|
 |
|
29 ноября - 29 декабря 2015 г. Накопление тяжелых металлов как показатель загрязнения вод
Выбоч С.С., Крупина М.В., Хромов В.М. Stepan S. Vyboch, Marina V. Krupina, Victor M. Khromov
Московский государственный университет им.М.В.Ломоносова,
УДК 58.04
Определено содержание 9 элементов, относящихся к загрязнителям из группы тяжелых металлов, в воде, высшей водной растительности и эпифитовзвеси. Установлены соотношения содержания, диапазоны концентраций, коэффициенты накопления. Показана видоспецифичность накопления тяжелых металлов для 8 массовых видов пресноводных макрофитов. Обсуждаются возможности использования макрофитов и эпифитовзвеси для оценки уровня загрязнения вод тяжелыми металлами. Ключевые слова: загрязнение пресных вод; тяжёлые металлы; высшие пресноводные растения; пресноводные макрофиты; эпифитовзвесь; оценка качества воды.
Введение С возрастающей интенсификацией производства также возрастает и загрязнение природных экосистем различными токсичными компонентами. Возникает необходимость проведения постоянного и подробного экологического мониторинга состояния окружающей среды и проведения мероприятий по её защите от деградации. Отдельного исследования заслуживает проблема загрязнения водных экосистем, в которых вещества могут находиться и в толще воды, и в донных отложениях, и внутри гидробионтов. Некоторые загрязнители, такие как тяжелые металлы (ТМ), способны не терять токсичность в результате трансформации в химических и биохимических реакциях, что делает их особо опасными. В настоящее время очень актуален вопрос поиска и создания новых методов оценки содержания тяжелых металлов в водных экосистемах, которые должны быть оперативными и давать достоверную информацию.
Цели и задачи Целью данной работы была оценка загрязнения тяжёлыми металлами водоёмов и водотоков Московской и Ярославской областей путём измерения их содержания в высшей водной растительности и сравнения зависимости уровня накопления ТМ в макрофитах от их концентрации в воде и в донных отложениях. В работе были поставлены следующие задачи:
Обзор литературы Одними из важнейших загрязнителей, требующих исследования, являются металлы, особенно так называемые тяжелые металлы (Никаноров, Жулидов, 1991). В настоящее время к ТМ относят более 40 элементов периодической системы Д.И.Менделеева с атомной массой более 50: V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Cd, Sn, Hg, Pb, Bi и другие. Из всех пресноводных гидробионтов наибольший интерес для анализа содержания ТМ представляют высшие водные растения (ВВР). Во время глобального загрязнения биосферы ТМ, ВВР могут предоставить целесообразную перспективу их улавливания и удаления из водной толщи (Rugh и др., 1996; Lytle и др., 1998; Srivastava and Purnima, 1998; Lasat, 2002). Накапливая и выводя элементы, водные растения играют значительную роль в их миграции. Концентрация ТМ в водных растениях всегда зависит от их содержания в экосистеме в целом (Кокин, 1982). При увеличении антропогенного воздействия на водоём или водоток существенно повышается накопление тяжёлых металлов в макрофитах (Чукина, 2010). Для определения уровня загрязнения ТМ водоема, кроме тканей ВВР, возможно использовать эпифитовзвесь – осаждённую на макрофитах водную взвесь (Янин, 1995). Эпифитовзвесь также аккумулирует ТМ и способствует их доставке внутрь водного растения, на котором она осаждена. Показано, что эпифитовзвесь способна увеличивать в макрофите концентрацию Co, Cu, Cd, Pb. Однако для Zn, Ni и Cr не выявлено увеличения концентрации в растении при наличии на нём эпифитовзвеси (Уваров, 2015).
Материалы и методы исследования Для исследования были взяты 9 элементов, оценка которых принята в системе мониторинга водных объектов – Cu, Zn, Pb, Cd, Ni, Cr, Co, Fe, Mn. Определение ТМ проводили в макрофитах и отмытой с них эпифитовзвеси. Пробы макрофитов и эпифитовзвеси для определения ТМ готовили методом сухого озоления и анализировались на ААС Hitachi 180-80 (Батоян и др., 1990). Для определения содержания ТМ в водотоках отбирались пробы воды. Вода фильтровалась через планктонный газ и фиксировалась кислотой. Для определения ТМ пробы воды упаривали, концентрируя в 50 раз. Измерения элементов в пробах воды проводилось одновременно с определение элементов в пробах макрофитов и эпитовзвеси. Исследовались следующие виды погружённоводных макрофитов:
Результаты и их обсуждение На основании обработанных результатов были выявлены определённые закономерности в накоплении тяжелых металлов погружённоводными макрофитами Данные по среднему содержанию ТМ в 37 видах макрофитов и эпитовзвеси представлены в табл. 1.
Таблица 1. Среднее содержание ТМ в пробах макрофитов и эпифитовзвеси (мкг/г сухой массы)
Сравнительный анализ уровня накопления ТМ во всех собранных макрофитах показал разницу в их накоплении (табл. 1). Накопительный ряд имеет следующий вид: Mn > Fe > Zn > Cu > Pb > Co > Ni > Cr > Cd. В целом, он соответствует характеру общего накопления ТМ в растительности континентов (Добровольский, 1983): Mn > Zn > Cu > Pb > Ni > Cr. Данные по среднему содержанию ТМ во всех видах макрофитов представлены в табл. 2.
Таблица 2. Среднее содержание ТМ в разных видах макрофитов (мкг/г с.в.)
Накопительный ряд для макрофитов: Mn>Fe>Zn>Co>Cu>Ni>Pb>Cr>Cd. Накопительный ряд для эпифитовзвеси: Fe>Mn>Zn>Pb>Cu>Ni>Co>Cr>Cd. Наблюдается высокая степень соответствия, однако различное положение в рядах занимают Pb и Co. В табл. 3 представлены диапазоны концентраций ТМ в макрофитах, эпитовзвеси и воде.
Таблица 3. Диапазоны концентраций накопления разных ТМ (мкг/г).
На рис. 1а, 1б, 1в представлены диапазоны содержания тяжелых металлов в макрофитах, эпифотовзвеси и воде с места отбора проб.
Рис. 1а. Диапазон концентраций ТМ в растениях, мкг/г с.в.
Рис. 1б. Диапазон концентраций ТМ в эпифитовзвеси, мкг/г с.в.
Рис. 1в. Диапазон концентраций ТМ в воде, мкг/мл
На приведенных рисунках у эпифитовзвеси (рис. 1б) доверительный интервал концентрации накопленных тяжелых металлов практически прямо пропорционален математическому ожиданию концентрации данного металла. В макрофитах (рис. 1а) и воде (рис 1в) такой строгой зависимости не наблюдается. В табл. 4 представлены уровни накопления ТМ различными видами пресноводных макрофитов.
Таблица 4. Содержание ТМ в различных видах макрофитов (мкг/г с.в.)
В табл. 5 представлено содержание ТМ в эпитовзвеси с различных видов исследуемых пресноводных макрофитов.
Таблица 5. Содержание ТМ в эпитовзвеси с разных видов макрофитов (мкг/г с.в.) На рис. 2а и 2б показано содержание ТМ в макрофитах и эпифитовзвеси на них (мкг/г с.в.).
Рис. 2а. Среднее содержание ТМ в растениях, (мкг/г с.в.)
Рис. 2б. Среднее содержание ТМ в эпифитовзвеси, (мкг/г с.в.)
В табл. 6 приведены данные содержания ТМ в воде исследуемых водоемов.
Таблица 6. Концентрация ТМ в воде р. Москвы и р. Ведомки, мкг/мл
В табл. 7 представлены результаты рассчитанных коэффициентов накопления ТМ макрофитами из воды (Кв) р. Москвы и р.Ведомки.
Таблица 7. Коэффициенты накопления ТМ макрофами из воды (Кв)
Сравнение коэффициентов накопления показывает, что наиболее интенсивно металлы могут накапливаться следующими растениями: Cu – рдест пронзённолистный Zn – элодея канадская Pb – рдест гребенчатый, элодея канадская Cd – рдест пронзённолистный, роголистник погружённый Ni, Cr, Co, Fe, Mn – роголистник погружённый По накопительной способности (табл. 7) можно выделить прежде всего роголистник погружённый, для которого отмечена максимальная концентрация 6 ТМ: Сd, Ni, Cr, Co, Fe, Mn; для элодеи канадской отмечены максимальные коэффициенты накопления Zn и Pb. Максимальный коэффициент накопления Cu наблюдается у рдеста гребенчатого. В табл. 8 представлены рассчитанные коэффициенты накопления ТМ эпифитовзвесью из воды (Кв) р. Москвы и р. Ведомка
Таблица 8. Коэффициенты накопления ТМ в эпифитовзвесью
Сравнение коэффициентов накопления показывает, что наиболее интенсивно металлы могут накапливаться эпифитовзвесью следующих растений: Cu – роголистник погружённый, элодея канадская Zn, Pb – элодея канадская Cd – роголистник погружённый Ni – уруть мутовчатая, роголистник погружённый Cr – роголистник погружённый, уруть мутовчатая Co – роголистник погружённый, рдест гребенчатый Fe – элодея канадская, роголистник погружённый Mn – уруть мутовчатая, роголистник погружённый Наибольшей накопительной способностью для ТМ обладает эпифитовзвесь на роголистнике погружённом, для неё отмечена максимальная концентрация 7 ТМ: Cu, Cd, Ni, Cr, Co, Fe, Mn. Второе и третье места по этому показателю занимают эпифитовзвесь элодеи канадской: Cu, Zn, Pb, Fe; и урути мутовчатой: Ni, Cr, Mn.
На рисунках 3а, 3б и 3в представлены диапазоны Кв некоторыми макрофитами.
Рис. 3а. Диапазоны Кв ТМ Рдестом блестящим в р. Москва (мкг/г с.в.)
Рис. 3б. Диапазоны Кв ТМ Роголистником погружённым в р. Москва (мкг/г с.в.)
Рис. 3в. Диапазоны Кв ТМ Рдестом пронзённолистным в р. Москва (мкг/г с.в.)
Сравнение диапазонов коэффициентов накопления (рис. 3а,б,в) показывает, что проанализированные растения по-разному ведут себя по отношению к содержанию ТМ в воде. В табл. 9 представлены коэффициенты корреляции между содержанием ТМ в макрофитах и в эпифитовзвеси на них.
Таблица 9. Коэффициенты корреляции содержанием ТМ в макрофитах и в эпифитовзвеси
Рис. 4. Сравнение коэффициентов корреляции
Представленные результаты показывают, что между содержаниями измеренных элементов в макрофитах и в эпифитовзвеси отмечена положительная корреляция. При этом, максимальная корреляция наблюдается для Fe, Ni, Zn (r = 0,7-0,8), а минимальная – для Cd (r = 0,15). В табл. 10 представлены соотношении между содержанием ТМ в эпифитовзвеси к содержанию ТМ в макрофитах в местах водоемов с разными экологическими условиями (уровни загрязнения, гидрология и др.)
Таблица 10. Отношение содержания ТМ в эпифитовзвеси к содержанию в макрофитах.
Рис. 5. Сравнение отношений концентрации ТМ в эпифитовзвеси к концентрации в макрофитах
Сравнение концентраций ТМ в макрофитах и эпифитовзвеси, формирующейся на них, показывает, что концентрация ТМ в эпифитозвеси может в 3-12 раз превышать концентрацию ТМ в макрофитах. Наблюдая более высокие концентрации этих элементов в эпифитовзвеси, на первый взгляд можно сделать вывод о том, что именно эпифитовзвесь может служить более представительным показателем степени загрязнения водных объектов ТМ. Однако, в разных условиях обитания на одних и тех же макрофитах эпифитовзвесь формируется неодинаково. Например, в условиях заводи реки эпифитовзвесь будет интенсивнее оседать на поверхности макрофов, чем в русловом участке реки. Поэтому концентрация ТМ в макрофите в данном случае будет более представительной для оценки содержания ТМ в воде.
Выводы
Список литературы 1. Добровольский В. В. География микроэлементов: Глобальное рассеяние. – М.: Мысль, 1983. – 272 с. 2. Батоян В.В., Гришечкина М.В., Зайцев Н.К., Кучеряева В.В., Моисеенков О.В., Соловьёв Г.А., Шахпендерян Е.А. Инструментальные физико-химические методы анализа в ландшафтно-геохимических исследованиях: Учеб. пособие / Под ред. Н.С. Касимова. – М.: Изд-во Моск. ун-та, 1990. – 90 с. 3. Кокин К. А. Экология высших водных растений. – М.: Изд-во Моск. ун-та, 1982. – 160 с. 4. Никаноров А.М., Жулидов А.В. Биомониторинг металлов в пресноводных экосистемах. – Ленинград: 1991. – 312 с. 5. Уваров А.Г. Влияние эпифитовзвеси на накопление тяжелых металлов в макрофитах // Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук. 2015. Выпуск № 8-1. 6. Чукина Н.В. Структурно-функциональные показатели высших водных растений в связи с их устойчивостью к загрязнению среды обитания: Автореф. дис. канд. биол. наук. – Борок, 2010. – 23 с. 7. Янин Е.П. Тяжелые металлы в эпифитовзвеси – и ндикаторы техногенного загрязнения рек // Разведка и охрана недр. 1995. № 6. С. 27-28. 8. Lasat M.M. Phytoextraction of toxic metals: a review of biological mechanisms // J Environ Qual. 2002. 31(1). P.109-120. 9. Lytle C.M., Lytle F.W., Yang N., Qian J.H., Hansen D., Zayed A., Terry N. Reduction of Cr (VI) to Cr (III) by wetland plants: potential for in-situ heavy metal detoxification // Environ. Sci. Technol. 1998. 32. P. 3087-3093. 10. Rugh C.L., Wilde H.D., Stack N.M., Thompson D.M., Summers A.O., Meagher R.B. Mercuric ion reduction and resistance in transgenic Arabidopsis thaliana plants expressing a modified bacterial merAgene // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1996. 93(8). P. 3182-3187. 11. Srivastava AK, Purnima X. Phytoremediation for heavy metals - a land plant based sustainable strategy for environmental decontamination // Proc. Natl. Acad. Sci., India, Sect. Bб Biol Sci. 1998. 68(3-5). P. 199-215. Статья поступила в редакцию 29.12.2015 Heavy metals accumulation as a water pollution index Stepan S. Vyboch, Marina V. Krupina, Victor M. Khromov Determine the content of 9 elements belonging to the group of pollutants of heavy metals in water, aquatic vegetation and apetitosos. Set the content ratio, the concentration ranges, coefficients of accumulation. Shown vidospetsifichnost accumulation of heavy metals for 8 popular types of freshwater macrophytes. Discussed the possibility of using macrophytes and apetitosos to assess the level of water pollution with heavy metals. Key words: pollution of freshwater; heavy metals; the highest freshwater plants; freshwater macrophytes; apetitosos; assessment of water quality.
Об авторах Выбоч Степан Сергеевич - Vyboch Stepan S. студент tofogan@gmail.com Крупина Марина Владимировна - Krupina Marina V. кандидат биологических наук markrupina@yandex.ru Хромов Виктор Михайлович - Khromov Victor M. доктор биологических наук mgu-gidro@yandex.ru Корреспондентский адрес: Россия, 119991, Москва, Ленинские горы, Московский Государственный Университет им.М.В.Ломоносова, д. 1, стр. 12, Биологический ф-т, каф. гидробиологии; тел.: (495) 939-11-48
ССЫЛКА НА СТАТЬЮ: Выбоч С.С., Крупина М.В., Хромов В.М. Накопление тяжелых металлов как показатель загрязнения вод // Вопросы современной альгологии. 2016. № 1 (11). URL: http://algology.ru/968 Уважаемые коллеги! Если Вы хотите получить версию статьи в формате PDF, пожалуйста, напишите в редакцию, и мы ее вам с удовольствием пришлем бесплатно. При перепечатке ссылка на сайт обязательна
На ГЛАВНУЮ
|
|
|
 | | ||
|
| ||
