Органическое вещество в абиотических компонентах реки Обь

17. Иванов, В.В. Экологическая геохимия элементов. Справочник. Книга 3. Редкие р-элементы / В.В. Иванов. - М.: Недра, 1996.

18. Гамаюрова, В.С. Мышьяк в экологии и биологии / В.С. Гамаюрова. - М.: Наука, 1993.

19. Ecological consequences of As, Cd, Hg and Pb enrichment in European soil / А. Kabata-Pendias // Global Perspectives on Lead, Mercury and Cadmium Cycling. - SCOPE. Published by Wiley Eastern Ltd., 1994. - Р 117-129.

20. Алексеенко, В.А. Экологическая геохимия / В.А. Алексеенко. - М.: Логос, 2000.

21. Minimizing biofilm in the presence of iron oxides and humic substances /Ph.W. Butterfield, A.K. Camper, J.A. Biederman, A.M. Bargmeyer // Water research. - 2002. - Vol. 36, №15. - Р 3893-3910.

22. Влияние внутренней коррозии трубопровода «Астрахань-Мангистау» на качество воды / С.К. Муринов, А.А. Бут, Е.Н. Байбатыров [и др. ] // Питьевая вода. - 2002. - №2.

23. Iron stability in drinking water distribution systems in a city of China / Z. Niu, Y Wang, X. Zhang [et al.] // J. Environmental Science. - 2006.

- Vol. 18, № 1. - P. 40-46.

24. Даувальтер, В. А. Загрязнение водных экосистем Печорского региона. / В. А. Даувальтер // Биологические ресурсы и внутренних водоемов европейского Севера: Матер. междунар. конф. - Сыктывкар: Изд-во Коми НЦ УрО РАН, 2005.

25. Королев, И.А. Геохимические особенности миграции тяжелых металлов в речных водах устьевой области Волги / И.А. Королев, А.Н. Курьякова // Рациональное природопользование: Тез. докл. школы-конференции. - М.: Изд-во МГУ, 2005.

26. Arsenic poisoning in groundwater: health risk and geochemical sources in Bangladesh /H.M. Anawar, J. Akai, K.M.G. Mostofa [et al.] / Environment International. - V. 27. - №7. - P. 597-604.

27. Meharg, A. Arsenic contamination of Bangladesh paddy soil / A. Meharg, R. Mazibur // Environmental Science and Technology - 2003. -Т. 37. - №2. - P. 229.

28. Абдурахманов, Г.М. Экологические особенности содержания микроэлементов в организме животных и человека / Г.М.Абдурах-манов, И.В. Зайцев. - М.: Наука, 2004.

29. Shamberger, R.J. Biochemistry of Selenium / R.J. Shamberger. -N.Y.: Plenum Press, 1983. - 346 p.

30. Swiderska-Broc, M. Wplyw nierownomiernosci rozbioru wody wodociagowej na zmiane jej jakosci /M. Swiderska-Broc, M. Wolska // Ochrona Srodowiska. - 2004. - № 4. - P. 21-23.

31. Hautmann, A. Gefahren durch Nitritbildung in neuinstallierteu Verzinkten Wasserleitungen / A. Hautmann // HLH: Heizung, Luftung/ Klima, Haustechn. - 1998. - Vol. 49. - № 10. - P. 34-36, 38, 81.

Статья поступила в редакцию 12.03.09

УДК 556.555.7:543.31

Е.И. Третьякова, канд. хим. наук, с.н.с. ИВЭП СО РАН, г. Барнаул,

А.Н. Эйрих, канд. техн. наук, н.с. ИВЭП СО РАН, г. Барнаул,

Т.С. Папина, д-р. хим. наук, зав. центром ИВЭП СОРАН, г. Барнаул

ОРГАНИЧЕСКОЕ ВЕЩЕСТВО В АБИОТИЧЕСКИХ КОМПОНЕНТАХ РЕКИ ОБЬ

Рассматривается распределение органического вещества по абиотическим компонентам р. Обь в различные гидрологические периоды. С помощью метода корреляционного анализа установлено, что органическое вещество не оказывает существенного влияния на формы нахождения тяжелых металлов в воде и взвешенном веществе. Влияние органического вещества на содержание тяжелых металлов в поровых водах и донных отложениях проявляется опосредованно.

Ключевые слова: органическое вещество, тяжелые металлы, абиотические компоненты, корреляционный метод.

Органическое вещество (Сорг) является одним из важнейших химических компонентов природных вод и, в силу огромного разнообразия представителей всех его классов, наименее изученным. Понятие «органическое вещество» как совокупность различных природных органических соединений было введено ещё В.И. Вернадским и признано многими исследователями. Природные органические вещества принимают участие в самых разнообразных физико-химических и биохимических процессах, причем направление и интенсивность этих процессов в большой степени зависят от количественного содержания и качественного состава органических веществ [1] .

Актуальность изучения органического вещества в природных водах определяется его значительным влиянием на формы нахождения неорганических компонентов, в т. ч. тяжелых металлов (ТМ). Это обусловлено известной способностью природных органических соединений образовывать различные комплексы с ионами ТМ [2]. Влияние растворенных органических комплексообразователей, по мнению Сингера, заключается [3]:

- в увеличении растворимости металлов при связывании их в комплекс;

- в изменении распределения между окисленными и восстановленными формами;

- в “смягчении” токсичности вследствие уменьшения доступности металлов для живых организмов;

- во влиянии на способность металлов сорбироваться взвешенными веществами;

- во влиянии на прочность металлсодержащих коллоидов.

Целью нашей работы являлось изучение сезонной динамики органического вещества в абиотических компонентах р. Оби и его влияния на формы нахождения тяжелых металлов в воде, взвешенном веществе и донных отложениях.

Методика исследований. Наблюдения проводили на участке р. Обь в районе г. Барнаула, характеристика точек отбора представлена в таблице 1. В каждой точке отбирали пробы воды, взвешенного вещества (ВВ), поровой воды и донных отложений (ДО).

Таблица 1

Характеристика точек отбора проб на р. Обь

Номер точки Месторасположение точки наблюдения

1 р. Обь, правый берег, устье Лапы

2 р. Обь, левый берег, устье Ковша, перед ж.д. мостом

3 р. Обь, правый берег, ниже входа в канал КХВ

4 р. Обь, ниже выхода из канала КХВ

5 р. Обь, правый берег, выход из протоки Федуловская

6 р. Обь, левый берег, пристань у п. Г оньба

Таблица 2

Содержание Сорг в воде р. Обь в различные гидрологические периоды

Точка отбора Г лубина отбора, м Сорг, мг/л

Летняя межень Осенняя межень

1 03 4,51 0,69

03 4,73 0,52

03 * 1,04

поровая вода 51,0 7,69

2 03 5,59 1,66

03 4,28 2,42

03 * 1,73

поровая вода 46,1 15,1

3 03 2,96 1,47

03 1,28 2,54

03 * 1,76

поровая вода 7,99 4,91

4 03 2,33 2,87

03 0,72 2,87

03 * 1,47

поровая вода 18,8 13,5

5 03 1,95 1,66

03 3,41 1,55

03 * 1,55

поровая вода 39,0 6,90

6 03 2,78 1,17

03 3,00 1,47

03 * 1,73

поровая вода 39,0 11,7

Пробы воды отбирали на центральной вертикали с 3-х горизонтов: поверхностный слой - 0,2^ серединный слой -

0,6^ глубинный слой - 0^ ф - высота водяного столба). Сразу же после отбора пробы воды консервировали серной кислотой в соответствии с общепринятыми методиками для определения показателя ХПК [4].

Пробы взвешенного вещества получали после фильтрования проб воды на месте отбора. В лаборатории фильтры с пробами ВВ высушивали в чистой комнате при комнатной температуре.

Поровые воды получали путем отжима проб ДО на центрифуге при скорости вращения w = 1000 об/мин. в течение 30 мин. Для предотвращения окисления поровой воды кислородом воздуха центрифугирование проводилось в плотно закрытых пробирках.

Донные отложения отбирали дночерпателем Петерсена на глубину до 10 см от поверхности. Для исключения возможности окисления проб кислородом воздуха банки заполняли инертным газом (аргоном) и до начала анализа хранили замороженными.

Для определения органического вещества пробы ДО высушивали в чистом помещении при комнатной температуре. Затем тщательно растирали в ступке и просеивали через сита разного диаметра для получения трёх фракций с диаметром частиц: 1-0,2 мм, 0,2-0,1 мм, 0,1-0,025 мм.

Определение Сорг в воде, ВВ и ДО проводили стандартным методом окисления бихроматом калия в сильнокислой среде. После процедуры окисления Сорг в воде определяли тит-риметрическим методом, а во ВВ и ДО - спектрофотометрическим методом [5-6]. Определение тяжелых металлов проводили методом атомно-абсорбционной спектрометрии [7].

Результаты и обсуждение. Анализ данных по содержанию Сорг в воде показывает (табл. 2), что в летнюю межень во всех точках наблюдения его концентрации выше, чем в период осенней межени. Это хорошо согласуется с тем фактом, что в летний период усиливаются процессы синтеза органического вещества, а процессы его окисления в условиях повышения температуры воды и недостатка растворенного кислорода замедляются. Уменьшение концентраций органического вещества в осеннюю межень связано с усилением процессов окисления в условиях снижения температуры воды и повышения содержания растворенного кислорода в воде.

Сравнительный анализ данных по содержанию Сорг по вертикальной составляющей створа показывает значительную неравномерность его распределения. Прослеживается четкое повышение концентраций Сорг от поверхностного к придонному слою. Максимальные величины фиксируются в поровых водах. Соотношение между концентрациями в поверхностном слое и поровой воде составляет в среднем 1:20. Значительная разница концентраций свидетельствует о различной интенсивности прохождения окислительных процессов на поверхности воды и в поровых водах. В последних при недостатке растворенного кислорода процессы окисления затруднены, что и приводит к накоплению Сорг.

Примечание: * - не определялось

Изучение содержания Сорг во взвешенном веществе (табл. 3) показывает сложный характер его распределения как по вертикальной составляющей створа, так и по гидрологическим периодам. Отсутствие определенных закономерностей распределения органического вещества, вероятно, связано с влиянием гидродинамических условий водного потока: скоростью течения, перемешиванием и т.д.

Исследование сезонной динамики Сорг в донных отложениях (рис. 1) показывает, что его содержание во всех точках наблюдения в большинстве случаев выше в период летней межени. Этот факт хорошо согласуется с более высокими концентрациями Сорг в поровых водах в этот период и указывает на доминирование процессов синтеза над процессами окисления.

Таблица 3

Содержание Сорг во взвешенном веществе

Точка отбора Глубина отбора, м Сор^ мг/г

Летняя межень Осенняя межень

1 0,2Ь 48,9 37,7

0,6Ь 61,9 41,7

0,8Ь н.о 45,1

2 0,2Ь 74,6 90,7

0,6Ь 51,3 73,3

0,8Ь н.о 44,4

3 0,2Ь 41,3 36,7

0,6Ь 70,4 40,4

0,8Ь н.о 46,5

4 0,2Ь 62,3 146

0,6Ь 82,4 40,2

0,8Ь н.о 12,5

5 0,2Ь 86,4 99,1

0,6Ь 58,2 76,7

0,8Ь н.о 84,3

6 0,2Ь 27,2 42,5

0,6Ь 72,2 36,0

0,8Ь н.о 70,2

Нлетняя межень  осенняя межень

Точка отбора

Рис.1. Сезонная динамика концентраций Сорг в донных отложениях р. Обь

По мнению многих исследователей, валовое содержание ТМ в ДО зависит от их фракционного состава [8; 9], содержания органических веществ [10] и биогенных элементов [11].

Основная роль органического вещества в донных отложениях заключается в том, что оно является движущей силой всех восстановительных реакций, протекающих в толще донных отложений. Процесс биохимического разложения органического вещества протекает с помощью нефотосинтезирующих организмов, в результате которого они получают необходимую для процессов метаболизма энергию. В зависимости от количества органического вещества и скорости его распада интенсивность протекания восстановительных процессов в ДО может меняться в широких пределах. При интенсивно протекающих восстановительных процессах в толще осадка верхний окислительный слой донных отложений обычно мал и составляет около 1 см. При сравнительно низком содержании Сорг восстановительные процессы развиваются слабо, и окисленный слой может иметь значительную мощность - до нескольких метров в морских ДО и на всю глубину залегания для речных донных осадков [12].

В окислительном горизонте концентрируются металлы, связанные в соединения с органическим веществом или входящие в состав аморфных гидроксидов Fe и Мп [13-14]. В умеренно восстановленных условиях (Eh = + 138 ё - 57 mV) некоторые металлы могут присутствовать в виде карбонатов. В восстановительных горизонтах, где активно протекают процессы сульфатредукции, накапливаются сульфидные формы металлов [15;16].

Для оценки влияния Сорг на содержание Fe, Мп, Си и Zn в воде, взвешенном веществе и донных отложениях р. Обь был использован метод расчета коэффициентов парной корреляции (табл. 4). Выбор этих металлов для изучения обусловлен их широкой распространенностью и высокими концентрациями в природных водах по сравнению с другими металлами.

Анализ полученных данных показывает отсутствие какой-либо корреляционной зависимости между содержанием металлов и Сорг в воде и во взвешенном веществе. Это указывает на то, что данные металлы в водах р. Обь слабо образуют комплексные соединения с органическим веществом в виду его низких содержаний в условиях высокого содержания раство-

ренного кислорода и, вероятно, находятся преимущественно в неорганических формах. Это согласуется с данными других исследователей, показывающих, что в незагрязненных слабоминерализованных речных водах наиболее часто встречающимися растворенными формами тяжелых металлов являются: Ме"+ач, MeL (лигандом L является растворенное Сорг); гидро-ксокомплексы типа Ме(ОН)п-1, Ме(ОН)2п-2, Ме(ОН)3п-3; карбонаты МеС03п-2 и гидрокарбонаты Ме(НС03)п-1. При этом на количественное соотношение этих форм металлов в реке решающее значение оказывает pH воды и концентрация растворенного Сорг [17].

Таблица 4

Коэффициенты корреляции между содержанием Сорг и ТМ в абиотических компонентах р. Обь

Объект исследования Коэффициент корреляции

Fe Мп Си Zn

Вода -0,18 0,06 0,20 -0,32

Взвешенное вещество -0,14 0,02 -0,08 -0,32

Поровая вода: - окислительные условия - восстановительные условия 0,07 0,73 -0,06 0,71 -0,002 -0,98 0,09 -0,53

Донные отложения: - окислительные условия - восстановительные условия 0,42 0,26 0,74 0,05 0,74 0,79 0,97 0,73

Корреляционный анализ для системы «поровая вода -донные отложения» показал, что при окислительных условиях залегания ДО органическое вещество не контролирует содержание ТМ. На это указывает несогласованность коэффициентов корреляции для ДО и поровых вод. Для первых коэффициенты корреляции имеют значимую величину, для поро-вых вод - она отсутствует совсем.

Для системы «поровая вода - донные отложения» при восстановительных условиях значимая корреляционная зависимость для большинства металлов указывает, что органическое вещество активно участвует в биохимических процессах суль-фатредукции, результатом которых является образование сульфид-ионов, а в конечном итоге - сульфидов металлов.

Выводы

1. В водах р. Обь существует значительная неравномерность распределения Сорг, как по горизонтальной, так и по вертикальной составляющим гидрологического створа.

2. Содержание органического вещества системы «поро-вая вода - донные отложения» в р. Обь подвержено сезонным колебаниям и согласуется с режимом гидрологических периодов. Наибольшие концентрации Сорг в воде и донных отложениях наблюдаются в период летней межени, что связано с доминированием процессов разложения над процессами окисления в этот период.

3. Неравномерный характер распределения Сорг во взвешенном веществе по вертикальной составляющей гидрологического створа в различные гидрологические периоды, вероятно, связан с гидродинамическими условиями: скоростью течения, перемешиванием и т.д.

5. Органическое вещество р. Обь не оказывает существенного влияния на формы нахождения тяжелых металлов в воде и взвешенном веществе. Влияние Сорг на содержание ТМ в ДО с окислительными условиями не прослеживается. Для ДО с восстановительными условиями влияние Сорг опосредовано: оно является энергетическим материалом для прохождения биохимических процессов сульфатредукции, которые обуславливают образование сульфид-ионов, а затем трудно растворимые сульфиды металлов.

Библиографический список

1. Линник, П.Н. Гумусовые вещества природных вод и их значение для водных экосистем / П.Н. Линник, Т.А. Васильчук, РП. Линник // Гидробиол. журн. - 2004. - Т. 40. - № 1.

2. Изучение органических веществ поверхностных вод и их взаимодействия с ионами металлов / Г.М. Варшал, И.Я. Кощеева, И.С. Сироткина [и др.] // Геохимия. - 1979. - № 4.

3. Singer, P.S. Influence of dissolved organics on the distribution, transport and fate of heavy metals in aquatic systems / P.S. Singer // Fate Pollutants Air and Water Environ. Symp. - 165th . NAT. Amer. Chem. Soc. Meet. - Philadelphia, 1997. - P. 155-182.

4. Фомин, Г.С. Вода. Контроль химической, бактериологической и радиационной безопасности по международным стандартам: энциклопедический справочник / Г.С. Фомин. - 2-е изд. - М.: Протектор, 1995.

5. ПНД Ф 14.1:2.100-97. Методика выполнения измерений химического потребления кислорода в пробах природных и очищенных сточных вод титриметрическим методом.

6. Методы исследования органического вещества в океане / Е.А. Романкевич.- М.: Наука, 1980.

7. ПНД Ф 14.1:2:4.139-98. Методика выполнения измерений массовой концентрации железа, кобальта, марганца, меди, никеля, серебра, хрома и цинка в пробах питьевых, природных и сточных вод методом атомно-абсорбционной спектрометрии.

8. Vasiliev, O.F. Suspended sediment and associated mercury transport - the case study on the Katun River / O.F. Vasiliev, T.S. Papina, Sh.R.

Pozdnjakov // Proc. 4 Int. Symp. on river sedimentation, Beijing. - China, IRTCES, 1990. - Р 155-162.

9. Белоконь, В.Н. Содержание тяжелых металлов, органических веществ и соединений биогенных элементов в донных отложениях Дуная / В.Н. Белоконь, Я. И. Басс // Водные ресурсы. - 1993. - Т. 20. - № 4.

10. Horowitz, A.J. A primer on trace metal-sediment chemistry / A.J. Horowitz // Alexandria: U.S. Geological Survey water-supply paper 2277, 1985. - 67 p.

11. Steell, K.F. Trace metal relationships in bottom sediments of freshwater stream the Buffalo River, Arkansas / K.F. Steell, G.H. Wagner // J. Sediment Petrol. - 1975. - V. 45. - № 1. - P. 310-319.

12. Геохимическое поведение серы в донных осадках Тихого океана / Э.А. Остроумов, И.И. Волков // Химические процессы в морских

водах и осадках. - М.: Наука, 1967. - Т. 83.

13. Вышемирский, В.С. Органическое вещество в Мировом океане / В.С. Вышемирский. - Новосибирск: НГУ, 1986.

14. Sutherland, R.A. Bed sediment-associated trace metals in an urban stream Oahu, Hawaii // R.A. Sutherland / Environmantal geology. -2000. - V.39. - № 6. - P. 611-627.

15. Emerson, S. The behavior of trace metals in marine anoxic waters: Solubility at the oxygen-hydrogen sulfide interface // S. Emerson,

L. Jacobs, B. Tebo / Trace Metals in Seawater. - New York: Plenum Press. - 1983. - P. 579-608.

16. Salomons, W. Biogeodynamics of pollutants in soils and sediments // W. Salomons, Stigliani (Eds). - Springer-Verlag, Berlin, 1995. - 353 p.

17. Мур, Дж.В. Тяжелые металлы в природных водах / Дж.В. Мур, С. Рамамурти. - М.: Мир, 1987.

Статья поступила в редакцию 12.03.09

УДК 556.11

Д.М. Безматерных, канд. биол. наук, доц., уч. секр. ИВЭП СО РАН, г. Барнаул, О.Н. Жукова, аспирант ИВЭП СО РАН, г. Барнаул,

Л.А. Долматова, канд. хим. наук, н.с. ИВЭП СО РАН, г. Барнаул

СОСТАВ И СТРУКТУРА ЗООБЕНТОСА РАЗНОТИПНЫХ ОЗЕР СТЕПНОЙ И ЛЕСОСТЕПНОЙ ЗОНЫ АЛТАЙСКОГО КРАЯ И ФАКТОРЫ ЕГО ФОРМИРОВАНИЯ. ЧАСТЬ 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

В первом сообщении приводятся данные об основных гидрохимических характеристиках, составе и структуре зообентоса восьми разнотипных озер степной и лесостепной зоны Алтайского края. Во втором сообщении будет представлен анализ влияния основных абиотических факторов на формирования зообентоса этих озер.

Ключевые слова: зообентос, гидрохимия, Алтайский край,

С самого зарождения науки озера находились в центре внимания ученых, что связано с их привлекательностью для людей как источника продовольствия и воды. Однако комплексное изучение озерных экосистем с учетом взаимодействия абиотических и биотических факторов их формирования началось чуть более 100 лет назад. Все же до сих пор идет выявление основных типов водных объектов и особенностей их функционирования, что приближает нас к лучшему пониманию экологии озер [1]. Необходимой основой рационального использования минерализованных вод становится всестороннее изучение их биоты в условиях меняющейся солености и установление границ устойчивости организмов, сообществ и экосистем [2].

Зообентос озер степной и лесостепной зон Алтайского края изучали в 1920-1930 гг. и 1967-1969 гг. [3]. В условиях

Кулунда, Касмала.

меняющихся гидрологических условий и антропогенного воздействия состав и структура сообществ озер этого региона могли значительно измениться.

Материалы и методы

Исследования водных экосистем степной части Алтайского края были проведены в июле-сентябре 2008 г. Исследованные объекты можно разделить на две группы. Первая группа

- озера внутреннего стока Кулундинской низменности: Кулун-динское (Благовещенский р-н), Пресное, (Волчихинский р-н), озеро без названия в 1 км. от оз. Соленое (Михайловский р-н). Вторая - озера Касмалинской системы: Угловое (Волчихинский р-н), Горькое (Романовский р-н), Большое Островное (Ма-монтовский р-н), Ледорезное (Мамонтовский р-н), Мельничное (Ребрихинский р-н).