БИОЛОГИЯ ВНУТРЕННИХ ВОД, 2007, № 4, с. 97-106
^=МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
УДК 504.064:594.141
МЕТОД РАСЧЕТА ФОНОВЫХ КОНЦЕНТРАЦИЙ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В МЯГКИХ ТКАНЯХ ДВУСТВОРЧАТЫХ МОЛЛЮСКОВ ДЛЯ ОЦЕНКИ ЗАГРЯЗНЕНИЯ р. ДНЕПР
© 2007 г. Д. В. Лукашев
Киевский национальный университет им. Т.Г. Шевченко, 01033 Киев-33, ул. Владимирская, 64, e-mail: dek@biocc.univ.kiev.ua Поступила в редакцию 24.03. 2006 г.
Проведена сравнительная оценка содержания тяжелых металлов в мягких тканях моллюсков сем. Unionidae из р. Днепр (Украина) со статистически обоснованными фоновыми уровнями. Показано, что наиболее адекватная оценка загрязнения - двукратное превышение величины абсолютного отклонения медианы концентрации (Мех + 2MAD). В результате определены районы геохимических аномалий, где наблюдается загрязнение моллюсков. Такими районами оказались участки, расположенные ниже крупных городов - промышленных центров.
ВВЕДЕНИЕ
Нормирование загрязнения компонентов окружающей среды - все более актуальная тема современной гидроэкологии. На данный момент в большинстве стран наиболее разработана концепция предельно допустимых концентраций (ПДК) тяжелых металлов (ТМ) в воде, для некоторых стран - также в донных отложениях. В последнее время многие исследователи выступают с критикой в адрес широкого использования различных ПДК [3, 7]. Проблема ограниченности использования данных показателей уже введена в учебники [1, 4].
Для проведения биологического мониторинга загрязнения ТМ водных экосистем все шире применяют различные группы гидробионтов. В качестве показателей загрязнения чаще используют абсолютные значения концентрации металлов в их теле или отдельных органах [13, 20, 23]. Однако в таком случае возникает проблема нормирования таких показателей. Для получения сравнительных оценок загрязненности определенных участков водоемов широко используют отбор проб гидробионтов с заранее выбранных условно "чистых" участков (например, расположенных выше по течению от предполагаемого района загрязнения). Содержание металлов в гидробионтах на таких участках принимают за "условный фон", превышение которого в других районах будет указывать на наличие загрязнения [11, 18]. Однако при этом возникает две проблемы: 1) насколько корректно и универсально значение такого "фона"; 2) какое превышение концентрации относительно "фоновой" можно считать загрязнением. К сожалению, в биологической литературе подобные параметры
редко имеют корректную статистическую оценку. Несколько лучше разработан статистический аппарат обработки данных в геохимии и гидрохимии. Исследование содержания ТМ в гидробионтах -частная задача геохимии [14]. Биогеохимические исследования призваны оценить содержание химических элементов в окружающей среде (почве, воде) на основании химического состава живых объектов. В последнее время в рамках геохимии интенсивно развивается отдельная дисциплина -экологическая биогеохимия, задача которой - исследование загрязнения окружающей среды методами биологического мониторинга [1].
Основные парадигмы геохимии - понятия "геохимический фон" и "аномалия". Именно с величиной геохимического фона необходимо проводить сравнение всех экспериментальных значений для утверждения наличия загрязнения (т.е. превышения естественного фона). Так как значение фона -условная статистическая величина, то оно должно характеризоваться определенным диапазоном естественных колебаний:
C = C + C
^mm/max m —
(1)
где Стт/тях - величина крайних колебаний естественной фоновой концентрации, Ст - средняя фоновая концентрация, Сг - статистически обоснованные пределы колебаний фоновой концентрации.
Если содержание химического элемента в отдельной пробе статистически значимо отличается от крайнего (верхнего или нижнего) фонового уровня, то можно утверждать о наличии аномального значения. Следовательно, основная задача биогеохимических исследований заключается в определении и статистическом обосновании не
Днепродзержинск!^^ Днепропетровск
Расположение участков исследования вдоль русла р. Днепр: 1 - ниже г. Лоев, 2 - выше пос. Неданчичи, 3 - Киевское водохранилище, с. Ровжи, 4 - Киевская ГЭС, верхний бьеф, 5 - Киевская ГЭС, нижний бьеф, 6 - Каневское водохранилище, г. Украинка; 7 - Каневское водохранилище, пос. Ржищев, 8 - Каневская ГЭС, верхний бьеф, 9 - Каневская ГЭС, нижний бьеф, 10 - Кременчугское водохранилище, выше г. Черкассы, 11 - Кременчугское водохранилище, с. Адамовка, 12 - выше г. Кременчуга, 13 - Днепродзержинске водохранилище, с. Куцеволовка, 14 - Днепродзержинске водохранилище, с. Домоткань, 15 - Днепродзержинская ГЭС, верхний бьеф, 16 - Днепродзержинская ГЭС, нижний бьеф, 17 - Днепровское водохранилище, выше г. Днепропетровска, 18 - Днепровское водохранилище, с. Башмачка, 19 - Днепровская ГЭС, верхний бьеф, 20 - Каховское водохранилище, г. Каменка-Днепровская, 21 - Каховская ГЭС, верхний бьеф, 22 - Каховская ГЭС, нижний бьеф, 23 - выше г. Херсона, 24 - Днепровский лиман, с. Старая Збурьевка.
столько величины фона, сколько его верхнего и нижнего пределов. В англоязычных научных публикациях по изучению загрязнения окружающей среды получили широкое применение методические подходы, заимствованные из геохимии [21, 25]. Однако на данный момент исследователи не при-
шли к единому общепринятому методу определения фоновых уровней содержания ТМ в компонентах окружающей среды.
Цель работы - проведение сравнительного анализа применения нескольких наиболее распространенных методов оценки фонового уровня
ТМ для выявления загрязненных участков русла р. Днепр с использованием пресноводных двустворчатых моллюсков сем. Unionidae.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Исследования проводили на 24 участках русла р. Днепр в пределах Украины, охватывающих все днепровские водохранилища (см. рисунок). Для определения фоновых концентраций металлов моллюсков по возможности отбирали в точках, расположенных выше по течению от крупных городов, или >50 км ниже них по течению. Использовали два широко распространенных вида пресноводных двустворчатых моллюсков - Unio tumidus Philips. и Anodonta anatina (L.). Для уменьшения влияния сезонных колебаний химического состава моллюсков пробы отбирали в сжатые сроки - с конца июня до начала июля 2005 г. Использовали стандартизированные размеры моллюсков: Unio tumidus - 70-90 мм, Anodonta anatina - 80-100 мм. В одной точке с глубины 1.5-3.0 м отбирали 4-5 экз. моллюсков каждого вида. Концентрацию TM (Cu, Ni, Cd и Cr) определяли в мягких тканях моллюсков в каждом экземпляре отдельно с помощью пламенного (ацетилен-воздух) атомно-адсорбци-онного спектрофотометра C115-M1 с дейтерие-вым корректором фона и компьютерно-аналитическим комплексом КАС-1. Пробы готовили стандартными методами мокрого озоления [5]. Проведено исследование химического состава 84 экз. Unio tumidus (20 участков) и 92 - Anodonta anatina (23 участка).
Традиционно для описания концентрации химических веществ в различных компонентах окружающей среды используют арифметическое среднее совокупности значений выборки. Однако арифметическое среднее чувствительно к наличию выпадающих значений, так как имеет статистический смысл лишь при выполнении условия нормального распределения вариационного ряда [27]. Нормальность распределения проверяли с помощью теста Shapiro-Wilk's (Шапиро-Уилка), как наиболее чувствительного [15, 27]. Для сравнительного анализа содержания металлов в мягких тканях моллюсков с результатами опубликованных исследований автор приводит данные в виде арифметических средних.
Для определения достоверности различий отдельных выборочных значений содержания TM использовали непараметрический Mann-Whitney U-тест [26, 27]. При этом оценивали достоверность различий выборочных величин отдельных исследованных точек со всей генеральной совокупностью значений для каждого вида моллюсков, полученных на всех исследованных участках. В данном случае исходили из допущения, что все исследованные участки отражают условный фоновый уровень содержания TM в тканях моллюсков на
исследованном участке речного русла, так как районы отбора проб находятся на достаточном удалении от явных источников антропогенного загрязнения.
В отечественных геохимических работах за фоновое значение принимают величину арифметического среднего при условии нормального распределения концентраций в пробах исследуемого района или среднее геометрическое - при логнор-мальном распределении концентраций [9, 10]. Соответственно формула (1) принимает вид
C = C + 2 S
^min/max m —
для нормального распределения и C = C + 2 S
^min/max ^mlog — ^^log
(2)
(3)
для логнормального. В данном случае для нормального распределения Ст - арифметическое среднее совокупности концентраций всех проб на исследуемом участке, £ - его стандартное отклонение. Для логнормального распределения СтЪъ -геометрическое среднее всей совокупности концентраций на исследуемом участке, £1оЁ - антилогарифм стандартного отклонения логтрансформи-рованных значений.
По мнению многих исследователей [6, 14, 16, 24], распределение концентраций химических элементов в природе редко соответствует как нормальному, так и логнормальному распределениям. По этой причине уравнения (2) и (3) можно использовать только в исключительных случаях. Для этих целей предлагаются и получают все более широкое применение непараметрические показатели, устойчивые к различиям формы распределения, что позволяет сравнивать выборочные совокупности данных даже без тестирования нормальности их распределения и проведения операций трансформирования (которые, как известно, ведут к потере чувствительности метода). Наиболее широко используется в исследованиях непараметрический показатель, характеризующий центральную тенденцию распределения, - медиана [16, 19, 22]. Медиана значительно меньше зависит от формы распределения и потому именно данный показатель более применим к выборкам небольшого объема [16]. Таким образом, значение медианы может рассматриваться в качестве среднего фонового значения для выбранного района исследования. Для характеристики пределов колебаний медианы фоновых концентраций необходимо стат
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.