Известно, что антропогенная нагрузка оказывает существенное воздействие на процесс функционирования водных экосистем. Высокий уровень загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами может превысить адаптационные возможности живых организмов и способен повлечь за собой метаболический регресс [1, 2]. В этой связи актуальна проблема изучения распространения и особенностей накопления тяжелых металлов водными организмами.
Среди водных беспозвоночных моллюски характеризуются наибольшей способностью к накоплению тяжелых металлов, легкостью определения до вида, широким распространением и простотой препарирования, а, следовательно, достаточными преимуществами использования в качестве биоиндикаторов [3]. Широкое распространение и доминирование, удобство отбора и анализа проб, способность к накоплению тяжелых металлов и устойчивость к загрязнению относятся также к донным отложениям [2, 4]. Поэтому интерес представляет сравнение индикационных возможностей указанных объектов и выбор оптимального биоиндикатора в условиях загрязнения водной среды тяжелыми металлами.
Материал и методика
Определение содержания тяжелых металлов в телах двухстворчатых (перловицы, беззубки, шаровки) и брюхоногих (прудовики) моллюсков, пробах донных отложений и воды водоемов г. Гомеля и его окрестностей проводилось в 2004-2007 гг. методом атомной абсорбции в рамках бюджетной тематики «Оценка экотоксикологического состояния природных сред в пойме реки Сож и разработка схемы, направленной на повышение биоразнообразия как гаранта стабильности и продуктивности биоценозов» (№ ГР 2002934). Использованные методики позволили подготовить пробы к определению в них тяжелых металлов и достаточно эффективно провести исследования [5, 6].
В телах моллюсков количественно оценивали содержание следующих металлов: свинца, бора, никеля, хрома, марганца, титана, циркония, меди, стронция, бария, цинка; в пробах донных отложений дополнительно к указанным элементам определяли содержание ванадия, бериллия и кобальта, в воде водоемов — содержание свинца, марганца, цинка, меди, железа, кобальта, кадмия, хрома, никеля. Такой выбор обусловлен тем, что эти элементы, с одной стороны, играют важную роль в процессах жизнедеятельности человека и животных, а с другой — относятся к основным компонентам загрязнения окружающей среды.
Исследуемые озера расположены на территории трех промышленных зон г. Гомеля: Любенское (западная), Шапор (южная), Круглое, Дедно, Волотовское, Володькино, У-образное, Крайнее, Малое (северная).
Указанные промышленные зоны различаются общими объемами выбросов загрязняющих веществ, из которых часть улавливается или обезвреживается перед выбросом в атмосферу, а часть — выбрасывается без очистки [7]. Объем выбрасываемых веществ без очистки был использован в качестве основополагающего критерия с целью характеристики степени антропогенной нагрузки каждой промышленной зоны. Так, на территорию западной промышленной зоны приходится около 19 % объема выбросов загрязняющих веществ без очистки* — эта зона является наименее загрязненной. Для южной промышленной зоны характерно 34 % общего объема выбросов, для северной — 47 %, что указывает на самый высокий уровень антропогенной нагрузки.
Также в работе был определен коэффициент корреляции с целью установления степени зависимости между содержанием тяжелых металлов в воде и исследуемом виде-индикаторе.
Результаты и их обсуждение
Результаты исследования показали неравномерное накопление тяжелых металлов в мягких тканях разных видов гидробионтов (табл. 1).
Так, в целом в тканях двухстворчатых и брюхоногих моллюсков было отмечено повышенное по сравнению с другими элементами количество марганца, бария и цинка, причем эта особенность характерна для всех промышленных зон города.
Незначительным содержанием характеризовались свинец, бор, никель и хром в тканях моллюсков из озер северной, южной и западной промышленных зон.
Сравнение концентраций тяжелых металлов в тканях двухстворчатых и брюхоногих моллюсков показало повышенное накопление в тканях брюхоногих моллюсков семи из исследуемых элементов: свинца, бора, никеля, хрома, титана, циркония, меди; у двухстворчатых моллюсков отмечено повышенное количество марганца, стронция, бария и цинка.
Результаты анализа полученных данных с учетом расположения водоема в конкретной промышленной зоне показали повышенное содержание бора, стронция и цинка в тканях моллюсков северной промышленной зоны, испытывающей наибольшую антропогенную нагрузку; по остальным исследуемым элементам такой закономерности не прослеживалось. Это свидетельствует о том, что использование моллюсков в качестве биоиндикаторов в рамках нашей работы не всегда возможно.
Таблица 1
Содержание тяжелых металлов в телах моллюсков, мг/100 г сухой массы
Тяжелые металлы | Промышленные зоны | ||
северная | южная | западная | |
Свинец | 0,8±0,003 | 0,9±0,004 | 0,7±0,003 |
1,8±0,02 | 1,0±0,003 | ||
Бор | 1,4±0,02 | 1,3±0,01 | 1,1±0,006 |
1,5±0,01 | 1,7±0,01 | ||
Никель | 1,7±0,05 | 1,1±0,005 | 3,1±0,12 |
3,6±0,07 | 3,0±0,11 | ||
Хром | 0.9±0.01 | 0,7±0,007 | 1,2±0,003 |
1,3±0,01 | 1,0±0,008 | ||
Марганец | 1889,2±37,72 | 1778,9±19,57 | 2052,0±32,25 |
197,0±2,53 | 85,0±1,07 | ||
Титан | 43,2±0,29 | 30,3±0,40 | 43,6±0,74 |
67,0±1,0 | 80,3±1,13 | ||
Цирконий | 11,8±0,17 | 13,0±0,26 | 10,0±0,33 |
19,0±0,20 | 16,5±0,24 | ||
Медь | 9,4±0,06 | 10,1±0,07 | 8,0±0,09 |
23,3±0,16 | 14,8±0,06 | ||
Стронций | 52,0±0,50 | 44,2±0,25 | 50,0±0,67 |
41,6±0,54 | 25,0±0,31 | ||
Барий | 94,2±1,35 | 244,6±5,19 | 197,0±3,10 |
49,3±0,46 | 19,9±0,38 | ||
Цинк | 113,3±0,84 | 105,1±1,20 | 102,0±0,83 |
70,0±0,68 | 70,0±0,92 | — |
Примечание. В числителе приведены данные по содержанию тяжелых металлов в телах двухстворчатых моллюсков, в знаменателе — в телах брюхоногих моллюсков.
Результаты атомно-абсорбционного анализа проб донных отложений озер показали, что накопление тяжелых металлов в донных отложениях озер, расположенных в различных промышленных зонах г. Гомеля, происходит неравномерно (табл. 2).
Таблица 2
Содержание тяжелых металлов в донных отложениях, мг/100 г сухой массы
Тяжелые металлы | Промышленные зоны | ||
северная | южная | западная | |
Свинец | 10,64±0,28 | 1,57±0,02 | 1,72±0,03 |
Бор | 4,04±0,02 | 3,47±0,02 | 2,78±0,02 |
Никель | 3,30±0,05 | 2,13±0,03 | 1,72±0,013 |
Хром | 7,98±0,06 | 2,65±0,02 | 3,08±0,036 |
Марганец | 55,12±0,29 | 47,83±0,52 | 69,50±1,36 |
Титан | 214,02±0,98 | 171,67±1,85 | 168,00±3,7 |
Цирконий | 39,10±0,15 | 30,00±0,26 | 25,33±0,44 |
Медь | 9,33±0,14 | 1,53±0,04 | 1,72±0,03 |
Барий | 49,40±0,15 | 44,67±0,24 | 39,50±0,37 |
Цинк | 36,50±0,18 | 22,50±0,16 | 20,00±0,04 |
Кобальт | 1,24±0,01 | 0,80±0,00 | 0,93±0,061 |
Ванадий | 3,40±0,02 | 3,43±0,02 | 3,50±0,03 |
Бериллий | 0,12±0,0003 | 0,11±0,0002 | 0,12±0,0009 |
Следует отметить, что среди всех рассматриваемых элементов в преобладающем количестве в донных отложениях отмечены марганец, титан, барий, причем эта тенденция характерна для всех промышленных зон. Так, содержание марганца, например, в донных отложениях на территории западной промышленной зоны составило 69,5±1,36 мг/100 г сухой массы; для титана этот показатель в северной зоне равнялся 214,02±0,98 мг/100 г сухой массы.
В незначительном количестве по сравнению с марганцем, титаном и барием накапливались кобальт и бериллий.
Из данных табл. 2 видно, что все изучаемые элементы, за исключением ванадия, марганца и бериллия, содержались в донных отложениях водоемов на территории северной промышленной зоны, которая является самой загрязненной. Такое положение, вероятно, является следствием влияния более сильной антропогенной нагрузки на этой территории и указывает на перспективность использования донных отложений в качестве биоиндикатора.
Биоиндикационные преимущества донных отложений перед моллюсками подтверждаются также результатами расчета критерия Стьюдента (табл. 3) для промышленных зон города.
Таблица 3
Критерий Стьюдента для промышленных зон г. Гомеля по содержанию тяжелых металлов в телах моллюсков и донных отложениях
Промышленные зоны | Промышленные зоны | |||
южная | западная | южная | западная | |
Тела моллюсков | Донные отложения | |||
Свинец |
||||
Северная | 20,0*/40,0* | 25,0*/- | 4,0* | 31,9* |
Южная | 40,0*/- | 32,4* | ||
Бор |
||||
Северная | 5,0*/15,4* | 18,8*/- | 23,0* | 45,0* |
Южная | 14,3*/- | 20,4* | ||
Никель |
||||
Северная | 12,0*/5,0* | 10,8*/- | 10,3* | 26,3* |
Южная | 16,7*/- | 19,5* | ||
Хром |
||||
Северная | 20,0*/25,0* | 38,0*/- | 7,2* | 61,3* |
Южная | 63,3*/- | 88,8* | ||
Марганец |
||||
Северная | 2,6*∕41,5* | 3,3*/- | 14,8* | 10,3* |
Южная | 7,2*/- | 121,5* | ||
Титан |
||||
Северная | 25,8*/9,5* | 0,5*/- | 0,9 | 12,1* |
Южная | 16,4*/- | 20,3* | ||
Цирконий |
||||
Северная | 3,3*/8,9* | 5,0*/- | 9,2* | 29,9* |
Южная | 7,1*/- | 30,3* | ||
Медь |
||||
Северная | 7,8*/77,3* | 23,0*/- | 3,8* | 54,4* |
Южная | 19,1*/- | 52,0* | ||
Барий |
||||
Северная | 29,5*/45,9* | 32,1*/- | 11,8* | 22,5* |
Южная | 8,2*/- | 16,9* | ||
Цинк |
||||
Северная | 6,3*/- | 10,3*/- | 15,6* | 91,7* |
Южная | 2,4*/- | 58,3* | ||
Стронций |
||||
Северная | 14,4*/28,6* | 2,3*/- | ||
Южная | 7,9*/- | |||
Кобальт |
||||
Северная | 13,0* | 22,1* | ||
Южная | 44,0* | |||
Ванадий |
||||
Северная | 2,3* | 3,3* | ||
Южная | 1,0 | |||
Бериллий |
||||
Северная | 10,0* | |||
Южная | 0,53 |
Примечание. Достоверные отличия обозначены*. В числителе приведены данные критерия Стьюдента по содержанию тяжелых металлов в телах двухстворчатых моллюсков; в знаменателе — в телах брюхоногих моллюсков.
Из данных табл. 3 видно, что максимальное значение критерия Стьюдента по содержанию всех исследуемых тяжелых металлов в тканях моллюсков между северной и западной промышленными зонами отмечено только для бора (t = 18,8 при P < 0,05) и цинка (t = 10,3 при P < 0,05), для остальных элементов такой закономерности не наблюдалось.
Что касается донных отложений, то для бора, никеля, ванадия, меди, бария и цинка критерий Стьюдента максимален между западной и северной промышленными зонами, для бериллия — между северной и южной зонами.
Таблица 4
Содержание тяжелых металлов в водных пробах, мг/л
Тяжелые металлы | Промышленные зоны | ||
северная | южная | западная | |
Свинец | 0,001±0,00008 | 0,002±0,00001 | 0,003±0,00002 |
Никель | 0,006±0,003 | 0,009±0,00001 | 0,0075±0,0001 |
Хром | 0,0063±0,00001 | 0,0016±0,00001 | 0,0042±0,00002 |
Марганец | 0,2±0,0005 | 0,09±0,0003 | 0,06±0,0009 |
Медь | 0,06±0,001 | 0,04±0,0001 | 0,02±0,0001 |
Цинк | 4,4±0,04 | 0,8±0,001 | 0,5±0,01 |
Кобальт | 0,0007±0,000001 | 0,0004±0,00001 | 0,0004±0,00001 |
Железо | 2,4±0,04 | 0,7±0,001 | 0,2±0,001 |
Кадмий | 0,0027±0,0012 | 0,0027±0,00001 | 0,0005±0,00002 |
Согласно результатам анализа проб воды, представленным в табл. 4, повышенным содержанием характеризуются марганец, цинк и железо во всех промышленных зонах г. Гомеля. Кроме того, все изучаемые элементы, за исключением свинца и никеля, в преобладающем количестве определены в пробах из озер на территории северной промышленной зоны. Так, содержание кобальта в воде составило в северной зоне 0,0007±0,000001 мг/л, в южной и западной зонах — 0,0004±0,000001 мг/л; содержание хрома — 0,0063±0,00001, 0,0016±0,00001 и 0,0042±0,00002 мг/л соответственно для указанных промышленных зон и т. д.
С целью установления характера зависимости между содержанием тяжелых металлов в виде-индикаторе и окружающей его внешней среде нами были определены коэффициенты корреляции (табл. 5). В большинстве случаев имеет место умеренная прямая корреляционная связь между содержанием тяжелых металлов в воде и донных отложениях водоемов г. Гомеля и его окрестностей.
Таблица 5
Коэффициент корреляции между содержанием тяжелых металлов в воде и донных отложениях
Тяжелые металлы | Промышленные зоны | ||
северная | южная | западная | |
Свинец | 0,29 | 0,23 | 0,18 |
Никель | 0,39 | 0,22 | 0,83 |
Хром | 0,14 | 0,00 | 0,84 |
Марганец | 0,61 | -0,25 | 0,82 |
Медь | -0,62 | 0,37 | 0,91 |
Цинк | 0,09 | -0,52 | 0,20 |
Кобальт | 0,57 | 0,19 | 0,54 |
На основании результатов проведенных исследований установлено:
- в тканях брюхоногих моллюсков по сравнению с двухстворчатыми в преобладающем количестве накапливалось большинство исследуемых элементов независимо от степени антропогенной нагрузки района их обитания; в целом моллюсками концентрируются марганец, барий и цинк;
- в пробах донных отложений в преобладающем количестве накапливались марганец, титан и барий, в воде — марганец, цинк и железо;
- донные отложения и вода водоемов северной промышленной зоны г. Гомеля в больших количествах содержали исследуемые элементы по сравнению с южной и западной зонами, за исключением ванадия и марганца для донных отложений, а также свинца и никеля для воды;
- между содержанием тяжелых металлов в воде и донных отложениях водоемов присутствует умеренная прямая корреляционная связь.
- Мур Дж., Рамамурти С. Тяжелые металлы в природных водах. М., 1987.
- Никаноров А. М., Жулидов А. В. Биомониторинг металлов в пресноводных экосистемах. Л., 1991.
- Макаренко Т. В. // Изв. ГГУ им. Ф. Скорины. 2007. № 6(45). С. 106.
- Fernex F., Migon C., Chisholm J. // Hydrobiologia. 2001. № 1-3. P. 31.
- Свириденко В. Г. и др. Физико-химические методы в экологии: практическое руководство для выполнения курсовых и дипломных работ студентами специальностей Н.06.01 «Экология» и Н.04.01 «Биология». Гомель, 2002.
- Сборник методик выполнения измерений, допущенных к применению в деятельности лабораторий экологического контроля предприятий и организаций Республики Беларусь / В.И. Алешка и др.; под общ. ред. В.И. Алешка. Мн., 1998.
- Годовой обзор состояния загрязнения атмосферного воздуха в городе Гомеле за 2007 год / М-во природ. ресурсов и охраны окр. среды Республики Беларусь, Департамент метеорологии, Гомел. обл. центр по гидрометеорологии и мониторингу окр. среды, Лаборатория экол. мониторинга ГУ «Гомельоблгидромет». Гомель, 2007.
* Здесь и далее имеются в виду выбросы загрязняющих веществ без очистки.
Автор: Е.Г. Тюлькова
Источник: Вестник БГУ. Сер. 2. 2009. № 2. С. 54-59.