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.