Сезонная динамика распределения тяжелых металлов в компонентах малых рек Ульяновской области

Общая биология

Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2011, № 2 (2), с. 29-34

УДК 57.042+543.31

СЕЗОННАЯ ДИНАМИКА РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В КОМПОНЕНТАХ МАЛЫХ РЕК УЛЬЯНОВСКОЙ ОБЛАСТИ

© 2011 г. Е.С. Ваганова

Ульяновский государственный технический университет

katrin_sv@bk. rn

Поступила в редакцию 24.03.2011

Показана сезонная динамика содержания тяжелых металлов (Fe, Zn, Cu, Ni, Cr) в воде, донных отложениях, проанализировано их содержание в высшей водной растительности (Elodea Canadensis) и моллюсках (рода Unio) в малых реках Ульяновской области. Установлено, что в сезонной динамике исследуемый ряд тяжелых металлов имеет характерные закономерности распространения в компонентах водных экосистем. Путём проведения корреляционного анализа выявлено влияние факторов (температуры, рН, карбонатной жесткости) на процессы распределения и накопления тяжелых металлов в воде, донных отложениях, биоте.

Ключевые слова: сезонная динамика, пространственно-временное распределение тяжелых металлов, компоненты водных экосистем.

Введение

Состав природной воды в качественном и количественном отношении зависит от среды, в которой происходит его формирование. Степень влияния того или иного процесса на формирование химического состава воды будет зависеть от конкретных естественных условий, в которых она находится. Непосредственное влияние различных загрязняющих веществ на качественный состав воды также является определяющим фактором.

К одним из основных загрязняющих веществ водных экосистем относятся тяжелые металлы (ТМ). Пространственное распределение ТМ индивидуально для каждой речной экосистемы и зависит от характера водосбора, гидрологического и гидрохимических режимов [1].

Основными составляющими компонентами водных экосистем, участвующих в пространственно-временном распределении тяжелых металлов, являются вода (водный раствор с взвешенными веществами), донные отложения и биота (фито- и зообентос, фито- и зоопланктон). Способность ТМ к комплексообразова-нию, процессам гидролиза, миграции по компонентам приводит к тому, что они не покидают водные экосистемы и являются сильнейшими по действию поллютантами [2].

Исследование сезонных изменений содержания тяжелых металлов в компонентах водных экосистем и выявление факторов, которые регулируют концентрацию металлов в

природных водах, химическую реакционную способность ТМ, их биологическую доступность и токсичность, является актуальным для решения определенного ряда экологических проблем.

Цель и задачи работы - исследование сезонной динамики и влияния определенных факторов (температуры, ^Н, карбонатной жесткости) на содержание тяжелых металлов (Fe, Zn, ^, №, О) в воде, донных отложениях и биоте малых рек Ульяновской области (на примере р. Свияга и её притоков); установление характера распределения ТМ между компонентами водных экосистем.

Объекты и методы исследования

Река Свияга является одним из притоков р. Волга. Исток р. Свияга находится на территории Ульяновской области (Кузоватовский район) и начинает своё течение на Сурской шишке Приволжской возвышенности и впадает в Волгу на территории Республики Татарстан [3].

Река Свияга для населения Ульяновской области выполняет важные функции: является объектом рекреации, источником воды для объектов промышленности и приемником для сточных вод предприятий. Объектами наших исследований стали р. Свияга и её притоки (Гуща, Сельдь, Бирюч). Определение содержания ТМ проводили в пробах воды, донных отложениях (ДО), биоте.

Рис. 1. Районы отбора проб на участке бассейна р. Свияга: 1 - исток р. Свияга, 2 - впадение р. Гуща, 3 - с. Б. Ключищи, 4 - Засвияжский р-н г. Ульяновска, 5 - Центральный р-н г. Ульяновска, 6 - впадение р. Сельдь, 7 - р.п. Ишеевка, 8 - впадение р. Бирюч

Отбор проб воды и ДО осуществляли в весенний, летний и осенний периоды 2009 года. Образцы высшей водной растительности (Elodea Canadensis) и моллюсков (рода Unio) отбирали в августе месяце исследуемого года. Отобранных моллюсков замораживали и доставляли в лабораторию для анализа. Отбор проб воды проводили согласно ГОСТ Р 515922000, донных отложений - ГОСТ 17.1.5.01-80. За исследуемый период общее количество проб воды составило 132 образца; донных отложений

- 132; образцов биоты - 58.

Валовое содержание ТМ (Fe, Zn, Cu, Ni, Cr) в пробах воды, донных отложениях и биологических образцах определяли атомно-абсорбционным методом на спектрометре «Спектр-5М» по методике ПНД Ф 16.1:2.2:2.3:3.36-02. Пробоподготовку биологического материала для физико-химического анализа проводили согласно ГОСТ 26929-94. Определение рН среды в пробах воды и водной вытяжке ДО проводили потенциометрическим методом на ионо-мере ИПЛ 301 по методикам ПНД Ф 14.1:2:3:4.121-97 (для воды), ГОСТ 26423-85 (для водной вытяжки ДО). Карбонатную жёсткость (Жк) в пробах воды определяли титри-метрическим методом согласно ГОСТ 524072005.

Коэффициенты биологического поглощения (КБП) тяжелых металлов биотой относительно ДО и воды рассчитывали по уравнению К = Сх/Со, где Сх и Со - концентрации ТМ в золе

биоты и ДО (воде) соответственно [4]. Результаты анализов обрабатывали с помощью программы Microsoft Excel с вычислением среднего арифметического значения (x ), его отклонения (d = x- x ), стандартного отклонения

(S = д/ X d 2/(n-1)) и доверительного интервала

(x ±sa или x ±S  taKln). Значение заданной

доверительной вероятности a = 0.95. Статистическая обработка экспериментальных данных осуществлена с помощью программы STATISTIKA 6.1.

Результаты и их обсуждение

Исследуемый участок бассейна р. Свияга на территории Ульяновской области был разделен на 8 районов. Районы отбора проб воды, ДО, гидробионта на р. Свияга и её притоках (Гуща, Сельдь, Бирюч) показаны на рис. 1. Точки отбора проб выбраны с учетом возможных изменений геологического строения бассейна, источников поступления тяжелых металлов, морфометрических характеристик реки.

При исследовании сезонной динамики содержания тяжелых металлов (Fe, Zn, Cu, Ni, Cr) в воде и ДО р. Свияга использовали коэффициент вариации (Cv). Коэффициент вариации позволяет сравнить изменчивость признака, выраженного разными единицами измерения (в воде

- мг/л; ДО - мг/кг) [4]. При сильно асим-

метричных рядах распределения СЛГ может достигать 100%. Варьирование считается слабым при С < 10%, средним при С « 11^25% и значительным при С > 25% [5].

Полученные нами данные показывают, что в сезонной динамике наибольшее варьирование содержания ТМ в воде и ДО отмечается по железу (100% - в воде, 54.5% - в ДО) и хрому (102.9 - в воде, 93.44 - в ДО), среднее - по меди (14.6% - в воде, 21.8 - в ДО). Сравнивая коэффициенты вариации в воде и ДО, установили, что сезонное влияние на содержание ТМ в воде и ДО р. Свияга выражается общей тенденцией С^в воде) > С^в ДО) (исключение составляет медь).

Наиболее подвержено сезонным изменениям содержание ТМ в воде (чем в донных отложениях), которые можно отследить по влиянию определенных факторов (температуры, рН, Жк). В зависимости от характера распределения ТМ между компонентами (вода и ДО) р. Свияга и её притоков можно выделить две основные группы исследуемых металлов: №, Zn (первая группа); Fe, &, ^ (вторая группа).

Для первой группы металлов (№, Zn) характер сезонного распределения (с мая по ноябрь) между водой и ДО имеет общие тенденции. В сезонной динамике наблюдается либо одновременное увеличение содержания металла в воде и ДО, либо одновременное его снижение в компонентах водной экосистемы.

В ходе проведения исследований было установлено, что увеличение содержания никеля в воде и ДО наблюдается в августе, а снижение -в ноябре. На основании проведенного корреляционного анализа установлены положительные коэффициенты корреляции между температурой и содержанием никеля в воде (гху = 0.846, р < 0.05) и ДО (г,^ = 0.624, р < 0.05), что указывает на возможность протекания в летний пери-

од процессов, связанных с температурным повышением растворимости никеля из породы и поступлением его в водную экосистему. Корреляционная зависимость от рН и Жк не носит явного характера.

Сезонная динамика (с мая по ноябрь) по цинку наблюдается с уменьшением его содержания в воде и ДО. Корреляционным анализом установлены отрицательные коэффициенты корреляции (гху) в отношении содержания цинка в ДО и Жк (гху = -0.564,р < 0.1); между содержанием цинка в воде и рН воды (гху = -0.403, р < 0.1). В сезонной динамике наблюдается повышение значений рН воды, и снижение содержания цинка в воде происходит за счет образования нерастворимых гидроксидов и процессов сорбции в ДО, с последующим возможным его вымыванием из ДО и распространением по бассейну р. Свияга.

Вторая группа металлов ^є, &, ^) характеризуется специфичностью распределения каждого из металлов между компонентами (водой и ДО) водной экосистемы.

Исследования сезонной динамики показали, что в воде наблюдается увеличение содержания железа в августе и снижение в ноябре; в ДО происходит снижение содержания железа в августе и увеличение в ноябре (рис. 2). Установленная отрицательная корреляция между содержанием железа в воде и ДО (гщ = -0.78, р < 0.05) свидетельствует о сорбционном характере самоочищения реки.

Анализом множественной регрессии установлено, что на содержание железа в ДО оказывают влияние Жк (йух = -1.45, р < 0.05) и рН (Ьух = 0.97, р < 0.05). В августе наблюдается увеличение Жк с 4.81 ммоль/л до 6.26 ммоль/л, рН с 7.95 до 8.4. Водосбор р. Свияга и её притоков характеризуется широким распространением юрских, меловых и третичных пород, пере-

Районы

Рис. 3. Сезонная динамика содержания хрома: а - в донных отложениях, б - в воде

крытых с поверхности четвертичными отложениями. Выходы на поверхность меловых отложений обусловливают её гидрокарбонатный характер и, соответственно, высокие показатели рН.

Увеличение Жк и рН приводит к образованию гидрокарбонатов железа с последующими процессами гидролиза и образованием гидроксидов железа, которые в виде малорастворимых соединений могут сорбироваться в ДО. Из образуемых в пресных природных водах соединений железа наименьшей константой устойчивости обладает комплекс FeНСОз2+ (^Куст. = 5.00), в результате гидролиза которого образуются малорастворимые гидроксиды железа [6]. Это объясняет увеличение содержания железа в ДО и его снижение в воде (в ноябре).

Температурный фактор также оказывает влияние на процессы сорбции/десорбции железа в ДО, что подтверждается отрицательным коэффициентом корреляции между температурой и содержанием железа в ДО (гху = -0.721, р < 0.05).

В сезонной динамике содержания хрома установлено, что максимальное его содержание в воде и ДО наблюдается в ноябре месяце. Резкое снижение содержания хрома в ДО происходит в августе (рис. 3) и его содержание в воде составляет минимальные значения (С < 0.002 мг/л).

Определены отрицательные коэффициенты корреляции между температурой и содержанием хрома в воде (г^ = -0.919, р < 0.05) и ДО (Гху = -0.947, р < 0 .05). Установлены коэффициенты регрессии между содержанием хрома в воде и температурой (йух = -0.66, р < 0.1); между содержанием хрома в ДО и температурой (Ьух = -1.17, р < 0.1). Из установленных коэффициентов регрессии видно, что наибольшее влияние температурного фактора наблюдается на процессы сорбции хрома в ДО. При повыше-

нии температуры в летний период в водной экосистеме протекают всевозможные окислительно-восстановительные реакции, в которых может участвовать хром. При восстановлении хрома (+6) может образовываться нерастворимое комплексное соединение ^^^2+, которое будет сорбироваться в ДО (^Куст. = 17.8), повышенное значение рН = 8.4 способствует этому образованию [6]. Это объясняет минимальные значения содержания хрома в воде в августе.

При исследовании сезонной динамики содержания меди в воде установлено, что происходит его снижение с мая по ноябрь (рис. 4б). Подобная тенденция снижения содержания в воде наблюдалась у цинка. Для малых рек Ульяновской области характерно снеговое питание, сопровождающееся малой минерализацией воды с преобладанием в воде ионов НСО3. Наличие высокогумусированных почв, которые богаты ^ и Zn, может обусловливать их поступление в речную сеть вместе со смывом почвы в период весеннего половодья [7]. Влияние изложенных геохимических факторов также объясняет увеличение содержания меди в ДО в августе месяце и снижение в ноябре (рис. 4а).

Многие физические и химические процессы, связанные с поступлением, содержанием, распределением тяжелых металлов, в водных экосистемах регулируются биотическими факторами или, в определенной мере, подвержены их воздействию. Для гидробиологического анализа качества вод могут быть использованы практически все группы организмов, населяющих водоемы [8].

Используя расчётную величину - коэффициент биологического поглощения ТМ биотой относительно воды и ДО, удалось установить определенную закономерность. КБП металлов в моллюсках относительно воды располагаются в

Районы Районы

Рис. 4. Сезонная динамика содержания меди: а - в донных отложениях, б - в воде

Таблица

Коэффициенты биологического поглощения ТМ в элодее канадской и моллюсках р. Свияга

Биота/ компоненты экосистемы Коэффициент биологического поглощения

железо цинк медь никель хром

Моллюски/ вода 40.6+/-2.8 21.1+/-1.0 18.4+/-0.92 16.9+/-1.0 33.2+/-1.9

Моллюски/ ДО 39.0+/-2.7 0.7+/-0.03 0.4+/-0.02 0.2+/-0.01 1.0+/-0.04

Элодея/вода 176.4+/-12.3 102.3+/-5.1 90.4+/-4.5 13.0+/-8.3 99.4+/-6.8

Элодея/ДО 315.7+/-22.1 6.2+/-0.3 1.9+/-0.1 0.71+/-0.04 10.4+/-0.52

ряд: Fe > & > Zn > Си > №і; в элодее канадской Fe > № > Сг > Zn > Си. КБП металлов в моллюсках относительно ДО располагаются в ряд: Fe > Сг > Zn > Си > №і; в элодее канадской Fe > Zn > Сг > Си > №і.

Коэффициенты биологического поглощения ТМ в элодее канадской и моллюсках р. Свияга приведены в таблице.

Установлена положительная корреляция между содержанием ТМ в моллюсках и воде (ДО). Коэффициенты корреляции для моллюск/ДО по меди гху = 0.719 (р < 0.05), хрому гху = 0.592 (р < 0.1), железу гху = 0.46 (р < 0.1). По цинку и никелю характерной корреляционной зависимости не наблюдается.

Из приведенных данных следует, что зависимость КБП металлов в моллюсках от содержания соответствующих ТМ в воде и ДО неоднозначна. Различие КБП обусловлено специфическим поведением ТМ в природных водах. Это можно объяснить на примере хрома, который содержится в воде в виде аниона Сг042-, малоспособного к комплексообразованию, и становится более доступным для гидробионтов [2].

На экологическое состояние и качество воды в р. Свияга оказывают влияние её притоки - р. Гуща, р. Сельдь, р. Бирюч [9]. За исследуемый период сезонная динамика содержания ТМ в

трёх исследуемых притоках (за исключением меди) имеет общие тенденции с сезонной динамикой р. Свияга.

Установлена зависимость между содержанием меди в воде (ДО) и геологической породой путём расчета бисериального коэффициента корреляции (ГЬк).

По сезонной динамике содержания меди в воде и ДО притоки (р. Гуща, р. Сельдь) имеют подобную закономерность. Содержание меди в воде и ДО увеличивается в августе, уменьшается в ноябре. Установленный бисериальный коэффициент корреляции между породой и содержанием меди в ДО (гЬк = 0.630, р < 0.05) подтверждает вероятность влияния породы, специфику распространения меди в почвенном покрове и накопления в компонентах водных экосистем Ульяновской области.

Выводы

1. Исследована сезонная динамика содержания тяжёлых металлов ^е, Zn, Си, №і, Сг) в воде, донных отложениях, биоте р. Свияга и её притоков на территории Ульяновской области. Через расчётный коэффициент вариации показано, что в сезонной динамике наибольшее варьирование содержания ТМ в воде и ДО отмечается по железу и хрому, среднее - по меди.

2. Путём проведения корреляционного и регрессионного анализов установлена зависимость влияния определенных факторов (температуры, рН, карбонатной жесткости) и характера распределения ТМ между компонентами водных экосистем. Характер влияния данных факторов в целом показал, что повышение их значений приводит к сорбционным процессам ТМ в донные отложения. При этом наблюдаемое снижение содержания ТМ в воде может говорить о сорбционном характере самоочищения р. Свияга и её притоков.

3. Используя коэффициенты биологического поглощения ТМ биотой относительно воды и ДО, установили, что коэффициенты биологического поглощения в отношении биота/вода выше, чем биота/ДО.

Таким образом, наблюдаемые характерные тенденции в сезонном распределении исследуемого ряда ТМ в компонентах р. Свияга и её притоках указывают на наличие общих факторов, влияющих на формирование химического состава воды и ДО, для понимания которых необходимо знать особенности пространственно-временного распределения металлов на исследуемом участке бассейна р. Свияга.

Список литературы

1. Алекин О.А. Основы гидрохимии. Л.: Гидро-метеоиздат, 1953. 297 с.

2. Филенко О.Ф., Михеева И.В. Основы водной токсикологии. М.: Колос, 2007. 144 с.

3. Экологические проблемы малых рек Республики Татарстан (на примере Меши, Казанки и Свияги) / Под ред. В.А. Яковлева. Казань: Изд-во ФЭН, 2003. 289 с.

4. Перельман А.И. Геохимия природных вод. М.: Наука, 1982. 154 с.

5. Лакин Г. Ф. Биометрия: Учебное пособие для биол. спец. вузов. 4-е изд., перераб. и доп. М.: Высшая школа, 1990. 352 с.

6. Линник П.Н., Набиванец Б.И. Формы миграции металлов в природных водах. Л.: Гидрометеоиздат, 1986. 271 с.

7. Горбачев В.Н., Бабинцева Р.М., Карпенко В.Д., Карпенко Л.В. Экологические проблемы экологии (патология почв). Ульяновск: Изд-во УлГУ, 2008. 141 с.

8. Ваганова Е.С., Ваганов А.С., Кузнецов П.Н., Давыдова О.А., Климов Е.С. Экологическое состояние водных объектов Ульяновской области // Современные наукоемкие технологии. 2010. № 7. С. 78-79.

9. Ваганова Е.С., Климов Е.С., Давыдова О.А. Динамика загрязнения водных объектов промышленными стоками предприятий машиностроения // Изв. вузов. Северо-Кавказский регион. Сер. технические науки. 2009. № 2. С. 98-100.

SEASONAL DYNAMICS OF HEAVY METAL ALLOCATION IN COMPONENTS OF THE ULYANOVSK REGION SMALL RIVERS

E.S. Vaganova

Seasonal dynamics of heavy metal (Fe, Zn, Cu, Ni, Cr) content has been shown in water and bottom sediments of the Ulyanovsk region small rivers. The heavy metal content in higher aquatic vegetation (Elodea canadensis) and mussels (the genus Unio) has been analyzed. The investigated heavy metals have been found to have characteristic seasonal allocation patterns in aquatic ecosystem components. The influence of some factors (temperature, pH, carbon hardness) on the processes of heavy metal allocation and accumulation in water, bottom sediments and biota has been revealed by correlation analysis.

Keywords: seasonal dynamics, spatio-temporal distribution of heavy metals, components of aquatic ecosystems.