ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ, 2014, том 41, № 6, с. 606-620
КАЧЕСТВО И ОХРАНА ВОД, ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ
УДК 556.531.4:546.28(477)
СОДЕРЖАНИЕ, ФОРМЫ НАХОЖДЕНИЯ И ОСОБЕННОСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ И МИГРАЦИИ КРЕМНИЯ В ПОВЕРХНОСТНЫХ
ВОДАХ УКРАИНЫ © 2014 г. П. Н. Линник, Т. П. Дикая
Институт гидробиологии Национальной академии наук Украины 04210 Киев, просп. Героев Сталинграда, 12 E-mail: tanyadyka@ukr.net Поступила в редакцию 08.05.2013 г.
Приведены результаты исследований содержания и форм нахождения кремния в поверхностных водных объектах Украины с различным гидрологическим режимом, гидрофизическими и гидрохимическими характеристиками. Обсуждены распределение кремния среди его растворенной и взвешенной форм, а также взаимосвязь между концентрацией взвешенного кремния и массой взвешенных веществ и их природой. Показано, что доминирующей формой миграции кремния является растворенная (70.1—99.4% его общего содержания), а в речных водах с повышенным содержанием взвеси минерального происхождения, наоборот, преобладает взвешенная форма кремния (56.1—81.5%). Приведены результаты исследований распределения кремния среди абиотической и биотической составляющих взвеси, а также среди его растворенных форм с различным знаком заряда. Установлено, что в исследуемых водных объектах растворенный кремний составляет 93.0—99.0% нейтральной фракции, где доминируют его соединения с молекулярной массой <0.2 кДа.
Ключевые слова: кремний, формы нахождения, растворенная форма кремния, взвешенная форма кремния, молекулярно-массовое распределение.
Б01: 10.7868/80321059614060133
Кремний принадлежит к числу наиболее распространенных химических элементов, находящихся в природе. В составе литосферы он занимает второе место после кислорода, где их кларки составляют соответственно 29.5 и 47.0% [9]. Благодаря выраженному сродству к кислороду и образованию с ним прочных химических связей кремний в свободном состоянии в природе не встречается, а входит в состав огромного количества кремнийсодержащих минералов: кремнезема и его модификаций, силикатов и алюмосиликатов [11]. Относительное содержание кремнезема в земной коре в виде самостоятельных минералов кремнезема — кварца, халцедона, опала и т.п. — составляет 12.5%. Слюды, амфиболы, полевые шпаты, а также ряд других силикатов и алюмосиликатов слагают основную часть горных пород осадочного и магматического происхождения, что составляет ~75—80% земной коры [1, 9, 19]. Таким образом, большая распространенность кремния в горных породах и минералах способствует постоянному нахождению его соединений в природных водах, в том числе и поверхностных.
Однако из-за слабой растворимости кремнийсо-держащих минералов этот элемент обладает низкой миграционной способностью — слабый водный мигрант [9]. Его концентрация в поверхностных водах варьирует от следовых количеств до нескольких десятков миллиграммов в 1 дм3.
Поступление соединений кремния в поверхностные воды происходит, главным образом, в результате химического и биологического выветривания и последующего растворения кремний-содержащих минералов. Соединения кремния поступают также из донных отложений (ДО) водоемов и водотоков, с водосборной поверхности в результате отмирания и последующей минерализации наземной и водной растительности, способной концентрировать в своем составе кремний, — хвощей, злаковых, осоковых, хвойных растений, диатомовых водорослей и т.п. [7]. Некоторая часть кремния поступает с атмосферными осадками, бытовыми стоками в результате использования содержащих силикаты синтетических моющих средств, со сточными водами промышленных предприя-
тий, изготавливающих силикатные материалы [12, 27].
В поверхностных водах выделяют растворенную (ионную и молекулярную), в том числе связанную с растворенными органическими веществами (РОВ), коллоидную (полимерную) и взвешенную формы кремния. Растворенная форма может быть представлена в виде нейтральных молекул кремниевой кислоты (Н48Ю4) или в ионной
форме (Н38104), соотношение между ними определяется рН водной среды [12]. Относительное содержание коллоидной (полимерной) формы кремния может достигать до 20% его общего содержания. Увеличение концентрации кремния в воде, снижение ее рН и температуры способствуют возрастанию его полимерной формы [12]. Взвешенная форма кремния представляет собой мелкие частицы минералов, а также живые и отмершие планктонные кремнийсодержащие организмы. Кроме того, кремний может находиться еще в одной форме — адсорбционной, образующейся при его слипании с твердыми частицами (взвесями), содержащими катионы железа, алюминия, магния, кальция и т. п.
Кремний — необходимый биоэлемент для многих растений и животных, а также для человека. В водных экосистемах он выполняет особенно важную роль в жизнедеятельности диатомовых водорослей, поскольку идет на построение их кремнеземных оболочек (панцирей). Известно, что ~95% кремнезема сконцентрировано в створках панцирей. Незначительное количество кремния находится в связанном состоянии с протеинами цитоплазмы [6]. Установлено, что кремний принимает участие в регуляции жизненно важных метаболических процессов диатомовых водорослей: синтеза белков, ДНК, хлорофилла и каротиноидов. Также он влияет на способность к размножению, видовое разнообразие и размеры клеток этих организмов [17]. Известно, что растворенная форма кремния — наиболее доступная и легко усваиваемая при развитии диатомовых водорослей [32]. Кроме того, кремний — необходимый химический элемент для функционирования золотистых водорослей, беспозвоночных животных — радиолярий, хоанофлагелят, губок, а также высшей водной и наземной растительности [30, 31].
Содержание кремния в поверхностных водах подвержено заметным сезонным колебаниям, связанным в основном с развитием диатомовых водорослей, а также с изменениями соотношений поверхностного и подземного стока [12, 23]. Известно, что диатомеи выполняют ключевую роль в круговороте соединений кремния в водных эко-
системах вследствие потребления его растворенных форм и их трансформации во взвешенную форму. Это главный фактор изменения соотношения форм кремния и его миграции в водных экосистемах [23]. Отмирание диатомовых водорослей приводит к осаждению и накоплению кремния в ДО в виде кремнеземных створок панцирей. В результате их частичного растворения водная толща обогащается растворенными соединениями кремния [27].
Установлено, что кремниевая кислота способна связывать Al(III) в комплексы и тем самым уменьшать его биодоступность и, соответственно, его токсичное действие на живые организмы [21, 33]. Отмечено, что гибель рыб, вызванная острым токсическим воздействием Al(III), может быть устранена при наличии в воде кремнекисло-ты [22, 25]. Аналогичным образом кремний оказывает влияние на развитие зеленой водоросли Chlorella vulgaris в присутствии Al(III), а также повышает биодоступность неорганических форм фосфора [26].
На сегодняшний день известно, что поступление повышенных концентраций алюминия в организм человека имеет весьма негативные последствия, которые могут быть причиной возникновения болезни Альцгеймера. Риск заболевания особенно возрастает при низких значениях pH воды, а также при низких концентрациях растворенных форм кремния. Благодаря способности кремнекислоты образовывать с алюминием гид-роксоалюмосиликатные комплексы уменьшается его биодоступность в результате снижения адсорбции металла в желудочно-кишечном тракте [по 10, 24].
Цель настоящей работы — исследование форм нахождения кремния в поверхностных водах Украины, что важно для определения основных путей его миграции, распределения и накопления среди абиотических и биотических компонентов водных объектов различного типа, а также при оценке его доступности для гидробионтов. Задача исследования заключалась в изучении сезонных и пространственных изменений содержания и форм нахождения растворенного и взвешенного кремния в поверхностных водных объектах различного типа, в установлении особенностей распределения кремния среди абиотической и биотической составляющих взвеси, а также среди растворенных форм.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Объектами исследования были: верхний участок Каневского водохранилища (р.Днепр),
р. Тетерев — правый приток р. Днепр (в пределах Житомирской области), р. Рось — правый приток р. Днепр (в пределах Киевской области), устьевой участок р. Десны — левого притока р. Днепр, р. Се-рет — левый приток р. Днестр (в пределах Терно-польской области), а также Тернопольское водохранилище на р. Серет (в пределах г. Тернополя), р. Горный Тикич — левый приток третьего порядка р. Южный Буг (в пределах Черкасской области), рукава Килийской дельты (украинского участка р. Дунай), а также некоторые реки его бассейна (Тиса, Черная Тиса, Белая Тиса), р. Припять и некоторые реки ее бассейна (Стоход, Цир, Стырь), озера Вербное и Иорданское (г. Киев).
В исследуемых водных объектах пробы воды отбирались в полиэтиленовые емкости с поверхностного (~0.5 м) и придонного (~0.3—0.5 м от дна) горизонтов, а в Каневском водохранилище дополнительно осуществлялся отбор проб из промежуточных (~2, 8, 12 м) горизонтов с помощью батометра Руттнера или модифицированного батометра-бутылки [18]. Для отделения взвешенных веществ пробу воды пропускали через мембранный фильтр "8упрог" (Чехия) с диаметром пор 0.4 мкм под давлением ~2 атм, создаваемым с помощью установки УК40—2М. Массу взвешенных веществ определяли по разности между массой фильтра со взвесью, высушенного при комнатной температуре до постоянной массы, и массой самого фильтра. С помощью микроскопа М10 (увеличение в 280 раз) исследовали качественный состав взвеси.
Концентрацию кремния в воде и во взвеси, а также во фракциях после ионообменного и гель-хроматографического разделения определяли фотометрическим методом (в виде синей (восстановленной) формы кремниймолибденовой гете-рополикислоты) [12].
Содержание кремния во взвеси определяли после "мокрого сжигания" фильтра со взвесью в смеси концентрированных азотной ^N0^ и серной (Н2804) кислот градации "химически чистая" ("х. ч.") [2] и последующей гидротермальной обр
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.