Накопление тяжелых металлов водорослями Spirogyra spp. на примере реки Миасс

Способность представителей альгофлоры аккумулировать тяжелые металлы из водной среды в концентрациях, существенно превышающих их уровень в воде, позволяет использовать их в качестве мониторов при количественной оценке загрязнения водных экосистем опасными токсикантами. Значимость таких исследований несомненна:

• водоросли, как объекты мониторинга позволяют получать интегральную картину загрязнения водных экосистем, что особенно важно при осуществлении краткосрочных прогнозов;
• водоросли характеризуются высокой способностью к биоаккумуляции тяжелых металлов,
• аккумуляция водорослями тяжелых металлов указывает на наличие их биодоступных форм в среде, которые могут оказать или оказывают токсическое действие на водные организмы;
• пробы водорослей могут длительное время оставаться пригодными для определения металлов;
• использование водорослей в качестве объектов мониторинга открывает новую перспективу в разработке практических задач удаления загрязняющих веществ из сточных вод посредством применения накопительных культур.

Материалом для данной статьи послужили пробы воды и нитчатых харофитовых водорослей Spirogyra spp., как одного из наиболее распространенных видов на участке исследования. На рисунке 1 представлена гидрографическая сеть р. Миасс и расположение точек отбора проб. Для исследования были выбраны 6 точек отбора проб, таким образом, чтобы учесть:

1. фоновые уровни загрязнения ТМ (5 км выше г. Миасс);
2. влияние сбросов промышленных предприятий г. Миасс на речную экосистему (1 км ниже г. Миасс);
3. поступление ТМ, привносимых р. Сак-Элгой (с. Байрамгулово, 300м после плотины Аргазинского водохранилища);
4. содержание ТМ в реке до г. Челябинска, процессы самоочищения (с. Бутаки);
5. влияние сточных вод г. Челябинска на уровень загрязнения ТМ реки Миасс (г. Челябинск, район ЧМЗ);
6. процессы самоочищения, проходящие на достаточно протяженном участке реки (с. Якупово на границе с Курганской областью).

Рис. №1 Схема гидрографической сети р. Миасс и расположение точек отбора проб.

Общей сложностью нами рассматривался участок реки в пределах Челябинской области протяженностью 370 км. Река Миасс подвержена сильному антропогенному воздействию, и на исследуемом участке качество воды по оценке индекса УКИВЗ варьирует в пределах от «загрязненной» до «экстремально грязной». Пробы воды и водорослей были отобраны в августе 2016 г. Валовое содержание ТМ в пробах определяли методом атомно-абсорбционной спектрометрии с электротермической атомизацией (ААС-ЭТ) и методом «холодного пара» с использованием атомно-абсорбционного спектрофотометра МГА-915Д. Макроскопические талломы водорослей собирали вручную, очищали от посторонних примесей, высушивали и растирали до воздушно-сухого состояния. С талломов водорослей смывали песок и соли деионизированной водой. Подготовка проб водорослей проводилась методом сухой минерализации. Данные о концентрациях ТМ в воде сравнивали с ПДК_рбхз и ПДК_{сан-гиг}. Для оценки содержания в водорослях ТМ были взяты данные из источника 1, т.к. для водорослей такие данные не удалось найти. Для ТМ рассчитывались коэффициенты биологического поглощения, как отношение фактического содержания элемента в водорослях к содержанию в воде. С целью выявления взаимовлияния металлов при их аккумуляции водорослями проведен корреляционных анализ. Статистическая обработка данных была проведена общепринятыми методами. Для проверки статистических гипотез выбран уровень значимости равный 0,05.

Полученные результаты исследований приведены в таблице № 1.

Таблица №1. Среднее содержание тяжелых металлов в воде реки Миасс, мг/дм³

На рисунке №2 отображена динамика изменения концентраций ТМ в воде реки Миасс по мере ее протекания через выбранные участки. Содержание ТМ в компонентах экосистемы реки Миасс значительно меняется в соответствии с объемом и характером поступающих в нее антропогенных стоков.

Рис. №2 Динамика концентраций в воде реки Миасс цинка, марганца, сурьмы

Концентрацию ТМ в первой точке (5 км ниже г. Миасс) можно взять за фоновую, т.к. река на данном участке и до него не испытывает значительного антропогенного воздействия. Концентрация цинка на данном участке уже превышает ПДК _рыбхоз, что может быть связано с геохимическими особенностями Уральского региона, для которого характерно обогащение коренных пород микроэлементами, которые поступают в водную среду в результате процессов выветривания, а также путем воздушного переноса загрязняющих веществ от источников промышленных выбросов.

Под влиянием промышленных стоков города Миасс (точка 2) вода реки обогащается цинком в 14,2 раза с 0,012 до 0,17 мг/дм³, далее в точке 3 удерживается сравнительно высокий уровень загрязнения (0,11 мг/дм³). В точке 3 наблюдаются пикообразные максимумы концентраций сурьмы (0,088 мг/дм³) и марганца (0,67 мг/дм³), что соответствует увеличению их содержания в 12,6 и 134 раза соответственно. Тяжелые металлы в районе исследований поступают с атмосферными выбросами металлургического производства, слабоочищенными водными стоками через приток р. Сак-Элгу, а также в результате выноса пыли ветровыми потоками с поверхности отвалов и хвостохранилищ. Поступая в окружающую среду в течение длительного времени, ТМ аккумулируются компонентами водной экосистемы, главным образом, донными отложениями и живыми организмами. При изменении гидрохимических условий донные отложения могут становиться источником вторичного загрязнения воды (в результате ветрового взмучивания, изменение pH, минерализации, водности).

В точке 4 (с. Бутаки) концентрации ТМ уменьшаются за счет процессов самоочищения, протекающих на протяженном участке между точками 3 и 4, где нет крупных промышленных источников загрязнения.

Точка 5 (г. Челябинск, район ЧМЗ) характеризует влияние загрязняющих стоков г. Челябинска. Здесь наблюдается максимум концентрации кадмия (0,0007 мг/см³), рост концентрации цинка с 0,04 мг/дм³ (Т4) до 0,06 мг/дм³, марганца с 0,003 мг/дм³ до 0,006 мг/дм³. Перечисленные элементы характерны для стоков металлургических производств города.

В точке 6 (с. Якупово) заметно влияние процессов самоочищения речной экосистемы, о чем свидетельствует плавное понижение концентраций марганца, кадмия и сурьмы.

Уровни содержания ТМ в водорослях представлены в таблице №2. Концентрации ТМ в водорослях, отобранных в точке 1 можем принять за фоновые. В пробах, отобранных во всех точках металлы образуют ряд убывания концентраций: магний>цинк>сурьма> кадмий. Ряд убывания коэффициентов биологического поглощения выглядит одинаково.

Таблица №2. Среднее содержание тяжелых металлов в Spirogyra spp. мг/кг сухого вещества.

*кларки в растениях приведены согласно источнику 1, - обозначает отсутствие данных, КПБ – коэффициент биологического поглощения

Содержание в воздушно-сухой массе водорослей цинка, кадмия, марганца и сурьмы увеличивается в точке 5 по сравнению с фоновыми значением и достигает своих максимумов на данном участке. Такая динамика хорошо согласуется с вышеприведенными данными о загрязнении ТМ воды.

Сравнение содержания ТМ в водорослях с кларками содержания ТМ в растениях выявляет, что на фоновом участке в Spirogyra spp. содержится больше кларкового значения цинка, кадмия и марганца. На участках влияния техногенного загрязнения наблюдается превышение кларка кадмия в 1544 раза, кларка цинка, примерно в 2 раза, марганца - в 2,2 раза.

Коэффициенты биологического поглощения цинка и сурьмы уменьшаются с ростом содержания ТМ в окружающей среде от фоновых участков (Т1) к техногенным (Т5), это указывает на работу защитных механизмов биологических объектов, их способность поддерживать постоянство химического состава организма при повышенных уровнях содержания загрязнителей в окружающей среде.

Взаимовлияние металлов может служить причиной корреляции их содержания в организмах гидробионтов. Степень корреляции оценивалась по коэффициенту корреляции Пирсона (r), который является мерой линейной зависимости между двумя переменными. Так, между накоплением цинка и кадмия Spirogyra spp. выявлено наличие очень высокой (r>0,9) положительной корреляции, r=0,98. Такое поведение ТМ, вероятнее всего, связано с химическим строением атомов. Так, в длиннопериодном варианте периодической системы Менделеева цинк и кадмий находятся в 12 группе, являясь, таким образом, химическими аналогами и проявляя схожее поведение при аккумуляции их водорослями. Также выявлена высокая корреляция между сурьмой и марганцем r=0,97. Для остальных пар ТМ статистически значимых корреляций не выявлено.

Таким образом, изученные нитчатые водоросли Spirogyra spp. являются хорошими высокочувствительным биогеохимическим индикатором состояния водной среды как фоновых, так и техногенных условий. Концентрации в водорослях Spirogyra spp. и в воде согласуются между собой и значительно изменяются в соответствии с течением реки Миасс и отражают воздействие на нее антропогенных источников загрязнения. Содержание ТМ в водорослях превышает кларковые значения на фоновых участках, что может быть связано с геохимическими особенностями Уральского региона и отражать влияние воздушного переноса загрязнителей на акваэкосистему. На участках антропогенного влияния происходит увеличение накопления цинка, марганца, кадмия и сурьмы водорослями Spirogyra spp. по сравнению с фоновыми уровнями.