научная статья по теме ИССЛЕДОВАНИЕ НАКОПЛЕНИЯ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ ЖИВЫМ И МЕРТВЫМ ПЛАНКТОНОМ В ЛАБОРАТОРНОМ ЭКСПЕРИМЕНТЕ Охрана окружающей среды. Экология человека

Текст научной статьи на тему «ИССЛЕДОВАНИЕ НАКОПЛЕНИЯ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ ЖИВЫМ И МЕРТВЫМ ПЛАНКТОНОМ В ЛАБОРАТОРНОМ ЭКСПЕРИМЕНТЕ»

ЭКОЛОГИЯ, 2015, № 4, с. 313-316

КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ

УДК 574.5:550.427.47

ИССЛЕДОВАНИЕ НАКОПЛЕНИЯ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ ЖИВЫМ И МЕРТВЫМ ПЛАНКТОНОМ В ЛАБОРАТОРНОМ ЭКСПЕРИМЕНТЕ

© 2015 г. М. Я. Чеботина*, Е. В. Поляков**, Н. А. Хлебников**, И. В. Волков**, В. П. Гусева*

*Институт экологии растений и животных УрО РАН 620144 Екатеринбург, ул. 8 Марта, 202 е-шаП: Chebotina@ipae.uran.ru **Институт химии твердого тела УрО РАН 620990 Екатеринбург, ул. Первомайская, 91 Поступила в редакцию 07.02.2014 г.

Ключевые слова: живой и мертвый планктон, вода, микроэлементы, коэффициенты распределения, сорбция.

БО1: 10.7868/80367059715040046

Имеющийся в литературе экспериментальный материал свидетельствует о том, что поступающие в водные экосистемы химические и радиоактивные элементы быстро поглощаются гидро-бионтами и донными отложениями, в результате чего их содержание в воде резко снижается. При этом концентрация многих из них в гидробионтах и грунтах длительное время поддерживается на высоком уровне, превышающем их концентрации в воде на порядки величин (Куликов, Чеботина, 1988).

К числу гидробионтов, имеющих наиболее высокие коэффициенты накопления, относится пе-рифитон (Тимофеева-Ресовская, 1963) и планктон (Трапезников и др., 2008). Это обстоятельство может быть использовано для биоиндикации химических и радиоактивных загрязнений в водоемах, возникших в результате техногенной деятельности человека, а также для практических целей, связанных с необходимостью биологической очистки природных водоемов от таких загрязнений.

Данная работа посвящена изучению сорбци-онных свойств живого и мертвого планктона в отношении ряда химических элементов при разных концентрациях их в водной среде.

Объектами исследования служили вода и планктон Белоярского водохранилища. Воду отбирали из водоема-охладителя Белоярской АЭС, фильтровали и разливали по сосудам, в которые вносили исследуемые элементы (микроэлементы Мп, Бе, Сб, Ва, включая лантаноиды Се, Рг, Мё). Для приготовления исходного раствора микроэлементов использовали природный монацит, представляющий собой химическое соединение фосфата церия и лантана и содержащий в качестве примесей все химические элементы группы церия, а также уран и торий (Поляков, 2003). Исходный раствор готовили путем растворения в серной кислоте навески 100 мг монацита и разведения ее дистиллированной водой до объема 500 мл. Такой раствор обеспечивал повышенные в эксперименте значения концентраций элементов по

Концентрации химических элементов в воде экспериментальных сосудов до начала эксперимента

Вариант

Концентрация, мкг/мл

опыта Мп, п х 10 3 Бе Сз, п х 10-3 Ва, п х 10-3 Се Рг Ш

1 2.9 0.19 0.6 8.0 0.5 0.05 0.18

2 3.4 0.23 4.5 8.6 1.0 0.10 0.35

3 3.8 0.26 6.0 9.3 1.5 0.15 0.53

4 4.2 0.29 8.0 9.9 1.9 0.20 0.71

5 4.6 0.32 9.0 10.5 2.4 0.25 0.88

6 5.0 0.36 10.0 11.2 2.9 0.30 1.05

104

103

102

104

103

С8

4 5 6 Варианты опыта

105 104 103 102

1 2

456 Варианты опыта

Рис. 1. Коэффициенты распределения (КР) химических элементов в живом (1) и мертвом (2) планктоне в разных вариантах опыта.

1

2

6

1

2

3

4

5

3

1

2

3

сравнению с их значениями в озерной воде (Поляков и др., 2012)

Накопление микроэлементов планктоном изучали в зависимости от их концентрации в водной среде. Для этого в разных вариантах опыта (1—6) в экспериментальные сосуды, содержащие 200 мл озерной воды, вносили различные аликво-ты исходного раствора монацита, что обеспечивало градиент концентраций микроэлементов, приведенный в таблице.

Планктон для опыта отбирали в акватории водоема, примыкающей к атомной станции (район промливневого канала), из слоя воды 0—1 м от по-

верхности с помощью сачков, изготовленных из мельничного газа № 70. После сцеживания воды часть сырой массы планктона помещали в приготовленные ранее сосуды с растворами микроэлементов. Другую часть планктона на 2 мин помещали в СВЧ-печь при мощности 600 Вт и температуре 95°С, после чего соответствующую навеску убитого таким образом планктона использовали в аналогичном варианте опыта. Значения рН в экспериментальных растворах составляли 7.2—8.3.

Поскольку время жизни водорослей в условиях природного водоема весьма мало (Елизарова, 1998; Ланская, 1967), мы ограничились неболь-

ИССЛЕДОВАНИЕ НАКОПЛЕНИЯ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

315

КР

20000

10000 5000

1000

500

200

(а)

Г*1

г!~1

Мп Бе С8 Ва Се Рг Ш

КР

2000

1000 500

100 70

(б)

гЪ

¿1

Мп Бе С8 Ва Се Рг Ш

Рис. 2. Средние значения коэффициентов распределения (КР) химических элементов в вариантах с живым (а) и мертвым (б) планктоном.

шой продолжительностью опыта (6 ч), чтобы предотвратить отмирание организмов в варианте с живым планктоном. Кроме того, в условиях краткосрочного эксперимента исключались процессы разложения отмершего материала, которые могли привести к изменению его сорбционных свойств, что было показано нами ранее (Куликов, Чеботина, 1988).

После окончания эксперимента планктон отделяли от воды путем фильтрования через мембранный фильтр с размером пор 1 мкм (Хлебников и др., 2011), высушивали и растирали на электромельнице до порошкообразного состояния. Усредненные пробы растворяли в смеси азотной, соляной и фтороводородной кислот в соотношении 2 : 1 : 1 и выдерживали в автоклаве 15—30 мин при температуре 150—160°С с последующим прокаливанием в течение 2 ч в муфельной печи. Количественное определение элементов производили на квадрапульном масс-спектрометре Регкт-Е1тег SCIEX (США—Канада) с использованием калибровочного стандартного раствора с требуемым диапазоном концентраций исследуемых элементов. Относительная стандартная погрешность определений не превышала 10—20%.

Для определения видового и количественного состава планктона использовали методики, описанные в работе М.Я. Чеботиной с соавт. (2002). Согласно данным анализа, в момент проведения эксперимента (июль 2012 г.) в планктоне отсутствовал зоопланктон. Фитопланктон численностью 91 млн кл/л и биомассой 59 г/м3 был пред-

ставлен 11 видами: отдел СуапорИу1а — 5 видов, СЫогорИуа — 3 вида, Б1порку1а — 2 вида, ВаеШаг-юрИу!а — 1 вид. Наиболее многочисленной оказалась синезеленая водоросль ЛпаЬавпа flos-aquae (~50 млн кл/л). По биомассе преобладала пиро-фитовая водоросль СвгаИиш Ыгип^пвИа (47 г/м3).

Для сравнительной оценки накопления химических элементов живым и мертвым планктоном были использованы коэффициенты распределения (КР), представляющие собой отношение концентраций данного элемента в организме и среде в условиях лабораторного эксперимента. На рис. 1 представлены КР исследуемых химических элементов в разных вариантах опыта. Видно, что каждый элемент накапливается из водной среды живым планктоном больше, чем мертвым. Очевидно, для живого и мертвого планктона характерны разные способы поглощения элементов. В первом случае поступление химических элементов внутрь клеток фитопланктона происходит преимущественно путем активной и пассивной сорбции, а во втором — за счет поверхностного осаждения коллоидных форм элементов на отмершей массе водорослей (СИеЪоПпа е! а1., 2014).

Две совокупности экспериментальных данных по каждому элементу в вариантах с живым и мертвым планктоном были подвергнуты статистической обработке с помощью компьютерной программы STATISTICA по критерию Вилкоксо-на методом парных сравнений. Установлено, что коэффициенты распределения каждого элемента

316

ЧЕБОТИНА и др.

в аналогичных вариантах опыта достоверно различаются для живого и мертвого планктона (уровень значимостир < 0.028). В то же время КР каждого элемента не зависят от его исходной концентрации в растворе в исследованном диапазоне концентраций (р > 0.05).

На рис. 2 приведены усредненные для каждого элемента КР в опыте с живым и мертвым планктоном. Видно, что для живого планктона они изменяются в зависимости от элемента и для разных элементов варьируют в пределах нескольких порядков величин. Наиболее высокие средние значения КР получены для лантаноидов Се, Рг и Мё (11000—14000), а наиболее низкие — для микроэлементов Бе, Сб и Мп (1300—1600) (в случае с Мп средние значения и средние квадратичные ошибки рассчитаны для вариантов 2—6). В эксперименте с мертвым планктоном наиболее высокие значения КР отмечены для Ва (~4000). Для остальных элементов они на порядок меньше (300—400) и практически одинаковы.

Таким образом, впервые показано, что живой планктон накапливает исследуемые химические элементы достоверно больше, чем мертвый. Живой планктон накапливает лантаноиды в большей степени, чем другие изученные в эксперименте элементы. В процессе отмирания эта способность утрачивается, в результате чего все исследуемые элементы, кроме Ва, накапливаются мертвым планктоном практически одинаково.

Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ-Урал_ а 13-03-96061 и ОХИМ РАН (12-Т-3-1019).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Елизарова В.А. Суточная динамика деления клеток ди-атомеи Asterionella /огшоза Назз. в естественной популяции // Биология внутренних вод. 1998. № 2. С. 28—35.

Куликов Н.В., Чеботина М.Я. Радиоэкология пресноводных биосистем. Свердловск: УрО АН СССР, 1988. 127 с.

Ланская Л.А. Суточный ход деления клеток некоторых видов планктонных водорослей Черного моря в культурах // Биология и распределение планктона Южных морей. М.: Наука, 1967. С. 16-22.

Поляков Е.В. Реакции ионно-коллоидных форм микроэлементов и радионуклидов в водных растворах. Екатеринбург: УрО РАН, 2003. 279 с.

Поляков Е.В., Чеботина М.Я., Хлебников Н.А. и др. Особенности накопления химических элементов планктоном пресноводного водоема // Экология. 2012. № 5. С. 1-8. [Polyakov E.V., Chebotina M.Ya., Khlebnikov N.A. et al. Patterns of the Accumulation of Chemical Elements in the Planktin of a Fresh Water Body // Rus. J. Ecology. 2012. № 5. Р. 353-360].

Тимофеева-Ресовская Е.А. Распределение радиоизотопов по основным компонентам пресноводных водоемов // Труды Института биологии. Вып. 30. Свердловск: УФАН СССР, 1963. 77 с.

Трапезников А.В., Чеботина М.Я., Трапезникова В.Н. и др. Влияние АЭС на радиоэкологическое состояние водоема-охладителя. Екатеринбург: Изд-во "Академ-Наука", 2008. 400

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