Способ определения степени загрязнения морских прибрежных вод тяжелыми металлами с использованием макроводорослей
METHOD FOR DETERMINING AMOUNT OF POLLUTION OF MARINE COASTAL WATERS BY HEAVY METALS USING THE MACROALGAE

Изобретение относится к биологическим способам оценки загрязнения водной среды и может быть использовано в марикультуре, водной токсикологии, рыбоводстве.
Среди методов оценки экологического состояния морских прибрежных вод важное значение имеют способы биологического мониторинга. С 70-х годов XX столетия известен способ определения степени загрязнения морских вод тяжелыми металлами с использованием бурых водорослей-макрофитов, являющихся аккумулирующими индикаторами загрязнения среды тяжелыми металлами (см. Христофорова Н.К. Биоиндикация и мониторинг загрязнения морских вод тяжелыми металлами. Л.: Наука, 1989. 192 с.; Шулькин В.М. Металлы в экосистемах морских мелководий. Владивосток: Дальнаука, 2004. 279 с.; Bryan G.W., Hummerstone L.G. Brown seaweeds as an indicator of heavy metals in estuaries in south-west England //J. Mar. Biol. Assoc. U.K. 1973. Vol. 53. P. 705-720).
Недостатком этого способа биоиндикации тяжелых металлов в водной среде является отсутствие статистически определенных узаконенных предельных величин концентраций элементов, при превышении которых следует говорить о загрязнении ими акватории или местообитания.
ПДК
i
Известен также способ определения степени загрязнения морских прибрежных вод тяжелыми металлами с использованием макроводорослей, включающий отбор талломов водорослей, анализ содержания в них загрязняющих элементов и их сравнение с фоновыми показателями концентрации каждого металла в водоросли, при этом в качестве верхнего порогового уровня предельной для фонового диапазона концентрации С используют показатель Me + 2MAD, равный сумме медианы концентраций и двойной медианы абсолютных отклонений от медианы (см. Е.Н. Чернова, С.И. Коженкова. Определение пороговых концентраций металлов в водорослях-индикаторах прибрежных вод северо-западной части Японского моря // Океанология, 2016, т, 56, №3, с. 393-402).
Используемые при этом утвержденные значения ПДК загрязняющих веществ важны с санитарно-гигиенической точки зрения. Однако нарушения в функционировании различных звеньев экосистемы могут происходить при концентрациях, не превышающих ПДК, что не учитывается в известном решении при оценке степени благополучия биосистемы.
Задача, на решение которой направлено заявленное решение - обеспечение оценки степени загрязнения морской среды тяжелыми металлами на основе учета как их содержания, так и учета опасности существования макрофитов в среде с избытком металлов.
oi
o∑
З
Технический результат, проявляющийся при решении поставленной задачи - обеспечение возможности оценки степени загрязнения морской среды тяжелыми металлами на основе расчета коэффициентов опасности загрязнения среды обитания водорослей конкретными металлами (К), суммарного коэффициента опасности загрязнения металлами среды обитания водорослей (К) и суммарного нормализованного коэффициента степени загрязнения морской среды тяжелыми металлами (К).
ПДК
i
oi
i
ПДКi
о∑
Для решения поставленной задачи, способ определения степени загрязнения морских прибрежных вод тяжелыми металлами с использованием макроводорослей, включающий отбор талломов водорослей, анализ содержания в них загрязняющих элементов и их сравнение с фоновыми показателями концентрации каждого металла в водоросли, при этом в качестве верхнего порогового уровня предельной для фонового диапазона концентрации С используют показатель Me + 2MAD, равный сумме медианы концентраций и двойной медианы абсолютных отклонений от медианы, отличается тем, что расчетом определяют коэффициенты опасности загрязнения среды обитания водорослей конкретными металлами, суммарный коэффициент опасности загрязнения металлами среды обитания водорослей и суммарный нормализованный коэффициент степени загрязнения морской среды тяжелыми металлами, при этом коэффициенты опасности загрязнения среды обитания водорослей конкретными металлами К рассчитывают как отношение концентрации конкретного металла в водоросли C к значениям верхнего порогового уровня концентрации i-го металла для данного вида водорослей С, причем суммарный коэффициент опасности загрязнения металлами среды обитания водорослей К определяют суммированием коэффициентов опасности загрязнения среды обитания водорослей конкретными металлами из учитываемых пяти, кроме того, суммарный нормализованный коэффициент степени загрязнения морской среды тяжелыми металлами определяют из выражения:
З
oi
К = Z(a⋅К)/5;
З
где К - суммарный нормализованный коэффициент степени загрязнения морской среды тяжелыми металлами;
o∑
З
o∑
З
o∑
З
o∑
З
o∑
З
а - коэффициент опасности конкретного элемента, зависящий от класса опасности элемента, при этом I класс опасности соответствует значению а = 2,5, тогда как II класс опасности соответствует значению а = 1,5; тогда как III класс опасности соответствует значению а = 1,0, тогда как IV класс опасности соответствует значению а = 0.5, причем степень загрязнения среды оценивают как слабую, если К = 2.5-3.5, а К = 0.4-0.5, или как умеренную, если К = 3.6-5.0, а К = 0.51-0.8, или как среднюю, если К = 5.1-15, а К = 0.81-3.5, или как сильную, если К = 15.1-30, а К = 3.51-7.5, или как очень сильную, если К > 30, а К > 7.5.
Кроме того, при определении степени загрязнения морских прибрежных вод тяжелыми металлами используют бурые водоросли семейств Sargassaceae и Fucaceae и зеленые водоросли рода Ulva.
Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию "новизна".
При этом совокупность признаков отличительной части формулы изобретения обеспечивает оценку степени загрязнения морской среды тяжелыми металлами на основе учета как их содержания, так и учета опасности существования макрофитов в среде с избытком металлов, причем отличительные признаки отличительной части формулы изобретения обеспечивают решение нижеследующего комплекса следующих функциональных задач.
Признаки «расчетом определяют коэффициенты опасности загрязнения среды обитания водорослей конкретными металлами, суммарный коэффициент опасности загрязнения металлами среды обитания водорослей и суммарный нормализованный коэффициент степени загрязнения морской среды тяжелыми металлами» обеспечивают, после определения упомянутых параметров, возможность ранжирования степени загрязнения среды в точках отбора образцов водорослей.
оi
i
ПДКi
oi
Признаки, указывающие что «коэффициенты опасности загрязнения среды обитания водорослей конкретными металлами К рассчитывают как отношение концентрации конкретного металла в водоросли С к значениям верхнего порогового уровня концентрации i-го металла для данного вида водорослей С» позволяют, после выявления упомянутых характеристик, определить коэффициенты опасности загрязнения среды обитания водорослей конкретными металлами К.
о∑
o∑
Признаки, указывающие, что «суммарный коэффициент опасности загрязнения металлами среды обитания водорослей К определяют суммированием коэффициентов опасности загрязнения среды обитания водорослей конкретными металлами из учитываемых пяти», позволяют, после выявления упомянутых характеристик, определить суммарный коэффициент опасности загрязнения металлами среды обитания водорослей К.
Признаки, указывающие, что «суммарный нормализованный коэффициент степени загрязнения морской среды тяжелыми металлами определяют из выражения:
З
oi
К = ∑(a⋅К)/5;
З
где К - суммарный нормализованный коэффициент степени загрязнения морской среды тяжелыми металлами;
а - коэффициент опасности конкретного элемента, зависящий от класса опасности элемента, при этом I класс опасности соответствует значению а = 2,5, тогда как II класс опасности соответствует значению а = 1,5; тогда как III класс опасности соответствует значению а = 1,0, тогда как IV класс опасности соответствует значению а = 0.5», позволяют, после выявления упомянутых характеристик, определить суммарный нормализованный коэффициент степени загрязнения морской среды тяжелыми металлами.
o∑
З
o∑
З
o∑
З
o∑
З
o∑
З
Признаки, указывающие, что «степень загрязнения среды оценивают как слабую, если К = 2.5-3.5, а К = 0.4-0.5, или как умеренную, если К = 3.6-5.0, а К = 0.51-0.8, или как среднюю, если К = 5.1-15, а К = 0.81-3.5, или как сильную, если К = 15.1-30, а К = 3.51-7.5, или как очень сильную, если К > 30, а К > 7.5», позволяют ранжировать степень загрязнения среды.
Признаки, указывающие, что «при определении степени загрязнения морских прибрежных вод тяжелыми металлами используют бурые водоросли семейств Sargassaceae и Fucaceae и зеленые водоросли рода Ulva», позволяют обеспечить возможность определения степени загрязнения морских прибрежных вод тяжелыми металлами в условиях вариации морской растительности в различных участках прибрежной зоны.
Заявленный способ реализуется следующим образом.
Вдоль морского побережья Приморского края образцы водорослей собирают в июле-августе. Из бурых водорослей в экологическом мониторинге используют Cystoseira crassipes, Sargassum miyabei, Sargassum pallidum, Fucus evanescens, Silvetia babingtonii, из зеленых - Ulva lactuca. С одного места отбирают 5-15 экземпляров конкретного вида водоросли, талломы отмывают от взвеси морской водой, очищают от эпифитов, высушивают при температуре 85°С, формируют пять проб, с целью выявления внутривидовой изменчивости концентрационной функции.
Далее пробы гомогенизируют, навески проб минерализуют азотной кислотой марки ОСЧ. Определение металлов проводят атомно-абсорбционным методом, например, на приборах Hitachi 180-70, Shimadzu 6800 с пламенным и электротермическим с графитовой трубкой (Pb) атомизаторами. Контроль точности определения концентраций металлов проводят по анализу стандартных образцов (например, NIST-2976, NIES-9(Sargasso)). Контроль загрязнения реактивов проводят с помощью холостых проб, включаемых в партию подготавливаемых к анализу образцов. Среднее значение рассчитывают для пяти повторностей с одного места. Все концентрации определены для сухой массы водорослей.
ПДК
i
Описательную статистику выборки осуществляют в программе "Excel", нормальность распределения концентраций или логарифмов концентраций металлов проверяют по критическим коэффициентам асимметрии и эксцесса. После выбраковки статистических выбросов, не вошедших в диапазон нормального или логнормального распределения, для оставшейся выборки рассчитывают величины Me ± 2MAD. Верхней пороговой концентрацией С считают Me + 2MAD.
Далее расчетом определяют коэффициенты опасности загрязнения среды обитания водорослей конкретными металлами, суммарный коэффициент опасности загрязнения металлами среды обитания водорослей и суммарный нормализованный коэффициент степени загрязнения морской среды тяжелыми металлами.
oi
i
ПДКi
При этом коэффициенты опасности загрязнения среды обитания водорослей конкретными металлами К рассчитывают как степень превышения концентрации в водоросли над пороговыми значениями для региона, т.е. как отношение концентрации конкретного металла в водоросли C к значениям верхнего порогового уровня концентрации i-го металла для данного вида водорослей С,
оi
i
ПДКi
К=С / С,
оi
где К - коэффициенты опасности загрязнения среды обитания водорослей конкретными металлами;
i
C - концентрация конкретного металла в водоросли;
ПДКi
С - значения верхнего порогового уровня концентрации i-го металла для данного вида водорослей.
о∑
Далее рассчитывают значение суммарного коэффициента опасности загрязнения металлами среды обитания водорослей К из выражения
о∑
оi
К = ∑ К, при n=5,
о∑
где К - суммарный коэффициент опасности загрязнения металлами среды обитания водорослей;
n - число элементов, используемых для расчета индекса (при расчете учитывают 5 металлов, но на 5 не делят)
Далее, суммарный нормализованный коэффициент степени загрязнения морской среды тяжелыми металлами определяют из выражения:
З
oi
К = ∑ (а⋅К)/5,
З
где К - суммарный нормализованный коэффициент степени загрязнения морской среды тяжелыми металлами;
а - коэффициент опасности конкретного элемента, зависящий от класса опасности элемента, при этом I класс опасности соответствует значению а = 2,5, тогда как II класс опасности соответствует значению а = 1,5, тогда как III класс опасности соответствует значению а = 1,0, тогда как IV класс опасности соответствует значению а = 0.5.
о∑
З
о∑
З
о∑
З
о∑
З
о∑
З
По завершении перечисленных работ оценивают степень загрязнения среды, причем ее оценивают как слабую, если К = 2.5-3.5, а К = 0.4-0.5, или как умеренную, если К = 3.6-5.0, а К = 0.51-0.8, или как среднюю, если К = 5.1-15, а К = 0.81-3.5, или как сильную, если К = 15.1-30, а К = 3.51-7.5, или как очень сильную, если К > 30, а К > 7.5.
Далее, используя оценку степени загрязнения среды можно составлять карты степени загрязнения морской среды тяжелыми металлами прибрежной морской зоны в целях устойчивого развития прибрежных районов. Примеры использования изобретения:
Пример 1. Оценка загрязнения тяжелыми металлами залива Петра Великого с использованием бурой водоросли Sargassum miyabei.
Образцы саргассума (Sargassum miyabei) отбирали в июле-августе 1995-1998, 2000-2004, 2008 гг. с разной периодичностью на 49 станциях в заливе Петра Великого (ЗПВ) Японского моря (на акватории Дальневосточного морского государственного природного биосферного заповедника (ДМГПБЗ), в заливах Посьета, Амурском, Уссурийском, Стрелок, Восток, Находка) и б. Киевка, расположенной к северо-востоку от ЗПВ.
Растения высушивали, измельчали и минерализовали азотной кислотой по общепринятой методике (Христофорова, 1989). Содержание металлов Fe, Mn, Cu, Zn, Pb, Cd и Ni определяли методом атомно-абсорбционной спектрофотометрии на приборе Shimadzu 6800. Контроль точности определения содержания микроэлементов вели с использованием холостых проб и стандартного материала. Результаты пересчитывали в мкг/г сух. массы. После выбраковки статистических выбросов, не вошедших в диапазон нормального или логнормального распределения, для оставшейся выборки (n = 97) рассчитывали величины Me ± 2MAD. Верхней пороговой концентрацией считали Me + 2MAD.
i
o∑
o∑
Коэффициенты опасности загрязнения среды обитания водорослей конкретными металлами Кo показывают во сколько раз превышен геохимический фон на конкретной станции. В норме он не должен превышать единицу. В акватории зал. Петра Великого Японского моря превышение фоновых уровней металлов находится в следующих диапазонах: Fe (0.07-3.65); Mn (0.01-8.21); Cu (0.22-3.85); Zn (0.37-2.05); Pb (0.02-4.95); Cd (0.19-1.56); Ni (0.06-2.50). Учитывая региональную специфику источников антропогенного поступления тяжелых металлов в морскую среду, расчет суммарного коэффициента опасности загрязнения металлами среды обитания водорослей К проводили по следующим пяти элементам - Pb, Cu, Zn, Fe, Mn. В заливе Петра Великого величина К варьирует в пределах 0.89-14.34.
з
Суммарный нормализованный коэффициент степени загрязнения морской среды тяжелыми металлами К изменяется в диапазоне 0.15-2.76.
о∑
з
Средние значения К и К для ЗПВ в целом и отдельных заливов второго порядка имеют следующие величины: ЗПВ - 3.38 и 0.72; ДМГПБЗ - 1.88 и 0.47; зал. Посьета - 2.27 и 0.48; Амурский зал. - 4.38 и 0.93; Уссурийский зал. - 3.88 и 0.80; б. Абрек (зал. Стрелок) - 14.34 и 2.4; зал. Восток - 3.89 и 0.73; зал. Находка - 2.89 и 0.55; б. Киевка - 1.78 и 0.34.
о∑
з
Соотнеся результаты расчета суммарного коэффициента опасности загрязнения металлами среды обитания водорослей К и суммарного нормализованного коэффициента степени загрязнения морской среды тяжелыми металлами К, оценивают степень загрязнения среды и при необходимости строят карту степени загрязнения морской среды тяжелыми металлами, отражающую отклик экосистемы на антропогенное воздействие.
По данным о содержании тяжелых металлов в бурой водоросли Sargassum miyabei до 2008 г. экологическое состояние зал. Петра Великого в целом характеризовалось как умеренно загрязненное тяжелыми металлами. Среди заливов второго порядка наибольшему загрязнению был подвержен Амурский зал. - средняя степень загрязнения. Акватории заливов Уссурийского, Восток и Находка характеризовались умеренной степенью загрязнения с локальными участками среднего уровня загрязнения. Акватории ДМГПБЗ, зал. Посьета, а также б. Киевка испытывали слабое загрязнение тяжелыми металлами.
Пример 2. Оценка загрязнения тяжелыми металлами морской среды в районе Владивостока с использованием зеленой водоросли Ulva lactuca.
С целью изучения экологического состояния морских прибрежных вод в окрестностях г. Владивостока, образцы ульвы (Ulva lactuca) собирали в июле 2002-2003 гг. вдоль побережья п-ва Муравьев-Амурский с 9 станций: в Амурском зал. - с 3 станций, в прол. Босфор Восточный - с 2 станций, в Уссурийском зал. - с 4 станций. Отбор проб и химический анализ содержания тяжелых металлов проводили по методике, указанной в Примере 1.
Фоновый диапазон концентраций металлов в Ulva lactuca в северо-западной части Японского моря, мкг/г сух. массы, рассчитанный нами по формуле Me + 2MAD, показан в табл. 1.
Примечание: n - величина выборки.
о∑
З
В табл. 2 приведены значения суммарного коэффициента опасности загрязнения металлами среды обитания водорослей К и суммарного нормализованного коэффициента степени загрязнения морской среды тяжелыми металлами К для исследованных 9 станций (здесь станции: 1 - б. Кирпичного завода, 2 - Спортивная набережная, 3 - м. Токаревского, 4 - м. Абросимова, 5 - м. Артур, 6 - б. Тихая, 7 - свалка «Горностай», 8 - м. Зеленый, 9 - м. Вилкова).
В целом степень загрязнения морской среды тяжелыми металлами в районе Владивостока в 2002-2003 гг. оценивается как средняя с локальным участком очень сильного загрязнения вблизи полигона твердых бытовых отходов (свалка «Горностай»), где фоновые концентрации по свинцу превышены в 26 раз, по меди - в 24 раза, по цинку и железу - в 4-5 раз.