми (до 0.5 м) особями Betula nana или моховыми группировками микропонижений, в том числе и с участием пушиц (Eriophotum vaginatum и Eriophotum russeolum), осок (Carex limosa, Carex rotundata) и сфагновых мхов. 

Понижения микрорельефа обводнены и образованы преимущественно пушицево-сфагновыми и осоково-сфагновыми фитоценозами. В травяно-кустарничковом ярусе доминирует один из следующих видов: Eriophorum russeolum, Carex limosa или C. rotundata. Кроме перечисленных, в отдельных случаях, например, по краю водоема, обильны Carex cinerea, С. rostrata и Comarum palustre. Участие других видов незначительно. Напочвенный покров образован сфагновыми мхами (в основном Sphagnum riparium, S. lindbergii, S. balticum). 

Методы

С поверхности болота отбирали доминантные виды растений в трехкратной повторности. Отбор проводился в начале августа 2018 г. На буграх были отобраны виды: Polytrichum strictum Brid., Eriophorum vaginatum L., Betula nana L. В мочажинах – Sphagnum riparium Angstr., Carex limosa L., Eriophorum russeolum Fries, ветви и листья Salix lapponum L. Вблизи топи – Comarum palustre L., Carex aquatilis L., Equisetum fluviatile L. По краям болота – ветви и листья Betula pubescens Ehrh. и побеги Picea abies L. возраста 1–7 лет. Выбор видов растений для исследования основывался на ботаническом составе торфа исследованных бугристых болот, основой которого были Polytrichum strictum на буграх и Sphagnum в мочажинах. Другие исследованные виды представлены в ботаническом составе торфа в меньшей степени. Координаты отбора проб – 67°03′ с. ш., 62°56′ в. д. Подстилающие почвы характеризовались кислой реакцией среды, значения pH варьировали в диапазоне от 3.4 для верхних слоев до 5.5 в нижних горизонтах торфа.

Химико-аналитические исследования растений выполняли в ЦКП «Хроматография» Института биологии Коми НЦ УрО РАН. Методика анализа массовой доли ПАУ в растениях описана нами ранее (Яковлева и др., 2018). Для  извлечения ПАУ из  растений использовали систему ускоренной экстракции растворителями ASE-350 (Dionex Corporation, США). Пробу растения массой 1 г помещали в экстракционную ячейку и трижды экстрагировали смесью хлористый метилен : ацетон (1:1) при температуре 100 ºС. Затем экстракты концентрировали с применением аппарата Кудерна – Даниша при температуре в термостате 70 ºС и заменяли растворитель на гексан. Полученный концентрат пробы объемом 3 см³ очищали от неорганических примесей методом колоночной хроматографии с использованием оксида алюминия II степени активности по Брокману. В качестве элюэнта использовали 50 см³ смеси гексан : хлористый метилен (4:1). Элюат концентрировали с применением аппарата Кудерна – Даниша при температуре в термостате 85 ºС до объема 5 см³, затем добавляли 3 см³ ацетонитрила и упаривали при температуре 90 ºС до полного удаления гексана. Концентрат пробы в ацетонитриле анализировали на содержание ПАУ методом ВЭЖХ. Контроль точности результатов измерений проводили с использованием стандартного образца Certified reference material BCR-683 (European commission community bureau of reference). Статистическую обработку для оценки достоверности расхождений средних данных проводили при помощи t-критерия Стьюдента, Р = 0.95. Для проведения корреляционного анализа использовали программу Statistica-6.

Результаты

В растениях бугристых болот идентифицировано 11 индивидуальных ПАУ: нафталин, флуорен, фенантрен, антрацен, флуорантен, пирен, хризен, бенз[a]антрацен, бензо[b]флуорантен, бензо[k]флуорантен, бенз[a]пирен. ПАУ в растениях были представлены главным образом низкомолекулярными 2-4-ядерными структурами, их доля от общей суммы ПАУ изменялась в пределах 96–100 % для разных видов растений. Мы предполагаем, что присутствие полиаренов в растениях могло быть обусловлено рядом факторов: внутриклеточным синтезом в растениях, поглощением ПАУ растениями из почвы и поступлением полиаренов из атмосферы в процессе дальнего переноса в условиях лесотундры. Обнаружена высокая степень корреляции между составом ПАУ растений разных видов, коэффициенты варьировали от r = 0.63 до 1.00 (при n = 11, p < 0.05). Максимальные коэффициенты корреляции r = 0.99–1 (при n = 11, p < 0.05) были выявлены между Sphagnum riparium, осоками и пушицами, еще в одну группу выделяются деревесные и кустарниковые виды: Betula nana, побеги Picea abies, Salix lapponum и Betula pubescens. Состав ПАУ листьев кустарников Salix lapponum и Betula pubescens коррелировал между собой. Тесно коррелировал состав ПАУ Comarum palustre и Equisetum fluviatile, r = 0.99 (при n = 11, p < 0.05).

Максимальное содержание ПАУ среди растений болот было выявлено в Polytrichum strictum, побегах Picea abies, ветвях Betula pubescens, в меньшей степени в ветвях Salix lapponum и Betula nana (рис. 1).

 

 Рис. 1. Содержание ПАУ в растениях бугристых болот, нг/г

Fig. 1. PAH content in plants of frost mound bogs, ng/g

 

Для этих растений было характерно повышенное содержание нафталина, массовая доля которого составляла от 85 до 91 % от всей массы ПАУ в растениях. Для травянистых растений, хвоща приречного (Equisetum fluviatile), сфагнума (Sphagnum riparium), листьев ивы лапландской (Salix lapponum) и березы пушистой (Betula pubescens) значения содержания ПАУ были близкими, в 2–4 раза ниже по сравнению с растениями-аккумуляторами, содержание нафталина в данных видах варьировало от 31 до 53 %.

Было проведено исследование накопления ПАУ разными органами растений (рис. 2). Исследование аккумуляции полиаренов в живой и отмершей частях мхов показали, что в отмершей части суммарная концентрация полиаренов была выше в 2 раза в случае Sphagnum riparium и в 3 раза в случае Polytrichum strictum. Этот эффект можно объяснить долговременным накоплением углеводородов в отмершей части мхов, составлявшей 70 % их общей биомассы. Следует отметить, что в предыдущих исследованиях нами были выявлены сходные тенденции в накоплении ПАУ Pleurozium schreberi на фоновых участках южной тундры (Яковлева и др., 2016).

 

Рис. 2. Кратности превышения суммарного содержания ПАУ в разных органах растений. Для мхов – превышение содержания ПАУ в отмершей части над содержанием в живой. Для Comarum palustre: А – превышение содержания в листьях над стеблями, В – превышение содержания в листьях над корнями. Для Equisetum fluviatile – превышение содержания в боковых ветвях над стеблями. Для других травянистых растений – превышение содержания ПАУ в подземной части над надземной. Для Betula nana: А – в корнях над листьями, В – в корнях над ветвями. Для Salix lapponum и Betula pubescens – превышение в ветвях над листьями

Fig. 2. Multiplicity of excess of the total content of PAHs in different plant organs. For mosses – the excess content of PAHs in the dead part over the content in the living one. For Comarum palustre: A – excess content in the leaves over the stems, B – excess content in the leaves over the roots. For Equisetum fluviatile – the excess content in the side branches over the stems. For other herbaceous plants – the excess  content of PAHs in the underground part over the aboveground. For Betula nana: A – in the roots over the leaves, B – in the roots over the branches. For Salix lapponum and Betula pubescens – excess in the branches over the leaves

 

Для осок и пушиц не установлено значительного превышения содержания ПАУ в подземной части над их массовой долей в надземной, кратности не превышали 1.3. Такие же превышения выявлены для содержания ПАУ в боковых ветвях Equisetum fluviatile над массовой долей в стебле. Для травянистых растений фоновых участков южной тундры нами были показаны иные закономерности накопления ПАУ. В Festuca ovina и Deschampsia caespitosa на фоновом и загрязненном участках выявлено преимущественное накопление всех ПАУ в подземной части растений (Яковлева и др., 2016). Кратности превышения суммарного содержания ПАУ для фоновых участков составляли 2–2.5 раза. Факт меньшего накопления ПАУ корнями травянистых растений болот может объясняться большой обводненностью их места произрастания, которая исключает оседание почвенных частиц на корнях.

Для Comarum palustre отдельно исследовались листья, стебли и подземная часть. Содержание ПАУ в листьях и корнях было близким и в 2 раза превышало массовую долю ПАУ в стеблях. Возможно, это связано с тем, что ПАУ, аккумулированные листьями из атмосферы и корнями из почвы, слабо проникали в стебли растения.

Для Betula pubescens, исследованными органами которой были ветви и листья, установлено трехкратное превышение содержания ПАУ в ветвях над листьями. В меньшей степени такое превышение выявлено в ветвях Salix lapponum, оно составило 2 раза по сравнению с листьями. Для Betula nana, в случае которой исследовались и корни растения, также показано превышение массовой доли ПАУ в ветвях над листьями в 2 раза. Максимальным содержанием ПАУ отличались корни Betula nana, концентрации ПАУ в них были больше, чем в ветвях, в 1.3 раза. Наши предыдущие исследования также показали преимущественно корневое поступление ПАУ в Betula nana на фоновых участках южной тундры (Яковлева, Габов, 2018). Было выявлено, что полиарены могут поступать в кустарники через корневую систему и концентрироваться на поверхности коры, при этом поступление ПАУ внутрь стеблей минимально. Незначительное содержание ПАУ в листьях обусловлено как листопадностью кустарников, так и низким уровнем атмосферного поступления полиаренов на фоновых территориях.

Для побегов Picea abies 1-го года установлено превышение содержания ПАУ в хвое над ветвями в 1.6 раза. Для побегов 2–7-го года выявлена обратная тенденция: содержание ПАУ в ветвях было выше, чем в хвое. Кратности превышения достигали 5 и закономерно возрастали с увеличением возраста побегов. Преобладание ПАУ в ветвях во многом объясняется наличием на ветвях хвойных мощного липидного слоя, который способен регулировать поступление ПАУ за счет их адсорбции на поверхности. На хвое формируется восковой налет, препятствующий проникновению ПАУ внутрь. Вероятно, на ветвях первого года липидный слой, как и восковой налет, находится на стадии формирования, что приводит к большему накоплению ПАУ в хвое. С возрастом также выявлено увеличение массовой доли хвои в общей биомассе побегов от 63 % для побегов 1-го года до 77 % в побегах 7-го года. В побегах Picea abies выявлено присутствие только легких полиаренов.

Следует отметить, что общее содержание полиаренов для побегов 2–7-го года почти не изменялось в зависимости от возраста  (рис. 3).

 

Рис. 3. Содержание ПАУ в побегах Picea abies в зависимости от возраста, нг/г. 1 – массовая доля нафталина, 2 – суммарная массовая доля остальных ПАУ

Fig. 3. PAH content in the shoots of Picea abies, depending on age, ng/g. 1 – naphthalene mass fraction, 2 – total mass fraction of the rest PAHs

При этом в побегах первого года массовая доля полиаренов была в 2 раза выше. ПАУ в побегах Picea abies на 92 % были представлены нафталином, характеризующимся сродством с витаминами и гормонами растений, по-видимому, его большое количество в побегах 1-го года связано с активными процессами роста.

Заключение

1. В растениях фоновых тундровых болот обнаружено присутствие 11 структур ПАУ. Полиарены в растениях были представлены в основном легкими структурами.
2. Выявлены высокие степени корреляции, определяющие сходные закономерности накопления ПАУ, между составом сфагновых мхов, пушиц и осок, а также между древесными и кустарниковыми видами.
3. Максимальное содержание ПАУ среди растений болот было выявлено для Polytrichum strictum, побегов Picea abies, ветвей Betula pubescens, Salix lapponum и Betula nana.
4. Обнаружены различия в накоплении ПАУ разными органами растений. Выявлено близкое содержание ПАУ в подземной и надземной частях осок и пушиц. Для мхов показано повышенное содержание ПАУ в отмершей части, для кустарников и кустарничков – в ветвях и корнях. Для побегов Picea abies 1-го года установлено превышение содержания ПАУ в хвое над ветвями, для побегов 2–7-го года выявлена обратная тенденция.
5. Среди побегов Picea abies максимальным содержанием ПАУ отличались побеги 1-го года, в побегах 2–7-летнего возраста массовая доля полиаренов была примерно одинакова.
6. Данные по содержанию полиаренов в растениях естественных тундровых болот могут быть использованы в целях мониторинга загрязнения болотных угодий полиаренами. В частности, для оценки уровня загрязнения ПАУ могут быть использованы мхи Polytrichum strictum и Sphagnum riparium как представители растительности бугров и мочажин.
7. На основании полученных результатов можно оценить вклад растений в формирование состава ПАУ торфа на разных этапах формирования торфяной залежи.

Библиография

Благодарности

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 18-05-60195 (№ ЦИТиС АААА-А18-118062090029-0) и госбюджетной темы № АААА–А17–117122290011–5.