Accumulation and localization of metals in lichen thallus under conditions of dust pollution during open mining of boxite deposits

Толық мәтін

Добыча и переработка полезных ископаемых практически неизбежно приводят к эмиссии поллютантов. Загрязнение окружающей среды пылевыми выбросами оказывает значительное негативное влияние на все структурные элементы биогеоценозов. Мониторинг поступления пылевых выбросов и оценка влияния содержащихся в них минеральных и органических веществ на почвенно-растительный покров являются важной задачей, особенно для северных экосистем с низкой способностью к самоочищению и самовосстановлению.

Лишайники широко используются в системе биоиндикации окружающей среды, в том числе при мониторинге загрязнения атмосферы металлами [1]. Их талломы не имеют защитных покровов, могут в значительных количествах накапливать химические соединения из атмосферы и осадков в течение жизненного цикла [2]. К основным механизмам связывания металлов в талломах относят физическое связывание частиц на поверхности талломов и в межклеточном пространстве слоевищ, внеклеточное и внутриклеточное накопление [3]. Большое количество работ посвящено изучению накопления тяжелых металлов в лишайниках в зоне деятельности металлургических предприятий [4–6], их локализации [3, 7], механизмам поглощения [8, 9] и детоксикации [10]. В ряде исследований [11, 12] показано, что длительное загрязнение территорий пылевыми выбросами при разработке рудных месторождений приводило к изменению численности и структуры сообществ лишайников и морфологии их талломов. Пылевые выбросы являются сложной гетерогенной смесью взвешенных в воздухе, часто нерастворимых, твердых частиц, различающихся по размеру, происхождению и химическому составу [13]. Физико-химические свойства соединений, содержащихся в атмосферных выбросах, опосредуют интенсивность поглощения и локализации металлов в лишайниках, в связи с чем необходима количественная оценка этих показателей при поступлении пылевых частиц на поверхность талломов.

Цель настоящей работы – изучение закономерностей и специфики накопления и локализации металлов в листоватых лишайниках, обитающих в импактной зоне бокситового рудника. Результаты исследования позволят охарактеризовать влияние поступления в окружающую среду пылевых выбросов бокситового рудника на изменения элементного состава лишайников, оценить вклад различных механизмов связывания металлов лихенизированными грибами в условиях полиметаллического загрязнения при атмосферном осаждении пылевых выбросов, изучить влияние морфологических особенностей талломов на поглощение ими мелкодисперсных минеральных частиц.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ

Объекты исследования и характеристика местообитаний лишайников. Исследования проведены на территории Средне-Тиманского бокситового рудника (СТБР), расположенного на стыке Усть-Цилемского, Княжпогостского и Удорского районов Республики Коми. Добыча бокситов на руднике проводится открытым способом более 20 лет. Прогнозное количество ежегодно поступающих в атмосферу от объектов Вежаю-Ворыквинского месторождения выбросов составляет более 5500 т: оксиды азота – 636 т, оксид углерода – 1112 т, сернистый ангидрид – 786 т, пыль неорганическая – 1059 т, сажа – 345 т [12]. Основными источниками поступления в окружающую среду загрязнителей от производственных объектов СТБР являются буровзрывные работы, выемка рудного тела, перемещение бокситовой руды и вмещающих ее горных пород, пыление шлихтовального склада и отвалов вскрышных пород, перемещение транспорта по межпромысловым и технологическим дорогам. Мониторинговые исследования на территории деятельности СТБР свидетельствуют о постепенном росте площадей, испытывающих устойчивое загрязнение. Анализ снежного покрова выявил, что в пылевых выпадениях вблизи основных технологических объектов рудника отмечается четырехкратное и более увеличение концентраций Al, Fe, Si, Mn, Ni, Co, Ti, Cu, Pb, Zn, Cd по сравнению с фоновыми значениями. В зоне влияния объектов бокситового рудника обнаружены превышающие ПДК уровни взвешенных частиц Al, Fe, Co, Ti, Cu и ряда других металлов в снеговой воде и водах временных водотоков. В почвах, приуроченных к бокситовым карьерам, наблюдается интенсивное накопление Al, Ti и Pb [14]. С вводом в эксплуатацию Верхне-Щугорского месторождения бокситов, в рамках освоения карьеров второй очереди СТБР, можно ожидать увеличения поступления атмосферных выбросов.

В качестве модельных объектов использовали эпифитные листоватые лишайники Lobaria pulmonaria (L.) Hoffm., Hypogymnia physodes (L.) Nyl. и эпигейный листоватый лишайник Peltigera aphthosa (L.) Willd. Отбор проб лишайников проведен в елово-березовом с примесью осины лесу вблизи объектов производственной и транспортной инфраструктуры рудника. В качестве условно-фоновой территории (далее фоновая территория) выбран участок, удаленный от рудника на расстояние около 4 км и имеющий сходный с импактной территорией почвенный и растительный покров. Талломы L. pulmonaria отбирали со стволов осины, слоевища H. physodes – со стволов и ветвей ели. Отбор проб лишайников (не менее чем по 3–5 талломов на 15–30 деревьях) проводили со всего ствола (ветвей) в промежутке высот 1–2.5 м от земли. Сбор слоевищ P. aphthosa осуществляли с растительных остатков или мха на поверхности почвы. Для составления средней пробы отбирали 5–8 крупных лопастей с 20–25 талломов, расположенных на расстоянии более 5 м друг от друга. После отделения от субстрата талломы высушивали до воздушно-сухого состояния и составляли среднюю пробу, используя не менее 30 индивидуальных образцов слоевищ.

Химический анализ лишайников. Анализ содержания металлов в талломах выполняли методом атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (ФР.1.31.2006.02149) на спектрометре «Spectro Ciros CCD» (SPECTRO Analytical Instruments, Германия). Минерализацию образцов талломов осуществляли под воздействием микроволнового поля в присутствии НNO₃ (конц.) и Н₂О₂. Анализы выполнены в Экоаналитической лаборатории Института биологии Коми НЦ УрО РАН (аттестат аккредитации РОСС RU.0001.511257 от 25.09.2015). Распределение металлов в талломах лишайников между различными фракциями оценивали с помощью процедуры последовательной экстракции [15], модернизированной нами с учетом специфики поступления и физико-химических свойств приоритетного поллютанта [16].

Для проведения процедуры последовательной экстракции использовали средние пробы талломов. Общее содержание металлов в талломах оценивали в навеске из средней пробы слоевищ до удаления пылевых отложений c их поверхности. Для удаления слабо закрепленных на поверхности пылевых частиц оставшиеся талломы трижды промывали деионизированной водой и отбирали навеску для элементного анализа. Оставшуюся часть среднего образца трижды экстрагировали 20 мM раствором ЭДТА-Na₂ для извлечения неспецифически связанных с клеточными стенками ионов металлов (экстрацеллюлярная фракция) и отбирали навеску для анализа. После извлечения из слоевищ экстрацеллюлярной фракции оставшиеся талломы выдерживали 12 ч. при температуре 80°C для разрушения клеточных мембран, вновь экстрагировали раствором ЭДТА-Na₂ для выделения интрацеллюлярной фракции металлов и проводили элементный анализ слоевищ.

Пул остаточной фракции металлов оценивали по их содержанию в талломах после удаления пылевой, экстра- и интрацеллюлярной фракций, затем осуществляли расчет содержания металлов в отдельных фракциях:

Ρ(Me)_{пыл. =} ρ(Me)_{общ. –} ρ(Me)_водн., (1)

Ρ(Me)_{экст. =} ρ(Me)_{водн. –} ρ(Me)_ЭДТА, (2)

Ρ(Me)_{инт. =} ρ(Me)_{ЭДТА –} ρ(Me)_темп., (3)

Ρ(Me)_{ост. =} ρ(Me)_общ. – Ρ(Me)_пыл. – Ρ(Me)_экст. – Ρ(Me)_инт., (4)

где Ρ(Me)_пыл. – содержание металла в пылевой, Ρ(Me)_экст. – в экстрацеллюлярной, Ρ(Me)_инт. – в интрацеллюлярной, Ρ(Me)_ост – в остаточной фракциях; ρ(Me)_общ. – общее содержание металла в талломе; ρ(Me)_водн. – содержание металла в талломе после промывки водой; ρ(Me)_ЭДТА – содержание металла в талломе после экстракции раствором ЭДТА-Na₂; ρ(Me)_темп. – содержание металла в талломе после экспозиции при 80 °C и последующей экстракции раствором ЭДТА-Na₂. Если результаты анализов не позволяли идентифицировать распределение того или иного металла между интра- и экстрацеллюлярной фракциями (табл. 1), рассчитывали суммарное содержание элемента в составе двух этих фракций (здесь они трактуются как общее содержание металлов, локализованных внутриклеточно и связанных на клеточных стенках симбионтов).

Электронная микроскопия и энергодисперсионный анализ. Для анализа локализации металлов в лишайниках методом сканирующей электронной микроскопии слоевища отмывали деионизированной водой, замораживали в жидком азоте и подвергали лиофилизации. Поперечные срезы талломов иммобилизировали полиэфирной смолой. Полученные препараты подвергали вакуумной полимеризации. Полированную поверхность препаратов покрывали токопроводящим углеродным покрытием толщиной около 25 нм. Электронная микроскопия образцов была проведена на сканирующем электронном микроскопе «TESCAN Vega 3 LMH» (Tescan, s. r. o., Чехия). Анализ химического состава минеральных частиц и построение карт распределения химических элементов в препаратах лишайников осуществляли с использованием энергодисперсионного спектрометра «X-MAX» (Oxford Instruments plc, Великобритания). Сканирующую электронную микроскопию и рентгеновский микроанализ образцов лишайников проводили в ЦКП «Геонаука» Института геологии Коми НЦ УрО РАН.

Статистическая обработка данных. Для оценки изменений распределения относительной доли металлов между различными фракциями в талломах лишайников на фоновых и загрязненных территориях использовали анализ главных компонент с помощью программного обеспечения Statistica 10 (“StatSoft Inc.”, США).

РЕЗУЛЬТАТЫ

Содержание металлов в талломах лишайников. Согласно полученным данным (см. табл. 1), талломы L. pulmonaria и P. aphthosa на условно-фоновой территории практически не отличались по содержанию большинства рассматриваемых элементов. Общее содержание металлов в талломах P. aphthosa находилось вблизи оцененных нами ранее значений для слоевищ этого вида, отобранных на удалении от производственных объектов рудника [16]. Концентрации Fe, Al, Mn, Ti, Zn и Pb в талломах H. physodes на фоновой территории в 2 раза и более превосходили данные показатели, характерные для L. pulmonaria и P. aphthosa. Обнаруженные нами для H. physodes значения оказались несколько выше фоновых показателей, приводимых для этого вида в ходе проведения многолетних мониторинговых исследований на территории воздействия СТБР [12].

 

Таблица 1. Содержание металлов в талломах лишайников, отобранных на фоновом участке (Фон) и импактной территории (Загрязнение) Средне-Тиманского бокситового рудника, мг/кг

Фракция	Вариант	Al	Fe	Mn	Ti	Cu	Zn	Pb	Co	Ni
Hypogymnia physodes
Интрацеллюлярная	Фон	70 (9)	160 (18)	13 (2)	11 (21)	1.6 (26)	39 (33)	<0.1	0.17 (27)	0.4 (18)
	Загрязнение	500 (3)	400 (3)	8 (2)	9 (3)	1.4 (9)	34 (43)	0.9 (8)	0.13 (3)	0.5 (4)
Экстрацеллюлярная	Фон	110 (14)	170 (19)	611 (89)	12 (23)	2.0 (33)	62 (52)	3.0 (50)	0.28 (44)	0.9 (45)
	Загрязнение	1000 (6)	1300 (8)	386 (71)	5 (1)	4.2 (26)	32 (40)	1.8 (15)	0.86 (22)	2.5 (21)
Остаточная	Фон	390 (51)	420 (47)	46 (7)	13 (25)	2.5 (41)	19 (16)	2.4 (40)	0.18 (29)	0.7 (37)
	Загрязнение	4100 (26)	3600 (23)	66 (12)	59 (17)	2.8 (18)	10 (12)	4.4 (37)	0.61 (15)	2.3 (19)
Пылевая	Фон	190 (25)	140 (16)	20 (3)	17 (32)	< 0.1	< 0.1	0.6 (10)	< 0.01	< 0.1
	Загрязнение	10400 (65)	10700 (67)	80 (15)	267 (79)	7.6 (48)	4.0 (5)	4.9 (41)	2.40 (60)	6.7 (56)
Общее содержание	Фон	760	890	690	53	6.1	120	6.0	0.63	2.0
	Загрязнение	16000	16000	540	340	16	80	12.0	4.00	12.0
Lobaria pulmonaria
Интрацеллюлярная	Фон	30 (7)	40 (10)	9 (2)	6 (32)	1.0 (21)	29 (47)	0.1 (5)	0.06 (14)	0.1 (9)
	Загрязнение	800*	500*	7 (2)	35 (5)	2.8 (9)	45 (69)	0.2 (2)	0.20 (4)	0.1 (1)
Экстрацеллюлярная	Фон	70 (16)	80 (21)	198 (52)	4 (22)	1.2 (26)	9 (15)	0.4 (33)	0.08 (19)	0.3 (21)
	Загрязнение	800*	500*	96 (30)	40 (6)	3.6 (12)	6 (9)	0.9 (10)	1.00 (18)	2.0 (13)
Остаточная	Фон	190 (43)	170 (44)	4 (1)	6 (35)	2.5 (53)	13 (21)	0.5 (38)	0.05 (12)	0.6 (53)
	Загрязнение	2900 (15)	3300 (17)	27 (8)	55 (8)	7.0 (23)	10 (15)	1.7 (18)	0.80 (14)	3.3 (21)
Пылевая	Фон	150 (34)	100 (26)	170 (45)	2 (11)	< 0.1	11 (18)	0.3 (25)	0.24 (56)	0.2 (17)
	Загрязнение	15300 (81)	16200 (81)	190 (59)	590 (82)	17.6 (57)	4 (6)	6.4 (70)	3.60 (64)	10.6 (66)
Общее содержание	Фон	440	390	380	18	4.7	62	1.2	0.43	1.2
	Загрязнение	19000	20000	320	720	31	65	9.2	5.60	16.0
Peltigera aphthosa
Интрацеллюлярная	Фон	20 (5)	20 (4)	30 (13)	1 (3)	2.6 (50)	23.5 (43)	0.2 (11)	0.04 (12)	0.5 (30)
	Загрязнение	1400*	1500*	26 (5)	30 (6)	8.0 (36)	18.1 (24)	1.0 (11)	0.90 (23)	2.2 (16)
Экстрацеллюлярная	Фон	20 (5)	50 (11)	122 (53)	1 (3)	0.1 (2)	25.0 (45)	1.1 (61)	0.15 (44)	0.2 (13)
	Загрязнение	1400*	1500*	210 (43)	50 (10)	4.0 (18)	25.0 (33)	1.1 (12)	0.60 (15)	< 0.1
Остаточная	Фон	320 (78)	350 (74)	8 (3)	24 (77)	1.7 (33)	2.5 (5)	0.3 (17)	0.15 (44)	0.8 (51)
	Загрязнение	8500 (53)	8500 (53)	84 (17)	290 (56)	8.0 (36)	9.9 (13)	5.0 (54)	1.20 (30)	6.8 (49)
Пылевая	Фон	50 (12)	50 (11)	70 (30)	5 (16)	0.8 (15)	4.0 (7)	0.2 (11)	< 0.01	0.1 (6)
	Загрязнение	6100 (38)	6000 (38)	170 (35)	150 (29)	2.0 (9)	22.0 (29)	2.1 (23)	1.30 (33)	5.0 (36)
Общее содержание	Фон	410	470	230	31	5.2	55	1.8	0.34	1.6
	Загрязнение	16000	16000	490	520	22	75	9.2	4.00	14.0

Примечание. В скобках приведена доля (%) каждой из фракций от общего содержания металла; cимволом * обозначено суммарное содержание металла в составе интра- и экстрацеллюлярной фракций.

 

Абсолютные величины общего содержания Al и Fe в слоевищах на импактной территории в 18–51 раз, Ti – в 6–40 раз превосходили эти показатели для фоновой территории (см. табл. 1). Также отмечена аккумуляция талломами Ni, Co, Cu и Pb в количествах, от 2 до 13 раз превышающих фоновые значения. Содержание Zn и Mn в слоевищах лишайников в рассматриваемых местообитаниях отличалось существенно меньше (см. табл. 1).

Локализация металлов в талломах лишайников. Результаты оценки локализации металлов в лишайниках, обитающих в условиях хронического загрязнения, показали многократное увеличение абсолютных значений содержания Al и Fe во всех фракциях по сравнению с величинами для фоновой территории. Суммарное содержание Al в составе интра- и экстрацеллюлярной фракций увеличилось в 8–20 раз, Fe – в 4–20 раз. Содержание Ti в этих фракциях увеличивалось более чем в 7 раз для L. pulmonaria и P. aphthosa, в то время как у H. physodes снизилось наполовину. Для всех видов отмечен рост содержания в остаточной фракции Al – в 11–27 раз, Fe – в 9–24 и Ti – в 5–12. Накопление этих металлов на поверхности лишайников в пылевой фракции на загрязненных участках возрастало на 1–2 порядка.

Содержание Co и Ni в пылевой фракции превышало фоновые значения более чем в 15 раз, в экстрагируемых раствором ЭДТА-Na₂ фракциях (суммарно) – в 2–8 раз. Накопление Zn в интрацеллюлярной фракции талломов H. physodes и P. aphthosa на загрязненной территории было ниже, а в пылевой фракции выше, чем на фоновом участке. Для слоевищ L. pulmonaria отмечена обратная закономерность.

Содержание Cu в экстрацеллюлярной фракции талломов L. pulmonaria и H. physodes в условиях загрязнения увеличивалось в 2–3 раза, а у P. aphthosa более чем на порядок. Основной вклад в изменение общего содержания Cu в талломах эпифитных видов L. pulmonaria и H. physodes вносила пылевая фракция, в составе которой обнаруживали около половины общего накопления меди. У эпигейного вида P. aphthosa основная часть Cu была сосредоточена в интрацеллюлярной и остаточной фракциях.

Внутриклеточное содержание Mn в талломах на импактной территории незначительно отличалось от фоновых значений. В условиях пылевого загрязнения для P. aphthosa отмечено двукратное увеличение экстрацеллюлярно связанного Mn, при этом в талломах L. pulmonaria и H. physodes отмечали практически двукратное снижение. Содержание Mn в остаточной фракции возрастало у всех исследованных видов.

Распределение минеральных частиц в талломах лишайников. Согласно данным сканирующей электронной микроскопии, оставшиеся после удаления пылевой фракции мелкодисперсные частицы имели контрастное распределение в талломах разных видов лишайников. У L. pulmonaria нерастворимые в воде минеральные частицы были расположены на поверхности талломов. При этом большую их часть обнаруживали на нижнем коровом слое, и она была ассоциирована с ризинами (рис. 1а). В талломах P. aphthosa (рис. 2а) большая часть оставшихся после удаления поверхностного пылевого загрязнения микрочастиц была локализована в медуллярном слое, образованном рыхло расположенными гифами микобионта. Непосредственно под верхним параплектенхимным коровым слоем количество минеральных включений было минимально.

 

Рис. 1. Изображение поперечного среза таллома Lobaria pulmonaria, полученное в режиме детектирования обратно рассеянных электронов (а) и карты распределения элементов: б – Al, в – Fe, г – Si. Областям с яркой окраской соответствует максимальное содержание элемента; ВК – верхний коровый слой, НК – нижний коровый слой; элементный состав минеральных частиц (L1–L5) приведен в табл. 2.

 

Рис. 2. Изображение поперечного среза таллома Peltigera aphthosa, полученное в режиме детектирования обратно рассеянных электронов (а) и карты распределения элементов: б – Al, в – Fe, г – Si. Областям с яркой окраской соответствует максимальное содержание элемента; ВК – верхний коровый слой, МС – медуллярный слой; элементный состав минеральных частиц (P1–P5) приведен в табл. 2.

 

Анализ EDX-спектров, обнаруженных в талломах частиц (табл. 2), показал, что в их составе преобладают соединения Al, Fe, Si. Помимо этого, для некоторых частиц характерна сравнительно высокая массовая доля Ca, Mg и Ti.

 

Таблица 2. Массовая доля элементов в пылевых частицах,%

№ частицы	Na2O	MgO	Al2O3	SiO2	P2O5	K2O	CaO	TiO2	MnO2	Fe2O3
Lobaria pulmonaria
L1	-	-	1.7	3.2	-	-	-	-	-	66.4
L2	3.9	-	29.0	51.7	-	0.2	12.3	-	-	0.9
L3	1.2	2.5	16.2	56.5	-	9.2	0.7	0.8	-	5.6
L4	-	-	80.9	1.3	-	-	-	-	-	2.1
L5	-	-	2.3	1.0	-	-	0.2	25.8	1.5	58.7
Peltigera aphthosa
P1	5.5	-	27.8	57.5	-	0.3	10.0	-	-	0.7
P2	-	1.2	26.9	22.1	0.4	-	0.2	-	-	35.7
P3	3.2	-	30.7	50.3	-	-	14.4	-	-	0.7
P4	-	-	3.4	0.7	0.3	-	0.2	1.8	0.8	71.8
P5	-	15.8	2.4	52.0	-	-	18.2	0.9	-	10.6

Примечание. * – номера частиц соответствуют приведенным на рис. 1 и 2 обозначениям; прочерк означает, что содержание элемента было ниже предела обнаружения.

 

Карты распределения элементов, полученные на основании анализа спектров характеристического рентгеновского излучения, показали, что в талломах L. pulmonaria наиболее высокие концентрации Al, Fe и Si обнаружены на наружной части нижнего корового слоя и в области ризин (см. рис. 1б–г). В талломах P. aphthosa распределение концентраций Al, Fe и Si также имело выраженный дискретный характер (см. рис. 2 б–г). Области с высокой концентрацией металлов и кремния соответствовали положению обнаруженных на поперечных срезах талломов минеральных включений, имеющих форму рыхлых агрегатов, зерен или чешуек, локализованных в сердцевинном слое.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Накопление поллютантов лишайниками зависит от их физико-химических свойств и интенсивности эмиссии, удаленности местообитаний от источника выбросов, погодных условий, сезона отбора образцов, положения талломов в пространстве [1, 17]. Абсолютные величины общего содержания металлов в талломах L. pulmonaria и P. aphthosa на условно-фоновой территории (см. табл. 1) находились в верхней части диапазона региональных значений, а для слоевищ H. physodes несколько превышали показатели, приводимые в литературе для лишайников на территориях, не испытывающих значительного влияния источников техногенного загрязнения [18, 19]. Рост накопления металлов в талломах H. physodes может указывать на расширение площади импактной территории рудника и изменения поступления к лишайникам, отобранным на периферии условно-фонового участка, пылевых выбросов при разработке новых карьеров или прокладке межпромысловых и технологических дорог.

Химический состав талломов, отобранных вблизи рудника, в значительной степени отражал элементный профиль образующихся при добыче высокожелезистых бокситов пылевых выбросов. Существенная аккумуляция талломами Al, Fe и Ti вполне закономерна, так как химические соединения этих металлов составляют основную часть добываемой рудной массы и вмещающих пород [20]. Накопление Ni, Co и Pb также можно считать следствием седиментации на талломах взвешенных частиц (содержание этих металлов в бокситах и сопутствующих им породах измеряется десятками и сотнями г/т).

Полученные нами данные указывают на значительную способность листоватых лишайников аккумулировать поступающие мелкодисперсные частицы и содержащиеся в них металлы независимо от приуроченности к субстрату. В импактной зоне СТБР содержание металлов в эпифитных видах L. pulmonaria и H. physodes было сопоставимо с накоплением поллютантов эпигейным лишайником P. aphthosa. Ранее было показано [21, 22], что столь высокие значения накопления Fe и Al характерны для лишайников при сухом осаждении на их поверхности пылевых частиц. Сопоставимые с полученными нами значения содержания Fe (32–90 г/кг) обнаруживали на загрязненных предприятиями сталелитейной промышленности территориях в талломах Peltigera rufescens [21]. Содержание Fe и Al в Circinaria aspera, обитающего в аридных условиях и поглощающего металлы, поступающие на поверхность слоевищ при сухом осаждении частиц, может достигать нескольких процентов от сухой массы талломов [22].

Одним из показателей, используемых для оценки загрязнения среды под воздействием металлургических предприятий, считается отношение абсолютных значений содержания железа и титана в талломах лишайников [23]. В норме соотношение Fe/Ti для лишайников определяется региональными кларками этих элементов и составляет 6–9 отн. ед., отклонение Fe/Ti в большую сторону указывает на поступление железа от источников загрязнения. У обитающих в условиях хронического загрязнения выбросами СТБР листоватых лишайников отношение Fe/Ti составляло 27–47 отн. ед., тогда как для талломов с фоновой территории эта величина равнялась 15–21 отн. ед. Более селективным индикатором поступления в атмосферу выбросов от объектов бокситового рудника можно рассматривать соотношение содержания в слоевищах лишайников Al и Mn. Для талломов с фоновых участков величина Al/Mn составляла 1–2 отн. ед., в то время как для загрязненной территории это значение находилось в диапазоне от 30 до 60 отн. ед. Показатель Al/Mn может быть полезен для разграничения поступления алюминия в талломы лишайников в результате естественного биогеохимического цикла от притока Al с атмосферными выбросами при добыче бокситов.

Входящие в состав бокситов минералы представлены преимущественно гидратами оксида алюминия, оксидами железа, титана и кремния, гидроксидами и силикатами железа [20]. Данные соединения характеризуются низкой геохимической подвижностью и, попадая на слоевища лишайников, концентрируются в виде слаборастворимых мелкодисперсных частиц (см. рис. 1, 2). Относительно инертные химические соединения металлов, попадая на талломы, могут подвергаться химической модификации под воздействием внешних (низкие значения pH атмосферных осадков и подкроновых вод) или внутренних (лишайниковые и карбоновые кислоты) факторов [10]. Значительное увеличение содержания Al и Fe в составе интра- и экстрацеллюлярной фракций в талломах на импактной территории СТБР (см. табл. 1) указывает на возможность частичного перехода локализованных в пылевой и остаточной фракциях алюминия и железа в водорастворимые формы и последующее связывание с ионообменными группами и специфическими белками клеточных стенок и внутриклеточному поглощению.

Учитывая, что интрацеллюлярное поглощение металлов тесно связано с метаболизмом талломов [3, 8], изменение ионного гомеостаза может быть причиной токсического действия пылевых частиц. Как было показано ранее, талломы H. physodes, отобранные вблизи производственных объектов СТБР, характеризовались наличием некрозов центральных участков и лопастей, изменениями анатомии верхнего корового слоя [12], высоким уровнем окислительного стресса [16].

Обнаруженные нами изменения общего содержания Cu, Zn, Pb, Co, Ni и накопление этих металлов в экстра- и интрацеллюлярной фракциях в талломах зависели как от рассматриваемого элемента, так и от видовой принадлежности лишайников. Вполне вероятно, что причины различного фракционирования этих металлов связаны с взаимодействием ряда факторов (химический состав и pH субстрата и влаги, поступающей с осадками и подкроновыми водами к талломам, различия в динамике гидратации и дегидратации слоевищ, химическая структура синтезируемых лишайниковых кислот, сродство центров связывания на поверхности клеточных стенок микобионтов к различным катионам металлов), влияющих на кинетику и термодинамику ионного обмена, рассмотрение которых требует дополнительных исследований. Следует отметить, что содержание Cu, Pb, Co, Ni в экстрацеллюлярной фракции в условиях пылевого загрязнения оставалось на относительно низком уровне (см. табл. 1).

Расчет главных компонент (рис. 3) показал, что у лишайников с фоновой территории большинство исследуемых металлов по их относительной доле от общего содержания было сгруппировано в ЭДТА-Na₂-экстрагируемой (суммарное содержание различных форм элемента в интра- и экстрацеллюлярной фракциях) и остаточной фракциях. В талломах L. pulmonaria и H. physodes с импактной территории основная часть рассматриваемых металлов группировалась в пылевой фракции, и только Mn и Zn характеризовались преимущественно интра- и экстрацеллюлярным поглощением. У талломов P. aphthosa на загрязненной территории исследуемые элементы (за исключением Fe и Al) были сгруппированы в ЭДТА-Na₂-экстрагируемой и остаточной фракциях. Можно полагать, что распределение металлов в талломах между различными фракциями в условиях загрязнения имеет видоспецифичный характер.

 

Рис. 3. Анализ главных компонент распределения относительной доли металлов в разных фракциях из талломов лишайников Hypogymnia physodes (а), Lobaria pulmonaria (б) и Peltigera aphthosa (в): cверху представлены результаты для талломов из условно-фоновой территории, снизу – для отобранных в импактной зоне. Сплошной линией объединены металлы, вносящие основную нагрузку в Фактор 1 (горизонтальная ось) и/или Фактор 2 (вертикальная ось); 1, 2 и 3 – пылевая, ЭДТА-Na₂-экстрагируемая и остаточная фракции металлов соответственно.

 

Предположение об отличительных особенностях распределения металлов у разных видов лишайников подтверждают данные электронной микроскопии. В талломах L. pulmonaria наиболее высокие концентрации Al, Fe и Si обнаружены на нижнем коровом слое и в области ризин. При этом не наблюдалось равномерного распределения элементов в клетках нижней поверхности слоевищ и отходящих от нее пучков гиф, как того следовало бы ожидать в случае связывания элементов во внутриклеточной и экстрацеллюлярной фракциях. В талломах P. aphthosa распределение Al, Fe и Si также имело выраженный дискретный характер. Области с высокой концентрацией металлов и кремния соответствовали положению минеральных включений, локализованных в сердцевинном слое. В работе [9] наглядно продемонстрировано, что обработка талломов H. physodes раствором Pb (NO₃)₂ приводит к значительному росту концентрации свинца в верхнем и нижнем коровых слоях. Сходная картина латерального распределения концентрации Co, преимущественно локализованного в нижнем коровом слое, отмечена при обработке талломов Permotrema tinctorum раствором CoCl₂ [24], что указывает на вовлечение механизмов сорбции на поверхности клеток или внутриклеточного поглощения ионов этого металла из растворов солей. При этом спецификой аккумуляции при внесении водорастворимых соединений Pb и Co являлось отсутствие резких изменений концентрации металлов в коровых слоях. В случае же сухого осаждения минеральных частиц на поверхности талломов отмечается резкий градиент содержания металлов в наружных и более глубоких слоях верхней коры слоевищ Circinaria aspera [22], т. е. сходная с обнаруженной нами по результатам электронно-микроскопических исследований закономерность распределения концентраций Al, Fe и Si.

Важно отметить, что в слоевищах P. aphthosa, лишенных нижнего корового слоя, минеральные включения локализованы медуллярно и отмечаются практически по всей толще таллома (см. рис. 2), а содержание Al и Fe в остаточной фракции достигало 8500 мг/кг (см. табл. 1). В слоевищах L. pulmonaria и H. physodes с развитыми нижним и верхним коровыми слоями, препятствующими проникновению частиц в медуллярную часть талломов, содержание Al и Fe в составе остаточной фракции было в 2–3 раза меньше. Противоположная тенденция отмечалась при сравнении содержания этих металлов в пылевой фракции. При сопоставимых значениях общего накопления Al и Fe слоевища H. physodes и L. pulmonaria в 1.7–2.5 раза превосходили талломы P. aphthosa по содержанию металлов в составе мелкодисперсных частиц на поверхности талломов. Следовательно, распределение минеральных частиц у рассматриваемых видов лишайников в существенной степени зависело от морфологических особенностей слоевищ и определялось наличием нижнего корового слоя. Полученные данные хорошо согласуются с представлениями о влиянии характеристик поверхности талломов лишайников на эффективность захвата и удержания минеральных частиц [1, 25, 26].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенное исследование позволило выявить особенности накопления металлов в слоевищах листоватых лишайников, обитающих в условиях хронического загрязнения выбросами бокситового рудника. Максимальные уровни аккумуляции выявлены для Al и Fe, отмечен рост относительно фоновых значений общего содержания Ti, Cu, Pb, Co и Ni. Показана возможность применения показателя Al/Mn (соотношение абсолютных значений массовых долей Al и Mn) для оценки поступления к лишайникам алюминия в результате эмиссии в окружающую среду пылевых выбросов при добыче бокситов. Накапливаемые лишайниками металлы существенно отличались по их распределению между интра- и экстрацеллюлярной, остаточной и пылевой фракциями. В условиях полиметаллического загрязнения от объектов СТБР изученные виды аккумулировали избыток металлов преимущественно в составе слабо закрепленных на поверхности талломов пылевых частиц, а также связанных с ризинами или инкорпорированных в медуллярный слой минеральных включений. Локализация минеральных частиц в существенной степени зависела от строения слоевищ. Присутствие у талломов параплектенхимных верхнего и нижнего коровых слоев препятствовало проникновению мелкодисперсных металлсодержащих частиц в медуллярный слой, в то время как для слоевищ без нижнего корового слоя минеральные включения обнаружены по всей толще слоевищ.

Следует отметить, что часть поступающих к лишайникам с пылевыми выбросами металлов проникала через плазматические мембраны симбионтов и накапливалась в интрацеллюлярной фракции, что может приводить к негативным последствиям для фото- и микобионта. Мы не исключаем физического влияния осажденных минеральных частиц на функциональное состояние лишайников. Значительное накопление пылевых частиц может существенно изменять интенсивность и спектральный состав поступающего к фотобионту светового потока, оказывать влияние на влагоудерживающую способность слоевищ, нуклеацию льда в межклеточных пространствах талломов. Оценка влияния атмосферных выбросов при добыче бокситов на функциональное состояние отдельных компонентов лишайникового симбиоза требует проведения дальнейших исследований.

Исследование выполнено в рамках НИОКТР «Фотосинтез, дыхание и биоэнергетика растений и фототрофных организмов (физиолого-биохимические, молекулярно-генетические и экологические аспекты)» (№ 122040600021-4).

Авторы выражают благодарность сотрудникам Института геологии Коми НЦ УрО РАН А. Е. Шмырову, А. С. Шуйскому и Е. М. Тропникову за подготовку препаратов, выполнение электронной микроскопии и рентгеновского микроанализа образцов лишайников.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Настоящая статья не содержит описания каких-либо экспериментов с участием людей и животных в качестве объектов исследования.

Авторлар туралы

I. Zakhozhiy

Institute of Biology, Komi Scientific Center, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

Хат алмасуға жауапты Автор.
Email: zakhozhiy@ib.komisc.ru
Ресей, 167982, Syktyvkar

M. Shelyakin

Institute of Biology, Komi Scientific Center, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: zakhozhiy@ib.komisc.ru
Ресей, 167982, Syktyvkar

Әдебиет тізімі

Қосымша файлдар