ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ, 2013, том 40, № 2, с. 165-178
КАЧЕСТВО И ОХРАНА ВОД, ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ
УДК [(557.64:556.114)+546.62](28)
АЛЮМИНИЙ В ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОДАХ УКРАИНЫ: СОДЕРЖАНИЕ, ФОРМЫ МИГРАЦИИ, ОСОБЕННОСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ СРЕДИ АБИОТИЧЕСКИХ КОМПОНЕНТОВ © 2013 г. П. Н. Линник, В. А. Жежеря
Институт гидробиологии Национальной академии наук Украины 04210 Киев, просп. Героев Сталинграда, 12 E-mail: peter-linnik@ukr.net Поступила в редакцию 28.12.2010 г.
Обсуждены результаты исследований содержания форм алюминия в водных объектах Украины, различающихся гидрологическим режимом, а также физическими и химическими характеристиками. Рассмотрены количественные соотношения взвешенных и растворенных форм алюминия, взаимосвязь между взвешенным алюминием и массой взвеси, роль комплексообразования в миграции Al(III). Проведен анализ распределения Al(III) среди комплексных соединений с растворенными органическими веществами различной химической природы и молекулярной массы (анионная фракция). Показано, что основную роль в связывании Al(III) играют гумусовые вещества.
Ключевые слова: алюминий, формы миграции, водохранилища, озера, реки, комплексообразование, гумусовые вещества, молекулярно-массовое распределение
Б01: 10.7868/8032105961302003Х
Алюминий принадлежит к числу наиболее распространенных элементов в окружающей среде, занимает третье место после кислорода и кремния и первое среди металлов. Его содержание в земной коре составляет 8.8% по массе. Входит в состав многочисленных минералов, важнейшие из которых — боксит, алунит, нефелин и некоторые другие [10, 26]. В поверхностные водоемы и водотоки алюминий поступает вследствие частичного растворения глин и алюмосиликатов, выпадения атмосферных осадков, а также со сточными водами металлургических предприятий, текстильных и керамических фабрик и многих других производств [10].
Еще не так давно алюминий считался инертным элементом относительно его воздействия на живые организмы. Это было одной из причин недостаточного внимания к нему со стороны исследователей, занимающихся изучением путей миграции элементов в поверхностных водах и особенностей их распределения среди абиотических и биотических компонентов водных экосистем. В Украине до недавнего времени изучению закономерностей распределения алюминия в поверхностных природных водах и его влияния на биоту практически не уделялось должного внимания.
В 1980-1990-х гг. рядом ученых была установлена токсичность алюминия для обитателей водной среды и для человека [30—34]. Примечательно то, что, как и для большинства металлов, степень токсичности зависит от формы нахождения алюминия в водной среде. Установлено [31], что наибольшая токсичность исходит от так называемого неорганического мономерного алюминия. Среди наиболее токсичных его форм выделяют свободные (гидратированные) ионы или аква-комплексы [А1(Н2О)6]3+ и гидроксокомплексы
состава А1(ОН)2+ и А1(ОН)+, существующие в слабокислой среде при рН 4.5—5.5 [9, 13, 31, 32]. Эти данные свидетельствуют о том, что в поверхностных водах с пониженным значением рН и низким содержанием органических веществ токсичность алюминия для водных организмов может усиливаться. Особую остроту эта проблема приобрела в странах северного региона (Скандинавские страны, Канада и некоторые другие), где из-за выпадения кислотных дождей концентрация алюминия в водоемах увеличивается вследствие его миграции из донных отложений [9]. Это явление негативно сказывается на жизнедеятельности растительных и животных организмов и, в конечном итоге, на биопродуктивности водое-
мов. Вследствие токсического влияния А1(111) на рыб у них нарушается осморегуляторный баланс. Возникают также проблемы с дыханием, обусловленные коагуляцией слизи на жабрах [40]. Поэтому в водоемах рыбохозяйственного назначения концентрация алюминия лимитируется по свободным ионам А1(111) и составляет 36.0 мкг/дм3 [1]. Токсическое воздействие А1(111) на фитопланктон приводит к нарушению деления клеток водорослей и поступлению в них катионов Са2+ и М§2+. Алюминий негативно влияет на метаболизм фосфора в тканях высшей водной растительности [11]. Образование комплексных соединений с неорганическими (фториды, сульфаты и силикаты) и особенно органическими (гумусовые вещества) лигандами приводит к существенному снижению его токсичности [13, 30—32, 39].
В настоящее время установлено нейротоксиче-ское действие алюминия на организм человека и высказывается мнение о его влиянии на возникновение болезни Альцгеймера [34]. В связи с этим содержание А1(111) в питьевой воде лимитируется. Европейский Союз и Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) установили предельную концентрацию алюминия в питьевой воде, равную 200 мкг/дм3, а рекомендуемая концентрация составляет 50 мкг/дм3 [29].
Перечисленные факты подтверждают, что исследование сосуществующих форм алюминия в поверхностных водоемах представляет как практический, так и теоретический интерес.
В настоящем исследовании проведено обобщение фактического материала по содержанию алюминия в его различных формах в водных объектах Украины, различающихся между собой гидрологическим режимом, а также рядом физических и химических характеристик их вод.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Объектами исследований были Киевское (средний и нижний участки), Каневское (верхний участок) и Запорожское (верхний участок) водохранилища днепровского каскада, украинский участок р. Дунай, главным образом рукава Килийской дельты, устьевой участок р. Самары (впадает в Запорожское водохранилище), р. Припять и некоторые ее притоки (Словечна, Уборть, Ствига, Го-рынь, Стырь, Стоход, Льва), р. Ингулец — правый приток р. Днепр (в черте г. Александрии), Сасык-ское водохранилище (в прошлом оз. Сасык, опресненное дунайской водой, подаваемой через канал Дунай-Сасык) и оз. Тельбин (в черте г. Киева).
Пробы воды в исследованных водных объектах отбирались из поверхностного (~0.5 м) и придонного (~0.3—0.5 м от поверхности дна) горизонтов с использованием батометра Рутнера или модифицированного батометра-бутылки. Для отделения взвешенных веществ пробы природной воды объемом 0.5—1.0 дм3 пропускали через мембранные фильтры "8упрог" (Чехия) с диаметром пор 0.4 мкм. Содержание взвесей определялось по разности между массой фильтра со взвесью, высушенного при комнатной температуре, и массой самого фильтра, взвешенного перед фильтрацией.
Концентрация алюминия в воде и взвеси определялась фотометрическим методом с использованием реагента хромазурола 8 [21]. Содержание А1(111) в составе взвешенных веществ определялось после "мокрого" сжигания фильтров со взвесью в смеси концентрированных серной (Н2804) и азотной ^N0^ кислот квалификации "химически чистая" ("х.ч.") [2].
Концентрация так называемого лабильного алюминия (А1лаб) определялась в пробах фильтрованной воды в максимально короткий промежуток времени после их отбора и фильтрации. А1лаб — часть растворенного алюминия (А1раств), определяемая в фильтрованной воде указанным фотометрическим методом без предварительной ее пробоподготовки; вероятно, некоторую часть лабильной фракции могут составлять гидроксоком-
плексы состава А1(0Н)3 и А1(0Н)—, а остальную — его слабоустойчивые комплексы с РОВ, из которых алюминий извлекается реагентом хромазуролом 8.
Общая концентрация растворенного А1(111) определялась после разрушения его комплексных соединений с природными органическими ли-гандами путем фотохимического окисления последних. Для этого пробы природной воды объемом 20 см3 помещались в кварцевые стаканы, значения рН доводили до 1.0—1.5 концентрированной Н2804 квалификации "х.ч.", добавляли 2—3 капли 30%-го раствора перекиси водорода (Н2О2) и облучали ртутно-кварцевой лампой ДРТ-1000 в течение 2.0-2.5 ч.
Для исследования роли отдельных групп растворенных органических веществ (РОВ) поверхностных вод в связывании А1(111) в комплексы использовался метод ионообменной хроматографии. Для этих целей применялись стеклянные колонки, заполненные целлюлозными ионита-ми: диэтиламиноэтилцеллюлозой (ДЭАЭ-целлю-лозой) и карбоксиметилцеллюлозой (КМ-целлю-лозой). Длина колонок — 27.5 см, диаметр — 2.2 см, высота столбиков сорбентов - соответственно
4.3 и 5.7 см. Свободные объемы колонок составили соответственно 15.0 и 17.6 см3. Проба фильтрованной природной воды объемом 0.5—1.0 дм3 пропускалась последовательно через колонки со скоростью около 1.0 см3/мин. Таким образом, РОВ природной воды были разделены на кислотную, основную и нейтральную фракции [22]. В первой из них преобладали гумусовые вещества (ГВ), во второй — белковоподобные соединения, в третьей — углеводы. Преимущество целлюлозных ионитов состоит в том, что с их помощью удается не только разделить РОВ на группы, но и достичь концентрирования органических соединений в каждой группе примерно в 20—25 раз. Это касается, прежде всего, кислотной и основной групп РОВ. Нейтральная фракция РОВ концентрировалась примерно в 5 раз путем упаривания. После разделения на колонках с целлюлозными ионитами в каждой из полученных фракций определялось содержание А1(111) после фотохимического окисления РОВ, описанного выше.
Молекулярно-массовое распределение комплексов А1(111) с РОВ ДЭАЭ-фракции (анионная группа с преобладанием ГВ) исследовалось методом гель-хроматографии с использованием стеклянной колонки, заполненной Т8К-гелем HW-50F (Япония). Длина колонки — 80 см, диаметр — 2.8 см, высота столба геля — 59.5 см, свободный объем колонки (У0) — 145 см3 (для его установления использовали высокомолекулярное вещество — блюдекстран с молекулярной массой 2000 кДа). Предварительно колонку калибровали с помощью растворов полиэтиленгликолей (ПЭГ, молекулярная масса — 1.0, 2.0, 15.0 и 20.0 кДа) и глюкозы (0.18 кДа); концентрация ПЭГ — 2.0, глюкозы — 0.5 мг/см3. Выход веществ из колонки контролировался определением перманганатной окисляемости содержимого каждой фракции. Собрано 18 фракций по 15 см3 каждая с помощью коллектора DOMBIFRAC D-002 (Украина). Содержание алюминия в полученных фракциях определялось после фотохимического окисления ГВ, описанного выше.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВА
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.