Результаты исследования водных организмов на содержание тяжелых металлов в условиях разной степени антропогенной нагрузки

Полная исследовательская публикация ___________ Калайда М.Л., Урядова Л.Ф. и Асхадуллина А.Р.

Размещено на http://www.allbest.ru/

64 ______________ http://butlerov.com/ ______________ ©--Butlerov Communications. 2010. Vol.22. No.12. P.61-66.

Тематический раздел: Биохимия. Полная исследовательская публикация

Подраздел: Экологическая химия. Регистрационный код публикации: 10-22-12-61

г. Казань. Республика Татарстан. Россия. _________ ©--Бутлеровские сообщения. 2010. Т.22. №12. _________ 61

Результаты исследования водных организмов на содержание тяжелых металлов в условиях разной степени антропогенной нагрузки

Калайда Марина Львовна,¹*⁺ Урядова Людмила Федоровна² и Асхадуллина Альфия Рауфовна¹

Аннотация

Изучена проблема загрязнения поверхностных вод тяжелыми металлами и их концентрации в гидробионтах. Рассмотрено содержание различных элементов в зольном остатке (% по массе) гидробионтов собранных в озерах Нижний и Средний Кабан г. Казани: рогозе узколистном, образцах мягкого и твердого зообентоса и образцах молоди рыб. Проведено сравнение содержания изученных элементов с аналогичными данными по другим регионам.

Ключевые слова: загрязнение окружающей среды, тяжелые металлы, гидробионты, рентгенофлуоресцентный анализ, концентрации загрязняющих веществ, пищевые (трофические) цепи.

загрязнение вода поверхностный металл

Введение

В последние годы к наиболее опасным загрязнителям окружающей среды относят ионы тяжелых металлов, поступление которых неуклонно возрастает в результате антропогенного воздействия на окружающую среду. Тяжелые металлы имеют тенденцию к накоплению в водных экосистемах [1-3]. Сохраняясь в течение длительного времени, металлы мигрируют по звеньям общей цепи циркуляции веществ в водоеме и в конечном итоге аккумулируются в ее завершающем звене - рыбах. Рыбы, как известно, являются высшими, часто конечными звеньями трофических цепей в водных экосистемах [6].

Попадая в организм животных (в том числе и рыб) в количествах, превышающих определенные дозы, тяжелые металлы могут не только вызвать множество различных заболе-ваний непосредственно данного индивида, но и отрицательно влиять на его потомство. В силу этих причин тяжелые металлы относятся к наиболее опасным токсикантам [3]. Гидробионты способны аккумулировать тяжелые металлы даже в тех случаях, когда содержание их в водной экосистеме не превышает установленных норм. В связи с этим возникает серьезная угроза здоровью человека, так как рыба - один из основных продуктов питания [6].

Следует также отметить, что источником поступления тяжелых металлов в живые организмы могут служить искусственные корма, получаемые путем переработки загрязнен-ного рыбного сырья [6, 8].

В экосистеме любого водоема складываются определенные пищевые отношения между всеми ее компонентами, которые обычно рассматриваются как трофические (пищевые) цепи [6].

Тяжелые металлы совершают круговорот, никуда не исчезая, а лишь мигрируя по различным звеньям. Основные пути миграции токсикантов можно видеть из схемы на рис. 1.

Рис. 1. Основные пути миграции токсикантов в водной экосистеме озера

Общий уровень загрязненности вод в Куйбышевском водохранилище в районе г. Казани оценивается в последний период на уровне 4 “а” класса качества, воды характеризуются как “грязные”. Превышение предельно допустимых концентраций вредных веществ в водах водных объектов рыбохозяйственного значения наблюдалось по 10 ингредиентам химичес-кого состава воды. Наибольшую долю в общую оценку степени загрязнение воды вносили соединения меди. Превышение средних годовых и максимальных предельно допустимых концентраций загрязняющих веществ в воде рыбохозяйственных водных объектов (ПДК р.х.) составляло соответственно: для соединений меди - 6.7 и 14.0, нефтепродуктов - 1.9 и 4.2, соединений марганца - 1.4 и 3.9, азота нитритного - 0.7 и 3.2.

В водах озер (оз.) Средний и Нижний Кабан в г. Казань выявлено превышение по содержанию нитритов - до 19.9 ПДК_р.х., меди - до 10.1 ПДК_р.х., марганца - до 46 ПДК_р.х. [1].

Рыба поставляет в рацион человека значительную часть животного белка и является источником биологически активных веществ, в том числе микроэлементов. В состав этих микроэлементов входят тяжелые металлы, которые в результате загрязнения окружающей среды могут накапливаться в тканях рыб до концентраций, превышающих жизненно необхо-димые, и выступать как вредные примеси. В соответствии с требованиями, предъявляемыми Международной комиссией Всемирной организации здравоохранения по пищевому кодексу, наиболее важен контроль содержания в пищевых продуктах следующих микроэлементов: кадмия, свинца, меди, цинка, ртути [6].

Целью работы являлось изучение химического состава водных организмов в условиях разной степени антропогенного загрязнения территории.

Задачи, решаемые в работе:

Ш исследование химического состава рогоза узколистного, организмов мягкого и твердого зообентоса, молоди карповых рыб озера в городской черте.

Ш сравнение концентраций загрязняющих веществ в гидробионтах с другими регионами.

Экспериментальная часть

Проведено исследование 10 образцов рогоза узколистного, 10 образцов мягкого бентоса (личин-ки хирономид), 9 образцов твердого зообентоса (моллюски) и 5 образцов молоди рыб на полный химический анализ собранных в июне 2009 г. с оз. Нижний и Средний Кабан г. Казани. Оз. Нижний Кабан принят за контрольный участок, оз. Средний Кабан, играющий заметную роль в жизнедеятель-ности города (водопотребление, водоотведение), за участок водосбросов. Из этого водоема забирают воду на технологические нужды такие крупные промышленные объекты филиал ОАО “Генерирующая компания” Казанская ТЭЦ-1, ОАО Нефис-Косметикс (Казанский химкомбинат им. Вахитова), Казанс-кий завод резинотехнических изделий.

Для определения содержания тяжелых металлов в гидробионтах, использовались объекты, собранные в июне 2009 года. Подготовка и озоление материала проводились по ГОСТ 26929-94 [7]. Исследование содержания тяжелых металлов проводилось методом рентгенофлуоресцентного анализа [9].

Результаты и их обсуждение

Проведенное исследование рогоза узколистного выявило наличие в химическом составе таких элементов как: P, S, K, Ca, Ti, Mn, Fe, Cu, Zn, Sr (рис. 2).

Рис. 2. Содержание (% по массе) химических элементов в рогозе узколистном, произрастающем в прибрежной зоне озер Нижний и Средний Кабан

Как видно из приведенных данных на рис. 2 в составе рогоза из разных оз. встречается одинаковый набор элементов, содержание элементов различно. В порядке убывания элементы в зольном остатке рогоза узколистного можно представить в виде следующего ряда: Ca > Mn > K > Fe >Р> S > Ti > Zn > Sr> Cu. Основную долю по массе в зольном остатке рогоза узколистного составляет кальций (рис. 2).

На рис. 3 представлены массовые доли в рогозе узколистном тяжелых металлов: марганец, железо, титан, цинк, медь. Кроме того, в зольном остатке рогоза узколистного были обнаружены такие токсичные элементы как хром, никель, кобальт, рубидий, однако они встречались в следовых количествах.

В составе рогоза узколистного также обнаружены марганец, железо, титан (рис. 3). Для озера Средний Кабан содержание марганца - 3%, железа - 1.7%, титана - 0.14%, для оз. Нижний Кабан содержание марганца - 1.6%, железа - 1.1%, титана - 0.09%. Характерна следующая последовательность содержания тяжелых металлов (по массе в зольном остатке): Mn > Fe > Ti > Zn > Cu.

Анализ литературы [5, 10] показал, что способность макрофитов Среднего Поволжья к накоплению химических элементов достаточно велика. Наиболее активно накапливают макроэлементы (К, Мg, Na, Cl) сусак зонтичный, рдест пронзеннолистный, рогоз узколистный и камыш озерный, а микроэлементы (Fe, Mn) - камыш озерный и сусак зонтичный. Прибрежные макрофиты с хорошо развитой корневой системой являются концентраторами меди (в среднем 36.6 мг/кг сухого веса), а погруженные растения - железа (среднее содержание 1068 мг/кг).

Ряд авторов [5, 11] приводят список растений - индикаторов различных элементов. Рогоз узколистный является значительным накопителем железа, ванадия, кобальта.

Для высших водных растений характерна последовательность концентраций тяжелых металлов в зольном остатке: Mn > Fe > Zn > Cu > Cr [5]. В рогозе из охраняемых озер Республики Татарстан концентрации тяжелых металлов в зольном остатке были представлены в виде следующего ряда: Mn > Fe > Zn > Cu > Ni > Pb > Cd [2].

Сравнивая концентрации марганца, железа, титана, цинка, меди в озерах Средний и Нижний Кабан можно отметить, что в зольном остатке рогоза узколистного отобранного на станциях оз. Средний Кабан массовые доли были выше, чем в зольном остатке рогоза из оз. Нижний Кабан (рис. 3).

При этом как для рогоза из одного, так и для рогоза из другого оз. отмечается следую-щая последовательность содержания тяжелых металлов: Mn > Fe > Ti > Zn > Cu.

Рис. 3. Содержание (% масс.) тяжелых металлов в рогозе узколистном с озер Нижний и Средний Кабан

В химическом составе личинок хирономид из оз. Нижний Кабан обнаружены элементы Si, P, S, K, Ca, Ti, Mn, Fe, Cu, Zn, из оз. Средний Кабан обнаружены Si, P, S, K, Ca, Ti, Mn, Fe, Cu, Rb, Sr, Zr. В табл. 1 представлено содержание химических элементов (% масс.) в личинках хирономид из разных озер.

Табл. 1. Химический состав (% масс.) зольного остатка личинок хирономид

Анализ данных, приведенных в табл. 1 показывает, что элементы рубидий, стронций, цирконий присутствуют в зольном остатке личинок хирономид из оз. Средний Кабан, и отсутствуют в зольном остатке личинок хирономид из оз. Нижний Кабан. Вероятно, это связано с различиями с разной степенью антропогенной нагрузки на эти водные экосистемы.

Наибольшая концентрация среди тяжелых металлов в зольном остатке личинок хирономид отмечается у железа, которое составляет 0.13-1.6% масс. Значительно в меньших концентрациях найдены титан, марганец, цинк, медь. Как видно из приведенных данных в табл. 1 в оз. Средний Кабан концентрации в зольном остатке личинок хирономид тяжелых металлов значительно выше, чем в личинках из оз. Средний Кабан. Так меди в зольном остатке личинок из озера Средний Кабан в 10 раз больше, чем в личинках из оз. Нижний Кабан, соответственно цинка в 15.7 раза, марганца в 11 раз, а цирконий встречен только в личинках хирономид из оз. Средний Кабан.

В результате исследования химического состава в зольном остатке моллюсков обнаружены элементы (% масс.): Ca, Fe, Ni, Со, Mn, Sr, Сu, Cr. Наибольшая концентрация среди элементов в зольном остатке моллюсков отмечается у кальция, который составил 35.3-40.2% масс. На рис. 4 представлены содержания элементов без кальция. Остальные элементы встречаются в меньших количествах.

Можно отметить, что у брюхоногих моллюсков из двух рассмотренных озер отмечаются разные соотношения по массе тяжелых металлов в зольном остатке. Так, если железа в зольном остатке моллюсков из оз. Нижний Кабан больше, то кобальт отмечен только у моллюсков из оз. Средний Кабан. Сравнивая химический состав личинок хирономид (детри-тофагов) и моллюсков (фитофагов) отмечается различный набор тяжелых металлов в составе зольного остатка. Так, если такие элементы как железо и марганец отмечены у личинок хирономид и моллюсков, такие элементы, как цинк, цирконий были встречены только у личинок хирономид, а кобальт, хром, никель - только у моллюсков.

Рис. 4. Соотношение (% масс.) тяжелых металлов в моллюсках с озер Нижний и Средний Кабан без учета кальция

Металлы, содержащиеся в зольном остатке моллюсков из озера Нижний Кабан, можно представить в виде следующего ряда: Fe > Ni > Mn > Cu > Cr, из оз. Средний Кабан Fe >> Mn > Co. Таким образом, можно отметить большее разнообразие тяжелых металлов в моллюсках из оз. Нижний Кабан по сравнению с моллюсками из оз. Средний Кабан.

В результате исследования химического состава молоди рыб из оз. Нижний Кабан было выявлено наличие элементов: P, S, K, Ca, Ti, Mn, Fe, Cu, Zn, Sr (рис. 5).

Основную долю по массе в зольном остатке молоди карповых рыб составляют кальций (1%) и фосфор (0.53%) (рис. 5).

Рис. 5. Соотношение (% масс.) химических элементов в молоди карповых рыб из озера Нижний Кабан

Содержание элементов в зольном остатке молоди рыб из оз. Нижний Кабан можно представить в виде следующего ряда: Ca > P > S > Fe > K > Sr > Ti > Mn > Zn > Cu.

Полученные данные показывают наличие в молоди рыб железа (0.03%), стронция (0.02%), титана (0.01%), магния (0.01%), цинка (0.004%) и меди (0.002%). Металлы, обнару-женные в зольном остатке молоди карповых рыб, могут быть представлены в виде следую-щего ряда концентраций по убыванию: Fe > Sr > Ti > Mn > Zn > Cu.

В литературе [8] для рыб основных экологических групп ихтиофауны среднее содер-жание токсичных металлов в порядке их убывания в тканях и органах представлено как Fe > Zn > Cu > Mn.

Сравнительные данные состава зольных остатков исследованных объектов из озер с разной степенью антропогенной нагрузки представлены в табл. 4.

Табл. 4. Содержание тяжелых металлов в гидробионтах и в рогозе узколистном, собранных из озер Нижний и Средний Кабан

Как видно из приведенных данных концентрации тяжелых металлов максимальны в растительной биомассе. Наибольшее разнообразие тяжелых металлов отмечено в составе моллюсков, в которых обнаружены никель, хром и кобальт - не встреченные в других образцах. Анализ приведенных данных показывает наличие в больших концентрациях таких элементов как марганец, железа и цинка. Для водоемов региона характерны высокие концентрации в воде меди, марганца. Это проявляется и в химическом составе зольных остатков гидробионтов. Так концентрации марганца варьирует от 2514-5000 мг/кг сухой массы рогоза узколистного. Если в рогозе концентрации марганца выше в оз. Нижний кабан, то у личинок хирономид и моллюсков - в оз. Средний Кабан.

Выводы

1. Антропогенные нагрузки на водные экосистемы значительно влияют на концентрацию тяжелых металлов в гидробионтах.

2. При планировании зон рекреации городов и оценки перспектив использования водоемов необходимо учитывать концентрации загрязняющих веществ в гидробионтах.

Литература

[1] Государственный доклад о состоянии природных ресурсов и об охране окружающей среды РТ в 2007 году. Казань: Изд-во “Заман”. 2008. 476с.

[2] Иванов Д.В., Зиганшин И.И. Распределение металлов в органах рогоза узколистного и широколистного охраняемых озер Республики Татарстан. Актуальные и экологические проблемы Республики Татарстан: тезисы докладов VII республиканской научной конференции. Казань: Изд-во “Отечество”. 2007. С.74-75.

[3] Предельно допустимые концентрации вредных веществ в воздухе рабочей зоны: Гигиенические нормативы. ГН 2.2.5.1313_03. М: Российский регистр потенциально опасных химических и биологических веществ Минздрава России. 2003. 268с.

[4] Черных Н.А., Сидоренко С.Н. Экологический мониторинг токсикантов в биосфере: Монография. М.: Изд-во РУДН. 2003. 430с.

[5] Экологическая биотехнология: очистка природных и сточных вод макрофитами. Сост. Н.В. Морозов. Казань: Изд-во КГПУ. 2001. 396с.

[6] Методические указания по очистке искусственными сорбентами рыбного сырья, загрязненного тяжелыми металлами. Санкт-Петербург. 1997. 24c.

[7] ГОСТ 26929 - 94. Сырье и продукты пищевые. Подготовка проб. Минерализация для определения содержания токсичных элементов. М.: Изд-во стандартов. 1994. 12с.

[8] Говоркова Л.К. Выявление факторов накопления тяжелых металлов в органах рыб различных трофических групп: Автореф. дис. канд. биол. наук. Казань. 2004. 21с.

[9] Калайда М.Л., Бариева Р.Н. Исследование листового опада березы повислой на содержание тяжелых металлов в условиях разной степени антропогенной нагрузки. Бутлеровские сообщения. 2010. Т.22. №10. С.59-66.

[10] Калайда М.Л., Борисова С.Д. Аккумулирование загрязняющих веществ водными растениями и возможности утилизации растительной массы. Бутлеровские сообщения. 2010. Т.21. №9. С.33-39.

[11] Титова Л.М. Радиоэкологическое и химическое исследование гидрофлоры водоемов степной зоны Украины: Автореф. дис. канд. биол. наук. Днепропетровск. 1971. 18с.

Размещено на Allbest.ru