Тяжелый металл растение водоем

Содержание тяжелых металлов в высших водных растениях водоемов города Гомеля

Тяжелый металл растение водоем

Реферат

 

Ключевые слова: медь, марганец, свинец, макрофиты, водные растения, накопление, поверхностные воды, донные отложения.

Объектами исследований являлись высшие водные растения водоемов города Гомеля и его окрестностей.

Целью работы было определение уровней накопления меди, марганца и свинца в высших водных растениях в водоемах г. Гомеля и прилегающих территорий донных отложениях и тканях моллюсков в водоемах, расположенных на территории г. Гомеля.

Метод исследования - эмиссионный спектральный анализ микроколичеств меди, марганца, свинца.

Установлено, что из восьми обследованных видов макрофитов концентраторами меди являются частуха подорожниковая, роголистник, ряска малая, стрелолист обыкновенный. Отмечены также высокие уровни марганца у роголистника и ряски малой. Максимальная степень аккумуляции свинца характерна для элодеи канадской и частухи подорожниковой. Обнаружены различия параметров накопления тяжелых металлов растениями в зависимости от экологических условий произрастания. Установлено, что содержание Pb, Cu и Mn достигает максимума у плавающих неприкрепленных и подводных макрофитов.

Введение

 

Оценка современного состояния изучаемой проблемы. Особенностью поведения тяжелых металлов в водных экосистемах является то, что они не подвержены радиоактивному распаду, не разлагаются и не деградируют. Тяжелые металлы не исчезают из водных систем, а постоянно распределяются по отдельным компонентам биотопов, накапливаясь в гидробионтах различных трофических уровней. Изменение концентрации тяжелых металлов в различных экосистемах может происходить, прежде всего, естественным путем в процессе перераспределения между поверхностью суши, воды и атмосферы. Установившиеся соотношения в экосистеме нарушаются за счет поступления тяжелых металлов в результате производственной деятельности человека. При этом резкое увеличение содержания одного или нескольких элементов в живых организмах переводит их в разряд токсикантов. Они подавляют те функции в организме, которые ранее, находясь в малых количествах, регулировали или активировали. В связи с этим проблема индикации загрязнения водных экосистем тяжелыми металлами является очень важной и требует дальнейшего глубокого ее изучения.

Актуальность работы. В связи с усиливающимся антропогенным влиянием на водные экосистемы важное значение приобретает мониторинг этого влияния. Использование для этой высшей водной растительности имеет ряд преимуществ по сравнению с другими подходами. Высшие растительные организмы удовлетворяют многим требованиям к биоиндикаторам, среди которых повсеместная встречаемость, высокая численность, удобство сбора и обработки, относительно крупные размеры. Занимая прибрежную часть водоема, водные растения служат своеобразным барьером, предотвращающим проникновение в водоемы и водотоки недостаточно очищенных сточных вод. В зоне произрастания макрофитов происходят важные процессы задержания и переработки многих биогенных элементов и загрязняющих веществ. Однако, информация о накоплении тяжелых металлов в органах растений разноречива. Это обусловлено тем, что содержание одного и того же элемента в растительных тканях может одновременно отражать как физиологическую потребность растения в минеральном питании, так и влияние окружающей среды.

Целью работы Целью работы было определение уровней накопления меди, марганца и свинца различными видами высших водных растений, произрастающих в водоемах г. Гомеля и прилегающих территорий.

 

Обзор литературы

Методика отбора проб. Подготовка проб к анализу. Метод анализа

 

Пробы растений после тщательного ополаскивания последовательно высушивали до воздушно-сухого, затем абсолютно сухого состояний и озоляли до белой золы в муфельной печи при 450^оС.

Содержание тяжелых металлов в золе растений определяли атомно-эмиссионным спектральным методом на спектрофотометре IGSM в лаборатории физико-химического анализа Института геологических наук НАН Беларуси (аналитик И.Н. Тетерева).

Практической целью методов атомной спектроскопии [33] при анализе вещества является качественное полуколичественное или количественное определение элементного состава анализируемой пробы. В настоящее время достаточно широкое применение получили методы анализа по атомным спектрам поглощения и флуоресценции в оптическом диапазоне, а также по эмиссионным и флуоресцентным спектрам в рентгеновском диапазоне. Во всех случаях в основе этих методов лежит квантовые переходы валентных или внутренних электронов атома из одного энергетического состояния в другое. Одним из наиболее замечательных свойств атомных спектров является их дискретность (линейчатая структура) и сугубо индивидуальный характер, что делает такие спектры опознавательным признаком атомов данного элемента. На этом основан качественный анализ. Определение концентрации интересующего элемента производят путем измерения интенсивности отдельных спектральных линий, называемых аналитическими. Для получения спектра эмиссии частицам анализируемого вещества необходимо придать дополнительную энергию. С этой целью пробу при спектральном анализе вводят в источник света, где она нагревается, и испаряется, а попавшие в газовую фазу молекулы диссоциируют на атомы, которые при столкновениях с электронами переходят в возбужденное состояние.

В возбужденном состоянии атомы могут находиться недолго, около (10^-7-10^-8 с). Самопроизвольно возвращаясь в нормальное или промежуточное состояние, они испускают избыточную энергию в виде квантов света. Интенсивность спектральной линии или мощность излучения при переходе атомов из одного энергетического состояния в другое определяется числом излучающих атомов и вероятностью перехода атомов из возбужденного состояния в исходное.

Определение тяжелых металлов проводилось сопряженно в воде и донных отложениях исследуемых водоемов (приложение А). Содержание металлов в пробах воды определяли атомно-адсорбционным методом на AAS «Perkin Elmer -406», в донных отложениях - атомно-эмиссионным спектральным методом на спектрофотометре IGSM.

 

Содержание меди, марганца и свинца в макрофитах водоемов г. Гомеля

 

При анализе данных по содержанию Cu, Mn и Pb в тканях макрофитов, произрастающих в водоемах г. Гомеля выявлено, что концентрация этих элементов в растениях в определенной мере зависит от их видовой принадлежности. На рисунке 1 представлены данные по среднему содержанию (с указанием интервала ошибки средней) Cu у восьми видов макрофитов из различных водоемов города и прилегающих территорий. Так, наибольшими значениями накопления меди характеризовались такие виды, как частуха подорожниковая, роголистник и ряска малая. Затем следовали (в порядке убывания концентрации) стрелолист обыкновенный, элодея канадская, сусак зонтичный, рдест пронзеннолисный, кубышка желтая. По абсолютному значению содержания меди можно выделить группу концентраторов, куда относятся частуха, роголистник, ряска, стрелолист. Верхний предел концентрации в их тканях меди составляет от 18 мг/кг сухой массы (частуха, роголистник) до 35 мг/кг сухой массы (ряска, стрелолист). Группа среднего накопления этого металла включает элодею и сусак, накопление Cu у них в среднем составляет 7-8 мг/кг сухой массы. Кубышка желтая и рдест пронзеннолистный характеризуются наиболее низким содержанием меди среди изученных видов макрофитов (максимум составляет 4.0 и 5.4 мг/кг сухой массы соответственно).

 

Рисунок 1 Содержание меди в тканях различных видов водных растений, обитающих водоемах г. Гомеля

 

В отношении марганца наблюдается следующая картина распределения содержания металла среди исследованных видов водных растений: частуха подорожниковая <стрелолист обыкновенный <сусак зонтичный <кубышка желтая <элодея канадская <рдест пронзеннолистный<ряска малая <роголистник (рис. 2). При этом различия по накоплению Mn между крайними членами ряда составляют 7.9 раз. Концентраторами являются роголистник и ряска. Верхний предел концентрации в их тканях Mn примерно одинаков и достигает 4800-5000 мг/кг сухой массы. Группе среднего накопления этого металла принадлежат растения элодея и рдест, с максимумами концентраций 2100 и 2590 мг/кг сухой массы соответственно. Остальные виды, кубышка желтая, сусак зонтичный, стрелолист обыкновенный, частуха подорожниковая обладают незначительной способностью к накоплению марганца среди изученных макрофитов (в среднем от 450 до 647 мг/кг сухой массы).

Рисунок 2 Содержание марганца в тканях различных видов водных растений, обитающих водоемах г. Гомеля

 

Накопление свинца у исследованных видов макрофитов увеличивается в следующем порядке: кубышка желтая < сусак зонтичный < роголистник < рдест пронзеннолисный < стрелолист обыкновенный < ряска малая < частуха подорожниковая < элодея канадская (рис. 3). Для большинства изученных видов характерен широкий размах индивидуальной изменчивости содержания Pb. Наибольшее содержание отмечено у элодеи и частухи (максимальные зафиксированные значения 15.8 и 14.0 мг/кг сухой массы при среднем содержании 8-10 мг/кг сухой массы). За исключением кубышки желтой, средняя концентрация данного металла у остальных видов составляет от 2.5 до 5 мг/кг сухой массы. Как и в отношении меди, минимум накопления свинца характерен для кубышки желтой, у которой его концентрация не превышала 1.1 мг/кг сухой массы. Таким образом, различия по накоплению свинца отдельными видами макрофитов водоемов г. Гомеля могут достигать 14 раз и более раз.

 

Рисунок 3 Содержание свинца в тканях различных видов водных растений, обитающих водоемах г. Гомеля

 

В целом, по результатам наших исследований, установлено, что для физиологически необходимых металлов - марганца и меди свойственны значительные величины их концентраций в исследованных видах макрофитов. Для свинца, с неустановленной его ролью в обменных процессах, характерны незначительные уровни содержания в тканях водных растений.

Проведенные нами предварительные исследования макрофитов водоемов г. Гомеля позволили выявить виды - концентраторы меди, марганца и свинца. Однако, различия по степени накопления того или иного элемента у обследованных нами видов растений могут быть вызваны несколькими причинами: 1) видоспецифичностью, которая основывается на неодинаковой физиологической потребности видов растений в том или ином элементе; 2) принадлежностью к разным экологическим группам по типу произрастания; 3) влиянием условий среды, включающих факты загрязнения водоема тяжелыми металлами.

3.2 Влияние условий произрастания на содержание меди, марганца и свинца в макрофитах водоемов г. Гомеля

 

Для выяснения влияния экологических особенностей произрастания макрофитов (в соответствии с классификацией, приведенной в разделе 2.1) на уровень концентрации в них тяжелых металлов, нами произведена группировка данных по накоплению Cu, Mn, Pb растениями четырех экологических групп (табл. 1).

Наибольшей способностью к накоплению меди обладали плавающие неприкрепленные растения I экологической группы. Несколько меньшее содержание Cu обнаружено у подводных и надводных растений III и IV экологической группы соответственно. Минимальной концентрацией этого металла характеризовались плавающие прикрепленные растения II экологической группы. Для макрофитов этой экологической группы отмечается и значительно меньшая способность к аккумуляции свинца, иногда не превышающая его содержания в воде (см. приложение).

Аналогично накоплению меди содержание свинца и марганца достигает максимума у Растений I и III экологических групп. У макрофитов II и IV групп концентрация этих металлов значительно меньше.

 

Таблица 1 Содержание тяжелых металлов в макрофитах разных экологических групп водоемов г. Гомеля (мг/кг сухой массы)

Экологическая группа	Cu	Mn	Pb
I (Ряска малая)	0.9-35.2 11.1	43-5000 1922.9	0.4-7.0 4.3
II (Кубышка желтая)	0.8-4.0 1.9	53.7-1040.0 478.1	0.5-1.1 0.8
III (роголистник, элодея канадская, рдест пронзеннолистный)	1.4-18.7 8.1	227.5-4840.0 1529.3	1.8-15.8 4.9
IV Стрелолист обыкновенный, сусак зонтичный, частуха подорож.)	0.6-34.5 7.5	0.1-804.6 262.1	0.3-16.1 2.9

 

В целом, растения IV экологической группы имеют более низкие значения анализируемых металлов по сравнению с макрофитами I и III экологическими группами. Вероятно, это связано с тем, что микроэлементный состав надводных растений, которые занимают переходное положение между водными и наземными видами, значительно меньше определяется качеством вод по сравнению плавающими и подводными макрофитами.

Интерпретацию данных по накоплению тяжелых металлов растениями вследствие естественных процессов формирования их химического состава значительно усложняет воздействие техногенного фактора. В условиях сильного загрязнения среды обитания содержание и соотношение тяжелых металлов в разных группах и отдельных видах макрофитов варьирует в широких пределах при общей тенденции к увеличению концентраций.

Для выяснения роли места обитания в аккумулирующей способности макрофитов по отношению к тяжелым металлам нами был проведен анализ содержания меди, марганца и свинца в некоторых видах растений, произрастающих в водоемах с различной степенью антропогенной нагрузки.

Так, при обследовании ряски малой из водоемов У-образное, Круглое, Володькино, старица у д. Поляновка и р. Сож отмечено, что наиболее высокое содержание свинца было отмечено у растений, отобранных из озера У-образного (табл. 2).

 

Таблица 2 Содержание тяжелых металлов (мг/кг сухой массы) в ряске малой

Водоем	Cu	Mn	Pb
Оз. У-образное	14.0	2000.0	7.0
Cтарица р. Сож	12.4	5000.0	2.6
Оз. Круглое	3.6	1400.0	3.0
Оз. Володькино	6.6	1200.0	5.6
Р. Сож	35.2	2860.0	5.9

В воде озера содержание металла было невысоким, однако в донных отложениях данного водоема зафиксированы максимальные количества элемента из всех обследуемых водоемов (см. приложение). Поскольку свинец, как правило, связан с макрочастицами взвеси [26], то в этом случае растения могли аккумулировать металл не из водных масс, а адсорбируя взвешенные частицы. Высокими концентрациями свинца характеризовались также растения озера Володькино и реки Сож, где в донных отложениях количество металла были незначительными, а в водных массах они достигали высоких концентраций. Можно сделать вывод, что растения, обитающие в этих водоемах накапливали свинец непосредственно из водной среды. Необходимо иметь в виду, что металлы находятся в растворенном виде или адсорбированы на частицах взвеси в зависимости от условий окружающей среды. Озеро У-образное несет более высокую антропогенную нагрузку, так как со всех сторон окружено автотрассами. Этим, вероятно, можно объяснить нахождение свинца в водоеме во взвешенном состоянии, а в двух других водоемах (озеро Володькино и река Сож) - в растворенном. Минимальные и практически одинаковые количества свинца были определены у растений из озера Круглого и старичного комплекса реки Сож у д. Поляновка. Вода и донные осадки старицы не были загрязнены данным металлом, а в озере отмечались довольно высокие концентрации свинца и в илах и в водных массах. Это можно объяснить тем, что старица у д. Поляновка не несет высокой антропогенной нагрузки, а озеро Круглое принимает стоки предприятия «Электроаппаратура» и находится рядом с оживленной автотрассой железнодорожной линией.

Концентрация марганца у ряски малой в зависимости от места произрастания колеблется в пределах от 1200 до 5000 мг/кг сухой массы. Наиболее высоким содержанием этого металла обладали растения в старичном комплексе р. Сож у д. Поляновка, хотя в воде и донных осадках не было отмечено высоких концентраций Mn. Высокими значениями микроэлемента характеризовались растения из р. Сож и озера У-образного. Практически одинаковые количества марганца содержались у растений из озер Круглого и Волотовского, в донных отложениях которых отмечаются высокие значения элемента. Минимальное содержание соединений марганца было отмечено у растений, произрастающих в озере Володькино.

Максимальная концентрация меди выявлена в ряске из реки Сож. На следующем месте по накоплению меди находятся растения из озера У-образного, в воде и донных отложениях которого наблюдаются значительные количества этого элемента. Более низкие показатели накопления меди имели растения старицы, водоема с минимальным содержанием металла в воде и донных осадках. Образцы растений из озер Володькино и Круглое содержали минимальное количество меди.

Таким образом установлено, что наиболее сильно выраженной аккумуляцией анализируемых металлов обладали растения, произрастающие в реке Сож. В то же время воды и донные осадки реки не отличались заметным загрязнением свинцом, медью, марганцем. Возможно факт наличия экстремальных концентраций металлов у растений может быть связан с особенностями гидрологического режима данного водоема (высокая степень проточности) и следовательно активацией процесса взаимодействия «организм-среда». В таблице 3 представлены данные по содержанию определяемых металлов в другом виде водных макрофитов, а именно в растениях рдеста пронзеннолистного, произрастающего в озерах Шапор, Любенское, Круглое, Володькино и в реке Сож.

 

Таблица 3 Содержание тяжелых металлов (мг/кг сухой массы) в рдесте пронзеннолистном

Водоем	Cu	Mn	Pb
Оз. Шапор	5.4	1200.0	4.0
Оз. Любенское	4.0	1240.0	4.7
Оз. Круглое	1.4	1320.0	1.8
Оз. Володькино	4.4	440.0	2.6
Р. Сож	4.7	3315.0	3.9

Установлено, что концентрация свинца и меди у растений из водоемов Шапор, Любенское, Володькино и Сож варьирует незначительно. Однако концентрация анализируемых металлов в поверхностных водах и донных отложениях водоемов различается в большей степени. Вследствие этого, сходные величины накопления Pb и Cu возможно обусловлены влиянием факторов иной природы. Это положение косвенно подтверждается тем, что хотя в воде и донных осадках озера Круглого были выявлены наиболее высокие концентрации Pb и Cu, у растений данного водоема содержание металла было минимальным.

Марганец интенсивно поглощался рдестом, произрастающим в реке Сож, где донные илы и водные массы также не характеризовались высокими концентрациями металла по сравнению с другими водоемами. В месте с тем, в оз. Володькино, которое по сути является расширением русла реки, в тканях рдеста отмечается минимальное содержание этого элемента. В связи с этим, при применении макрофитов в качестве биоиндикаторов необходимо учитывать, что значительное содержание какого-либо элемента в растении не всегда является следствием высоких концентраций этого загрязнителя среде обитания.

Таким образом, на уровень накопления тяжелых металлов в водных растениях действует комплекс различных факторов (как средовые, так и физиологические особенности самих растений), которые следует принимать во внимание при оценке состояния водных экосистем.

 

Заключение

 

Анализ содержания меди, марганца и свинца в макрофитах водоемов г. Гомеля выявил значительную вариабельность их концентраций. В определенной мере это обусловлено видовыми особенностями накопления микроэлементов. Из восьми обследованных видов макрофитов концентраторами меди являются частуха подорожниковая, роголистник, ряска малая, стрелолист обыкновенный. Марганец избирательно накапливали роголистник и ряска малая. Максимальный уровень аккумуляции свинца отмечен у элодеи канадской и частухи подорожниковой. В целом различия по накоплению Cu, Mn, Pb отдельными видами макрофитов в водоемах г. Гомеля составляют от 7-8 раз для меди и марганца, до 14 раз для свинца.

В результате наших исследований, выявлено, что для физиологически необходимых металлов - марганца и меди свойственны значительные величины их концентраций в исследованных видах макрофитов. Для свинца, с неустановленной его ролью в обменных процессах, характерны незначительные уровни содержания в тканях водных растений.

При анализе параметров накопления тяжелых металлов растениями различных экологических групп установлено, что содержание Pb, Cu и Mn достигает максимума у растений I и III экологических групп.

Сопоставление данных по содержанию Pb, Cu и Mn в поверхностных водах и донных отложениях исследуемых водоемов с концентрациями этих элементов в ряске малой и рдесте пронзеннолистном показало, что максимальное содержание металла в растении не всегда является следствием высоких концентраций загрязнителя среде обитания.

 

Приложение

 

Таблица. Содержание тяжелых металлов в поверхностных водах водоемов г. Гомеля, мг/л

Водоем	Металл
	Cu	Mn	Pb
Гребной канал	0.01700	0.16	0.00177
Оз. Володькино	0.02170	0.18	0.00236
Оз. Волотовское	0.01760	0.18	0.00324
Оз. Дедно	0.03190	0.16	0.00310
Оз. Круглое	0.01390	0.11	0.00339
Оз. Любенское	0.02580	0.15	0.00354
Оз. Малое	0.01800	0.14	0.00369
Оз. У-образное	0.02370	0.21	0.00177
Оз. Шапор	0.01360	0.09	0.00265
Р. Сож (д. Ченки)	0.01970	0.13	0.00177
Р. Сож (д. Кленки)	0.04270	0.10	0.00531
Старица (д. Поляновка)	0.01220	0.10	0.00177

 

Таблица. Содержание тяжелых металлов в донных отложениях водоемов г. Гомеля, мкг/кг

Водоем	Металл
	Cu	Mn	Pb
Гребной канал	19.60	490.00	19.60
Оз. Володькино	6.93	297.00	11.88
Оз. Волотовское	22.54	666.40	24.50
Оз. Дедно	13.86	198.00	17.82
Оз. Круглое	126.10	582.00	97.00
Оз. Любенское	14.55	824.50	17.46
Оз. Малое	73.80	336.20	49.20
Оз. У-образное	368.00	828.00	276.00
Оз. Шапор	13.44	240.00	12.48
Р. Сож (д. Ченки)	13.72	1470.0	14.70
Р. Сож (д. Кленки)	19.60	15.68	10.78
Старица (д. Поляновка)	4.95	297.00	6.93

 

Содержание тяжелых металлов в высших водных растениях водоемов города Гомеля

тяжелый металл растение водоем

Реферат

 

Ключевые слова: медь, марганец, свинец, макрофиты, водные растения, накопление, поверхностные воды, донные отложения.

Объектами исследований являлись высшие водные растения водоемов города Гомеля и его окрестностей.

Целью работы было определение уровней накопления меди, марганца и свинца в высших водных растениях в водоемах г. Гомеля и прилегающих территорий донных отложениях и тканях моллюсков в водоемах, расположенных на территории г. Гомеля.

Метод исследования - эмиссионный спектральный анализ микроколичеств меди, марганца, свинца.

Установлено, что из восьми обследованных видов макрофитов концентраторами меди являются частуха подорожниковая, роголистник, ряска малая, стрелолист обыкновенный. Отмечены также высокие уровни марганца у роголистника и ряски малой. Максимальная степень аккумуляции свинца характерна для элодеи канадской и частухи подорожниковой. Обнаружены различия параметров накопления тяжелых металлов растениями в зависимости от экологических условий произрастания. Установлено, что содержание Pb, Cu и Mn достигает максимума у плавающих неприкрепленных и подводных макрофитов.

Введение

 

Оценка современного состояния изучаемой проблемы. Особенностью поведения тяжелых металлов в водных экосистемах является то, что они не подвержены радиоактивному распаду, не разлагаются и не деградируют. Тяжелые металлы не исчезают из водных систем, а постоянно распределяются по отдельным компонентам биотопов, накапливаясь в гидробионтах различных трофических уровней. Изменение концентрации тяжелых металлов в различных экосистемах может происходить, прежде всего, естественным путем в процессе перераспределения между поверхностью суши, воды и атмосферы. Установившиеся соотношения в экосистеме нарушаются за счет поступления тяжелых металлов в результате производственной деятельности человека. При этом резкое увеличение содержания одного или нескольких элементов в живых организмах переводит их в разряд токсикантов. Они подавляют те функции в организме, которые ранее, находясь в малых количествах, регулировали или активировали. В связи с этим проблема индикации загрязнения водных экосистем тяжелыми металлами является очень важной и требует дальнейшего глубокого ее изучения.

Актуальность работы. В связи с усиливающимся антропогенным влиянием на водные экосистемы важное значение приобретает мониторинг этого влияния. Использование для этой высшей водной растительности имеет ряд преимуществ по сравнению с другими подходами. Высшие растительные организмы удовлетворяют многим требованиям к биоиндикаторам, среди которых повсеместная встречаемость, высокая численность, удобство сбора и обработки, относительно крупные размеры. Занимая прибрежную часть водоема, водные растения служат своеобразным барьером, предотвращающим проникновение в водоемы и водотоки недостаточно очищенных сточных вод. В зоне произрастания макрофитов происходят важные процессы задержания и переработки многих биогенных элементов и загрязняющих веществ. Однако, информация о накоплении тяжелых металлов в органах растений разноречива. Это обусловлено тем, что содержание одного и того же элемента в растительных тканях может одновременно отражать как физиологическую потребность растения в минеральном питании, так и влияние окружающей среды.

Целью работы Целью работы было определение уровней накопления меди, марганца и свинца различными видами высших водных растений, произрастающих в водоемах г. Гомеля и прилегающих территорий.

 

Обзор литературы