Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,074

О СОДЕРЖАНИИ РАЗНЫХ ФОРМ СВИНЦА И КАДМИЯ В АБИОТИЧЕСКИХ КОМПОНЕНТАХ ЭКОСИСТЕМЫ ВОЛГОГРАДСКОГО ВОДОХРАНИЛИЩА

Новиков В.В. 1 Зволинский В.П. 1 Пучков М.Ю. 1 Локтионова Е.Г. 2
1 ГНУ «Всероссийский НИИ орошаемого овощеводства и бахчеводства»
2 ФГБОУ ВПО «Астраханский государственный университет
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.
донные отложения
почва
тяжелые металлы
свинец
кадмий
биоаккумуляция
водная растительность
вольтамперометрия
формы нахождения
1. Доклад о состоянии окружающей среды Волгоградской области в 2008 году / ред. колл.: В.И. Новиков и др.; Комитет природных ресурсов и охраны окружающей среды Администрации Волгоградской области. – Волгоград: Панорама, 2009. – 384 с.
2. Зволинский В.П. Некоторые особенности накопления тяжёлых металлов макрофитами Волгоградского водохранилища / В.П. Зволинский, Н.А. Черных, В.В. Новиков, А.И. Кочеткова // Экологические проблемы и социально-экономические аспекты обустройства и развития аридных территорий Российской Федерации: материалы Междунар. науч.-практ. конф. «Аридное землепользование – способы и технологии интенсификации», Прикаспийский НИИ аридного земледелия, с. Солёное Займище, 4–6 августа 2009 г. – М.: Изд-во «Вестник Российской академии сельскохозяйственных наук», 2009. – С. 113–117.
3. Курляндский Б.А. Стратегические подходы к обеспечению безопасности производства и использования химических веществ для здоровья человека // Российский химический журнал. – Т. XLVIII. – 2004. – № 2. – С. 8–15.
4. Локтионова Е.Г., Изучение загрязнения внутренних водоёмов г. Астрахани тяжёлыми металлами / Е.Г. Локтионова, Г.В. Болонина, Л.В. Яковлева // Вестник Московского государственного областного университета. Серия «Естественные науки». – 2012. – Вып. Химия и химическая экология. – № 2. – С. 79–88.
5. Локтионова Е.Г. Изучение состояния пляжей нижневолжских агломераций / Е.Г. Локтионова, А.Н. Бармин, А.М. Пучкова / Геология, география и глобальная энергия. – 2010. – № 4. – С. 122–131.
6. Пучков М.Ю. Изучение агроэкологических свойств некоторых почв Северного Прикаспия / М.Ю. Пучков, В.М. Струков, Е.Б. Хлебцова // Юг России: экология, развитие. – 2009. – № 1. – С. 99.
7. Черных Н.А., Сидоренко С.Н. Экологический мониторинг токсикантов в биосфере: монография. – М.: Изд-во РУДН, 2003. – 430 с.
8. Чуйков Ю.С. Изучение химического и биологического загрязнения вод: учебное пособие / Ю. С. Чуйков, Е.Г. Локтионова, М.Ю. Пучков, Л.В. Ларцева. – Астрахань: Изд-во Нижневолжского центра экологического образования. – 124 с.

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.


Библиографическая ссылка

Новиков В.В., Зволинский В.П., Пучков М.Ю., Локтионова Е.Г. О СОДЕРЖАНИИ РАЗНЫХ ФОРМ СВИНЦА И КАДМИЯ В АБИОТИЧЕСКИХ КОМПОНЕНТАХ ЭКОСИСТЕМЫ ВОЛГОГРАДСКОГО ВОДОХРАНИЛИЩА // Фундаментальные исследования. – 2013. – № 6-2. – С. 361-365;
URL: http://www.fundamental-research.ru/ru/article/view?id=31514 (дата обращения: 27.01.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074