CC BY
14УДК 550.47: 557.4:574.5
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НЕЙТРОННО-АКТИВАЦИОННОГО АНАЛИЗА ДЛЯ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ РЕДКИХ И РАССЕЯННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В НЕКОТОРЫХ КОМПОНЕНТАХ ВОДНЫХ ЭКОСИСТЕМ (НА ПРИМЕРЕ Аи)
© 2010 С.А. Остроумов1, Г.М. Колесов2
'Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Москва 2Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского Российской академии наук, Москва
Ключевые слова: водные экосистемы, детрит, моллюски, макрофиты, пресноводные гидробионты, редкие и рассеянные элементы, Аи, Утратив упгратия, ипю рШотыш, СегШорку11иш йешетшш.
В условиях лабораторных водных микрокосмов впервые получены данные о концентрации Аи и некоторых других элементов в детрите, образованном массово встречающимися видами водных организмов (моллюсками УШратия тШратия, ито рШотиш и макрофитами СетаТорку11иш йешетБиш). Измерения проведены методом нейтронно-акти-вационного анализа. Эти опыты еще раз проиллюстрировали значительную роль биогенного детрита в сопряжении гидробиологических и геохимических процессов в водных системах. Новые результаты дополняют имеющиеся сведения о содержании химических элементов в компонентах экосистем, в том числе водных систем. Полученные данные могут быть использованы при разработке научных основ мониторинга, а также ремедиации, восстановления и реабилитации водных объектов.
Содержание химических элементов в компонентах водных экосистем является одной из существенных их характеристик, исследование которых необходимо для мониторинга, понимания и прогнозирования состояния водных объектов. В водоемах и водотоках имеет место перемещение ряда элементов через толщу воды, с переносом веществ на границе вода — донные отложения, с биогеохимическими потоками элементов. Изучение биогенной миграции элементов — важное направление исследований биосферы [1]. Биогенная миграция элементов в водных экосистемах — как пресноводных, так и морских — связана с самоочищением воды и формированием ее качества [2, 3]. Существенно, что роль водных организмов в миграции элементов носит сложный характер и может проявляться и в поглощении, и в выделении вещества, и в оказании воздействия на многие другие процессы в экосистеме [2—5].
Водное хозяйство России
Для анализа фактов о роли организмов в биогенной миграции элементов в водных экосистемах необходимы сведения не только о накоплении элементов водными организмами, но и о содержании элементов в образуемом гидробионтами детритном материале [4], который поступает на дно водных систем и вносит вклад в формирование донных отложений.
Ранее проведенные исследования установили концентрации некоторых элементов в детритном материале, производимом водными моллюсками [4, 5]. Однако эти данные касались ограниченного круга химических элементов и не включали в себя сведения о содержании редких и рассеянных элементов — таких как, например, Аи и некоторых других.
В литературе, насколько известно авторам данной статьи, отсутствовали сведения о содержании Аи в детритном материале, образуемом в модельных экосистемах после инкубации в них массово встречающихся видов водных организмов — таких как Утрагш утрагш Ь., иию рШогит Ь. и СегаЮрНуЫит йетегзит Ь.
Цель этого исследования — изучить биогенный детрит в экспериментальных экосистемах, представленных лабораторными микрокосмами, в которых содержались три вида указанных пресноводных организмов. В сформировавшемся в этих системах детрите впервые был определен ряд элементов, включая Аи, с использованием метода нейтронно-активационного анализа (НАА), обладающего высокой чувствительностью. Сведения о концентрации этих элементов вносят вклад в познание роли биогенного органического материала осадков в распределении химических элементов в водных системах.
Методика эксперимента
Эксперименты проводились в пресноводных микрокосмах. Микрокосмы были созданы с участием трех массово встречающихся видов пресноводных организмов — Утрагш утрагш Ь., ии1о рШогит Ь. и СегаШрНуНит йетегзит Ь. В микрокосмы вносились водные организмы и отстоянная водопроводная вода (ОВВ). Растения СегаШрНуЫит йетег-тт были собраны в пруду в пойме р. Москва на территории Москвы, моллюски Утрагш утрагш и ии1о рШогит — на относительно чистом участке реки в Нечерноземной зоне Европейской части России. Использованные в опыте микрокосмы охарактеризованы в табл. 1.
После формирования микрокосмов они инкубировались при комнатной температуре в течение семи с половиной месяцев (конец августа—середина апреля). Микрокосмы находились в это время в условиях постоянной аэрации путем подачи воздуха аквариумными компрессорами. К концу инкуба-
Водное хозяйство России № 4, 2010
Водное хозяйство России
Таблица 1. Состав водных микрокосмов, использованных в экспериментах
Организмы Микрокосм № 1 Микрокосм № 2
УШрагш уШрагиБ, экз. 39 15
ито рШогит, экз. 12 32
СегаТоркуНит йетегтт, г (сырая масса) 2,4 2,4
Отстоянная водопроводная вода, л 3 3
ции моллюски погибли и на дне микрокосмов образовался осадок биогенного детрита. Осадок был отобран фильтрованием, высушен, растерт и проведен нейтронно-активационный анализ. Метод НАА в приложении к вопросам геохимии окружающей среды охарактеризован в [6, 7]. Метод ранее использовался нами для определения концентрации элементов в моллюсках [8, 9], причем, подтвердилась его эффективность для анализа содержания элементов в образцах биологического происхождения.
Пробоподготовка велась следующим образом: образцы для анализа предварительно высушивались при 105 °С, отбирались пробы массой по 15—25 мг и вместе с образцами сравнения (KH, ST-1, SGD-1, FFA, RUS-1, Allende, BCR и др.) и эталонами упаковывались в пакеты из алюминиевой фольги.
Затем образцы помещались в алюминиевый пенал и облучались 15—20 ч в тепловом канале ядерного реактора Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ» с нейтронным потоком 2,8х1013 н/см2. После облучения образцы охлаждались, переупаковывались в чистые ампулы для уменьшения фона и измерялась активность 2—3 раза (через 5—7 и 15—30 дней после облучения) в течение 1000— 5000 секунд на полупроводниковых (высокоразрешающих) германиевых детекторах «ORTEC» и 4096-канальном анализаторе импульсов NUC-8192 (EMG, Венгрия). Идентификация спектров и расчет содержания элементов проводились в автоматическом режиме с использованием компьютерных программ, разработанных в Институте геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского Российской академии наук (ГЕОХИ РАН). Для нескольких элементов расчет содержания был получен экстраполяцией, что соответствует сложившейся и многократно апробированной практике.
Результаты исследования и их обсуждение
Результаты определения Au с помощью НАА показаны в табл. 2. Необходимо отметить, что содержание Au сильно варьировало. Среднее
Водное хозяйство России
Таблица 2. Концентрация Ли в образцах биогенной природы (нг/г, в пересчете на сухую массу), представляющих некоторые компоненты водных экосистем
Материал Минимальное значение Максимальное значение Среднее значение
Биогенный детрит 25 270 147,5
Мягкие ткани моллюсков ито рШогит 1 14 4,0
Раковины моллюсков ито рШогит 6 140 56,0
Раковины моллюсков
Утрагия упграгш 2 30 7,4
Примечание: Данные по биогенному детриту — новые результаты авторов. Данные о мягких тканях моллюсков ито р1аотит по материалам работы [8], раковинах моллюсков иню рШотит — [8], моллюсков Утрагия утрагия — [9].
значение рассчитано с учетом всех имеющихся измерений. Из данных табл. 2 видно, что содержание Au в раковинах Unio pictorum было выше, чем в раковинах Viviparus viviparus, а содержание в детритном материале еще выше. Вместе с тем, содержание в детритном материале (усредненные данные) Au было ниже концентрации других исследованных и измеренных нами редких и рассеянных элементов (Nd > La > U > Hf > Th > Sm > Cs > Au).
Необходимо подчеркнуть, что даже малые концентрации отдельных элементов в детрите представляют существенный интерес, поскольку потоки биогенного осадочного материала, формируемые водными организмами, имеют весьма значительные масштабы. Например, сделаны оценки для ряда водных экосистем (см. обзор [10]). По этим данным, потоки С, создаваемые водными моллюсками, достигали 11,9 кг на 1 м2 площади дна экосистемы в год. Общий поток элементов, оседающих на дно вместе с компонентами одной из водных экосистем (Laholm Bay) площадью 60 км2, составлял 1711 т углерода и 235 т азота в год (см. обзор [10]) .
Используя полученные данные о концентрации Au в детрите, можно сделать оценку приблизительного потенциала детрита в роли депо для содержания иммобилизованного в нем элемента (Au) на участках дна экосистем таких размеров, на которых скопилось, например, 1 кг или 1000 кг детрита (в расчете на сухую массу). Расчеты носят ориентировочный характер. Речь идет об оценке только потенциала детрита в качестве депо для ряда элементов и не означает автоматического переноса экспериментальных данных на природные экосистемы. Для сравнения приведены аналогично сделанные оценки для некоторых других
Водное хозяйство России № 4, 2010
Водное хозяйство России
Таблица 3. Оценка приблизительного потенциала аккумуляции Аи в сравнении с другими элементами (Ш, Се) в биогенном детрите (по данным НАА)
Элемент Среднее содержание в 1 г детрита (сухая масса), мкг Приблизительный потенциал аккумуляции в детрите в пересчете на
1000 г детрита, мг 1000 кг детрита, мг
Аи 0,1475 0,1475 147,5
ИГ 2,01 2,01 2010
Сэ 1,04 1,04 1040
элементов (гафния ИГ, цезия Сэ) того же периода периодической таблицы Д.И. Менделеева, что и Аи. Концентрации этих элементов в биогенном детрите также были установлены в этой работе методом НАА. Гафний был взят для сравнения как элемент с близкой атомной массой (атомная масса гафния 178,49), цезий — как элемент, который находится в той же группе и в том же периоде периодической системы Д.И. Менделеева, что и золото — а именно, в первой группе и в шестом периоде. Результаты расчета представлены в табл. 3, во второй колонке приведены средние концентрации трех элементов (Аи, ИГ, Сэ), измеренные в детрите, в последующих двух колонках — полученные в результате расчета цифры, характеризующие приблизительный потенциал аккумуляции этих элементов в биогенном детрите в составе донных отложений в водных объектах.
Отметим особенность исследованного детритного материала, отличающую его от суммарного осадочного материала в донных седиментах водных объектов. Она в том, что детрит сформировался за определенный отрезок времени в контролируемых условиях — из известных экспериментатору организмов массовых видов (в этот комплекс организмов входили моллюски двух видов и один вид макрофитов).
Необходимо дальнейшее изучение особенностей элементного состава детрита, поскольку его исходный состав в реальных условиях загрязняемых экосистем может модифицироваться в результате того, что некоторый вклад могут вносить элементы, дополнительно аккумулируемые детритом в результате антропогенного воздействия на экосистему. Таким антропогенным воздействием может быть загрязнение воды разными элементами вследствие поступления в воду тех или иных отходов или стоков.
В научной литературе сообщалось об элементном составе водных растений и их отмирающей массы, но элементный состав детрита, образован-
Водное хозяйство России № 4, 2010
Водное хозяйство России
Таблица 4. Изучение содержания химических элементов в детрите водных организмов (примеры)
Виды организмов Элементы Примечания; ссылки
Утрагия упграгия, ито рШогит, СегаТоркуНит йетегяит Ли Содержание золота в биогенном детрите варьировало от 0,025 до 0,27 (среднее — 0,15) г/кг детрита (на сухую массу); новые результаты авторов в данной статье
Утрагия утрагия, ито рШогит, СегаТорку11ит йетегяит Се, Бе, Ьа, БЬ, ИГ, ТИ, Бс, Бт, Се и другие элементы Новые результаты авторов
Сагйшт ейи1е N Вместе с биодепозитами оседало 199 т азота на площади 60 км2; Лахолм-Бэй [10]
ШуШия ейиНя С Вместе с биодепозитами оседало 60,0— 80,7 г С на площади 1 м2 [10]
Ьутнаеа stagнalis, ито tumidus, ито pictoгum, Cгassiaнa сгаяяа, Aнodoнta cygнea С, N Р, Л1 Состав пеллет Ьутнаеа stagнalis: С — 69,74 %; N — 2,3—2,9 %; Р — 0,4— 0,5 %; — 1,1—1,7 %; Л1 — 0,054—0,059 % [4 ]
Ьутнаеа stagнalis, ито tumidus, ито рШогит, Cгassiaнa сгаяяа, Aнodoнta cygнea С, N Р, Л1 Состав пеллет выборки природного сообщества двустворчатых моллюсков при питании природным сестоном: С — 64,3 %, N — 2,73 %, Р — 0,39 %, — 1,14 %, Л1 — 0,071 % [5 ]
ного моллюсками или при участии моллюсков, по-видимому, не изучался, за исключением предыдущих работ одного из авторов (табл. 4).
Заключение
В работе впервые определена концентрация ряда элементов (Ли, ИГ, Сз) в биогенном детрите, полученном в условиях контролируемого эксперимента при совместной инкубации в микрокосме трех видов массово встречающихся пресноводных организмов (Утрате утрагия, ито р1е-Шит и СегМоркуЫит йвтвгяит), что способствует пониманию их роли в биогенной миграции элементов. Полученные данные позволяют полнее оценить роль биогенного детрита (в составе модельной экосистемы), обводное хозяйство России № 4, 2010
Водное хозяйство России
разуемого конкретными вышеуказанными видами организмов, как фактора концентрирования элементов.
Дальнейшие исследования помогут выявить новые факты о сопряжении экологических и биогеохимических процессов, связях между качеством воды и составом детрита, как важного компонента водных экосистем — водоемов и водотоков. В.И. Вернадский писал: «живое вещество в биосфере играет основную активную роль... В сущности, оно определяет все основные химические закономерности в биосфере» [11]. Еще одно характерное высказывание В.И. Вернадского: «Жизнь — живое вещество — поистине является одной из самых могущественных геохимических сил нашей планеты, а вызываемая ею биогенная миграция атомов представляет форму организованности первостепенного значения в строении биосферы» [12].
Впервые полученные в нашей работе данные о концентрации Аи и некоторых других элементов в детрите, образованном массово встречающимися видами организмов УЫрагш чЫрагш, ии1о р1Могит и СегаШркуНит йетегзит, продолжая наши предыдущие исследования, дают еще один конкретный пример, иллюстрирующий и конкретизирующий эти высказывания. Новые результаты дополняют имеющиеся сведения о содержании химических элементов в компонентах экосистем [13], в том числе водных систем [14].
Авторы благодарны Ю.А. Моисеевой, Е.А. Соломоновой, Г.Ю. Казакову, А.В. Клепиковой, сотрудникам МГУ и Института геохимии и аналитической химии РАН им. В.И. Вернадского за помощь и обсуждение.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Вернадский В.И. Биосфера. М.: Издательский дом «Ноосфера», 2001. 243 с.
2. Остроумов С.А. О полифункциональной роли биоты в самоочищении водных экоси-
стем // Экология. 2005. < 6. С. 452—459.
3. Ostroumov S.A. Polyfunctional role of biodiversity in processes leading to water purification:
current conceptualizations and concluding remarks // Hydrobiologia. 2002. V. 469. P. 203— 204.
4. Остроумов С.А, Колесников М.П. Пеллеты моллюсков в биогеохимических потоках
C, N, P, Si, Al // ДАН. 2001. Т. 379. < 3. С. 426—429.
5. Остроумов С.А, Колесников М.П. Моллюски в биогеохимических потоках (C, N, P,
Si, Al) и самоочищении воды: воздействие ПАВ // Вестник МГУ. Сер. 16. Биология. 2003. < 1. С. 15—24.
6. Kolesov G.M. Determination of microelements: neutron activation analysis in geochemistry and
cosmochemistry // J. Anal. Chem. 1994. V. 49. No. 1. P. 50—58.
7. Kolesov G.M. Neutron activation analysis of environmental materials. // Analyst. 1995. V. 120.
P. 1457—1460.
8. Остроумов С.А, Колесов Г.М, Сапожников Д.Ю. К разработке вопросов гидробио-
логического мониторинга водной среды: изучение содержания элементов в моллю-
Водное хозяйство России № 4, 2010
Водное хозяйство России
сках Unio методом нейтронно-активационного анализа // Проблемы экологии и гидробиологии. М.: МАКС Пресс, 2008. С. 47—53.
9. Остроумов С.А., Колесов Г.М., Сапожников Д.Ю. Содержание элементов в ракови-
нах моллюсков Viviparus viviparus: изучение методом нейтронно-активационного анализа // Ecological Studies, Hazards, Solutions. 2009. V. 13. P. 113—117.
10. Ostroumov S.A. Suspension-feeders as factors influencing water quality in aquatic ecosystems // The Comparative Roles of Suspension-Feeders in Ecosystems. Eds: R.F. Dame, S. Olenin. Dordrecht: Springer, 2004. P. 147—164.
11. Вернадский В.И. Химическое строение биосферы Земли и её окружения. М.: Наука,
1965. 374 с.
12. Вернадский В.И. Биосфера и ноосфера. М.: Наука, 1989. 264 с.
13. Добровольский Г.В. О развитии некоторых концепций учения о биосфере // Вода:
технология и экология. < 1. 2007. С. 63—68.
14. Моисеенко Т.И., Кудрявцева Л.П., Гашкина Н.А. Рассеянные элементы в поверхно-
стных водах суши: технофильность, биоаккумуляция, экотоксикология М.: Наука, 2006. 261 с.
Сведения об авторах:
Остроумов Сергей Андреевич, д. б. н., ведущий сотрудник лаборатории физико-хи-мии биомембран биологического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова, 119991, Москва, ГСП-1, Ленинские горы, МГУ, д. 1, стр. 12; e-mail: [email protected];
Колесов Геннадий Михайлович, заведующий лабораторией, Институт геохимии и аналитической химии имени В.И. Вернадского РАН, 119991, Москва, ул. Косыгина 19; e-mail: [email protected].
Водное хозяйство России № 4, 2010
Водное хозяйство России
