Микроэлементы в водных экосистемах реки Амур
Автор: Чижикова Наталья Петровна, Сиротский С.Е., Харитонова Галина Васильевна, Уткина Е.В.
Журнал: Бюллетень Почвенного института им. В.В. Докучаева @byulleten-esoil
Статья в выпуске: 67, 2011 года.
Бесплатный доступ
Рассмотрен микроэлементный состав системы вода-донные отложения-водоросли-макрофиты-ихтиофауна р. Амур. Установлены минимальные и максимальные концентрации микроэлементов в отдельных ее компонентах. Показано, что в биологических объектах содержание микроэлементов закономерно уменьшается в следующем порядке: водоросли > макрофиты > ихтиофауна. Наиболее информативным биологическим объектом аккумуляции микроэлементом в экосистеме Амура являются водоросли. Аккумуляция Fe, Mn, Zn и Cu в донных отложениях связана с образованием поверхностных комплексов катионов металлов с глинистыми минералами и с их накоплением диатомовыми водорослями
Экосистема, донные отложения, загрязнение, вода, микроэлементы, диатомовые водоросли
Короткий адрес: https://sciup.org/14313544
IDR: 14313544
Текст научной статьи Микроэлементы в водных экосистемах реки Амур
Амур - основная водная артерия юга Дальнего Востока. Состав его воды определяет накопление и миграцию макро- и микроэлементов в почвах региона. В связи с бурным экономическим развитием Китая проблема загрязнения тяжелыми металлами бассейна Амура становится особо актуальной. Источниками загрязнения водных и наземных экосистем в бассейне р. Амур являются различные предприятия промышленности: горнорудной, топливно-энергетической, угольной, машиностроительной, химической, целлюлозно-картонной. Значительный вклад в загрязнение водных экосистем Амура вносят хозяйственно-бытовые и сточные воды
Бюллетень Почвенного института им. В.В. Докучаева. 2011. Вып. 67 больших и малых населенных пунктов, особенно находящихся в районе крупного притока Амура - р. Сунгари, бассейн которой составляет почти треть бассейна р. Амур и полностью находится на территории Китая.
Для оценки состояния и степени техногенного загрязнения экосистемы Амура тяжелыми металлами необходимо иметь представление о фоновых содержаниях того или иного элемента в ее отдельных компонентах. В эколого-геохимических исследованиях под фоновой концентрацией (фоновым содержанием) химического элемента понимается его содержание в каком-либо относительно однородном в ландшафтно-геохимическом отношении компоненте (воде, донных отложениях, почве, растениях) природного участка, не испытывающего прямого техногенного воздействия. Фоновые концентрации элементов определяются природными факторами региона: геологическим строением водосбора, наземной растительностью, почвенным покровом и климатическими условиями на водосборной площади (Forstner, Wittmann, 1983; Sparks, 2005; Sposito, 1984). Валовые концентрации химических элементов в сравниваемых средах, которые в 1.5 раза больше или меньше фоновых содержаний, типичных для данного бассейна реки, могут быть отнесены к аномальным. Уровень 1.5-кратной вариации концентраций определяемых элементов сглаживает природную вариацию распределения элементов и возможные ошибки опробования и химико-аналитических исследований (Forstner, Wittmann, 1983; Moor, Ramam, 1984).
Целью работы была оценка содержания микроэлементов в системе вода-донные отложения-водоросли-макрофиты-ихтиофауна.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
Отбор проб донных отложений проводили в зонах аккумуляции на участке от устья р. Сунгари до Амурского лимана. Пробы воды в Амуре отбирали ежегодно на участке от г. Благовещенск до устья реки с 1997 по 2007 гг. Объектами биогеохимического опробования послужили сестон, перифитон, макрофиты и ихтиофауна р. Амур. Сестон - взвешенные в воде планктонные микроорганизмы с примесью неорганических веществ - отбирали с помощью мелкоячеистой планктонной сетки (диаметр ячейки 0.01мм). Планктонные микроорганизмы в р. Амур представлены,
Бюллетень Почвенного института им. В.В. Докучаева. 2011. Вып. 67 главным образом, диатомовыми водорослями. Перифитон - водоросли обрастаний гравийно-галечного субстрата - отбирали методом смыва. Макрофиты Амура представлены болотоцветником стрелолистом и рдестами, ихтиофауна - частиковыми. Дополнительно были отобраны образцы осадков сточных вод (ОСВ) очистных сооружений г. Хабаровск. ОСВ - технический аналог сестона: в систему водоснабжения вода поступает непосредственно из р. Амур. Для сравнения были использованы данные микроэле-ментного состава 1 м керна донных отложений оз. Удыль (озеро соединено с Амуром протокой Ухта, накопление донных отложений (ДО) ~10 тыс. лет). Анализ керна проводился по слоям через каждые 5 см.
Анализ микроэлементного состава образцов проводили эмиссионно-спектральным методом (ЭСА) на приборах СТЭ-1 и ДФС-8, методами масс-спектрометрии (ICP) на приборе ICP-MS ELAN DRC II и рентген-флюоресцентного энергодисперсионного анализа (РФА) на приборе VRA-30. Анализ воды методом ЭСА проводили в сухом остатке. Сухой остаток воды получали выпариванием в кварцевых стаканах на водяной бане, воду предварительно фильтровали через бумажный фильтр "белая лента". В качестве нейтрального наполнителя использовали х.ч. А12О3 (Михалев и др., 1999). В методе ICP предварительная подготовка образцов воды к анализу включала фильтрацию и консервацию. Анализ состава образцов ДО, водорослей (сестон, перифитон), макрофитов и ихтиофауны проводили методами ЭСА и РФА. Образцы предварительно высушены при температуре 105°С и озолены в муфельной печи при 450°С. Для донных отложений проведена дробная пептизация образцов на воднопептизируемый (ВПИ) и агрегированный (АИ) илы по методу Н.И. Горбунова (Чижикова и др., 2004).
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Обобщенные данные микроэлементного состава воды р. Амур представлены в табл. 1. Содержание марганца и железа может превышать в зависимости от фазы гидрологического режима р. Амур и водности года исследований средние (кларковые) содержания этих элементов в речных водах более чем в полтора раза.
Таблица 1. Динамика микроэлементного состава воды р. Амур, мкг/дм3
|
Элемент |
Речные воды * |
1997 г. июнь-август |
1998 г. февраль-март |
2000 г. март |
2007 г. июль |
2007 г. август |
|
п = 45 |
и =23 |
и = 17 |
77 = 106 |
п = 107 |
||
|
ЭСА |
ICP |
|||||
|
Sc |
0.001-0.01 |
— |
— |
0.15 |
0.68 |
0.69 |
|
Ti |
3-5 |
25 |
3 |
43 |
2 |
1 |
|
V |
0.5-1 |
2.3 |
0.7 |
1.4 |
0.8 |
0.6 |
|
Cr |
1 |
3.3 |
1.0 |
1.5 |
1.6 |
2.7 |
|
Мп |
7-10 |
42 |
52 |
47 |
15 |
5 |
|
Fe |
410-670 |
1640 |
230 |
1040 |
130 |
220 |
|
Со |
0.2-0.3 |
1.4 |
0 |
0.4 |
0 |
0 |
|
Ni |
0.3-2.5 |
2.2 |
1.4 |
0.8 |
0.8 |
0.6 |
|
Си |
3-7 |
0.9 |
1.9 |
3.7 |
1.8 |
3.0 |
|
Zn |
15-20 |
4.5 |
1.5 |
0.2 |
7.0 |
5.6 |
|
Sr |
50-70 |
23 |
— |
15 |
56 |
29 |
|
Zr |
0.8-2.6 |
0.4 |
0.2 |
1.7 |
0.1 |
0.1 |
|
Mo |
0.5-1 |
0.1 |
0.2 |
0.1 |
0.6 |
0.2 |
|
Sn |
0.009-0.04 |
0.14 |
0.05 |
— |
1.22 |
0.14 |
|
Ba |
10-20 |
33 |
— |
10 |
14 |
6 |
|
Pb |
1-3 |
1.0 |
1.7 |
0.3 |
0.3 |
0.2 |
* Livingston, 1963.
Содержание Си, Zn, Sr и Zr существенно ниже этих показателей, остальные элементы находятся в пределах 1.5-кратных изменений средних (кларковых) содержаний микроэлементов в речных водах.
Некоторые весьма существенные различия в результах анализа воды, полученные методами ЭСА и ICP, связаны с тем, что ЭСА является полуколичественным, соответственно ICP предпочтительнее. Широкое использование ЭСА для решения отдельных геохимических задач связано с его экспрессностью и существенно меньшей по сравнению с ICP стоимостью. Поэтому для получения сравнимых данных при анализе микроэлементного состава в системе вода-донные отложения-водоросли (сестон, перифитон)-макрофиты-ихтиофауна был использован именно ЭСА.
Анализ микроэлементного состава донных отложений р. Амур, оз. Удыль, водорослей (сестон, перифитон), осадка сточных вод
Таблица 2. Микроэлементный состав ДО и биологических объектов р. Амур, мг/кг золы. Над чертой - средние значения, под чертой - min-max
|
Элемент |
Oli* |
до |
Удыль до |
OCB |
Сестон |
Перифитон |
Макрофиты |
Ихтиофауна |
|
n = 51 |
n = 25 |
n = 6 |
и = 24 |
и = 30 |
п = 14 |
и = 39 |
||
|
7 |
7 |
6 |
6 |
5 |
5 |
4 |
||
|
DC |
1U |
4-10 |
4-10 |
6 |
4-10 |
4-10 |
4-6 |
4 |
|
Ti |
4500 |
3600 |
2000 |
2000 |
2000 |
2000 |
600 |
10 |
|
1000- |
2000- |
2000- |
1000- |
1000- |
100- |
1 п ^п |
||
|
6000 |
3000 |
3000 |
3000 |
4000 |
2000 |
|||
|
V |
130 |
70 |
80 |
80 |
80 |
80 |
30 |
4 |
|
V |
40-100 |
60-100 |
60-100 |
30-100 |
40-100 |
3-80 |
3-30 |
|
|
Or |
100 |
50 |
30 |
37 |
30 |
37 |
7 |
6 |
|
LT |
40-100 |
20-40 |
30-40 |
10-100 |
20-60 |
6-10 |
6-10 |
|
|
670 |
660 |
540 |
2300 |
2100 |
1500 |
1600 |
90 |
|
|
Mn |
300- |
100- |
600- |
400- |
400- |
300- |
10-300 |
|
|
1000 |
800 |
10000 |
6000 |
6000 |
6000 |
|||
|
pg* * |
4.65 |
2-4 |
2-5 |
2-5 |
4-7 |
3-6 |
1-2 |
0.1 |
|
1-6 |
2-6 |
1-6 |
1-10 |
1-10 |
1-3 |
0.001-1 |
||
|
8 |
8 |
8 |
9 |
8 |
4 |
4 |
||
|
Co |
20 |
|||||||
|
1-20 |
4-10 |
4-20 |
4-30 |
4-30 |
4-6 |
4 |
||
|
Ni |
28 |
20 |
35 |
19 |
25 |
6 |
4 |
|
|
10-40 |
10-30 |
20-60 |
6-30 |
6-60 |
4-10 |
4 |
||
|
20 |
20 |
200 |
50 |
40 |
30 |
20 |
||
|
Lil |
J / |
10-40 |
20 |
100-300 |
20-100 |
20-80 |
20-100 |
20-30 |
|
Zn |
80 |
60 |
410 |
220 |
170 |
14 |
120 |
|
|
oU |
0-300 |
30-100 |
300-600 |
30-800 |
10-800 |
6-60 |
6-300 |
|
|
450 |
160 |
100 |
100 |
100 |
100 |
300 |
100 |
|
|
DI |
100-300 |
100 |
100 |
100-200 |
100 |
100-400 |
100-200 |
|
|
Zr |
200 |
370 |
200 |
200 |
140 |
100 |
30 |
4 |
|
200-600 |
100-300 |
200 |
60-200 |
60-200 |
4-80 |
3-4 |
||
|
О |
0.8 |
1.6 |
0.8 |
1.0 |
2,1 |
1.0 |
0.6 |
|
|
Mo |
Z |
0.4-2 |
0.6-3 |
0.6-1 |
0.6-3 |
0.6-3 |
0.6-2 |
0.6-1 |
|
3 |
3 |
2,3 |
3 |
2,1 |
0.8 |
0.6 |
||
|
on |
1U |
1-10 |
1-4 |
1-4 |
1-8 |
0.6-8 |
0.6-2 |
0.6 |
|
800 |
520 |
300 |
100 |
240 |
180 |
170 |
60 |
|
|
r>a |
300-800 |
10CM00 |
100 |
60-600 |
60-600 |
60-300 |
60 |
|
|
on |
20 |
13 |
25 |
33 |
20 |
14 |
7 |
|
|
rD |
zu |
10-40 |
6-20 |
20-40 |
10-100 |
6-80 |
6-80 |
6-10 |
* Осадочные породы, Виноградов, 1962.
** Содержание Бе, %.
(ОСВ), макрофитов и ихтиофауны (табл. 2) проведен в сравнении со средними (кларковыми) содержаниями элементов в осадочных породах (глины и сланцы) по А.П. Виноградову (1962).
Донные отложения поверхностных водотоков традиционно используются в качестве индикатора для выявления состава, интенсивности и масштаба техногенного загрязнения.
Согласно данным табл. 2, речные и озерные донные отложения характеризуется близким микроэлементным составом. Содержание микроэлементов в ДО не превышают средних содержаний элементов в осадочных породах. Содержание Cr, Со Zn, Sr и Ва более чем в полтора раза ниже данного показателя в осадочных породах. В ОСВ отмечается наибольшее - более чем 1.5-кратное превышение содержания Мп, Си и Zn. Близкими концентрациями указанных элементов характеризуется и сестон. Дополнительно в составе сестона происходит почти 1.5-кратное накопление свинца по сравнению с осадочными породами.
В биологических объектах содержание микроэлементов закономерно уменьшается в ряду: водоросли (сестон, перифитон) > макрофиты > ихтиофауна. В макрофитах наблюдается некоторое накопление по сравнению с сестоном Sr. Таким образом, наиболее информативным биологическим объектом аккумуляции тяжелых металлов в экосистеме Амура является сестон.
Накопление в ОСВ и сестоне Fe, Мп, Zn и Си позволяет предполагать возможность накопления этих элементов в тонкодисперсных фракциях донных отложений. Анализ микроэлементного состава В ПИ и АИ донных отложений подтвердил более чем 1.5-кратное по сравнению с осадочными породами накопление Мп, Zn и РЬ (табл. 3). Дополнительно в составе тонко дисперсных фракций ДО отмечается более чем 1.5-кратное накопление Те. Повышение содержания Си в ВПП и АИ отмечается как тенденция. Аккумуляция тяжелых металлов тонкодисперсными компонентами ДО может быть связана с образованием поверхностных комплексов катионов тяжелых металлов с глинистыми минералами смектит-гидрослюдистого состава (Чижикова и др., 2004; Kharitonova et al., 2006). Следовательно, для характеристики накопления в ДО тяжелых металлов необходимым этапом подготовки образцов к анализу является их фракционирование с выделением тонкодисперсных фракций - ВПП и АИ.
Таблица 3. Микроэлементный состав тонкодисперсных фракций донных отложений р. Амур, мг/кг (п = 8). Над чертой - данные ЭСА, под чертой - данные РФА
|
Элемент |
on* |
ДО |
ВПИ |
АИ |
oo |
|
Ti |
4500 |
3900/5000 |
4000/5500 |
5200/6700 |
3600/4400 |
|
V |
130 |
65/- |
82/- |
92/- |
65/- |
|
Сг |
100 |
54/- |
90/- |
125/- |
36/- |
|
Мп |
670 |
540/900 |
990/1800 |
1100/1700 |
490/560 |
|
pg* * |
4.6 |
1-3/2.4 |
3-6/8.2 |
4-8/10.4 |
1-3/2.0 |
|
Со |
20 |
14/- |
16/- |
20/- |
10/- |
|
Ni |
95 |
30/24 |
25/52 |
29/59 |
10/24 |
|
Си |
57 |
20/27 |
28/41 |
24/40 |
18/20 |
|
Zn |
80 |
80/90 |
140/146 |
150/180 |
60/59 |
|
Sr |
450 |
220/274 |
160/164 |
100/100 |
2280/309 |
|
Zr |
200 |
450/367 |
200/141 |
200/176 |
440/371 |
|
Mo |
2 |
1.6/- |
1.6/- |
1.8/- |
1.1/- |
|
Sn |
10 |
1.8/- |
2.1/- |
1.5/- |
1.5/- |
|
Ba |
800 |
380/- |
250/- |
260/- |
480/- |
|
Pb |
20 |
25/30 |
31/17 |
36/17 |
25/21 |
Примечание. ОП - осадочные породы, ОО - остаток от отмучивания илов, прочерк - элемент данным методом не определяется.
* Виноградов, 1962.
** Содержание Бе, %.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Для оценки региональных фоновых содержаний микроэлементов в водах р. Амур и почвах, сформированных на на озерноаллювиальных отложениях, рассмотрен микроэлементный состав системы вода-донные отложения-водоросли-макрофиты-ихтиофауна”. Установлены минимальные и максимальные концентрации микроэлементов в отдельных ее компонентах. Показано, что в биологических объектах содержание микроэлементов закономерно уменьшается в ряду водоросли > макрофиты > ихтиофауна. Наиболее информативным биологическим объектом аккумуляции микроэлементом в экосистеме Амура являются водоросли. Аккумуляция Ее, Мп, Zn и Си в донных отложениях связана с образованием поверхностных комплексов катионов металлов с глинистыми минералами и с их накоплением диатомовыми водорослями. Для характеристики накопления в донных отложениях тяжелых металлов необходимым этапом подготовки образцов к анализу является их фракционирование с выделением тонкодисперсных фракций.
Список литературы Микроэлементы в водных экосистемах реки Амур
- Виноградов А.П. Средние содержания химических элементов в главных типах изверженных горных пород земной коры//Геохимия. 1962. № 7. С. 555-571.
- Михалев Ю.А., Сиротский С.Е., Харитонова Г.В. Рентгенфлуоресцентное определение тяжелых металлов в природной воде//Лаб. новости ДВ. 1999. № 1. С. 18.
- Чижикова Н.П., Харитонова Г.В., Матюшкина Л.А., Сиротский С.Е. Минералогический состав тонкодисперсной части почв среднего и нижнего Приамурья, донных отложений и взвесей реки Амур//Почвоведение. 2004. № 8. С. 1000-1012.
- Förstner U. and Wittmann G.T.W. Metal Pollution in the Aquatic Environment. Springer, 1983. 486 p.
- Kharitonova G.V., Manucharov A.S., Kirichenko A.V., Pavlyukov I.A. Electron Microscopy of Clay Minerals Treated with Salt Solutions//Eurasian Soil Science. 2006. V. 39. Suppl. 1. P. S69-S77.
- Livingston D.A. Chemical composition of rivers and lakes: Date of geochemistry//U.S. Geol. Survey Profess. 1963. Papper 440G. Р. G1-G64.
- Moor J., Ramamoorthy S. Heavy Metals in Natural Waters: Applied Monitoring and Impact Assessment. N. Y.: Springer, 1984. 288 p.
- Sparks D.L. Toxic metals in the environment: the role of surfaces//Elements. 2005. V. 1. P. 193-197.
- Sposito G. The surface chemistry of soils. N.Y.: Oxford Univ. Press, 1984. 234 p
