CC BY
78
Труды Карельского научного центра РАН № 3. 2017. С. 55-64 DOI: 10.17076/Пт539
ГИДРОБИОЛОГИЯ
УДК 550.47
БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ НАКОПЛЕНИЯ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ МАКРОФИТАМИ ИВАНЬКОВСКОГО ВОДОХРАНИЛИЩА
Е. С. Гришанцева1, А. Ю. Бычков1, С. А. Шурупова1, Л. П. Федорова2
1 Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова
2 Государственный научно-исследовательский институт озерного и речного рыбного хозяйства (ГосНИОРХ), Верхне-Волжское отделение, Конаково Тверской обл.
Впервые определено содержание редкоземельных элементов ^а, Се, Рг, Nd, Sm, Ей, Gd, ТЬ, Dy, Но, Ег, Тт,УЬ, Lu) в макрофитах и воде Иваньковского водохранилища с применением современного аналитического метода - масс-спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой (ИСП-МС). Приведена сравнительная характеристика составов РЗЭ в макрофитах разных экологических групп - гелофитов (водно-болотных растений) и гидрофитов (погруженных растений), произрастающих в заливах с различной антропогенной нагрузкой. В качестве объекта биогеохимического исследования выбраны два вида макрофитов - манник водяной ^1усепа aquatica Wahlb.) и рдест пронзеннолистный (Potamogeton perfoliatus Ь). Максимальные значения содержания РЗЭ получены для рдеста пронзеннолистного из группы погруженных растений. Рассчитаны коэффициенты биологического поглощения РЗЭ (Кб) в макрофитах относительно воды. Выявлено, что в местах контролируемого сброса сточных вод в водохранилище (Мошковический залив и створ Безбородово) макрофиты накапливают большое количество РЗЭ. Факторный и корреляционный анализ полученных данных позволил установить ассоциацию большинства РЗЭ с Fe и А1, для которых высокие положительные коэффициенты корреляции получены для Potamogeton perfoliatus, а для Glyceria aquatica - только для легких РЗЭ. С Мп были рассчитаны отрицательные коэффициенты корреляции для обоих видов. Таким образом, процессы сорбции и соосаждения РЗЭ на оксигидроксидах железа, а также образование ассоциированных с Fe и А1 органоминеральных коллоидов и соединений играют важную роль в миграции РЗЭ в водных экосистемах. Высокие значения коэффициентов биологического поглощения РЗЭ указывают на их активное участие в биохимических процессах у высших водных растений.
Ключевые слова: экосистема Иваньковского водохранилища; редкоземельные элементы; поверхностные воды; макрофиты; Glyceria aquatica Wahlb.; Potamogeton ре^оНаи L.; коэффициент биологического накопления.
E. S. Grishantseva, A. Yu. Bychkov, S. A. Shurupova, L. P. Fеdorova. BIOGEOCHEMICAL CHARACTERISTICS OF RARE EARTH ELEMENTS ACCUMULATION BY MACROPHYTES OF THE IVAN'KOVSKOYE RESERVOIR
The content of rare earth elements (REE: La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tim, Yb, Lu) in macrophytes and water of the Ivankovskoye reservoir was determined for the first time using a modern analytical method of inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS). REE compositions were comparatively characterized in macrophytes belonging to different ecological groups - helophytes (wetland plants) and hydrophytes (submerged plants) growing in bays with different anthropogenic load. Two macrophyte species, Glyceria aquatica (L.) Wahlb. and Potamogeton perfoliatus L., were chosen as objects for biogeochemical studies. The highest REE content was found in Potamogeton perfoliatus L. from the group of submerged plants (hydrophytes). The coefficients of biological absorption of rare earth elements (Kb) were calculated in macrophytes relative to water. It was established that in areas with high anthropogenic load, macrophytes accumulated large quantities of REE. Factor and correlation analysis of the data showed that most of the REE were associated with Fe and Al, with high positive correlation coefficients obtained in the group of submerged plants. In the group of wetland plants high positive coefficients of correlation with Fe and Al were obtained only for light REE. Coefficients of correlation with Mn were negative for both ecological groups. Thus, the processes of sorption and co-precipitation of REE on iron oxyhydroxides, as well as the formation of colloids and organic compounds associated with Fe and Al play an important role in REE migration in aquatic ecosystems. High values of coefficients of biological absorption of rare earth elements indicate their active participation in the biochemical processes in higher aquatic vegetation.
Keywords: Ivan'kovskoye reservoir ecosystem; rare earth elements; surface water; aquatic vegetation; macrophytes; Glyceria aquatica (L.) Wahlb.; Potamogeton perfoliatus L.; coefficient of bioaccumulation.
Введение
В последние десятилетия в связи с развитием современной промышленности и нанотех-нологий постоянно растет объем производства и потребления редкоземельных элементов (РЗЭ) [Баренбойм, 2014]. В связи с этим увеличивается поступление РЗЭ в окружающую среду и водные экосистемы. Редкоземельные элементы считаются слабо и средне распространенными в гидросфере и традиционно не рассматриваются в качестве загрязнителей водных экосистем [Балашов, 1976; Дубинин, 2006]. Роль РЗЭ в процессах жизнедеятельности живых многоклеточных организмов не установлена [Баренбойм, 2014]. Редкоземельные элементы и их соединения в большинстве своем токсичны в природных водах [Иванов, 1997]. Однако распространенность в водных экосистемах, миграционные свойства, токсикологические и биогеохимические особенности редкоземельных элементов изучены недостаточно.
Целью данного исследования является определение содержания редкоземельных элементов (1а, Се, Рг, Nd, Sm, Ей, Gd, ТЬ, Dy, Но, Ег, Тт, Yb, Lu) в тканях высших водных растений (ВВР) Иваньковского водохранилища
р. Волги, а также изучение биогеохимических особенностей накопления РЗЭ высшими водными растениями при различной антропогенной нагрузке.
Иваньковское водохранилище расположено в Тверской области между городами Тверь и Дубна. Актуальность данных биогеохимических исследований обусловлена уникальностью экосистемы Иваньковского водохранилища и его большой практической значимостью. Водохранилище используется в рекреационных и рыбохозяйственных целях и является важнейшим источником питьевого водоснабжения г. Москвы. Оно находится в районе интенсивного хозяйственного освоения и испытывает антропогенное воздействие, которое проявляется как в непосредственном сбросе в речную сеть сточных вод промышленных и сельскохозяйственных предприятий, коммунальных и ливневых стоков городов, так и в поступлении загрязняющих веществ с поверхностным стоком. Распределение микроэлементов в донных осадках, воде и высшей водной растительности Иваньковского водохранилища изучено довольно хорошо [Абакумова и др., 2000; Гришан-цева и др., 2010, 2012], однако данных о распространенности редкоземельных элементов
0
в экосистеме Иваньковского водохранилища, полученных современными аналитическими методами, в литературе нет.
Поэтому была поставлена задача - охарактеризовать состав редкоземельных элементов в высшей водной растительности, а также выявить общие закономерности распределения РЗЭ в макрофитах различных экологических групп. Высшая водная растительность (ВВР) играет большую роль в продукционных процессах в водоеме, принимает активное участие в процессах миграции и связывания металлов и других загрязняющих веществ, поступающих в водную экосистему. Поскольку миграционные свойства РЗЭ в природных водах тесно связаны с процессами сорбции и соосажде-ния РЗЭ на оксигидроксидах железа и марганца, с образованием ассоциированных с Fe и А1 органоминеральных коллоидов, а также участием этих элементов в процессах фотосинтеза, одновременно с определением РЗЭ проводилось определение Fe, Мп, А1 и Т в водной растительности.
Полученные данные могут использоваться для установления регионального геохимического фона РЗЭ в компонентах аквальной экосистемы типового водохранилища средней полосы бореальной климатической зоны, а также для мониторинговых исследований изменения химического состава природных вод в связи с увеличением антропогенной нагрузки на район Иваньковского водохранилища.
Материалы и методы
В качестве объектов исследования было выбрано два вида ВВР из разных экологических групп: манник водяной (Giyceria aquatic (L.) Wahlb.) из группы прибрежно-водных укореняющихся гелофитов и рдест пронзенно-листный (Potamogeton perfoliatus L.) из группы погруженных укореняющихся гидрофитов. Манник водяной в своей экологической группе проявляет себя как вид, устойчивый к высокому содержанию загрязнителей в окружающей среде, произрастает повсеместно, в том числе в местах сброса сточных вод, является доминирующим видом среди гелофитов, имеет одну из наибольших биомасс в макрофитном сообществе Иваньковского водохранилища. Рдест пронзеннолистный имеет самые высокие показатели накопления тяжелых металлов в группе погруженных видов, большую распространенность и численность в пределах данного водного объекта. Исследования, проведенные ранее [Гришанцева и др., 2010], показали, что эти виды макрофитов являются специфическими групповыми концентраторами микроэлементов и были рекомендованы в качестве основных объектов при проведении мониторинга экологического состояния Иваньковского водохранилища.
Отбор образцов высшей водной растительности и сопряженных проб воды проводился в июле 2012 года в створах и заливах
/
Иваньковский плёс
Рис. 1. Схема расположения станций отбора проб на Иваньковском водохранилище: 1 - Новосельский залив, 2 - Перетрусовский залив, 3 - Мал. Корчевской залив, 4 - Мошковический залив, 5 - Бабнинский залив, 6 - Волга-Низовка, 7 - Безбородово
Таблица 1. Содержание редкоземельных элементов в макрофитах и воде Иваньковского водохранилища
1_а Се Рг Ыс! Бт Ей вс! ТЬ □у Но Ег Тт УЬ Ш
Новосельский залив (Ы56°78.395', Е36°93.148')
манник водяной 31,000 85,000 5,000 31,000 1,000 4,000 1,000 7,000 3,000 6,000 2,000 2,000 2,000 2,000
рдест пронзеннолистный 1158,000 2532,000 273,000 1111,000 188,000 51,000 209,000 17,000 155,000 16,000 76,000 2,000 71,000 2,000
вода 0,084 0,191 0,022 0,098 0,020 0,012 0,020 0,003 0,017 0,002 0,009 0,001 0,023 0,007
Перетрусовский залив (Ы56°81.848', Е36°98.170')
манник водяной рдест пронзеннолистный вода
манник водяной рдест пронзеннолистный вода
манник водяной рдест пронзеннолистный вода
манник водяной рдест пронзеннолистный вода
манник водяной рдест пронзеннолистный вода
46,000 767,000 0,109
36,000 431,000 0,078
87,000 1032,000 0,049
9,000 788,000 0,076
57,000 524,000 0,062
109,000 1746,000 0,268
86,000 1008,000 0,177
191,000 2337,000 0,102
24,000 1752,000 0,172
133,000 1156,000 0,132
6,000 179,000 0,031
4,000 103,000 0,021
18,000 252,000 0,013
3,000 182,000 0,020
10,000 120,000 0,016
37,000 738,000 0,130
3,000 128,000 0,027
11,000 42,000 0,013
5,000 134,000 0,029
7,000 14,000 0,004
Малый Корчевской залив (Ы56°78.887', Е36°85.339')
34,000 430,000 0,090
1,000 81,000 0,018
8,000 35,000 0,010
3,000 89,000 0,020
7,000 7,000 0,003
Мошковический залив (Ы56°77.276', Е36°78.552')
83,000 1026,000 0,054
13,000 193,000 0,011
7,000 54,000 0,009
14,000 207,000 0,012
7,000 23,000 0,002
Бабнинский залив (Ы56°77.972', Е36°71.322')
4,000 760,000 0,088
1,000 138,000 0,017
2,000 56,000 0,010
1,000 162,000 0,019
7,000 12,000 0,003
Волга-Низовка (Ы56°64.95Г, Е36°51.462')
49,000 491,000 0,075
8,000 90,000 0,015
4,000 35,000 0,010
8,000 107,000 0,016
7,000 7,000 0,002
3,000 110,000 0,023
3,000 66,000 0,016
10,000 160,000 0,011
3,000 127,000 0,016
5,000 80,000 0,014
6,000 13,000 0,003
6,000 6,000 0,002
6,000 22,000 0,001
6,000 13,000 0,002
6,000 8,000 0,002
2,000 52,000 0,011
2,000 32,000 0,008
2,000 87,000 0,005
2,000 62,000 0,008
2,000 38,000 0,007
2,000 2,000 0,002
2,000 2,000 0,001
2,000 2,000 0,001
2,000 2,000 0,001
2,000 2,000 0,001
2,000 46,000 0,021
2,000 23,000 0,016
2,000 73,000 0,013
2,000 54,000 0,013
2,000 34,000 0,012
Безбородово (Ы56°59.560', Е36°48.992')
2,000 2,000 0,005
2,000 2,000 0,004
2,000 4,000 0,003
2,000 2,000 0,003
2,000 2,000 0,003
манник водяной 26,000 58,000 3,000 23,000 1,000 2,000 1,000 7,000 3,000 6,000 2,000 2,000 2,000 5,000
рдест пронзеннолистный 1365,000 3140,000 307,000 1219,000 233,000 70,000 243,000 22,000 200,000 27,000 97,000 6,000 88,000 6,000
вода 0,108 0,275 0,029 0,126 0,024 0,013 0,027 0,004 0,021 0,003 0,011 0,001 0,005 0,003
фоновая концентрация для манника водяного 22,500 55,000 3,500 19,000 1,000 5,000 2,000 7,000 3,000 6,000 2,000 2,000 2,000 2,000
фоновая концентрация для рдеста пронзеннолистного 609,000 1380,000 142,000 595,000 109,000 45,000 125,000 9,500 96,000 9,500 47,000 2,000 38,000 2,000
Кларк речных вод, мкг/л [Соловов и др., 1990] 0,050 0,080 0,007 0,04 0,008 0,001 0,008 0,001 0,005 0,001 0,004 0,001 0,004 0,001
Примечание. Концентрации элементов в макрофитах приведены в мкг/кг сухой биомассы, в воде - в мкг/л.
Иваньковского водохранилища, характеризующихся различной антропогенной нагрузкой (рис. 1). Координаты станций опробования приведены в таблице 1.
Пробы воды отбирали с помощью батометра из поверхностного слоя. Объем пробы составлял 2 литра. Для получения растворенных форм РЗЭ пробы воды сразу после отбора фильтровали через мембранный фильтр «Владипор» с размером пор 0,45 мкм и подкисляли 0,5 мл HNO3 на каждые 15 мл пробы для последующего исследования методом масс-спек-трометрии с индуктивно-связанной плазмой (ИСП-МС).
При опробовании макрофитов брали прикорневые части стебля c площадки 1 х 1 м, промывали под проточной водой, высушивали при комнатной температуре, измельчали в мельнице. Методом квадратования отбирали среднюю пробу. Пробы озоляли при 450 °С 4,5 часа. Зольность образцов манника водяного в среднем составляла 9 %, рдеста - 17 %. Полученную золу разлагали под лампой в смеси концентрированных кислот (HF+HNO3+HCl).
Определение содержаний рЗэ в образцах поверхностных вод и в золе высшей водной растительности проводилось методом масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (ИСП-МС) на масс-спектрометре ELEMENT-2 фирмы Thermo Scientific на кафедре геохимии геологического факультета МГУ им. Ломоносова. Непосредственно перед измерениями на установке проводили подкисление проб и стандартных образцов азотной кислотой (HNO3) до получения 3%-го раствора. В качестве внутреннего стандарта вводился индий (Indium ICP Standard CertiPUR 1002 мг/л ± 0,4 %). Для консервации проб применялась азотная кислота квалификации ОСЧ, дважды прошедшая процедуру изопиестичес-кой перегонки. Методика исследования и метрологические характеристики анализа природных вод методом ИСП-МС подробно изложены в статье [Гришанцева и др., 2015]. Определение содержания Fe, Mn, Al, Ti в макрофитах также проводилось методом ИСП-МС.
Пределы обнаружения элементов в анализируемом растворе по 3-6 критерию (ПО = Сф + 36, где Сф - среднее значение фона эталонов, используемых для построения гра-дуировочных графиков, 6 - относительное среднеквадратичное отклонение измерений) (в нг/л): для La - 0,1; Сe - 0,07; Pr - 0,03; Nd - 1,1; Sm - 0,04; Eu - 0,2; Gd - 0,09; Tb -0,04; Dy - 0,06; Ho - 0,07; Er - 0,04; Tm - 0,02; Yb - 0,02; Lu - 0,03. Величина относительного стандартного отклонения (Sr) изменяется от
0,1 до 10 % в зависимости от области измерения концентрации.
Контроль полноты разложения образцов золы растений и оценка правильности результатов анализа методом ИСП-МС проводились по Государственным стандартным образцам: стандартный образец состава элодеи канадской (ЭК-1), стандартный образец состава листа березы (ЛБ-1), стандартный образец состава травосмеси (Тр-1) (табл. 2).
Математическая обработка аналитических данных проводилась с применением корреляционного и факторного методов с помощью пакета программ «GOLD-геохимик 2.0» (автор Воробьев С. А.) [Воробьев, 2016].
Результаты и обсуждение
Полученные данные по составу растворенных форм редкоземельных элементов в воде Иваньковского водохранилища отличаются от кларков РЗЭ природных вод более высокими значениями, которые связаны с региональными геохимическими особенностями состава пород территории водосбора Иваньковского водохранилища (табл. 2).
Сравнение полученных аналитических данных о содержании РЗЭ, Fe, Мп, А1 и Т в макрофитах Иваньковского водохранилища показывает, что концентрации элементов в каждом из исследованных видов макрофитов варьируют незначительно (табл. 1 и 3). Ряд средних значений содержания РЗЭ в маннике водяном имеет вид Се > La > Nd > ТЬ > Рг > Но > Ей > Gd > Dy > Sm > Ег > Тт > УЬ > Lu. Для рдеста пронзеннолистного ряд средних значений содержания РЗЭ имеет несколько иной вид: Се > La > Nd > Рг > Gd > Sm > Dy > Ег > УЬ > Ей > Но > ТЬ > Lu > Тт. Но основная закономерность накопления РЗЭ водными растениями сохраняется: наиболее активно вовлекаются в биогеохимические процессы в макрофитах обеих экологических групп легкие редкоземельные элементы (Се, La, Nd, Рг), а наименее активно - Тт и Lu.
Однако концентрации РЗЭ в макрофитах двух исследованных групп достаточно сильно отличаются друг от друга. Рдест пронзеннолистный накапливает большие количества РЗЭ по сравнению с манником водяным. Например, средние концентрации 1_а, Се, Ш, Эт, Gd, Ег, Эу, УЬ, Рг для формации рдеста пронзеннолистного превосходят средние концентрации для манника в 20-30 раз; Ей - в 10 раз; ТЬ, Тт, Но, Ш - в 2 раза. Такая же закономерность была получена нами ранее для тяжелых металлов и ряда макрокомпонентов [Гришанцева и др., 2010]. Это можно объяснить
©
Таблица 2. Сравнение полученных методом ИСП-МС и аттестованных значений концентраций для ГСО
Элемент ГСО элодеи канадской ЭК-1, мг/кг ГСО лист березы ЛБ-1 , мг/кг ГСО травосмесь Тр-1, мг/кг
найдено аттестовано б х найдено аттестовано б х найдено аттестовано б х
La 1,92 2,05 6 0,79 0,82 4 0,24 0,26 8
Се 3,41 3,40 0,3 1,45 1,50 3 0,46 0,50 8
Рг 0,41 0,42 2 0,18 0,19 5 0,05 0,06 17
Nd 1,56 1,59 2 0,71 0,69 3 0,21 0,22 4,5
Sm 0,27 0,31 13 0,12 0,13 8 0,03 0,04 25
Gd 0,31 0,35 11 0,15 0,15 0 0,04 0,05 20
Dy 0,24 0,36 33 0,12 0,12 0 0,03 0,04 25
Примечание. Содержания остальных РЗЭ в ГСО не аттестованы; 6х - относительная погрешность измерения. Таблица 3. Содержание Мп, Fe, А1, Л в макрофитах Иваньковского водохранилища
Мп Ре А1 Л
Новосельский залив
манник водяной 277,78 120,03 50,52 6,98
рдест пронзеннолистный 720,21 1344,07 2054,22 113,20
Перетрусовский залив
манник водяной 351,29 136,99 71,40 5,85
рдест пронзеннолистный 1730,98 797,59 1108,88 64,52
Малый Корчевской залив
манник водяной 377,35 183,56 57,30 5,28
рдест пронзеннолистный 1038,54 618,05 724,96 36,86
Мошковический залив
манник водяной 122,10 298,47 144,01 8,82
рдест пронзеннолистный 1671,15 1404,42 1768,79 90,73
Бабнинский залив
манник водяной 154,63 102,05 17,06 3,59
рдест пронзеннолистный 950,97 1063,22 1229,75 66,68
Волга-Низовка
манник водяной 296,66 213,45 107,95 8,60
рдест пронзеннолистный 535,66 821,19 913,24 49,66
Безбородово
манник водяной 352,72 122,61 43,59 4,41
рдест пронзеннолистный 1500,86 2062,36 2378,97 126,74
Примечание. Концентрации элементов в макрофитах приведены в мг/кг сухой биомассы.
физиологическими и морфологическими особенностями макрофитов группы погруженных в воду растений, которые задерживают взвесь из природных вод на стеблях и листьях и выщелачивают из нее микро- и макроэлементы. В работе [Куриленко, 2007] подобный факт объясняется большой функциональной востребованностью Ре и Мп в процессах фотосинтеза, а также наличием у погруженных видов водных растений механизмов комплексирования и детоксикации ионов металлов, позволяющих накапливать металлы в избыточных концентрациях по «безбарьерному» типу. Избыточное накопление микроэлементов макрофитами группы погруженных растений, предположительно, объясняется физиологической потребностью в этих элементах, а также необходимостью формирования
устойчивого каркаса для обеспечения жизненных функций в условиях активного гидродинамического режима произрастания видов этой экологической группы.
Близость концентраций, полученных нами для рдеста пронзеннолистного из Иваньковского водохранилища, к аттестованным концентрациям РЗЭ в элодее канадской (ГСО ЭК-1) говорит не только о достоверности полученных результатов, но и о том, что содержание РЗЭ в макрофитах данной экологической группы является видовым признаком и определяется физиологическими потребностями данной группы организмов. Рдест пронзеннолистный и элодея канадская принадлежат к одной экологической группе макрофитов - укореняющиеся гидрофиты.
0
В качестве фоновых участков были выбраны Бабнинский и Малый Корчевской заливы, которые удалены от крупных источников загрязнения и населенных пунктов. По данным о содержании РЗЭ в макрофитах этих заливов были рассчитаны фоновые значения концентраций РЗЭ в маннике водяном и рдесте пронзенно-листном (табл. 1). Пространственное распределение РЗЭ в ВВР Иваньковского водохранилища довольно однородно. Имеется лишь несколько локальных максимумов в ВВР и воде Мошковического залива и залива у створа Безбородово. Особенно ярко эти максимумы проявляются для рдеста пронзеннолистного. Сравнение данных, полученных для районов, испытывающих различную антропогенную нагрузку, показало, что в местах сброса сточных вод макрофиты характеризуются более высоким содержанием РЗЭ. Так, в Мошковическом заливе, месте сброса сточных вод Конаковской ГРЭС и коммунальных сточных вод г. Конаково, манник водяной содержит более высокие концентрации La, Се, Рг, Nd, Sm, Gd, Dy, в среднем превышающие принятые фоновые значения от 2 до 7 раз. Содержание большинства РЗЭ (1а, Се, Рг, Nd, Sm, Gd, ТЬ, Dy, Но, Ег, Yb) в рдесте пронзеннолистном из Мошковического залива также характеризуется значениями, превышающими фоновые в 2 раза. Это свидетельствует о техногенном поступлении РЗЭ в составе поверхностного стока с промплощадок КГРЭС, который перехватывается водно-болотными
растениями. Редкоземельные элементы, поступающие в составе промстоков, поглощаются и накапливаются погруженными видами макрофитов. Можно сделать вывод о том, что в Мошковический залив РЗЭ поступают как с поверхностным неконтролируемым стоком, что приводит к их накоплению растениями группы водно-болотных макрофитов, так и в составе жидких промстоков, что влечет за собой увеличение содержания РЗЭ в погруженных видах макрофитов.
Станция Безбородово расположена ниже по течению от места сброса сточных вод Редкин-ского опытного завода, производителя химической продукции для предприятий авиационной и космической промышленности, вблизи железной дороги Москва - Санкт-Петербург. Рдест пронзеннолистный из этого створа характеризуется высоким содержанием большинства РЗЭ, которое в среднем в 2 раза превосходит фоновые значения. Манник водяной характеризуется в этом створе фоновыми концентрациями, что может свидетельствовать о поступлении РЗЭ в составе промстоков и отсутствии плоскостного смыва, как антропогенного источника поступления РЗЭ в экосистему Иваньковского водохранилища.
По результатам корреляционного и факторного математического анализа аналитических данных выявлена высокая положительная корреляционная связь между содержанием большинства РЗЭ с Ре и А1 для рдеста
Рис. 2. Средние значения коэффициентов биологического поглощения редкоземельных элементов (Кб) в маннике водяном и рдесте пронзеннолистном относительно воды Иваньковского водохранилища
61
пронзеннолистного. Для манника водяного высокая положительная корреляционная связь получена для Ре и А1 с группой легких редкоземельных элементов (Ьа, Се, Рг, Nd, Эт). С Мп получены отрицательные значения коэффициентов корреляции и для манника и для рдеста. Это дает основание полагать, что в геохимических процессах совместная миграция РЗЭ происходит в составе оксигидроксидов и орга-номинеральных коллоидов Ре и А1. Совместная миграция и сопряженность биогеохимических циклов РЗЭ, Ре и А1 в системе «вода - взвесь -высшие водные растения» особенно четко проявляется для группы погруженных растений.
Для выявления биогеохимических особенностей накопления РЗЭ макрофитами и оценки интенсивности вовлечения РЗЭ в биогеохимические циклы миграции не только рассматривались абсолютные концентрации РЗЭ в различных видах водных растений, но и проводился расчет коэффициентов биологического поглощения (Кб) редкоземельных элементов. Коэффициенты биологического поглощения (Кб) РЗЭ в макрофитах Иваньковского водохранилища рассчитывались как отношение концентрации химического элемента в растениях (в мг/кг сухой биомассы) к его концентрации в воде (мг/л). На рисунке 2 приведены полученные коэффициенты биологического поглощения РЗЭ макрофитами Иваньковского водохранилища. Для всех редкоземельных элементов Кб достигали максимальных значений у рдеста пронзеннолистного. Максимальные коэффициенты биологического поглощения РЗЭ были получены для манника водяного и рдеста прон-зеннолистного, произрастающих в Мошко-вическом заливе. Сравнение коэффициентов биологического поглощения РЗЭ для рдеста пронзеннолистного из группы погруженных видов макрофитов и Кб тяжелых металлов ^п, Си, Сг, N1, РЬ) для двух видов погруженных макрофитов (элодея и роголистник) [Курилен-ко, 2007] показало их большое сходство, что говорит об активном участии РЗЭ в биогеохимических процессах и выраженной высокой степени биоаккумуляции. Это позволяет использовать Кб для выявления и сравнительного анализа антропогенного поступления РЗЭ в водные экосистемы.
Заключение
Впервые проведенные исследования РЗЭ в экосистеме Иваньковского водохранилища позволили определить уровни содержания РЗЭ для двух видов макрофитов из разных экологических групп - манника водяного из группы
гелофитов - водно-болотных растений и рдеста пронзеннолистного из группы гидрофитов -погруженных в воду растений, а также установить фоновые концентрации редкоземельных элементов в макрофитах Иваньковского водохранилища. Максимальные значения содержания РЗЭ получены для рдеста пронзеннолистного из группы погруженных растений. Это связано с физиологическими и морфологическими особенностями растений данной экологической группы, их способностью удерживать взвесь из воды и выщелачивать из нее РЗЭ.
Повышенное содержание РЗЭ в ВВР вблизи сбросов сточных вод промышленных предприятий свидетельствует о локальном загрязнении отдельных заливов Иваньковского водохранилища РЗЭ и, следовательно, о необходимости контроля содержания РЗЭ в биотических и абиотических компонентах экосистемы водохранилища.
Исследованные виды водных растений могут быть рекомендованы для использования в качестве биоиндикаторов при эколого-гео-химических исследованиях и биогеохимическом мониторинге. Они отвечают важнейшим требованиям, предъявляемым к организмам-индикаторам. Оба вида широко распространены в пределах Иваньковского водохранилища и реагируют на изменение содержания РЗЭ в природных водах повышенным накоплением элементов в широком интервале концентраций. Водно-болотные виды макрофитов перехватывают РЗЭ, поступающие с плоскостным смывом от неконтролируемых источников, в то время как погруженные виды накапливают РЗЭ, поступающие непосредственно в водную среду со сточными водами.
По результатам корреляционного анализа установлен факт совместной миграции РЗЭ, Ре и А1 в экосистеме Иваньковского водохранилища в составе оксигидроксидов и органомине-ральных коллоидов Ре и А1. Совместная миграция и сопряженность биогеохимических циклов РЗЭ, Ре и А1 в системе «вода - высшие водные растения» особенно четко проявляется для группы погруженных растений (гидрофитов).
Проведенные исследования показывают, что РЗЭ проявляют большую активность в биогеохимических процессах, участвуют в биогеохимических циклах в водных экосистемах, о чем свидетельствуют высокие значения коэффициентов биологического поглощения водными растениями.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 16-05-00542).
литература
Абакумова В. А., Ахметьева Н. П., Брехов-ских В. Ф., Вишневская Г. Н., Волкова Э. В., Гашки-на Н. А., Григорьева И. Л., Казмирук В. Д., Казми-рук Т. Н., Кирпичникова Н. В., Кочарян А. Г., Кре-менецкая Е. Р., Обридко С. Л., Перекальский В. М., Сафронова К. И., Федорова Л. П., Штритер Е. А. Иваньковское водохранилище: Современное состояние и проблемы охраны. М.: Наука, 2000. 344 с.
Балашов Ю. А. Геохимия редкоземельных элементов. М.: Наука, 1976. 267 с.
Баренбойм Г. М., Авандеева О. П. Редкоземельные элементы в водных объектах (экологические аспекты) // Вода: химия и экология. 2014. № 5(71). С.42-55.
Воробьев С. А. Информатика. Математическая обработка геолого-геохимических данных. Барнаул: ИП Колмогоров И. А., 2016. 266 с.
Гришанцева Е. С., Сафронова Н. С. Эколого-гео-химическая оценка состояния Волжского источника водоснабжения г. Москвы // Водные ресурсы. 2012. Т. 39, № 3. С. 304-322.
Гришанцева Е. С., Сафронова Н. С., Бычков А. Ю., Пухов В. В., Тютюнник О. А. Определение редких и редкоземельных элементов в придонных, поровых и поверхностных водах Иваньковского водохрани-
References
Abakumova V. A., Akhmet'eva N. P., Brekhov-skikh V. F., Vishnevskaya G. N., Volkova E. V., Gash-kina N. A., Grigor'eva I. L., Kazmiruk V. D., Ka-zmiruk T. N., Kirpichnikova N. V., Kocharyan A. G., Kremenetskaya E. R., Obridko S. L., Perekal'skii V. M., Safronova K. I., Fedorova L. P., Shtriter E. A. Ivan'kovskoe vodokhranilishche: Sovremennoe sostoya-nie i problemy okhrany [The Ivankovskoye Reservoir: current state and problems of protection]. Moscow: Nauka, 2000. 344 p.
Balashov Yu. A. Geokhimiya redkozemel'nykh ele-mentov [Geochemistry of rare-earth elements]. Moscow: Nauka, 1976. 267 p.
Barenboim G. M., Avandeeva O. P. Redkozemel'nye elementy v vodnykh ob'ektakh (ekologicheskie aspekty) [Rare-earth elements in water bodies (environmental aspects)]. Voda: khimiya i ekologiya [Water: Chemistry and Ecology]. 2014. No. 5(71). P. 42-55.
Dubinin A. V. Geokhimiya redkozemel'nykh elemen-tov v okeane [Geochemistry of rare-earth elements in the ocean]. Moscow: Nauka, 2006. 360 p.
Grishantseva E. S., Safronova N. S. Ecologo-geokhimicheskaya otsenka sostoyaniya Volzhskogo is-tochnika vodosnabzheniya g. Moskvy [Ecological and geochemical assessment of the Volga source of water supply to Moscow]. Vodnye resursy [Water Resources]. 2012. Vol. 39, no. 3. P. 305-321.
Grishantseva E. S., Safronova N. S., Bych-kov A. Yu., Pukhov V. V., Tyutyunnik O. A. Opredele-nie redkikh i redkozemel'nykh elementov v pridonnykh, porovykh i poverkhnostnykh vodakh Ivan'kovskogo vodokhranilishcha metodami atomno-emissionnoi i mass-spektrometrii s induktivno-svyazannoi plazmoi
лища методами атомно-эмиссионной и масс-спект-рометрии с индуктивно-связанной плазмой // Вода: химия и экология. 2015. № 7. С. 65-73.
Гришанцева Е. С., Сафронова Н. С., Кирпичникова Н. В., Федорова Л. П. Распределение микроэлементов в высшей водной растительности Иваньковского водохранилища // Геоэкология. Инженерная геология. Гидрогеология. Геокриология. 2010. № 3. С. 223-231.
Дубинин А. В. Геохимия редкоземельных элементов в океане. М.: Наука, 2006. 360 с.
Иванов В. В. Экологическая геохимия элементов: в 6 кн., справочник / Ред. Э. К. Буренков. М.: Недра, 1997.607 с.
Куриленко В. В., Осмоловская Н. Г. Биоиндикаторная роль высших растений при диагностике загрязнений водных экосистем на примере малых водоемов г. Санкт-Петербурга // Водные ресурсы. 2007. Т. 34, № 6. С. 757-764.
Соловов А. П., Архипов А. Я., Бугров В. А., Воробьев С. А., Гершман Д. М., Григорян С. В., Кия-товский Е. М., Матвеев А. А., Миляев С. А., Николаев В. А., Перельман А. И., Шваров Ю. В., Юфа Б. Я., Ярошевский А. А. Справочник по геохимическим поискам полезных ископаемых. М.: Недра, 1990. 335 с.
Поступила в редакцию 21.11.2016
[Rare and rare-earth elements determination in bottom, pore and surface waters of the Ivankovskoye Reservoir using atomic emission and mass spectrometry with inductively coupled plasma]. Voda: khimiya i ekologiya [Water: Chemistry and Ecology]. 2015. No. 7. P. 65-73.
Grishantseva E. S., Safronova N. S., Kirpichnikova N. V., Fedorova L. P. Raspredelenie mikroel-ementov v vysshei vodnoi rastitel'nosti Ivan'kovskogo vodokhranilishcha [Distribution of microelements in higher aquatic plants of the Ivankovskoye Reservoir]. Geoekologiya. Inzhenernaya geologiya. Gidro-geologiya. Geokriologiya [Geoecology. Engineering Geology. Hydrogeology. Geocryology]. 2010. No. 3. P. 223-231.
Ivanov V. V. Ekologicheskaya geokhimiya elementov: v 6 kn., spravochnik [Ecological geochemistry of elements. Reference book in 6 vol.]. Ed. E. K. Burenkov. Moscow: Nedra, 1997. 607 p.
Kurilenko V. V., Osmolovskaya N. G. Bioindikator-naya rol' vysshikh rastenii pri diagnostike zagryazne-nii vodnykh ekosistem na primere malykh vodoemov g. Sankt-Petersburga [Bioindicator role of higher plants for diagnostics of aquatic ecosystems contamination (case of small water bodies in St. Petersburg)]. Vodnye resursy [Water Resources]. 2007. Vol. 34, no. 6. P. 757-764.
SolovovA. P., Arkhipov A. Ya., Bugrov V. A., Vorob'ev S. A., Gershman D. M., Grigoryan S. V., Ki-yatovskii E. M., Matveev A. A., Milyaev S. A., Niko-laev V. A., Perel'man A. I., Shvarov Yu. V., Yufa B. Ya., Yaroshevskii A. A. Spravochnik po geokhimicheskim poiskam poleznykh iskopaemykh [Reference book of
©
geochemical prospecting for minerals]. Moscow: Nedra, 1990. 335 p.
Vorob'ev S. A. Informatika. Matematicheskaya ob-rabotka geologo-geokhimicheskikh dannykh [Computer science. Mathematical processing of geological and
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ:
Гришанцева Елена Сергеевна
научный сотрудник кафедры геохимии Геологического факультета, к. г.-м. н. Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова Ленинские горы, 1, Москва, Россия, 119991 эл. почта: [email protected]
Бычков Андрей Юрьевич
доцент кафедры геохимии Геологического факультета, д. г.-м. н., проф.
Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова Ленинские горы, 1, Москва, Россия, 119991 эл. почта: ЬусЬ|^@део1.т^и.ги
Шурупова Светлана Андреевна
студентка Геологического факультета Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова Ленинские горы, 1, Москва, Россия, 119991 эл. почта: [email protected]
Федорова Людмила Парамоновна
старший научный сотрудник
Государственный научно-исследовательский институт
озерного и речного рыбного хозяйства (ГосНИОРХ),
Верхне-Волжское отделение
ул. Гагарина, 14, Конаково, Тверская область,
Россия, 171253
эл. почта: [email protected]
geochemical data]. Barnaul: IP Kolmogorov I. A., 2016. 266 p.
Received October 21, 2016
CONTRIBUTORS:
Grishantseva, Elena
Lomonosov Moscow State University 1 Leninskiye Gory, 119991 Moscow, Russia e-mail: [email protected]
Bychkov, Andrey
Lomonosov Moscow State University 1 Leninskiye Gory, 119991 Moscow, Russia e-mail: [email protected]
Shurupova, Svetlana
Lomonosov Moscow State University 1 Leninskiye Gory, 119991 Moscow, Russia e-mail: [email protected]
Fedorova, Ludmila
Berg State Research Institute on Lake and River Fisheries "GosNIORH", Verkhne-Volzhskoe Division 14 Gagarin St., 171253 Konakovo, Tver Region, Russia e-mail: [email protected]
