Scientific journal
Fundamental research
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,441

ABOUT THE CONTENTS OF DIFFERENT FORMS OF LEAD AND CADMIUM IN ABITICHESKIH ECOSYSTEM COMPONENTS VOLGOGRAD RESERVOIR

Novikov V.V. 1 Zvolinsky V.P. 1 Puchkov M.Y. 1 Loktionova E.G. 2
1 All-Russian Institute of irrigated vegetable and melon
2 Astrakhan State University
Тяжелые металлы являются опасными поллютантами из-за своей токсичности и способности к биоаккумуляции. Изучены соотношения растворенных и взвешенных форм свинца и кадмия в воде, а также водорастворимых, кислоторастворимых и валовых форм свинца и кадмия в донных отложениях и почвах прибрежной зоны. Пробы поверхностной воды, донных отложений и почв были отобраны в двух точках нижней части Волгоградского водохранилища на территории города Волжский. Эти точки различаются антропогенной нагрузкой и гидрологическими условиями. Анализ проб осуществлялся методом инверсионной вольт­амперометрии. Основная часть свинца (98–99 %) находится во взвешенной форме, что объясняется высоким содержанием взвешенных веществ. В почвах и в донных отложениях наибольшее содержание отмечено для кислоторастворимой формы свинца, а наименьшее – для водорастворимой. Показано, что содержание свинца в высшей водной растительности Волгоградского водохранилища достигает нескольких десятков мг/кг. Содержание кадмия в поверхностной воде, а также водорастворимых, подвижных и кислоторастворимых форм кадмия в почвах и донных отложениях было ниже предела количественного обнаружения. Были количественно определены содержание растворенного кадмия в поровой воде донных отложений и валовые формы в почвах и донных отложениях.
Heavy metals are hazardous pollutants because of their toxicity and ability to bioaccumulate. Studied the relation of dissolved and suspended forms of lead and cadmium in water, and water-soluble, acid-soluble and total forms of lead and cadmium in sediments and soils of the coastal zone. Samples of surface water, sediment and soil were taken at two points in the bottom of the Volgograd reservoir in the city of Volga. These points vary by the load and hydrological conditions. Analysis of the samples was performed by stripping voltammetry. The main part of the lead (98–99 %) in suspension form, is due to high content of suspended solids. In soils and sediments was observed for the highest concentration of acid-soluble forms of lead, and the lowest – for water. It is shown that the lead content of aquatic vegetation Volgograd reservoir reaches several tens of mg/kg. Cadmium concentration in the surface water, and water-soluble, mobile and acid soluble forms of cadmium in soils and sediments was below the detection limit of quantification. Were quantified dissolved cadmium in the pore water of sediments and gross forms in soils and sediments.
sediment
soil
heavy metals
lead
cadmium
bioaccumulation
aquatic vegetation
volamperometriya
form held
1. Doklad o sostojanii okruzhajushhej sredy Volgogradskoj oblasti v 2008 godu. Red. koll.: V.I. Novikov i dr.; Komitet prirodnyh resursov i ohrany okruzhajushhej sredy Administracii Volgogradskoj oblasti. Volgograd: Panorama, 2009. 384 p.
2. Zvolinskij V.P., Chernyh N.A., Novikov V.V., Kochetkova A.I. Nekotorye osobennosti nakoplenija tjazhjolyh metallov makrofitami Volgogradskogo vodohranilishha. Jekologicheskie problemy i social’no-jekonomicheskie aspekty obustrojstva i razvitija aridnyh territorij Rossijskoj Federacii : materialy Mezhdunar. nauch.-prakt. konf. «Aridnoe zemlepol’zovanie – sposoby i tehnologii intensifikacii», Prikaspijskij NII aridnogo zemledelija, s. Soljonoe Zajmishhe, 4-6 avgusta 2009 g. Moskva: Izd-vo «Vestnik Rossijskoj akademii sel’skohozjajstvennyh nauk», 2009, P. 113–117.
3. Kurljandskij B.A. Strategicheskie podhody k obespecheniju bezopasnosti proizvodstva i ispol’zovanija himicheskih veshhestv dlja zdorov’ja cheloveka, Rossijskij himicheskij zhurnal. T. XLVIII. 2004., no 2, рр. 8–15.
4. Loktionova E.G., Bolonina G.V., Jakovleva L.V. Izuchenie zagrjaznenija vnutrennih vodojomov g. Astrahani tjazhjolymi metallami, Vestnik Moskovskogo gosudarstvennogo oblastnogo universiteta. Serija «Estestvennye nauki», 2012, Vyp. Himija i himicheskaja jekologija, no 2, рр. 79–88.
5. Loktionova E.G., Barmin A.N., Puchkova A.M. Izuchenie sostojanija pljazhej nizhnevolzhskih aglomeracij, Geologija, geografija i global’naja jenergija, 2010, no. 4. p. 122–131.
6. Puchkov M.Yu., Strukov V.M., Hlebcova E.B. Izuchenie agrojekologicheskih svojstv nekotoryh pochv Severnogo Prikaspija, Jug Rossii: jekologija, razvitie, 2009, no. 1. рр. 99.
7. Chernyh N.A., Sidorenko S.N. Jekologicheskij monitoring toksikantov v biosfere: Monografija. M.: Izd-vo RUDN, 2003. 430 p.
8. Chujkov Yu.S., Loktionova E.G., Puchkov M.Yu., Larceva L.V. Izuchenie himicheskogo i biologicheskogo zagrjaznenija vod (uchebnoe posobie), Astrahan’: Izd-vo Nizhnevolzhskogo centra jekologicheskogo obrazovanija, 124 p.

Экосистема Волги характеризуется достаточно остро стоящей проблемой загрязнения, обусловленной высокой антропогенной нагрузкой [2, 4–6, 8]. Здесь проживает примерно 40 % населения страны, производится до 50 % промышленной и свыше 40 % сельскохозяйственной продукции. Волгоградское водохранилище является замыкающим в каскаде водохранилищ и аккумулирует весь водосбор Волжского бассейна, в то же время определяя состояние нижележащей экосистемы Волго-Ахтубинской поймы и дельты Волги. Находясь в зоне недостаточного увлажнения, оно используется не только для целей гидроэнергетики и судоходства, но также орошения и водоснабжения, а также в рекреационных целях. Состав воды Волгоградского водохранилища определяется главным образом химическим составом вод, поступающих из Саратовского водохранилища (93,4 % водного стока и лишь в незначительной степени химическим составом вод притоков и грунтовым вод 6,6 %), повторяя все изменения химического состава его воды, но с некоторым опозданием, равным времени добегания воды от нижнего бьефа Саратовского до нижнего бьефа Волгоградского гидроузлов.

Основными загрязняющими веществами Волгоградского водохранилища являются фенолы, детергенты, нефтепродукты, а также тяжелые металлы (ТМ), причем качество воды по большинству показателей ухудшается от северной части водохранилища к южной. По данным Комитета природных ресурсов и охраны окружающей среды Волгоградской области, в 2008 г. коэффициент комплексности (по РД 52.24.643-2002) для Волгоградского водохранилища у Волжского составил 38,46 %, а у Камышина, расположенного выше по течению, – 34,46 % [1]. Качество воды по сравнению с 2007 г. улучшилось, однако превышение ПДК по меди в 3–4 раза, цинку – в 2 раза, фенолам – в 2–3 раза, по ХПК – в 2–3 раза зарегистрировано на всех пунктах отбора проб в течение всего года [1]. ТМ являются опасными поллютантами из-за своей токсичности и способности к биоаккумуляции. Определение только валового содержания ТМ в воде достаточно информативно, но в почвах и донных отложениях знание только валового содержания не позволяет делать выводы об опасности данных поллютантов для организмов, а также об их миграционной способности невозможно, так как разные формы нахождения ТМ обладают различной степенью подвижности и доступности организмам. Кадмий, свинец и их соединения вошли в перечень приоритетных загрязнителей для воды водных объектов [3, 7]. В связи с этим целью нашего исследования было изучение соотношения растворенных и взвешенных форм свинца и кадмия в воде, а также водорастворимых, кислоторастворимых и валовых форм ТМ в донных отложениях и почвах прибрежной зоны. Важнейшим фактором, усугубляющим опасность загрязнения среды, является закон прогрессивного накопления токсичных веществ в трофических цепях, или закон биомагнификации ост. концентрации ТМ в окружающей среде способствует увеличению их содержания во всех компонентах экосистемы. Ряд ТМ обладает кумулятивным эффектом, канцерогенным действием. К их числу относятся кадмий и свинец [8]. Поступление ТМ, изменяющих качественный и количественный состав микрофлоры почв, прямо или косвенно воздействует на состав и функционирование всей экосистемы, увеличивая или уменьшая его продуктивность.

Материал и методы исследования

Пробы поверхностной воды, донных отложений и почв были отобраны нами 9 июля в двух точках нижней части Волгоградского водохранилища на территории города Волжский: первая – у посёлка Краснооктябрьский и вторая – в заливе Осадный. Эти точки различаются антропогенной нагрузкой и гидрологическими условиями. Первая точка выбрана на открытой части водохранилища, где наблюдается усиленная абразия берега, и донные отложения формируются в основном за счет материала берегового склона. Вторая точка расположена в заливе с большим количеством высшей водной растительности, защищенном от действия ветров и течения, где ДО содержат большое количество органического вещества и носят характер сапропеля. Также вблизи залива проходит автотрасса Волгоград – Самара. Пробоподготовка и анализ проб осуществлялись согласно методикам МУ 31-03/04 и МУ 31-11/05 методом инверсионной вольтамперометрии на анализаторе ТА-4 в экологической лаборатории ВГИ ВолГУ.

Пробы воды после отбора делили на 2 части, одну из которых фильтровали, а затем обе фиксировали азотной кислотой по МУ 31-03/04. По содержанию ТМ в фильтрованной воде определяли растворённую форму ТМ, а в нефильтрованной – валовую. Содержание ТМ во взвешенном веществе определяли по разнице валового содержания и концентрации растворенной формы. После отстаивания ДО сливали поровую воду, фильтровали и определяли содержание ТМ в ней. Из почв и донных отложений извлекали различные формы ТМ: водорастворимые – бидистиллированной водой, подвижные – буферным ацетатно-аммонийным раствором с рН = 4,8, кислоторастворимые – 1М азотной кислотой, а валовые – кипячением с раствором азотной кислоты (W % = 50 %) с обработкой перекисью водорода по МУ 31-11/05.

Результаты исследования и их обсуждение

Содержание валовой формы свинца в почвах и донных отложениях достоверно не различалось в обеих точках, а содержание в воде было намного меньше (табл. 1, 3). Подавляющая часть свинца содержалась в воде во взвешенной форме, тогда как растворённая составляла менее 1 % от валового содержания. При сравнении содержания свинца в разных точках можно отметить, что в точке у пос. Краснооктябрьский, где абразионные процессы очень активны, содержание почти всех форм свинца в воде выше, а в донных отложениях ниже, чем в аналогичных пробах залива Осадный, защищённого от действия сильных ветров и действия волн, ввиду чего берег там очень слабо разрушается. Исключение составляет содержание растворенной формы свинца в порах донных отложений, где, как и в самих донных отложениях, большее содержание отмечалось в заливе Осадный. Это, по-видимому, связано с характером донных отложений – у пос. Краснооктябрьский ДО носят глинистый характер, а в заливе Осадный – это главным образом сапропель. Содержание же свинца в почвах изученных точек было примерно одинаковым. Среди форм свинца в воде относительно высоким было содержание растворённой формы в поровой воде донных отложений (0,0055 ± 0,0018 мг/дм3 у пос. Краснооктябрьский и 0,0063 ± 0,0021 мг/дм3 в заливе Осадный), что значительно больше количества той же формы в поверхностной воде, которое составляет 12–29 % от содержания в поровой воде (табл. 1).

Таблица 1

Содержание различных форм свинца в воде Волгоградского водохранилища у г. Волжский, июль 2009 г.

Тип пробы и форма свинца

у пос. Краснооктябрьский

Залив Осадный

мг/дм3 ± ст. ошибка

процент от валовой

процент от поровой

мг/дм3 ± ст. ошибка

% от валовой

% от поровой

Вода поверхностная растворенная форма

0,0016

± 0,0005

0,55

29,1

0,00076

± 0,00025

1,7

12,1

Вода поверхностная валовая форма

0,29

± 0,09

100

-

0,044

± 0,011

100

-

Вода поверхностная взвешенная форма

0,288

± 0,09

99,4

-

0,0433

± 0,011

98,3

-

Вода поровая растворенная форма

0,0055

± 0,0018

-

-

0,0063

± 0,0021

-

-

У пос. Краснооктябрьский по сравнению с заливом Осадный наблюдалось превышение концентрации растворённой формы свинца немногим более чем в 2 раза, хотя для валового содержания оно было более 6. В то же время содержание растворенного свинца в поровой воде донных отложений было примерно одинаковым в обеих точках. В самих донных отложениях соотношение для точек было обратным: валовое содержание свинца в заливе Осадный почти в 2 раза превышало аналогичный показатель для пос. Краснооктябрьский. Как указывает Черных Н.А. [7], свинец хорошо сорбируется почвенно-поглощающим комплексом и с трудом вытесняется другими элементами. Сорбционные процессы удержания свинца почвами в значительной мере обусловлены содержанием в них органического вещества и глинистых материалов, но ведущая роль принадлежит органическому веществу, которое преобладало в донных отложениях залива Осадный. Основная часть свинца (98–99 %) находится во взвешенной форме (табл. 1), что объясняется высоким содержанием взвешенных веществ, главным образом фитопланктона, который активно сорбирует металлы. Известно, что свинец и кадмий достаточно активно накапливаются в цепях питания (табл. 2), в то время как в самой воде они остаются в относительно небольших концентрациях. Однако валовое содержание свинца в почвах берегового склона у пос. Краснооктябрьский оказалось несколько выше, чем в донных отложениях, а в заливе Осадном – наоборот (табл. 3). Это еще раз подтверждает значительную роль органического вещества в накоплении свинца. Причем и в почвах, и в ДО наибольшее содержание отмечено для кислоторастворимой формы, а наименьшее – для водорастворимой.

Таблица 2

Коэффициенты концентрирования тяжёлых металлов гидробионтами [8]

Металл

Фитопланктон

Зоопланктон

Моллюски

Рыбы

Кадмий

1 700

9 400

182 000

730

Свинец

2 100

15 500

100 000

10 000

Таблица 3

Содержание различных форм свинца в донных отложениях и почвах прибрежной зоны Волгоградского водохранилища у г. Волжский, июль 2009 г., мг/кг

Форма нахождения

Донные отложения

Почвы берегового склона

у пос. Краснооктябрьский

залив Осадный

у пос. Краснооктябрьский

залив Осадный

Водорастворимая

0,022 ± 0,007

0,074 ± 0,022

0,046 ± 0,014

0,022 ± 0,007

Подвижная

2,1 ± 0,6

5,1 ± 1,5

0,26 ± 0,08

0,95 ± 0,28

Кислоторастворимая

3,5 ± 1,0

5,3 ± 1,6

6,1 ± 1,8

5,9 ± 1,8

Валовая

5,3 ± 1,6

11,0 ± 3,0

7,0 ± 2,1

8,9 ± 2,7

Содержание водорастворимой формы свинца в почвах было больше у пос. Краснооктябрьский, а в донных отложениях – в заливе Осадном. Нами показано, что содержание свинца в высшей водной растительности Волгоградского водохранилища достигает нескольких десятков мг/кг, хотя в образцах рдеста пронзённолистного из залива Осадный в 2007 г. оно достигало 11 мг/кг. Общее количество высшей водной растительности было гораздо больше в заливе Осадный, чем у пос. Краснооктябрьский, что объясняется воздействием волнения воды. Значительная прибойная деятельность в зоне мелководий вызывает взмучивание донных отложений, их промывание водой, засыпание ими существующей водной растительности, что препятствует их фотосинтетической деятельности и росту. Соответственно наблюдается и существенное уменьшение количества растительных остатков в донных отложениях.

Таким образом, можно предположить, что свинец поступает в донные отложения и воду из береговых почв путем растворения. Содержание свинца оказывается повышенным в донных отложениях с высоким содержанием органического вещества, образовавшегося за счет отмирания высшей водной растительности. Хотя содержание валовой формы свинца в воде достаточно велико, почти весь он содержится во взвешенном веществе. Высокая волновая активность на открытом участке водохранилища повышает содержание взвешенных форм свинца и приближает его к содержанию растворённой формы в донных отложениях. В последних содержание доступной организмам подвижной формы составляет 40–46 % валового содержания. Содержание свинца в поровой воде донных отложений повышено по сравнению с таковым в воде поверхностной, что может указывать на протекание процесса десорбции металла из донных отложений. Содержание свинца в почвах береговой зоны превышает таковое в донных отложениях для валовой и кислоторастворимых форм более чем в 2 раза, в то время как содержание подвижных форм оказывается больше в донных отложениях.

Содержание кадмия в поверхностной воде, а также водорастворимых, подвижных и кислоторастворимы форм кадмия в почвах и донных отложениях было ниже предела количественного обнаружения. Были количественно определены содержание растворенного кадмия в поровой воде донных отложений и валовые формы в почвах и донных отложениях (табл. 4). Содержание всех обнаруженных форм кадмия у пос. Краснооктябрьский было выше, чем в заливе Осадный, что может указывать на его большее сродство к неорганическому веществу. Действительно, поступающий в реки кадмий на 30–60 % осаждается в донных отложениях. Из жидкой фазы кадмий в процессе соосаждения связывается глинистыми материалами, гидроксидами металлов и нерастворимыми фосфатами.

Таблица 4

Содержание кадмия в воде, донных отложениях и прибрежных почвах Волгоградского водохранилища у г. Волжский

Проба

Форма кадмия

У пос. Краснооктябрьский

Залив Осадный

Вода поровая

растворенная

0,004 ± 0,001 мг/дм3

0,001 ± 0,0002 мг/дм3

Донные отложения

валовая

0,12 ± 0,04 мг/кг

< НПКО

Почвы

валовая

0,29 ± 0,1 мг/кг

0,21 ± 0,07 мг/кг

Так как поступление кадмия из донных отложений в воду увеличивается при повышении содержании органического вещества, а в донных отложениях залива Осадный кадмий не обнаруживается, можно предположить, что практически весь кадмий поступает из почв, где он, по-видимому, содержится в недоступной растениям форме.

Заключение

Знание разных форм содержания свинца и кадмия необходимы для изучения их миграции в экосистеме. При оценке опасности существующего уровня загрязнений свинцом экосистемы Волгоградского водохранилища необходимо учитывать доступность различных форм этих тяжёлых металлов для организмов.

Рецензенты:

Курочкина Т.Ф., д.б.н., профессор кафедры экологии, природопользования, землеустройства и безопасности жизнедеятельности, ФГБОУ ВПО «Астраханский государственный университет», г. Астрахань;

Зайцев В.Ф., д.с.-х.н., профессор, заведующий кафедрой «Гидробиология и общая экология», ФГБОУ ВПО «Астраханский государственный технический университет», г. Астрахань.

Работа поступила в редакцию 08.04.2013.