Научный журнал

Успехи современного естествознания

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,775

• Авторы
• Резюме
• Файлы
• Ключевые слова
• Литература

Мазур В.В. 1 Доровских Г.Н. 1

---

1 Сыктывкарский государственный университет имени Питирима Сорокина

В работе представлены результаты определения содержания меди в донных отложениях, гидробионтах и гидрофитах из разных типов водоемов и их участков, относящихся к бассейну верхнего и среднего течения р. Печоры. Возрастающая степень антропогенной трансформации водных объектов меняет экологическую среду для многих видов организмов, что привело к росту научного интереса к разработке и применению экологических индикаторов. Разработка индикаторов необходима для оценки экологического состояния экосистемы при разработке нормативных документов и принятии управленческих решений в области охраны природы. Для определения зависимости содержания меди в донных осадках, рыбе и хвоще от течения воды и факторов, связанных с ним, был использован однофакторный и двухфакторный дисперсионный анализ; для установления степени корреляционной связи между концентрацией металла в гидробионтах, высшей водной растительности и донных отложениях применен ранговый критерий Крускала-Уоллиса. Влияние скорости течения воды и факторов, связанных с этим, на накопление меди в грунтах и биологических объектах из пойменных водоемов, согласно результатам двухфакторного дисперсионного анализа, статистически достоверно (F = 110.6; υ = 2; P < 0,01). Также установлено, что аккумуляция меди в хвоще сопряжена с ее количеством в донных отложениях, тогда как связь концентрации меди в рыбе с таковой в иле и хвоще не доказана. Выявлена зависимость содержания меди в тушках гольяна от наличия отложений ила в конкретном участке рассматриваемого бассейна. В период исследований во всех пунктах сбора материала по грунтам отмечено наличие значительных концентраций меди в донных отложениях, что связано с природными особенностями региона. Аккумуляции меди в старичных водоемах р. Печоры способствуют мощный пласт ила, значительный подъём воды во время половодий, интенсивное зарастание водной растительностью и отсутствие течения.

Статья в формате PDF

0 KB

медь

донные отложения

гидробионты

р. Печора

аккумуляция.

1. Власова Т.А. Гидрохимия главных рек Коми АССР. Сыктывкар: Коми науч. центр УрО АН СССР, 1988. 152 с.

2. Батурина М.А., Кононова О.Н., Фефилова Е.Б., Хохлова Л.Г., Зиновьева А.Н. Изученность водных беспозвоночных крупных рек Республики Коми (Печора и Вычегда) // Известия Коми научного центра УрО РАН. 2016. № 3 (27). С. 42–53.

3. Московченко Д.В. Ландшафтно-геохимические особенности Приполярного и Северного Урала // Вестник экологии, лесоведения и ландшафтоведения. 2010. № 10. С. 197–209.

4. Голинская Л.В. Оценка содержания ряда металлов в донных отложениях водоемов восточного Оренбуржья // Вестник ОГУ. 2009. № 6(100). С. 558–559.

5. Голинская Л.В. Эколого-генотоксический мониторинг состояния водных экосистем на территории Оренбургской области: автореф. дис. …. канд. биол. наук. Оренбург, 2011. 28 с.

6. Чижикова Н.П., Сиротский С.Е., Харитонова Г.В., Манучаров А.С., Коновалова Н.С., Уткина Е.В. Минералогический и химический состав тонкодисперсной части донных отложений р. Амур // Почвоведение. 2011. № 7. С. 848–860.

7. Слуковский З.И. Геоэкологическая оценка состояния малых рек крупного промышленного города по данным о содержании тяжелых металлов в донных отложениях // Метеорология и гидрология. 2015. № 6. С. 81–88.

8. Зубарев В.А., Бурик В.Н. Гидрохимическая характеристика рек Еврейской автономной области и содержание тяжелых металлов в жабрах гольяна (Phoxinus lagowskii) // Региональные проблемы. 2019. Т. 22. № 1. С. 31–37. DOI: 10.31433/2618-9593-2019-22-1-31-37.

9. Лобанова Т.А. Сезонные особенности накопления тяжелых металлов промысловыми видами рыб // Вестник КГУ им. Н.А. Некрасова. 2008. № 3. С. 22–24.

10. Коломиец Н.Э., Агеева Л.Д., Абрамец Н.Ю. Элементный состав видов рода Equisetum L. // Фундаментальные исследования. 2014. № 8–6. С. 1418–1421.

11. Даувальтер В.А., Кашулин Н.А., Сандимиров С.С., Раткин Н.Е. Оценка баланса тяжелых металлов (Ni и Cu) на водосборе субарктического озера (на примере Чунозера) // Вестник МГТУ. 2009. Т. 12. № 3. С. 507–515.

12. Галатова Е.А., Шестаков А.Ю., Капанадзе Г.Д. Особенности накопления и распределения экотоксикантов в донных отложениях и водорослях // Биомедицина. 2010. № 5. С. 58–62.

13. Алексеенко В.А. Экологическая геохимия. М.: Логос, 2000. 627 с.

14. Ежов А.Ю. Медь и никель в ландшафтах северо-запада Кольского полуострова // Вестник Московского государственного областного университета. Серия: Естественные науки. 2011. № 1. С. 89–94.

15. Хажеева З.И., Пронин Н.М., Раднаева Л.Д., Дугаров Ж.Н., Урбазаева С.Д. Особенности накопления тяжелых металлов в воде, донных отложениях и биоте залива Черкалов сор оз. Байкал // Химия в интересах устойчивого развития. 2005. Т. 13. № 1. С. 95–102.

16. Кужина Г.Ш., Янтурин С.И. Исследование загрязнения тяжелыми металлами донных отложений верхнего течения р. Урал // Вестник ОГУ. 2009. № 6 (100). С. 582–584.

17. Wojtkowska M., Karwowska E., Chmielewska I., Bekenova K., Wanot E. Copper and cadmium in bottom sediments dredged from Wyścigi Pond, Warsaw, Poland–contamination and bioaccumulation study. Environ Monit Assess. 2015. Vol. 187: 737. P. 1–9. DOI: 10.1007/s10661-015-4945-0.

Район р. Печоры в верхнем течении относится участкам западных склонов Северного и Приполярного Урала и прилегающим территориям Печорской низменности, схожим по генезису, структуре и экосистемным характеристикам. На Урале, как известно, с середины ХХ века усиленно разрабатываются месторождения полезных ископаемых и проводится заготовка древесины. Рост степени антропогенной нагрузки на эти территории меняет природную среду для многих видов организмов, что ведет к увеличению научного интереса к выявлению и использованию экологических индикаторов для оценки антропогенной нагрузки на природные территории. Потребность в таких индикаторах возникает также при оценке экологического состояния экосистемы для принятия управленческих решений и создания нормативных документов. Фоновое содержание металлов желательно определять на территориях, не испытывающих антропогенного воздействия.

В связи с этим в качестве объектов исследования выбраны водные объекты, расположенные на территории Печоро-Илычского государственного биосферного заповедника.

Целью работы являлось выявление накопления Cu в донных отложениях, гидробионтах и гидрофитах из разных типов водоемов.

Физико-географические условия района исследования

Для Верхней Печоры характерно устойчивое русло, образованное древними террасами. Участки аллювиальной поймы сформированы лишь на аккумулятивных отрезках долины и в местах впадения притоков. Палеозойские породы девонского, каменноугольного и пермского возрастов, перекрытые сверху четвертичными отложениями, составляют основу исследуемых районов бассейна р. Печоры. Девонские отложения представлены карбонатными породами [1]. Характерной чертой верховьев р. Печоры являются сильно заиленные древние старицы, имеющие сообщение в нижних концах рукавов с руслом реки [2].

Водное питание Верхней Печоры в основном снеговое и дождевое, и лишь малую долю вносят грунтовые воды, следствием чего является слабая минерализация вод реки [1].

Река Большая Шайтановка на всем своем протяжении протекает по территории Печоро-Илычского биосферного заповедника. Большая часть русла Б. Шайтановки пролегает по однородной заболоченной лесистой местности [3].

Материалы и методы исследования

Материалы были собраны в 2009–2010 гг. (третья декада июня – первая декада июля) из русловых и пойменных участков р. Печоры в верхнем и среднем течении (рис. 1).

Исследования выполнены в соответствии с требованиями ГОСТ 26929-94; ГОСТ 7631-85; ГОСТ 17.4.4.02-84; ГОСТ 17.8.1.02-88; ГОСТ 2874-82; ГОСТ 7731-85.

Для изучения рН, температуры и электропроводности воды использовали портативный анализатор «Анион–7051» (НПП «Инфраспак–Аналит», г. Новосибирск). Ошибка измерения рН ± 0,02, О2 – от 0 до 10 мгО2/дм3 ± 0,1, от 10 до 20 мгО2/дм3 ± 0,2, температуры – ± 0,1, электропроводности – до 20 мСм/см ± 2 %, более 20 мСм/см ± 4 %.

Концентрацию металлов в образцах устанавливали на базе ЦКП научным оборудованием Воронежского государственного университета с использованием электронного сканирующего микроскопа JEOL JSM-6380 LV (Япония), оснащенного системой микроанализа INCA Energy 250 (Великобритания). Погрешность анализов 0,1–3,0 %.

Все анализы выполнены в пяти повторностях. Каждая повторность представляет собой среднее значение в результате наложения пяти спектров.

Из участков р. Печоры в районе пос. Якша был собран хвощ болотный Equisetum palustre L., в других пунктах – хвощ речной E. fluviatile L. (syn.: E. limosum). Каждая анализируемая навеска хвоща составлена из смеси 10–20 растений.

Выборки гольяна Phoxinus phoxinus (Linnaeus, 1758) формировали из равного числа самок и самцов. Каждая анализируемая навеска состояла из смеси 10–20 экз. рыб. Рыбу для пробы брали одного размера и возраста.

Для перерасчета концентрации металла от сухой (минерализованной) к сырой массе проб использовали коэффициент усушки (К = 23,7 ± 0,2), полученный экспериментально. Коэффициент вычисляли как отношение сырой массы пробы к ее сухой массе.

Для установления зависимости накопления меди в донных осадках, гольяне и хвоще от течения воды и факторов, связанных с ним, использован однофакторный и двухфакторный дисперсионный анализ; для выявления степени корреляционной связи между концентрацией металла в рыбе, высшей водной растительности и донных отложениях применен ранговый критерий Крускала-Уоллиса.

В 1993–1994 гг. в Нидерландах приняты и опубликованы два вида экологических нормативов: «намеченный» (экологический) («Streewaarde» S) и «нормативы санации» («Interventiewaarde» I), на основании которых ранжируют донные отложения, почвы и грунтовые воды [цит. по: 4]. «Намеченным» (экологическим) стандартом является уровень стабильности экосистемы, при трансформации которого ей наносится ущерб. Превышение нормативов санации наносит вред окружающей среде и здоровью человека. В Российской Федерации предельно допустимые концентрации (ПДК) тяжелых металлов в донных отложениях на данный момент не назначены [5].

Рис. 1. Схематическое изображение района сбора материала. Русловые участки р. Печоры: Р1 – район устья р. Гаревка; Р2 – 1,0 км ниже устья р. Б. Шайтановки; Р3 – 2,7 км выше пос. Якша; Р4 – район пос. Якша. Пойменные водоемы р. Печоры: П1 – старица Манская; П2 – старица Кременная. Участки р. Б. Шайтановки: Ш1 – 5,0 км выше устья; Ш2 – 3,0 км выше устья; Ш3 – 0,2 км выше устья; Ш4 – стоянка лодок; Ш5 – старица

Результаты исследования и их обсуждение

Русло р. Печоры. Донные отложения из русла верхнего течения р. Печоры (tst = 1.235; P > 0,05), а также из района устья р. Гаревки и пос. Якша (tst = 0,712; P >> 0,05), последнего пункта и точки в 1 км ниже устья р. Шайтановки (tst = 1,923; P > 0,05), по содержанию меди статистически одинаковы. Ил из двух точек среднего течения р. Печоры (tst = 2,111; P < 0,05) и из ее русла в районах в 1,0 км ниже устья р. Шайтановки и 2,7 км выше пос. Якша (tst = 3,517; P < 0,01) по концентрации в них меди различный (табл. 1).

Аккумуляция Cu в хвоще из русла р. Печоры на участке от устья р. Б. Шайтановки и до пос. Якша (tst = 2,051; P > 0,05) статистически одинакова. Содержание меди в гидрофитах из района устья р. Гаревки статистически достоверно отличается от такового из прочих пунктов русла р. Печоры (tst = 3,390–5,533; 0,01 > P < 0,001).

Накопление Cu в рыбе из русла р. Печоры на участке между устьями р. Гаревки и р. Б. Шайтановки (tst = 0,554; P >> 0,05), в обеих точках у пос. Якша (tst = 1,428; P > 0,05) одинаково; различия в накоплении Cu в гольяне из верхнего и среднего течения р. Печоры статистически достоверны (tst = 25,898–28,166; P < 0,001).

Двухфакторный дисперсионный анализ позволил сделать вывод, что течение воды и факторы, связанные с ним (F = 13,9; υ = 2; P > 0,05), не оказывают влияние на аккумуляцию меди в пробах из верхнего и среднего течения р. Печоры. Хотя эффект совместного действия этих причин на накопление Cu в иле и биологических объектах присутствует (F = 5726,0; υ = 5; P << 0,001).

Результаты однофакторного дисперсионного анализа показали, что влияние течения воды и факторов, связанных с ним, на содержание меди в гидробионтах достоверно (F = 2401,0; υ = 1; P << 0,05), тогда как на таковое в донных отложениях (F = 36,0; υ = 1; P >> 0,05) и хвоще (F = 10,8; υ = 1; P >> 0,05) нет.

Следует отметить, что нами не обнаружено публикаций других исследователей, характеризующих аккумуляцию тяжелых металлов (ТМ) на территории Печоро-Илычского заповедника. В связи с этим для сравнения приведены реки, схожие по географо-климатическим характеристикам из источников [6–10] (табл. 1).

Русло р. Б. Шайтановки (рис. 2). В донных отложениях р. Б. Шайтановки, в нижнем ее 5-км отрезке (табл. 1), содержание меди примерно одинаково (tst = 0,344–1,465; P >> 0,05). В илах старицы концентрация Cu значительно выше (tst = 17,883–19,397; P < 0,001).

Концентрация Cu в хвоще из всех исследованных участков русла р. Б. Шайтановки (tst = 0,752; P >> 0,05) статистически одинакова. Содержание указанного металла в растениях из старицы в ее устьевой части достоверно ниже русловых участков (tst = 11,421–14,777; P < 0,001).

Аккумуляция Cu в гольяне из р. Б. Шайтановки на участках русла 3-й и 0,2 км (tst = 0,667; P >> 0,05), а также на последней точке и на стоянке лодок (tst = 2,195; P > 0,05) статистически одинакова. Содержание этого металла в рыбе с 3-го км статистически достоверно ниже такового в особях из района стоянки лодок (tst = 2,879; P < 0,05).

Таблица 1

Концентрация меди (Cu2+) в донных отложениях, хвоще и рыбе (мкг/г сух. массы для ДО и хвоща и мкг/г сыр. массы для рыбы) из водоемов и их участков в бассейне верхнего и среднего течения реки Печора

Наибольшие количества меди в донных отложениях и биологических объектах отмечены в старице и в районе стоянки лодок (рис. 2).

Рис. 2. Карта–схема района сбора материала в нижнем течении р. Б. Шайтановки: 1 – р. Печора; 2 – р. Шайтановка; 3 – старица; 4 – место отлова гольяна из старицы; 5 – стоянка лодок, пристань; 6 – место отлова гольяна из р. Шайтановки в 0,2 км от устья; 7 – устье р. Шайтановка; 8 – заливчик

Пойменные водоемы. В донных отложениях стариц Манская и Кременная содержание меди различается (tst = 2,532; P < 0,05). Концентрирование этого металла в илах пойменных водоемов р. Печоры существенно ниже такового в старице р. Б. Шайтановки (tst = 16,437–18,031; P < 0,001).

Содержание Cu в хвоще из старицы Манской выше, чем у такового из старицы Кременной (tst = 3,043; P < 0,05). В растениях из старицы р. Б. Шайтановки содержится меди существенно меньше, чем в хвоще из пойменных водоемов р. Печоры (tst = 169,352–12,840; P < 0,001).

Концентрация Cu в рыбе из стариц Манская и Кременная статистически одинакова (tst = 1,431; P > 0,05). У рыбы из низовий р. Б. Шайтановки в районе стоянки лодок содержание меди статистически такое же, как у гольяна из Кременной старицы (tst = 1,355; P > 0,05), и выше, чем у гидробионтов из старицы Манской (tst = 3,1703; P < 0,01).

Влияние течения воды и факторов, связанных с ним, на накопление меди в грунтах и биологических объектах из пойменных водоемов, согласно результатам двухфакторного дисперсионного анализа, статистически достоверно (F = 110,6; υ = 2; P < 0,01).

Определено фоновое содержание Cu в донных отложениях и биологических объектах из разных типов водоемов и их участков в бассейне верхнего и среднего течения р. Печоры.

Донные отложения водоемов, аккумулируя и концентрируя ТМ и другие загрязнители, служат характерным индикатором загрязнения среды. Выявление природных концентраций ТМ в донных отложениях дает возможность судить о загрязненности водоемов. ТМ, концентрирующиеся в донных отложениях, могут стать причиной вторичного загрязнения водных объектов [11].

Индикатором уровня загрязненности может являться коэффициент обогащения, определяющий, в каком размере концентрация ТМ в илах превосходит их кларковые или фоновые показатели и критерии санации [4; 5; 12].

В период исследований во всех пунктах сбора материала по грунтам отмечено превышение ПДК и нормативов санации Cu для донных отложений (табл. 2).

Таблица 2

Нормативы для донных отложений

Примечания.

1Экологические нормативы для донных отложений.

2Критерии санации для донных отложений.

(Концентрация ТМ в донных отложениях в мкг/г нормирована по универсальному стандартному образцу, включающему 10 % биологического вещества и 25 % частиц размером < 2 мкм).

Кларковым уровнем в земной коре для Cu является 57 мкг/г [13]. В полнокристаллических сланцеватых горных породах Cu 35–50 мкг/г, метаморфических сланцах 44–60 мкг/г и прочих породах, имеющих примеси сульфидных руд, 200–300 мкг/г. Причиной поступления Cu в донные отложения являются отложения четвертичного возраста, в которых ее валовая концентрация превосходит кларковые значения для данного металла [14]. Тем не менее выявлено, что концентрация меди в илах р. Печоры выше представленных значений ее содержания в разных горных породах.

Проведенные исследования выявили максимальную концентрацию Сu в донных отложениях из старицы вблизи устья р. Б. Шайтановки, что свидетельствует о неблагоприятной экологической ситуации на этой территории бассейна р. Печоры.

Значительное количество Cu в старицы поступает, по-видимому, в периоды половодий. В результате размывания берегов, преодолевая почвенный слой, воды насыщаются взвесями и осадками, вовлекая в водную миграцию ТМ, существенная часть которых включена в состав именно тонких почвенных частиц. Чем меньше размер фракций илов, тем выше содержание практически всех ТМ [15]. Металлы, находясь в ионной форме, способны довольно быстро переходить в коллоидную форму и взвеси, которым присущи значительные сорбционные свойства. По этой причине в илах водных объектов концентрируются различные химические вещества из водной толщи [16]. Доказательством того, что ТМ проникают в пойменные водоемы большей частью в составе коллоидов и взвесей, служат малые величины удельной электропроводности воды вблизи устья р. Гаревки, старице Кременной и старице р. Б. Шайтановки (табл. 3). То есть наиболее низкие значения удельной электропроводности обнаружены на участках наиболее интенсивной седиментации. Усиленный рост в старицах водной, околоводной и полуводной растительности способствует аккумуляции в водных объектах продуктов распада гидрофитов, что также содействует концентрированию ТМ в этих районах бассейна р. Печоры.

В донных осадках р. Б. Шайтановки, в ее приустьевом 5-км участке (табл. 1), концентрация Cu примерно одинакова. Указанный участок реки протекает на однотипной заболоченной лесистой территории. Вымываемые горные породы залегают значительно выше обследуемого участка. В илах старицы р. Б. Шайтановки концентрация Cu наиболее высока. В период половодий старица затопляется водами и р. Б. Шайтановки, и р. Печоры. В результате в ее донные отложения попадают коллоиды и взвеси двух водотоков.

Таблица 3

Характеристики некоторых водотоков в бассейне Верхней и Средней Печоры

Концентрация Cu в хвоще, произрастающем по берегам р. Б. Шайтановки, выше, чем в таковом с берегов р. Печоры (tst = 3,428–5,789; 0,01 > P > 0,001). Значительно ниже концентрация этого элемента у гидрофитов, произрастающих вблизи устья р. Гаревки. Наиболее низкое содержание указанного металла выявлено в хвоще из пойменной в устьевой части р. Б. Шайтановки. Концентрация Cu в растениях статистически достоверно сопряжена с ее содержанием в донных осадках (rs = 0,679; tst = 2,613; P < 0,05). Во всех изученных точках количество Cu в хвоще значительно выше, чем в донных отложениях, и только в старице р. Б. Шайтановки установлена противоположная зависимость.

Содержание Cu, приходящееся на единицу веса рыбы из р. Б. Шайтановки (точки отбора в 3,0 и 0,2 км от устья) и русла Верхней Печоры, статистически одинаково (tst = 0,680–1,274; P >> 0,05). В то же время концентрация Cu в гольяне, отловленном в районе стоянки лодок, выше таковой у рыб из русла верхнего течения р. Печоры (tst = 2,463–3,334; P < 0,05).

В Российской Федерации нормативы, устанавливающие предельные концентрации меди для донных отложений, не разработаны. Зачастую проводится сравнение содержания ТМ в донных осадках с предельно допустимыми концентрациями для почвенного горизонта. Хотя в некоторых странах такие нормативы существуют, например, в Польше предельные значения содержания Cu в донных осадках составляют 150 мкг/г [17].

Выводы

Определено фоновое содержание Cu в донных отложениях, хвоще и гольяне из разных типов водоемов и их участков в бассейне верхнего и среднего течения р. Печоры. Особенности стариц р. Печоры, такие как значительный подъём воды во время половодий, интенсивное зарастание водной растительностью и отсутствие течения, способствуют развитию мощного пласта ила, который аккумулирует в себе Cu. Кумуляция Cu в хвоще сопряжено с ее количеством в донных отложениях, тогда как связь концентрации Cu в рыбе с таковой в донных отложениях и хвоще не доказана. Отмечена зависимость содержания Cu в тушках гольяна от интенсивности отложения ила в конкретном участке рассматриваемого бассейна.

Библиографическая ссылка