Редкие и рассеянные элементы в биогенном детрите: новая сторона роли организмов в биогенной миграции элементов
Автор: Остроумов С.А., Колесов Г.М.
Журнал: Известия Самарского научного центра Российской академии наук @izvestiya-ssc
Рубрика: Водные экосистемы
Статья в выпуске: 1-1 т.12, 2010 года.
Бесплатный доступ
Впервые измерены концентрации детрите ряда металлов. Концентрация была измерена с помощью НАА и уменьшались в следующем порядке: Ca > Zn > Ba > Na > Br > Ce > Se > Nd > La > U > Hf > Sb > Th > Sm > S > Cs > Au.
Детрит, поверхностно-активные вещества, детергенты, моллюски, пав
Короткий адрес: https://sciup.org/148205475
IDR: 148205475
Текст научной статьи Редкие и рассеянные элементы в биогенном детрите: новая сторона роли организмов в биогенной миграции элементов
Использованные в опыте микрокосмы охарактеризованы в табл. 1. Инкубацию микрокосмов проводили в течение семи с половиной месяцев (в период конец августа - середина апреля 2007-2008 г.г.). Микрокосмы находились в это время в условиях постоянной аэрации путем подачи воздуха аквариумными компрессорами. К концу инкубации моллюски погибли и на дне микрокосмов образовался осадок биогенного детрита. Осадок был отобран фильтрованием, высушен, растерт и проведен НАА. Метод НАА в приложении к вопросам геохимии окружающей среды охарактеризован в [6]. Метод ранее мы использовали для определения концентрации элементов в моллюсках [7].
Образцы для анализа предварительно высушивали при 105°С, отбирали пробы массой по 1525 мг и вместе с образцами сравнения (KH, ST-1, SGD-1, FFA, RUS-1, Allende, BCR и др.) и эталонами упаковывали пакеты из алюминиевой фольги, помещали в алюминиевый пенал и облучали 15-20 ч в тепловом канале ядерного реактора МИФИ с нейтронным потоком 2,8ч1013 н/см2. После облучения образцы охлаждали, переупаковывали в чистые ампулы для уменьшения фона и измеряли активность 2-3 раза (через 5-7 и 15-30 дней после облучения) в течение 1000-5000 с на полупроводниковых (высокоразрешающих) германиевых детекторах (ORTEC) и 4096-канальном анализатором импульсов NUC-8192 (EMG, Hungary). Идентификацию спектров и расчет содержаний элементов проводили в автоматическом режиме с использованием компьютерных программ, разработанных в ГЕОХИ РАН. Для нескольких элементов расчет содержания был получен экстраполяцией, что соответствует сложившейся и многократно апробированной практике.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Полученные данные приведены в табл. 2. Содержание некоторых элементов в детрите (усредненные данные) убывает в последовательности: Ca > Zn > Ba > Na > Br > Ce > Se > Nd > La > U > Hf > Sb > Th > Sm > S > Cs > Au.
Заметим, что содержание некоторых элементов (например, Se, U, Th, Hf, Au) сильно варьировало, что затрудняло расчет их среднего значения.
Таблица 1. Состав микрокосмов
|
Организмы |
Микрокосм № 1(3) |
Микрокосм № 2 (4) |
|
Viviparus viviparus |
39 экз. |
15 экз. |
|
Unio pictorum |
12 экз. |
32 экз. |
|
Ceratophyllum demersum L. (сыр. вес) |
2,4 г |
2,4 г |
|
Вода (ОВВ) |
3 л |
3 л |
Полученные данные послужили основой для расчета приблизительного потенциала детрита в роли депо для содержания иммобилизованных в нем элементов на участках дна пресноводных экосистем таких размеров, на которых скопилось, например, 1000 г или 1000 кг детрита (в расчете на сухой вес). Расчеты носят ориентировочный характер. Речь идет об оценке только потенциала детрита в качестве депо ряда элементов и не означает автоматического переноса экспериментальных данных на природные экосистемы. Данные расчета представлены в табл. 3.
Таблица 2. Концентрация элементов по результатам НАА осадка детрита в экспериментальных микрокосмах (Na, Ca — в %, остальные элементы в 10-4%)
|
Элементы |
Микрокосм 1 (3) |
Микрокосм 2 (4) |
Среднее значение |
|
La |
3,69 |
8,96 |
6,325 |
|
Ce |
8,52 |
16,2 |
12,36 |
|
Pr* |
1,1 |
1,71 |
1,405 |
|
Nd |
4,9 |
8,18 |
6,54 |
|
Sm |
1,32 |
1,41 |
1,365 |
|
Eu |
0,2 |
0,48 |
0,34 |
|
Gd* |
1,72 |
1,74 |
1,73 |
|
Tb |
0,25 |
0,25 |
0,25 |
|
Dy* |
1,45 |
1,47 |
1,46 |
|
Ho* |
0,31 |
0,32 |
0,315 |
|
Er* |
0,81 |
0,82 |
0,815 |
|
Tm* |
0,12 |
0,12 |
0,12 |
|
Yb |
0,61 |
0,62 |
0,615 |
|
Lu |
0,095 |
0,097 |
0,096 |
|
Na |
0,12 |
0,15 |
0,135 |
|
Cs |
0,26 |
1,82 |
1,04 |
|
Ca |
15,2 |
15,4 |
15,3 |
|
Ba |
1 530 |
1 250 |
1 390 |
|
Sc |
0,92 |
1,69 |
1,305 |
|
Zn |
1 680 |
1 310 |
1 495 |
|
Se |
13,8 |
4,36 |
9,08 |
|
Sb |
2,33 |
1,44 |
1,885 |
|
Th |
0,33 |
3,16 |
1,745 |
|
U |
4,61 |
2,1 |
3,355 |
|
Br |
76,0 |
75,0 |
75,5 |
|
Hf |
0,68 |
3,34 |
2,01 |
|
Au |
0,27 |
0,025 |
0,1475 |
Примечание.* - данные, полученные экстраполяцией (из тренда кривой распределения элементов в координатах содержание - ионный радиус или порядковый номер для редкоземельных элементов).
Особенность проведенного эксперимента в том, что детрит сформировался за определенный отрезок времени из известных организмов (моллюсков двух массовых видов при участии также массового вида макрофитов).
Содержание элементов в изученном новообразованном биогенном детрите дает некоторую информацию о возможном базисном содержании элементов в этом важном компоненте экосистем.
Необходимо дальнейшее изучение особенностей элементного состава детрита, поскольку в его базисный состав в реальных условиях загрязняемых экосистем могут вносить некоторый вклад элементы, дополнительно сорбируемые детритом в результате антропогенного воздействия на экосистему.
Наши предварительные опыты показали, что при внесении в воду тяжелых металлов (таких, как Со, Zn, Cu, Cd, Cr ) происходило нарастание содержания этих элементов в биогенном детрите по сравнению с контрольной пробой. Для адекватной оценки и интерпретации содержания металлов в детрите в условиях загрязняемой водной системе, необходимы сведения о базисном элементном составе детрита. В данной работе такая информация получена для детрита, образованного тремя массовыми видами водных организмов.
Таблица 3. Оценка приблизительного потенциала содержания элементов в биогенном детрите по данным НАА
|
Элемент |
Приблизительный потенциал в пересчете на |
|
|
1000 г детрита |
на 1000 кг детрита |
|
|
Ca |
153 г |
153 кг |
|
Ba |
1.390 г |
1,39 кг |
|
Na |
1.35 г |
1.35 кг |
|
Ce |
12.36 мг |
12.4 г |
|
Se |
9.08 мг |
9.1 г |
|
La |
6.325 мг |
6.3 г |
|
U |
3,50 мг |
3.5 г |
|
Sb |
2,00 мг |
2 г |
|
Hf |
2,00 мг |
2 г |
|
Th |
1,70 мг |
1.7 г |
|
Sc |
1,40 мг |
1.4 г |
|
Sm |
1,355 мг |
1.4 г |
|
Cs |
1,04 мг |
1.04 г |
|
Au |
0,1475 мг |
0.1 г |
В литературе сообщалось об элементном составе растений и их отмирающей массы, но элементный состав детрита, образованного моллюсками или при участии моллюсков, по-видимому, не изучался, за исключением предыдущих работ одного из авторов (см. табл. 4).
Таким образом, в работе впервые определена концентрация ряда элементов в биогенном детрите, полученном в условиях контролируемого эксперимента при совместной инкубации в микрокосме трех видов массовых пресноводных организмов ( V. viviparus, U. pictorum и C. demersum ), что способствует пониманию роли этих организмов в биогенной миграции элементов. Полученные данные позволяют полнее оценить роли биогенного детрита, образуемого конкретными вышеуказанными видами организмов, как факторов концентрирования элементов в водной системе.
Одним из таких существенных факторов, влияющих на образование детрита водными организмами, фильтрующими воду, является скорость извлечения ими взвешенного органического вещества из воды. Эта скорость, в свою очередь, зависит от другого фактора - от концентрации в воде некоторых загрязняющих компонентов - синтетических поверхностно-активных веществ, детергентов [9-11]. Можно заключить, что на образование детрита может оказывать влияние наличие в воде загрязняющих химических ве ществ. Дальнейшие исследования помогут выявить новые факты о связях между загрязнением водной среды и детритом, как важным компонентом водных экосистем.
Таблица 4. Изучение содержания элементов в детрите водных организмов (примеры)
|
Виды организмов |
Элементы |
Примечания |
|
|
Lymnaea stagnalis, Unio tumidus, U. pictorum; Crassiana crassa, Ano-donta cygnea |
C, N, P, Si, Al |
Состав пеллет Lymnaea stagnalis : C- 69.74%; N - 2.3-2.9%; P- 0.4-0.5%; Si - 1.1-1.7%; Al - 0.054-0.059%. Катионный ПАВ ТДТМА 2 мг/л, анионный ПАВ ДСН 1-2 мг/л, ингибировали трофическую активность L. stagnalis и связанное с этим образование детритного материала (пеллет). Перенос вещества в трофической цепи [4] |
|
|
Lymnaea stagnalis, Unio tumidus, U. pictorum, Crassiana crassa, Anodonta cygnea |
C, N, P, Si, Al |
Состав пеллет выборки природного сообщества двустворчатых моллюсков при питании природным сестоном: С (64.3%), N (2.73%), P (0.39%), Si (1.14%), Al (0.071%). СМС Tide-Lemon 75 мг/л: ингибировал трофическую активность L. stagnalis и связанное с этим образование детритного материала (пеллет). Иингиби-ровании переноса вещества через данное звено трофической цепи [5] |
|
|
Lymnaea stagnalis |
Элементный состав пеллет, образуемых моллюсками |
ПАВ тормозил образование детрита перенос вещества [8] |
|
|
Viviparus viviparus, Unio pictorum и Ceratophyllum. demersum. |
U, Au, Ce, Se, La, Sb, Hf, Th, Sc, Sm, Cs и другие элементы |
Новые результаты авторов |
|
Примечание. ПАВ — поверхностно активное вещество, СМС — синтетическое моющее средство. ТДТМА - тетрадецилтримети-ламмоний бромид, ДСН - додецилсульфат натрия
Полученные в настоящей работе данные о концентрации ряда элементов в детрите, образованном массовыми видами организмов V. viviparus, U. pictorum и C. demersum дополняют имеющуюся информацию о роли биоты в биогеохимических процессах [12-14].
Список литературы Редкие и рассеянные элементы в биогенном детрите: новая сторона роли организмов в биогенной миграции элементов
- Вернадский В.И. Биосфера. М.: «Ноосфера». 2001. 243 с.
- Остроумов С.А. О полифункциональной роли биоты в самоочищении водных экосистем//Экология. 2005. № 6. с. 452-459.
- Ostroumov S.A. Polyfunctional role of biodiversity in processes leading to water purification: current conceptualizations and concluding remarks//Hydrobiologia. 2002. V. 469. P. 203-204.
- Остроумов С.А., Колесников М.П. Пеллеты моллюсков в биогеохимических потоках C, N, P, Si, Al//ДАН. 2001. Т. 379. № 3. С. 426-429.
- Остроумов С.А., Колесников М.П. Моллюски в биогеохимических потоках (C, N, P, Si, Al) и самоочищении воды: воздействие ПАВ//Вест. МГУ. Cер. 16. Биол. 2003. № 1. С.15-24.
- Kolesov G.M. Determination of microelements: neutron activation analysis in geochemistry and cosmochemistry//J. Anal. Chem. 1994. V.49. No.1. P.50-58.
- Остроумов С.А., Колесов Г.М., Сапожников Д.Ю. К разработке вопросов гидробиологического мониторинга водной среды: изучение содержания элементов в моллюсках Unio методом нейтронноактивационного анализа//Пробл. экологии и гидробиологии. 2008. М.: МАКС Пресс. С.47-53.
- Остроумов С.А., Колесников М.П. Биокатализ переноса вещества в микрокосме ингибируется контаминантом: воздействие ПАВ на Lymnaea stagnalis//ДАН 2000. Т. 373. № 2. С.278-280.
- Ostroumov, S.A. Biological Effects of Surfactants. Boca Raton, London, New York: CRC Press. Taylor & Francis, 2006. 279 p.
- Ostroumov S. A., Widdows J. Inhibition of mussel suspension feeding by surfactants of three classes//Hydrobiologia. 2006. V.556. P.381-386.
- Остроумов С.А. Гидробионты в самоочищении вод и биогенной миграции элементов. М.: МАКС Пресс 2008. 200 с.
- Добровольский Г.В. К 80-летию выхода в свет книги В.И. Вернадского «Биосфера»//Экологическая химия. 2007. т.16(3). С.135-143.
- Добровольский Г.В. О развитии некоторых концепций учения о биосфере (к 80-летию выхода в свет книги В.И.Вернадского "Биосфера")//Вода: технология и экология. 2007. № 1. С. 63-68.
- Kapitsa A.P. Formulation of fundamental principles for foundation of the theory of the apparatus of the biosphere//Environment Ecology and Safety of Life Activity. 2007. No. 1 (37). P. 68-71.
