ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2014, том 456, № 5, с. 575-580
= ГЕОХИМИЯ =
УДК 551.465+579.68
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ПРИДОННОЙ ВЗВЕСИ,
НАИЛКЕ И ДОННЫХ ОСАДКАХ НА ЕНИСЕЙСКОМ ПРОФИЛЕ В КАРСКОМ МОРЕ © 2014 г. В. В. Гордеев, А. Ю. Леин, Н. А. Беляев, академик М. В. Иванов
Поступило 12.02.2014 г.
БО1: 10.7868/80869565214170216
Донные осадки морей и океанов формируются главным образом за счет осаждения взвешенного вещества из водной толщи на дно. Однако работ, в которых рассмотрены процессы преобразования взвешенного материала в донный осадок на границе вода—дно, мало и многие особенности этого процесса не изучены.
Особый интерес представляет наилок — тонкий, легко взмучиваемый, с влажностью не менее 90% слой осадка на поверхности менее влажных уплотненных донных отложений, представляющий переходную форму материала между придонной взвесью и донным осадком. Нам не известны работы, которые были бы посвящены рассмотрению особенностей химического состава наилка в морской среде. Можно упомянуть только ряд близких к данной тематике работ, в которых рассмотрены пресноводные [1—3] либо эсту-арные экосистемы [4].
Взвешенный материал у самого дна находится в более динамичной среде, чем донные осадки. Его химический состав чаще подвержен изменениям физико-химических параметров среды (рН, содержание О2 и др.), а наиболее лабильная составляющая — аморфные железоорганические флоккулы — контролируется колонизирующими их микроорганизмами [1]. В работе [4], посвященной сравнительному анализу геохимии взвеси и донных осадков эстуария р. Фрейзер (Канада), убедительно показано, что содержания окислов Бе, Мп, Сорг, Си, Zn, РЬ выше в наддонной взвеси, чем в донных осадках. Химический состав взвеси гораздо более подвержен сезонным изменениям, чем донные отложения. Взвесь, особенно при низкой воде (зимой), намного богаче донных осадков органическим веществом, гидроокислами
Институт океанологии им. П.П. Ширшова Российской Академии наук, Москва Институт микробиологии им. С.Н. Виноградского Российской Академии наук, Москва
Бе и металлами с большим содержанием последних в легко восстанавливаемой форме.
Интересные результаты получены по данным химического и микробиологического анализов придонной взвеси 6 водных экосистем провинции Онтарио (Канада), расположенных в различных физико-химических обстановках [1, 3]. Пробы придонной воды для получения взвеси отбирали из слоя менее 0.5 м от дна. Анализ этой взвеси и поверхностного слоя донных осадков показал, что содержания Л§, Аз, Си, N1, Со во взвеси были в несколько раз более высокими по сравнению с донными осадками практически во всех 6 водных экосистемах. Анализ форм нахождения металлов во взвеси выявил решающую роль аморфных гидроокислов Бе, что означает наиболее высокую геохимическую подвижность этих металлов.
В экспедициях ИО РАН в Карское море (2001, 2007, 2011 гг.) геохимическим и биогеохимическим исследованиям уделяли большое внимание [5—7]. В рейсе НИС "Академик Мстислав Келдыш" в сентябре 2011 г., когда в арсенале экспедиционного оборудования появились пробоотборники типа трубки Неймисте и мультикорер, удалось отобрать образцы придонной взвеси, наилка и верхнего ненарушенного слоя донных осадков. Детальное описание гидрохимической структуры вод на профиле р. Енисей—шельф Карского моря представлено в [7].
Цель данной работы — определение химического состава и концентрации Бе, Мп, Си, Zn, Сг в придонной, наддонной взвесях, наилке и поверхностном слое осадков на Енисейском меридиональном профиле в Карском море.
Водную взвесь отбирали батометрами Ниски-на в системе Розетт из поверхностного и придонного горизонтов. Фильтрацию воды для отделения взвеси с целью определения ее концентрации и химического состава выполняли через ядерные фильтры Дубна с размером пор 0.4 мкм под вакуумом. Пробы наддонной воды (0—0.5 м над дном)
Таблица 1. Характеристика водной толщи
Район Глубина, м РОУ, мгС/л ВОУ/ВВ, отн. % ОЧМ, 104 кл./мл ТАУ, мкгС/л/сут
1 2 1 2 3 1 2 1 3 1 2 3
Русло 30 0.1 — 7.85 7.95 6.88 15 - 1377 1750
р. Енисей 10 0.4 0.1 7.96 - - 14 10
14 0.5 21.0 10.78 4.69 4.78 13 5
Эстуарий 22 15.8 31.1 5.11 3.25 2.26 24 7 — — 0.263 0.238 0.420
Внутренний 47 22.9 33.5 3.36 1.33 1.54 25 7 — —
шельф 30 26.2 32.1 4.94 2.06 1.88 35 7 407 850 — — —
59 28.7 34.4 2.24 7.64 4.58 25 9 309 950 — — —
Внешний 63 24.2 34.0 3.24 1.11 1.40 33 12 543 1000 0.088 0.141 0.203
шельф
Примечание. 1 — поверхностный слой, 2 — придонный, 3 — наддонный. S — соленость, РОУ — растворенный органический углерод, ВОУ — взвешенный органический углерод, ВВ — взвешенное вещество, ОЧМ — общая численность микроорганизмов, ТАУ — темновая микробная ассимиляция углекислоты.
и наилка (0—0.2 см) из мультикорера отбирали пипеткой или малыми шприцами. Донные осадки выталкивали пластиковым поршнем из вертикально стоящей трубки мультикорера и отбирали пробы верхнего слоя осадков (0.2—2 см). Определение химических элементов в пробах взвеси из водной толщи и наддонной воды выполняли методом атомной абсорбции на спектрофотометре Квант-2А в пламени ацетилен—воздух. Химический состав проб наилка и поверхностных донных осадков определяли методом рентген-флуоресцентного анализа [8].
Комплекс исследований, проведенный в зоне контакта вода—дно [7], позволил сделать ряд важных выводов о роли микроорганизмов и биогеохимических процессов на этом барьере. Было показано, что в зону контакта сверху из водной толщи поступает взвешенное органическое вещество (ОВ): аллохтонное в виде остатков высших растений, продуктов абразии и др. и автохтонное — фи-топланктоногенное. Органическое вещество взвеси обеспечивает жизнь гетеротрофных микроорганизмов в наддонной воде, наилке и осадках, а из осадков в наддонную воду поступают восстановленные соединения, являющиеся энергетическим субстратом для автотрофных микроорганизмов.
В изученных пробах наилка наблюдалась максимальная величина общей численности микроорганизмов (ОЧМ) — до 69.8 млн кл./мл и рост интегральной активности микроорганизмов (ТАУ) по сравнению с наддонной водой и поверхностным осадком. В наилке ОЧМ увеличивалась в 17— 32 раза по сравнению с водной толщей [7].
Углерод биомассы микроорганизмов обогащен тяжелым изотопом 13С (813С от —18 до —20%о) по сравнению с изотопным составом Сорг водной взвеси (813С от —25 до —26%) [6]. Подтверждением
присутствия в наилке и поверхностном слое осадков значительной по объему биомассы автотроф-ных микроорганизмов служит обогащение изотопного состава Сорг наилка тяжелым изотопом 13С на 2—4% и более относительно значений 13С —
Сорг [9].
Характеристика водной толщи в разных районах на меридиональном профиле русла р. Енисей-внешний шельф приведена в табл. 1.
Концентрация РОУ в поверхностном слое водной толщи уменьшается от русла р. Енисей до открытого моря (табл. 1). В наддонном и придонном слоях также прослеживается эта тенденция, однако отмечается увеличение содержания РОУ в области внешнего шельфа. Как правило, в над-донном слое содержание РОУ несколько ниже, чем в придонном. Содержание ВОУ в поверхностном слое водной толщи во всех районах профиля существенно выше, чем в придонном. Величина ВОУ/ВВ в поверхностном слое растет с 13 отн. % в русле р. Енисей до 35 отн. % в области внутреннего шельфа. В придонных слоях не выявлено четкой тенденции изменения ВОУ/ВВ по разрезу. В наилке содержание Сорг снижается от 2.42 в эстуарии до 1.0 мас. % на внутреннем шельфе. Несколько меньшие значения Сорг (0.93— 2.40%) характерны для поверхностного слоя осадка [7].
Общая численность микроорганизмов на глубинах менее 100 м растет в наддонном слое по сравнению с поверхностным (табл. 1).
Данные табл. 2, рис. 1 показывают, что в распределении металлов в водной взвеси, толще вод, наддонной взвеси, наилке и поверхностном слое донных осадков на станциях вдоль профиля выявляются вполне определенные зависимости. В водной взвеси практически на всех станциях
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ПРИДОННОЙ ВЗВЕСИ 577
Таблица 2. Соотношение металлов во взвеси, наилке* и донных осадках
Тип пробы Русло р. Енисей Эстуарий
Бе Мп Си Zn Сг Бе Мп Си Zn Сг
Водная взвесь 0.88 1.13 1.55 1.0 0.35 0.67 0.45 1.15 1.27 0.51
Наддонная вода 1.01 1.20 2.18 2.72 0.49 0.70 0.62 1.02 1.13 0.66
Наилок 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
Донный осадок 0.68 0.53 0.49 0.68 0.59 0.95 0.96 0.95 0.96 0.98
Тип пробы Внутренний шельф Внешний шельф
Бе Мп Си Zn Сг Бе Мп Си Zn Сг
Водная взвесь 0.63 0.94 0.98 6.29 0.44 0.51 0.87 5.31 3.14 0.27
Наддонная вода 1.18 0.63 5.90 4.32 0.63 1.11 0.68 17.5 3.80 0.58
Наилок 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
Донный осадок 0.64 0.50 0.63 1.02 0.98 0.97 0.93 0.88 0.92 0.84
Примечание. * Содержание металлов в наилке принято за 1.
содержания Бе, Мп, Сг ниже, а Си, Zn выше, чем в наилке. Отношение содержаний Бе во взвеси и наилке имеет тенденцию к снижению в сторону открытого моря, для Мп и Сг это отношение остается довольно стабильным, а для Си и Zn обогащение взвеси по отношению к наилку существенно возрастает от 1.3—2.7 раз для обоих металлов в зоне русла Енисея до 3.8 для Zn и до 17 раз для Си на внешнем шельфе (табл. 2). Такие результаты вполне ожидаемы, так как содержание металлов в водной взвеси морей и океанов зависит во многом от содержания во взвеси ОВ. Известно, что ОВ концентрирует элементы так называемого биогенного типа (Си, Zn, Сё, N1 и др.) и является разбавителем для элементов литогеного типа (Бе, Мп, Zr, ТЬ, Т1, РЗЭ и др.) [10]. Как отмечено выше, ВОУ/ВВ в поверхностной взвеси возрастает от 13 отн. % в русле до 33 отн. % на внешнем шельфе. Это означает, что на долю ОВ во взвеси приходится до 80%. Понятно, что такое количество ОВ действительно существенно концентрирует одни элементы и сильно разбавляет другие.
Для целей данного исследования наибольший интерес представляет отношение элементов в наилке и донных осадках. Для всех рассматриваемых элементов и практически на всем разрезе (за редким исключением) наилок оказывается обогащенным по отношению к лежащему под ним донному осадку (рис. 1). Но это обогащени
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.