научная статья по теме ГЕОХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ БИОАККУМУЛЯЦИИ НЕКОТОРЫХ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В БАССЕЙНЕ ГУАЙМАС Геофизика

Текст научной статьи на тему «ГЕОХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ БИОАККУМУЛЯЦИИ НЕКОТОРЫХ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В БАССЕЙНЕ ГУАЙМАС»

ОКЕАНОЛОГИЯ, 2009, том 49, № 5, с. 751-761

МОРСКАЯ ГЕОЛОГИЯ

УДК 551.465

ГЕОХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ БИОАККУМУЛЯЦИИ НЕКОТОРЫХ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В БАССЕЙНЕ ГУАЙМАС

© 2009 г. Л. Л. Демина, С. В. Галкин

Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Москва e-mail: ldemina@ocean.ru Поступила в редакцию 22.10.2008 г.

Методами атомно-абсорбционной спектрометрии (пламенный и электротермический варианты) и инструментального нейтронно-активационного анализа определены содержания Fe, Mn, Zn, Cu, Pb, Cd, Ag, Co, Cr, As, Se, Sb, Ba, Au и Hg в 25 пробах отдельных тканей и целых организмов, обитающих в южном троге бассейна Гуаймас (Калифорнийский залив), а также в нескольких пробах придонной воды. Показано, что среда обитания фауны этого гидротермального поля с высокой первичной продукцией как фотосинтетического, так и бактериального хемосинтетического происхождения, влияет на соотношение Fe и Mn в воде микробиотопов и характер распределения металлов во внешних и внутренних органах донных животных.

В доминантных специализированных таксонах наибольшая биоакумуляция металлов найдена не только в органах, связанных с бактериальным хемосинтезом (трофосома вестиментиферы Riftia pachyptila и жабры везикомеидов Archivestica gigas), но и в других органах. Неспециализированные организмы: моллюски Nuculana grassley, актинии Actiniaria, губки Spongia, крабы Munidopsis также продемонстрировали высокие биоакумуляционные свойства. Коэффициенты концентрирования металлов варьируют в широких пределах (от менее 10 до 104). Изменение молярного отношения Fe/Mn позволяет предположить разделение этих двух металлов в миграционном ряду вода микробиотопа - внешние органы - внутренние органы.

ВВЕДЕНИЕ

Глубоководные гидротермальные поля заселены обильной термофильной фауной, которая на протяжении геологической истории выработала адаптационную стратегию выживания в экстремальных физико-химических условиях, в том числе высочайших концентраций тяжелых металлов. Отличительной особенностью гидротермального поля бассейна Гуаймас (Калифорнийский залив) является наличие мощного осадочного чехла, обогащенного органическими соединениями вследствие высочайших скоростей седиментации, обусловленных речным стоком Колорадо [10] и высоким уровнем первичной продукции в фотической зоне [13, 19]. Высокотемпературные флюиды истекают в придонную воду не только через выходы источников, но также при подъеме их сквозь вышележащие восстановленные осадки, обогащенные Mn. Это приводит к обогащению флюидов марганцем относительно железа [24], что является характерным свойством флюидов бассейна Гуаймас, отличающим его от других гидротермальных полей. С этой точки зрения представляет интерес выявить геохимические особенности биоаккумуляции тяжелых металлов организмами бассейна Гуаймас, тем более, что этим вопросам посвящено лишь несколько публикаций [6, 7, 21, 22].

В данной работе изучено бионакопление как физиологически важных металлов - Fe, Mn, Zn, №, которые могут негативно влиять на

организмы только в случае очень высоких содержаний, так и таких токсичных как Cd, Pb, As, Ag, Se, Sb и Щ. Доминантная гидротермальная фауна представлена высоко специализированными таксонами, функционирование которых связано с внутриклеточными бактериями, это - вестиментиферы Riftia pachyptila и двустворчатые моллюски-везикомеиды Archivestica gigas (Calyptogena). Неспециализированные таксоны представлены сестонофагами-губ-ками Spongia, двустворчатыми моллюсками Nucula-т grasslei, актиниями ParapheШactis pabista, а также плотоядными крабами Munidopsis alvisca.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Материал для исследования включает 4 образца воды, два из которых отобрано из "муара" в местообитании вестиментифер Riftia и два - над диффузным источником в микробиотопе моллюсков Archivesica gigas, 25 проб различных органов, а также животных целиком, обитающих на гидротермальном поле южного трога бассейна Гуаймас. Данная коллекция была собрана во время 49-го рейса НИС "Академик Мстислав Келдыш" (сентябрь 2003 г.) с помощью манипуляторов обитаемых глубоководных аппаратов "Мир-1" и "Мир-2". Отбор проб воды осуществлялся выносными титановыми батометрами объемом 700 мл. На борту судна пробы воды переносили в вымытые кислотой пласти-

Таблица 1. Применяемые аналитические методы и точность анализа

Элемент, объект Метод анализа Точность, ±%

Mg, Fe, Zn, Mn и Си в воде Пламенная атомно-абсорбционная спектрометрия (ААС) 5

Со, Сг, Ag, Pb, As и Sb в воде Электротермическая ААС 12-15

Fe, Со, Сг, Ва, As, Sb, Se и Аи в организмах Инструментальный нейтронно-активационный анализ 15

Zn, Си и Мп в организмах Пламенная атомно-абсорбционная спектрометрия (ААС) 8

Cd, Ag и РЬ в организмах Электротермическая ААС 10

Щ Электротермическая ААС с приставкой ГРГ-106 после 14

концентрирования методом холодного пара

ковые флаконы и подкисляли концентрированной азотной кислотой (super pure MERCK) до pH 2. До анализа в стационарной лаборатории ИОРАН пробы воды хранили в холодильнике.

Образцы донной фауны отбирались с помощью устройства "слап-ган" и сеток, управляемых из подводных аппаратов. На борту судна образцы фауны были дважды промыты небольшим количеством дистиллированной воды, измерены и препарированы по органам, после чего - высушены (T° < 70°С) . Пробы мягких тканей, как правило, объединяли в себе несколько экземпляров организмов. Высушенные образцы хранились в герметичных пластиковых пакетах до анализа в стационарной лаборатории. Все приведенные концентрации металлов рассчитаны на сухой вес.

Химическая подготовка образцов включала разложение истертых проб (навеска 50 мг) с помощью смеси из 1 мл концентрированной азотной кислоты (super pure MERCK) и 0.5 мл пергидроли в тефлоновых сосудах микроволновой системы MWS-2 (Berghof, Германия). Пробы воды перед анализом разбавляли деионизованной водой 1 : 5, а пробы фауны 1 : 10. Концентрацию металлов определяли методом атомно-абсорбционной спектрометрии (ААС): Mn и Cu - в пламенном варианте на спектрометре КВАНТ-2А; Pb, Cd, Ag, As - в электротермическом варианте на спектрометре КВАНТ^.ЭТА, содержание ртути - методом холодного пара на ААС КВАНТ^.ЭТА с приставкой ГРГ-106 (табл. 1). Инструментальный нейтронно-активационный анализ образцов фауны применялся для определения Fe, Zn, Sb, Se, Co, Cr. Контроль правильности анализа проводили с использованием Государственных стандартных образцов (ГСО) ионов анализируемых металлов, международных стандартных образцов NIST SRM 2976 mussel tissue, IAEA MA-A-2/TM fish flash gomogenate и GSD-7. Cредние отклонения от паспортных данных стандартных образцов составляли для Fe, Mn, Zn, Cu, Co, Cr, Pb, As 3-5%; Ag, Cd, Se, Sb, - 8%; Hg - 15%. В 14-ти образцах фауны было измерено содержание органического углерода на Экспресс-анализаторе углерода A№2975 M, точность анализа ±0.1%.

ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ ПОЛОЖЕНИЕ И РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ФАУНЫ

Южный трог гидротермального поля бассейна Гу-аймас расположен на глубине 2020 м (27°00.70' с.ш. 111°24.40' в.д.). Интенсивная тектоническая активность здесь обусловлена смещением Калифорнийского полуострова к северо-западу со скоростью спрединга около 6 см/год [17, 19]. Привнос речным стоком Колорадо значительных масс терригенного материала [10] и высокая продуктивность вод Калифорнийского залива [13] обеспечивают высокие скорости осадкообразования (1-2 мм/год), что способствует формированию мощного слоя осадков, обогащенных органическим веществом.

Низкотемпературные гидротермальные минеральные ассоциации представлены опалом и баритом, а высокотемпературные - пирротином и сфалеритом [1]. Интересно отметить, что в обеих минеральных формациях обнаружены нефтяные углеводороды, при этом содержание Сорг изменяется от 0.62 (в высокотемпературных) до 6.21% (в низкотемпературных) [8]. На площади около 30 км2 было описано около 100 высокотемпературных источников - черных курильщиков [19]. В бассейне Гу-аймас сульфидные трубки обычно прорастают через осадочный слой, достигая высоты 25 м и выше [1].

Высокотемпературные флюиды (с максимальной температурой 3l5°C) изливаются из отверстий сульфидных трубок в придонную воду, а теплые флюиды (около 150°С и ниже) проходят через стенки построек и поднимаются сквозь осадочный чехол, обогащенный органическим веществом. Это приводит к сложной трансформации состава органического вещества до углеводородов и метана, а также обогащению флюидов Mn по отношению к Fe [24], что является характерной чертой гидртер-мальных флюидов бассейна Гуаймас, выделяющей его из остальных гидротермальных полей.

Уровни концентраций химических элементов в донных организмах являются функцией двух переменных: факторов среды обитания и биологических параметров. В условиях гидротермальных полей влияние высокотемпературных флюидов является определяющим фактором среды обитания.

Таблица 2. Средние концентрации магния (мМ/л) и металлов (мкМ/л) в разбавленных флюидах двух типов гидротермального поля бассейна Гуаймас

Характеристика раствора Fe Мп 7п Си & Со Ag Cd Pb As 8Ъ

"Муар", рН = 5.40 34 20.6 43.6 0.32 0.66 0.76 0.19 0.002 0.002 0.04 0.70 0.03

"Тепловое высачивание", 43.1 7.47 1.48 18.8 0.29 0.47 0.16 0.026 0.004 0.02 0.10 0.05 рН = 7.49

Фоновая морская вода [18] 54 0.004 0.001 0.012 0.007 0.005 0.00003 0.00002 0.001 0.0005 0.022 0.001

Флюиды обогащены восстановленными газами (H2S, CH4), которые служат источником функционирования термофильных хемосинтезирующих бактериальных сообществ. Изменения температуры и химического состава придонной воды обусловливают фаунистическую зональность [3], причем экстремальная температура поселений гидротермальной фауны достигает 40°C; в пределах аномальных температур доминируют организмы-сим-биотрофы, питание которых обеспечивают бактерии эндо- и эктосимбионты, окисляющие H2S и/или CH4. Толстый слой бактериальных матов покрывает площади до нескольких сотен м2.

Изучение мелкомасштабной фаунистической зональности показало, что в пределах гидротермального поля Гуаймас, как и на других полях Восточно-Тихоокеанского поднятия (ВТП), выделяются следующие температурные зоны с определенными доминирующими груп

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.

Показать целиком