CC BY
69
УДК 597-1.044
Э. И. Мелякина, В. Н. Крючков, О. Н. Бичарева Астраханский государственный технический университет
ОСОБЕННОСТИ АККУМУЛЯЦИИ НЕКОТОРЫХ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ГРУНТАХ СЕВЕРНОЙ ЧАСТИ КАСПИЙСКОГО МОРЯ
Элементный состав донных отложений отражает биогеохимическую ситуацию конкретного субрегиона биосферы, поэтому содержание металлов в грунтах различных водоемов сильно варьирует. Как отмечал В. И. Воробьев [1], отсутствие кларковых норм для грунтов рыбохозяйственных водоемов, норм, аналогичных величинам ПДК для воды, существенно затрудняет оценку как обеспеченности их микроэлементами, так и оценку их загрязненности. Целью данной работы было изучение содержания различных элементов (металлов) в донных осадках Каспийского моря.
Материал и методы
Анализ металлов проводили в слоях донных отложений, отобранных в следующих точках: Северный Каспий (точки CS-2 - залив Комсомольский, юго-восточная часть Северного Каспия, точки CS-3 и CS-4 - северозападная часть Северного Каспия).
Полученные колонки грунтов были разделены на слои толщиной 1 см. Анализ содержания металлов проводили в каждом слое в одной повторности. Затем данные по концентрации металлов объединяли в слои 1-5 см.
Для определения содержания переходных форм металлов в донных отложениях применяли метод атомно-абсорбционной спектрофотометрии. Экстракцию металлов из донных осадков производили концентрированной азотной кислотой (HNO3). Кислота была предварительно очищена перегонкой. Донные отложения высушивали до постоянного веса при температуре 110 °С. Навеску пробы 1 г помещали в колбу Къельдаля, заливали 7-8 мл азотной кислоты и кипятили на песочной бане в течение 24 часов. Затем полученные экстракты отфильтровывали в пробирки, объем проб доводили до 10 мл.
Количественный анализ проводили на спектрофотометре (Atomic absorption spectrophotometer) "Hitachi" модели 180-50. Применялась трехщелевая ацетилено-пропановая горелка, газ - пропан, окислитель - воздух. Для каждого металла использовали отдельную лампу с полым катодом.
В тех случаях, когда концентрация металлов в исследуемых образцах была выше, чем в стандартных растворах (over calibration), применяли стандартные растворы с концентрацией до 25 мг/л, а также разведение проб в 10 и более раз с последующим пересчетом. Для контроля точности определения содержания элементов в исследуемых образцах проводили одновременный анализ донных отложений с известным содержанием ме-
таллов (Certificate for NIES Certified Reference Material, No. 2 "Pond Sediments, Certificate of Analysis Standard Reference Material 2704 Buffalo River Sediment"). Сопоставимость результатов анализа стандартных упомянутых донных отложений по таким элементам, как Cd, Co, Cu была удовлетворительной, расхождение не превышало 20 %.
Анализируя распределение металлов в Северном Каспии, можно отметить следующее: точка CS-2, которая расположена на юго-востоке Северного Каспия, характеризуется повышенной концентрацией всех изученных металлов в слое № 9, который соответствует горизонту 41-45 см. Содержание кадмия и никеля минимально в слое № 3 (11-15 см), марганца -в № 4 (16-20 см), кобальта и цинка - в № 5 (21-25 см), а свинца и меди -в № 6 (26-30 см) по сравнению с аналогичными элементами в других слоях.
Наименьшие колебания концентрации микроэлементов в различных слоях грунта обнаружены у кадмия, свинца и марганца (коэффициент вариации соответственно 21,9, 22 и 25 %), а максимальные - по меди, цинку, никелю и кобальту (коэффициент вариации соответственно 51,4; 44,6; 44,2 и 40 %).
Значения среднего содержания изученных металлов по слоям располагаются в убывающий ряд: 9 > 2 > 1 > 6 > 3 > 8 > 4 > 5, а среднего количественного содержания микроэлементов следующим образом; марганец > > цинк > никель > кобальт > свинец > медь > кадмий.
Анализируя точки KS-3 и KS-4, которые расположены в северозападной части Северного Каспия, следует отметить, что средние значения содержания микроэлементов в этих разрезах достоверно не отличаются. На станции KS-3 в слое № 1 обнаружены минимальные концентрации всех изученных металлов, на станции KS-4 в этом слое аналогичное распределение металлов, за исключением марганца. На станции KS-4 накопление металлов начинается с уровня 16 см и продолжается до уровня 40 см.
Распределение средних значений концентраций изученных микроэлементов по слоям в точке KS-4 следующее: 5 > 8 > 6 > 7 > 4 > 1 > 3 > 2, т. е. минимальные средние концентрации металлов наблюдаются в слое № 2 (6-10 см), а максимальные - в слоях № 4-8 (16-40 см). Металлы на этой станции располагаются по их количеству в следующий убывающий ряд: марганец > цинк > никель > медь > свинец > кобальт > кадмий. По слоям максимальные колебания установлены по кобальту (коэффициент вариации 39,3 %), а минимальные - по меди (коэффициент вариации 8,2 %).
Послойное распределение значений металлов по слоям на станции KS-3 следующее: 2 > 4 > 3 > 8 > 1, т. е. в отличие от станции KS-4 максимальное содержание металлов обнаружено в слое № 2 (6-10 см). По концентрации микроэлементы на этой станции располагаются следующим образом: марганец > цинк > никель > медь > свинец > кобальт > кадмий, т. е. аналогично станции KS-4. Максимальные колебания по слоям выявлены по никелю и меди (коэффициент вариации соответственно 39,9 и 30,9 %), а минимальные - по кобальту и свинцу (коэффициент вариации соответственно 11,7 и 14,2 %).
Сравнивая два изученных района Северного Каспия (первый - точка К8-2 - юго-восточная часть Северного Каспия и второй - точки К8-3 и К8-4 - северо-западная часть Северного Каспия), следует заметить, что станция К8-2 отличается по накоплению элементов от других изученных станций снижением уровня содержания металлов в грунтах. Так, по марганцу и никелю происходит снижение среднего уровня почти в 3 раза, по кобальту и свинцу - примерно в 2 раза, по цинку и меди - больше чем в 4 раза. Объясняется это, скорее всего, тем, что залив Комсомольский имеет по сравнению с другими районами Северного Каспия повышенную соленость (до 26 %). Кроме того, восточная часть Северного Каспия отличается и пониженным количеством растворенных в воде минерального фосфора, аммонийного и нитратного азота, кремнекислоты по сравнению с западной частью Северного Каспия. Согласно данным А. С. Пахомовой [2], осадки восточной части Северного Каспия характеризуются высокой карбонатностью и очень бедны растворимыми соединениями. Карбо-натность осадков составляет 50-60 %, тогда как в западной части Северного Каспия этот показатель составляет всего лишь 10-20 %. Осадки западной части обогащены микроэлементами за счет поступления сюда речных вод (волжский сток) с повышенной концентрацией взвешенных веществ (возможно, антропогенного характера) и усиленной коагуляцией взвесей в условиях повышенного рН морских вод.
Для изучения динамики накопления подвижных форм металлов в разных слоях грунтов мы определили послойный коэффициент миграции тяжелых металлов. Следует отметить, что наибольшая миграция элементов в юго-восточной части Северного Каспия обнаружена при переходе от слоя № 8 к слою № 9, т. е. от 36 до 45 см глубины грунта, а наименьшая - при переходе от слоя №3 до слоя № 5 грунтов, т. е. от 11 до 25 см.
Анализируя значения коэффициентов миграции элементов в северозападной части Северного Каспия, можно отметить, что выражена тенденция к плавному увеличению коэффициента миграции от первого к пятому слою грунта, а затем идет такое же снижение к восьмому слою (точка К8-4).
Для изучения взаимоотношений между химическими элементами в донных осадках, выявления синергизма и антагонизма между металлами мы исследовали соотношение концентраций некоторых микроэлементов между собой.
Отношение цинк : кадмий по Войнару [3] в почвах составляет в норме 1:1 000. В изученных водоемах это соотношение составляет от 128 до 305, а в точке К8-2 всего лишь около 40. В остальных случаях соотношение изученных металлов отличалось ненамного.
Заключение
Содержание металлов в различных слоях донных отложений подвержено существенным колебаниям. Тем не менее, на наш взгляд, просматриваются определенные тенденции. Оказалось, что в поверхностных слоях грунта исследованных элементов несколько меньше, чем в более глубоких. По нашему мнению, обнаруженная закономерность связана
с тем, что верхние слои донных осадков подвержены различному влиянию как со стороны воды, так и живых организмов, а поскольку пробы отбирали в летнее время, то данные анализа отражают лишь конкретную ситуацию, когда большое количество переходных форм металлов было из грунта вовлечено в трофический круговорот. В связи с этим объяснимо последующее увеличение концентрации металлов в слоях грунта в пределах около 6-8 см. Имеющееся уменьшение концентрации в слоях от 8-10 см и глубже мы связываем с тем, что ранее загрязнение воды тяжелыми металлами не было таким, как в современных условиях, - за последние 15 лет среднее содержание меди увеличилось в 11,5 раза, цинка - в 9,8 раза, свинца - в 5,6 раза, кадмия - в 4,9 раза. Это означает, что мы наблюдаем слой донных отложений с антропогенным загрязнением металлами.
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
Воробьев В. И. Микроэлементы и их применение в рыбоводстве. - М.: Наука, 1983. - 455 с.
Пахомова А. С. Гидрохимический облик Каспийского моря за последние 70 лет: Автореф. дис. ... канд. биол. наук. - М.: Изд-во МГУ, 1973. - 43 с. Войнар А. И. Биологическая роль микроэлементов в организме животных и человека. - М.: Высш. шк., 1960. - 545 с.
1
2
3
Получено 30.10.2006
PECULIARITIES OF ACCUMULATION OF SOME HEAVY METALS IN THE SOIL OF THE NORTHERN PART OF THE CASPIAN SEA
E. I. Meliakina, V. N. Kruchkov, O. N. Bichareva
The elementary structure of bed silt shows a biogeochemical situation of a certain small area of biosphere, therefore the content of metals in soils of various reservoirs strongly varies. The content of metals in various layers of bed silt is exposed to considerable fluctuations. It is proved that in superficial layers of a soil the investigated elements are a bit less, than in deeper layers. It is stated that the upper layers of bed silt experience different influences of both water and living organisms. Decrease of metal concentration in layers of 8-10 cm and more is probably connected with the fact that in modern conditions for last 15 years the average content of metals was multiplied: copper - by 11,5, zinc - by 9.8, lead - by 5.6, cadmium - by 4.9.
