CC BY
11Journal of Siberian Federal University. Chemistry 3 (2008 1) 269-276
УДК 543.32/34
Изучение накопления Fe(III) погруженным макрофитом
Elodea canadensis аналитическими методами:
ионной хроматографии, ионометрии и спектрофотометрии
Лидия Г. Бондарева3*, Ольга П. Калякина6
а Институт биофизики СО РАН, Академгородок, Красноярск, 660036 Россия б Сибирский федеральный университет, пр. Свободный, 79, Красноярск, 660041 Россия 1
Received 4.08.2008, received in revised form 22.09.2008, accepted 29.09.2008
Методами спектрофотометрии, ионной хроматографии и ионометрии изучено накопление Fe(III) одним из погруженных водных растений р.Енисей Elodea Canadensis. Установлено, что значительное уменьшение содержания внесенного металла из водной фазы наблюдается в течение первых суток после начала эксперимента, Fe(III) - с 2,5 до 0,3 мг/л. Одновременно увеличилось содержание Cl- (c 1,7 до 5 мг/л) и SO42- (с 9,6 до 11,4 мг/л) в водной фазе системы. Максимальное значение коэффициента накопления для Fe(III) в исследуемых модельных системах Кн = 2,8 г/кг сухого веса. Показано, что в течение всего времени эксперимента массоперенос металла происходит как между компонентами системы (растение - вода), так и между составными частями биомассы элодеи (обменно-адсорбционный слой - биомасса растения).
Ключевые слова: накопление, Fe(III), ионометрия, ионная хроматография, спектрофотометрия.
Введение
Основным источником поступления металлов ^е, Си, 2п и др.), а также радионуклидов в различных физико-химических формах являются промышленные выбросы. При поступлении в окружающую среду металлы распределяются в почвах и донных отложениях, растворяются в поверхностных и грунтовых водах, находятся в виде взвешенных частиц в поверхностных водоемах и в поровом пространстве донных отложений. В результате геохимических циклов, изменения внешних
условий, в процессе жизнедеятельности биологических объектов металлы активно включаются в природные круговороты веществ с включением в клеточные структуры живых организмов [1].
Наибольший интерес с точки зрения накопления, локализации и удерживания металлов, в том числе и радионуклидов, представляют водные растения. Известно, что в течение вегетационного периода наблюдается значительный прирост биомассы. При этом в старые и новые части растений метал-
* Corresponding author E-mail address: l-bondareva@mail.ru
1 © Siberian Federal University. All rights reserved
лы могут поступать в растворенном виде как через листья и стебли из водной толщи, так и через корневую систему из донных отложений [1, 2].
Наиболее доступными для изучения влияния различных факторов на распределение металлов между компонентами экосистемы являются модельные эксперименты, проводимые в лабораторных условиях с водными растениями, характерными для того или иного региона. Elodea canadensis (элодея канадская, далее в тексте - элодея) считается космополитом в пресноводных водоемах, в том числе и в р.Енисей. Способность этого погруженного макрофита к выживанию при различных климатических условиях является неоспоримым фактором в том, что возможно проведение экспериментов в течение круглого года со свежеотобранными побегами растения. Следовательно, элодея наиболее удачный объект для исследований механизмов накопления, массопереноса и пр. Ранее были проведены работы с элодеей по накоплению некоторых техногенных радионуклидов, таких как 241Am [3], U [4] и тяжелых металлов [5, 6]. Однако в этих работах недостаточно внимания уделялось процессам, протекающим в водной фазе модельной системы.
В настоящее время все большее число аналитических методов используется в изучении механизмов биогенного массопереноса тяжелых металлов между компонентами экосистемы. Так, например, для определения металлов наиболее широко распространен метод спектрофотометрического детектирования с подходящим селективным для искомого металла или аналитической группы реагентом. Для определения анионов используют методы ионной хроматографии и ионометрии с ион-селективными электродами. Результаты, полученные с использованием комплекса аналитических методов, позволяют коррек-
тно описать процессы, протекающие в окружающей среде.
Целью данной работы явилось изучение накопления Fe(III) одним из погруженных видов водных растений р.Енисей Elodea Canadensis Mush методами ионной хроматографии, ионометрии и спектрофо-тометрии.
Экспериментальная часть
1. Объекты исследований
В качестве объекта исследований был выбран наиболее распространенный вид погруженного макрофита Elodea Canadensis Mush (элодея канадская). После отбора растения были промыты от взвеси и отсортированы. Для проведения исследований были отобраны верхние части побега длиной 4-5 см, способные к дальнейшему росту. Методами атомно-эмиссионной и атомно-абсорбционной спектрометрии определено содержание элементов в используемых растениях (г/кг сухого веса): K - 20, Na - 13,5, Ca - 20, Mg - 3,1, Fe - 2,1, Mn - 1,45, Zn - 0,27, Al - 1,9, Sr - 0,39, Si - 13,8, Ni - 0,02, Cu - 0,03, Co - 0,004, Pb - 0,003. Кроме того, в растениях содержалось до 0,26 масс. % S и 0,69 масс. % P.
Для минимизации влияния антропогенных загрязнений вода р. Енисей была отобрана выше по течению от г. Красноярска. После отбора вода была отфильтрована через фильтр «Владипор» (Россия) с диаметром пор 0,2 мкм. Содержание элементов в используемой фильтрованной воде (мг/л): K - 0,7, Na - 2,3, Ca - 19,6, Mg - 3,2, Fe - 0,025, Zn - 0,014, Ni - 0,005, Cu - 0,002, Mn - 0,003, Al - 0,16, Sr - 0,25, Si - 1,61, S - 2,56, P - 0,13. Содержание анионов (мг/л): Cl- - 1,72, NO - - 1,48, SO/- - 9,63, HCO" - 75.
> > 3 > > 4 > > 3
Содержание водорастворимого органического углерода Сорг - 1,7 мг/л.
2. Аппаратура
Для определения анионного состава в работе использовали хроматограф «Цвет-3006» с кондуктометрическим детектором [7]. Измерения рН, окислительно-восстановительного потенциала и определение содержания ионов проводили на иономере '^айеШБ" (Венгрия) с комбинированными электродами для рН-метрии и для измерения окислительно-восстановительного потенциала. Для определения содержания ионов К+, МН4+, N0^, С1- использовали ион-селективные электроды фирмы "ИОНИКС" (Россия). Определение содержания Fe(Ш) в водных растворах проводили с использованием спектрофотометра СФ-46 (Россия).
3. Методика эксперимента
В стаканы с фильтрованной водой
700 мл) вносили раствор соли Fe(N03)3, содержание Fe(Ш) в котором составило 1,75 мг (или 2.5 мг/л). После доведения рН до 7,0 раствором №0Н (0,1 М) в стаканы поместили подготовленные растения. Сырая масса растений в каждой пробе была ~6 г. Подготовленные стаканы (4 шт.) с растениями закрывали фольгой и помещали в климатическую комнату с поддерживаемым температурным режимом (~18 °С) и соответствующим фотопериодом (16 ч - свет, 8 ч - темнота).
Через определенные промежутки времени отбирали пробы воды, в которых проводили определение содержания растворенного железа. Для изучения распределения железа между компонентами исследуемой системы в динамике стаканы со смесью изымали произвольным образом. Осадок, образованный в системе, отделяли от водной фазы фильтрованием через бумажный фильтр «синяя лента». Полученный фильтрат делили на три равные части, одну часть пропускали через анионо-обменную смолу в ОН- форме (АВ-17), другую
- через катионообменную смолу в Н+ форме (КУ-2). В третьей части определяли общее содержание растворенного железа. Содержание железа, адсорбированного на ионообменных смолах, определяли в элюатах, после элюирования с колонок соответствующими растворами (NaOH или HNO3). Осадок, полученный после фильтрования водной фазы, растворяли на фильтре промыванием раствором 0,1 М HCl. В полученном растворе также определяли содержание железа.
Для изучения распределения железа по компонентам биомассы растения использовали метод последовательного химического фракционирования, адаптированный для растений и описанный в работе [3]. Схема последовательного химического фракционирования включает постадийное растворение биомассы с получением растворов, соответствующих составным частям растения: I - обменная фракция или диффузный слой (обработка 1 М раствором CH3COONH4 в течение 24 ч при перемешивании), II - адсорбционная фракция или минеральные инкрустации на поверхности растения (обработка 0.1 М раствором H2SO4 в течение 20 мин при перемешивании), III - органическое вещество непосредственно биомассы растения, включающее и клеточные мембраны и внутриклеточную жидкость (растворение в растворе H2O2 в присутствии HNO3) и IV - минеральный остаток, состоящий главным образом из биокремния, с которого железо смывали раствором 0,1 М HCl. Раствор, полученный при растворении органического вещества, упаривали до влажных солей для удаления следов H2O2 и предотвращения разрушения используемых в спектрофотометрическом определении комплексообразующих реагентов.
Определение ионов в отфильтрованной водной фазе проводили с использованием метода ионной хроматографии и ио-
нометрическим методом с мембранными ион-селективными электродами. Условия оптимизации определения анионов и приготовление стандартных растворов для градуировки хроматографа описаны в работе [7]. Концентрации растворенного органического углерода в воде определяли методом бихроматного окисления [7], концентрацию неорганического углерода (С032-, НС03-) - титрованием с использованием фенолфталеина и метиленового красного в качестве индикаторов [8]. Определение содержания Fe(Ш) во всех растворах проводили спектрофотоме-трическим методом в виде окрашенных ком-
плексов Fe(Ш) с 1,10-фенантролином [9] и с ионами [8].
Химические реагенты, использованные в исследованиях, имели классификацию «чистый для анализа» или «особо чистый». Для приготовления растворов солей использовали бидистиллированную воду.
Результаты и их обсуждение
Нами был проведен эксперимент с внесением в систему Fe(Ш). На рис. 1а, б приведена динамика изменения концентрации: железа и ионов К+, МН4+ (рис.1 а), С1-, SO42- (рис.1 б), в водной фазе экспериментальной системы.
Рис. 1. Динамика изменения концентрации железа (III) и содержания ионов K+, NH4+, Cl-, SO42- в водной фазе экспериментальной системы элодея - вода р.Енисей
а) 1 - Fe(III), 2 - K+, 3 - NH4+
б) 1- Cl-, 2 - SO42-
а
б
Было установлено, что наиболее интенсивная убыль железа проходила в течение первых 4 ч (с 2,5 до 0,3 мг/л). Одновременно происходило увеличение содержания С1- (с 1,7 до 5 мг/л) и SO42" (с 9,6 до 11,4 мг/л) в водной фазе системы. На наш взгляд, такое изменение содержания анионов может быть вызвано следующим. Вода, в которую были помещены экспериментальные растения, отличалась от воды, в которой эти растения выросли. За счет этого могло произойти перераспределение анионов с поверхности растения в слой жидкости до установления равновесия. А так как дальнейшие изменения были незначительными, то это условное равновесие сохранялось до конца нашего эксперимента. С другой стороны, интенсивная убыль содержания Ре(Ш) из водной среды вызвана различными процессами, протекающими в экспериментальной системе, такими как, например, диффузия Ре(Ш) из слоя жидкости к поверхности растений с последующей адсорбцией на внешней стороне листьев и стеблей.
В интервале от 20 и до 24 суток включительно изменения концентрации железа, так же как и концентрация определяемых анионов в водной фазе, были незначительными. При этом ~95 % от общего количества раство-
ренного в воде железа находилось в виде катионов и лишь ~ 3 % - в виде нейтральных соединений. Максимальное накопление Ре(Ш) в растениях в этот период составило 2,8 г/кг сухого веса. Только на 21-е сутки в водной фазе было обнаружено увеличение концентрации Бе. Также в системе наблюдалось интенсивное образование окрашенного осадка на дне стакана. Вероятно, образующийся осадок - это оксигидроксиды железа переменного состава, детальное изучение которых не являлось целью представленной работы. Было обнаружено, что в этот период времени Бе, находящееся в растворенном виде присутствовало в качестве катионов ~45 %, - анионов —35 % и 20 % - в виде нейтральных соединений. Значение рН водного раствора увеличилось с 7 до ~9,5, что служит основным фактором, указывающим на протекающие физиологические процессы в водных растениях.
Нами было изучено распределение внесенного железа по компонентам экспериментальной системы (вода, биомасса растений, осадок + смывы) на первые, 7, 22 и 33-и сутки после начала эксперимента. Результаты приведены на рис. 2.
Как видно из представленных результатов, при отборе через 7 суток обнаружено
100 1 80 -60 40 -20 -0
%
сутки
23
в вода
□ биомасса
□ осадок+смывы
г*
33
Рис. 2. Зависимость распределения внесенного железа по компонентам экспериментальной системы (вода, биомасса растения, осадок) от времени
1
7
незначительное количество железа в смеси «смыв + осадок» (2 % от общего содержания металла в системе). Это, вероятно, вызвано в том числе и тем, что в этот период накапливается достаточное количество микроорганизмов в слое жидкости, которые начинают осаждаться на поверхностях стакана, образуя колонии и перенося на себе часть внесенного в систему металла. Эта тенденция усиливается со временем, т.к. через 22 суток содержание Бе в осадке составляет 13 %, через 33 суток - 25 %. С другой стороны, содержание металла в биомассе существенно уменьшается - с 88 до 46 %. Ранее нами было обнаружено, что с 21 по 33 сутки заметно увеличивается содержание ионов К+ (с 0,7 до 1,3 мг/л) и NH4+ (с 1,6 до 2,9 мг/л) (рис. 1). Это свидетельствует о процессах, связанных с разрушением клеточных мембран с последующим вытеканием клеточной жидкости. Следовательно, причиной увеличения содержания железа в водной фазе может быть разрушение клеточных мембран с дальнейшим поступлением клеточной жидкости, содержащей ранее накопленный металл. Кроме того, на дне стаканов появляются фрагменты растений. За счет этого уменьшается доля железа в биомассе, в то
же время увеличивается содержание Ре(Ш) в осадке и смывах со стенок экспериментальных сосудов.
Для исследования массопереноса железа по составным частям биомассы элодеи нами было проведено последовательное химическое фракционирование образцов растений по схеме. Результаты фракционирования отображены на рис. 3.
Как видно из представленных результатов, в течение всего времени проведения эксперимента происходит перераспределение металла по основным компонентам растения. Было замечено, что содержание металлов, встроенных в ткани биомассы (фракция ПШ^), находится в зависимости от содержания Ре(Ш) в обменном (диффузионном) слое (фракция I). На наш взгляд, это может быть объяснено следующим. Металл поступает из слоя воды к поверхности растения в результате градиента концентрации. После чего ионы железа взаимодействуют с присутствующим на поверхности растений осадком (фракция II). Так как осадок на поверхности растения образован из малорастворимых неорганических соединений (карбонаты, фосфаты, гидроксиды), взвесей из частиц донных отложений и детритов,
80
60
40
20
%
7 23
сутки
33
□ I
□ II
0 ПНУ
Рис. 3. Результаты последовательного химического фракционирования биомассы растения элодея
0
1
он обладает развитой поверхностью и высокой проницаемостью. Вследствие этого поверхностный обменно-адсорбционный слой (фракции 1+11) может рассматриваться как проводник элементов, в частности железа, к самому растению с последующим проникновением внутрь биомассы.
Выводы
1. В модельной системе «элодея - вода» массоперенос Fe(Ш) из слоя воды к поверхности растения может быть вызван диффузными процессами с последующей адсорбцией осадком, находящимся на поверхности погруженной биомассы. При этом проис-
ходит изменение ионного состава водной среды.
2. В зависимости от длительности проводимого эксперимента наблюдается перераспределение Fe(Ш), во-первых, между компонентами экспериментальной системы (вода, растение, осадок на стенках и дне стаканов), во-вторых, между составными частями непосредственно биомассы (поверхностный обменно-адсорбционный слой растения, биомасса растения).
3. Содержание Fe(Ш), встроенного в биомассу, зависит от его содержания в обменном и адсорбционном слоях, находящихся на поверхности растения.
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке гранта РФФИ № 08-05-00137.
Список литературы
1. Ипатова В.И. Адаптация водных растений к стрессовым абиотическим факторам среды. М.: Графикон-принт, 2005. 224 с.
2. Luoma, S.N. Bioavailability of trace metals to aquatic organisms - A review. // The Science of the Total Environment, 1983. V. 28, p. 1-22.
3. Болсуновский А.Я., Зотина Т.А., Бондарева Л.Г. Оценка интенсивности выхода америция-241 из биомассы водных растений реки Енисей. Доклады Академии наук, 2003. Т.392, № 4. С.560-563.
4. Болсуновский А.Я., Бондарева Л.Г., Казбанов В.И. Изучение механизмов биосорбции изотопов урана на примере одного из видов водных растений (Elodea canadensis) реки Енисей. Вестник КрасГУ Серия: Естественные науки, Неорганическая химия, 2005. № 2. С. 70-73.
5. James C.S., Eaton&K. Hardwick J.W. Competition between three submerged macrophytes, Elodea canadensis Michx, Elodea nuttallii (Planch.), St John Lagarosiphon major (Ridl.) Moss. Hydrobiologia, 1999. 415. P. 35-40.
6. Samecka-Cymernam A., Kempers A.J. Biomonitoring of water pollution with Elodea canadensis. A case study of three small Polish rivers with different levels of pollution. Water, Air, and Soil Pollution, 2003. 145. P.139-153.
7. Бондарева Л.Г., Калякина О.П., Болсуновский А.Я. Изучение влияния гуминовой кислоты на процессы поглощения-выделения в системе донные отложения - вода реки Енисей методами двухколоночной ионной хроматографии и гамма-спектрометрии. ЖАХ, 2006. Т.61, № 4. С.388-392.
8. Муравьев А.Г. Руководство по определению показателей качества воды полевыми методами. СПб.: Крисмас+, 2004.
9. Harris D.C. Quantitative Chemical Analysis 6th ed. Rapid Test. Handbook. 2003. P. 453, 461-476, 707-709.
The Study of Accumulation Fe(III) to Elodea canadensis by Analytical Methods: Ion Chromatography, Ion-measurement and Spectrophotometry
Lidiay G. Bondarevaa and Olga P. Kalyakinab
a Institute of Biophysics SB RAS, Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036 Russia b Siberian Federal University, 79 Svobodny, Krasnoyarsk, 660041 Russia
We studied of accumulation of Fe(III) to components of Elodea canadensis by ion chromatography, ion-measurement and spectrophotometry methods. We determined that concentration Fe(III) was decreased during first day from 2.5 to 0.3 mg/l. Concentrations of some anions were increased: Cl- from 1.7 to 5 mg/l, SO^'from 9.6 to 11.4 mg/l. The maximum concentration factor was calculated, CF = 2.8 g/kg dried wet. We determined that transportation of metal can be between components of system and between parts of biomass (exchangeable - adsorption layer - biomass of plant).
Keywords: accumulation, Fe(III), ion-measurement, ion chromatography, spectrophotometry
