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*

* 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

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

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.