Проблема биодоступности тяжелых металлов в экологическом мониторинге природных вод

Стравинскене, Екатерина Сергеевна

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Проблема биодоступности тяжелых металлов в экологическом мониторинге природных вод
ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Проблема биодоступности тяжелых металлов в экологическом мониторинге природных вод"

На правах рукописи

005012162

Стравинскене Екатерина Сергеевна

ПРОБЛЕМА БИОДОСТУПНОСТИ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ЭКОЛОГИЧЕСКОМ МОНИТОРИНГЕ ПРИРОДНЫХ ВОД

03.02.08 - экология (биология)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

1 2 (ЛДР Ш

Красноярск 2012

005012162

Работа выполнена на кафедре экологии и природопользования Института экономики, управления и природопользования ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет»

Научный руководитель кандидат биологических наук, доцент

Григорьев Юрий Сергеевич

Официальные оппоненты доктор биологических наук, профессор

Стом Дэвард Иосифович

доктор биологических наук, профессор Морозова Ольга Григорьевна

Ведущее учреждение ФГБОУ ВПО «Московский государственный уни-

верситет имени М.В. Ломоносова»

Защита диссертации состоится 23 марта 2012 г. в 11:30 часов на заседании диссертационного совета Д 220.037.04 при ФГБОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет» по адресу: 660049, г. Красноярск, пр. Мира, 90. Телефон/факс: (391) 227-36-09

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет»

Автореферат разослан «2/_» 20 ¿2 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор биологических наук, профессор Г.А. Демиденко

Актуальность темы. Загрязнение водной среды тяжелыми металлами является одной из наиболее актуальных проблем, обусловленных все возрастающей техногенной нагрузкой на природные системы. Наряду с исследованием токсичности тяжелых металлов для различных гидробионтов и процессов поступления их в водоемы в последнее время большое внимание уделяется таким аспектам, как миграция и трансформация форм существования металлов в среде (Линник, Набиванец, 1986; Исидоров, 1999; Mercier et al, 2001; Холин, 2001; Janssen et al., 2003; Karner et al., 2006). По мере накопления знаний в этой области становится ясно, что данных по общей концентрации металлов в воде недостаточно для прогнозирования токсического эффекта на организмы (Будников, 1998; Beceiro-Gonzalez et al., 2000). Указанная проблема является общей для всех токсикантов, поступающих в окружающую среду, поэтому при определении уровня загрязнения среды рекомендуется использовать не только методы химического анализа, но также и методы биотестирования. Это связано с тем, что в отличие от химического анализа биотестирование позволяет провести интегральную оценку токсичности среды с учетом доступности загрязнителей для гидробионтов.

Одной из стандартных процедур является биотестирование вод с помощью водорослей. Однако было замечено, что при использовании одного и того же тест-организма токсический эффект проб с одинаковым содержанием металлов может существенно варьировать (Sunda, Lewis, 1978). Среди причин, определяющих токсичность металлов в природных водах, одной из главных принято считать содержание в них органического вещества (Линник, Набиванец, 1986; Будников, 1998; Морозова, Пен, Фоменко, 2011), основным компонентом которого являются гумусовые вещества. В результате процессов комплексообразования, или связывания, органическое вещество может значительно влиять на биодоступность тяжелых металлов для фитопланктона (Линник, Набиванец, 1986; Морозова, Пен, Репях, 2001; Gueguen et al., 2003). Вместе с тем содержание в природных водах растворенного органического вещества может существенно зависеть от типа и места расположения водного объекта (Smimov, 2008), что, в свою очередь, может влиять на степень связывания поллютантов и проявление их токсических свойств.

Целью настоящей работы явилась оценка влияния комплексообразующей, или связывающей, способности природной воды на биодоступность тяжелых металлов для тест-организма водоросли хлорелла. Были поставлены следующие задачи:

1. Провести анализ современного состояния вопросов биодоступности тяжелых металлов в природных водных объектах и применения методов биотестирования для исследования данной проблемы.

2. Определить характер токсического воздействия трех тяжелых металлов - меди, цинка и кадмия - на функции роста и фотосинтетической активности тест-объекта водоросли Chlorella vulgaris Beijer.

3. Выявить зависимость чувствительности тест-объекта к тяжелым металлам от условий проведения эксперимента (свет, температура, способ

установления токсического эффекта); определить оптимальные условия проведения биотеста.

4. Оценить роль гумусовых веществ в снижении токсичности тяжелых металлов природными водами.

5. Сравнить степень понижения токсичности тяжелых металлов в пробах воды различных природных объектов.

Научная новизна. Впервые показана возможность применения методов биотестирования для целей исследования динамики связывающей способности природных вод по отношению к тяжелым металлам. Выявлены существенные различия в биодоступности тяжелых металлов в водах различных природных объектов. С помощью модельных экспериментов исследована роль гумусовых веществ в процессах комплексообразования тяжелых металлов в природных водах. Показано, что медь, цинк и кадмий обладают различной способностью к связыванию в природных водах и питательной среде.

Защищаемые положения:

1. Проявление токсических свойств тяжелых металлов по отношению к гидробионтам определяется составом природных вод, в частности присутствием в них комплексообразующих компонентов. Наиболее характерная ситуация заключается в снижении токсичности металлов при попадании их в водные объекты.

2. Сезонные колебания качественного и количественного состава природных вод, в том числе содержания в них комплексообразующих веществ, обуславливают соответствующие изменения их связывающей способности.

3. Величину связывающей способности, а также ее пространственно-временные колебания в водных объектах можно успешно исследовать с помощью методов биотестирования.

Практическая значимость. Полученные данные могут использоваться для прогнозирования проявления токсичных свойств тяжелых металлов при попадании их в водную среду. Продемонстрированная возможность применения в этих целях методов биотестирования позволяет создать новое направление в рамках экологического мониторинга водных объектов.

Апробация. Материалы исследований были доложены на всероссийских конференциях: «Научно-техническое творчество молодежи - путь к обществу, основанному на знаниях» (г. Москва, 2006); «Экотоксикология: современные биоаналитические системы, методы и технологии» (г. Пущино, 2006); «Проблемы региональной экологии в условиях устойчивого развития» (г. Киров, 2007); «Антропогенное влияние на водные организмы и экосистемы» (г. Борок, 2008) и др.; а также международных конференциях: «Биоиндикация в мониторинге пресноводных экосистем» (г. Санкт-Петербург, 2006); «Современные проблемы физиологии и биохимии водных организмов» (г. Петрозаводск, 2007); «Исследование, разработки и применение высоких технологий в промышленности» (г. Санкт-Петербург, 2008); «Проблемы экологии. Чтения памяти профессора М.М. Кожова» (г. Иркутск, 2010) и др. Результаты работы были представлены на выставках НТТМ-2006 (г. Москва,

2006); 1-й и 2-й Городских ассамблеях (г. Красноярск, 2008; 2009); молодежных форумах (г. Красноярск, 2008; «Селигер-2009»),

Публикации. По теме исследований опубликовано 20 работ, в том числе одна работа в издании, рекомендованном ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 117 страницах, содержит 4 таблицы, 31 рисунок, состоит из введения, 14 глав и выводов. Список литературы включает 208 наименований, в том числе 147 - на иностранном языке.

Личный вклад автора. Представленная работа является обобщением научных исследований, проведенных автором лично. Автор принимала активное участие в систематизации, обработке, анализе и интерпретации полученных результатов.

Благодарности. Автор выражает благодарность научному руководителю -кандидату биологических наук, доценту Ю.С. Григорьеву за ценные советы и помощь в проведении работы, а также сотрудникам кафедры экологии и природопользования за консультации при выполнении и оформлении результатов работы.

Введение содержит обоснование проведенных исследований, постановку цели и задач.

Глава 1. Процессы поступления, миграции и трансформации токсичных свойств тяжелых металлов в водной среде

В данной главе на основе анализа научной литературы рассмотрены основные источники поступления тяжелых металлов (ТМ) в природную среду; приведены факторы, определяющие содержание ТМ в воде, а также их миграцию в водных объектах (Линник, Набиванец, 1986; Будников, 1998; Gueguen et al., 2003; Моисеенко, Кудрявцева, Гашкина, 2006; Wilde et all., 2006; Морозова, Пен, Фоменко, 2011 и др.). Показано влияние количественных и качественных характеристик органического вещества (OB) вод на формы миграции металлов в воде; рассмотрены процессы взаимодействия металлов с гумусовыми веществами (ГВ), а также их генезис и геохимическая роль (Гусева и др., 2000; Калабин, Каницкая, Кушнарев, 2000; Холин, 2001; Mercier et al., 2001 и др.). Рассмотрены закономерности изменения содержания органического вещества в воде (Koukal et al., 2003; Остроумов, 2005; Gondar et al., 2008; Smirnov, 2008 и др.). Указано место методов биотестирования в системе экологического мониторинга, а также в исследовании биодоступности ТМ в природных водах (Sunda, Lewis, 1978; Рубин, 2000; Beceiro-Gonzalez et al., 2000; Macfie, Welboum, 2000; Pawlik-Skowronska, 2001; Campbell et al., 2002; Heijerick et al., 2002; Багдасарян, 2007; Slaveykova, 2007; Deleebeeck, De Schamphelaere, Janssen, 2009 и др.). Приведены данные по токсическому воздействию исследованных металлов на клетки водорослей (Cid et al., 1995; Улахович, 1997; Muyssen, Janssen, 2001; Малева, Некрасова, Безель, 2004; Pogosyan, Matorin, 2005; Якушкина, Бахтенко, 2005; Miao, Wang, 2006; Tukaj, 2007; Маторин и др., 2011 и др.).

Глава 2. Объекты и методы исследований

Исследование биодоступности тяжелых металлов в пробах природной воды проводилось на примере нескольких объектов: р. Енисей и р. Кача, искусственные пруд «Бугач» и озеро «Лесное». Для выявления роли гумусовых веществ в процессах комплексообразования ТМ в природных водах использовались препараты гумата калия (Humintech Ltd., Германия) и фульвокислот (Li-Fa70, Китай). Тяжелые металлы вносились в форме растворов их сульфатов, приготовленных на основе дистиллированной воды.

Токсичность ТМ определялась методами биотестирования с использованием термофильного штамма одноклеточной водоросли Chlorella vulgaris Beijer. В качестве тест-функций оценивались прирост и замедленная флуоресценция (ЗФ) культуры водоросли. Оценка токсического воздействия на прирост тест-объекта производилась путем сравнения величины оптической плотности суспензии водоросли, регистрируемой на приборе ИПС-03, в контрольном и опытных образцах после 22 часов культивирования в культиваторе КВМ-05 (Григорьев, 2004). Воздействие токсикантов на замедленную флуоресценцию тест-культуры водоросли хлорелла оценивалось с помощью трех параметров - ЗФв, ЗФн и ОПЗФ - измеряемых на флуориметре Фотон-10 (Григорьев и др., 1996). Все приборы, на которых проводились исследования, разработаны в СФУ.

Глава 3. Результаты и обсуждения

3.1. Характер токсического воздействия ионов меди, цинка и кадмия

на прирост тест-культуры водоросли

Для оценки токсичности ионов Си, Zn и Cd использовался показатель среднеэффективной концентрации ионов ТМ (концентрации ионов ТМ, вызывающей 50 %-ное ингибирование тест-функции) - ЕС50- Как показали результаты исследований воздействия Cu2+, Zn2+ и Cd2+ на прирост тест-культуры в 2 %-ной среде Тамия, для меди значение ЕС50 составило 0,023±0,003; кадмия -0,016±0,002; цинка - 0,402±0,016 мг/дм3. Таким образом, токсическое воздействие ТМ на прирост водоросли хлорелла уменьшалось в порядке: кад-мий>медь>цинк. Сравнение полученных нами критериев токсичности с литературными данными свидетельствует о достаточно высокой чувствительности использовавшегося биотеста к ионам Си, Zn и Cd.

3.2. Характер токсического воздействия ионов меди, цинка и кадмия

на замедленную флуоресценцию тест-объекта

Особенностью воздействия большинства токсикантов на параметры ЗФ водоросли хлорелла является снижение интенсивности ЗФ, возбуждаемой в режиме высокого света (ЗФв), и ее увеличение в режиме низкого света (ЗФн). В результате этих изменений значение относительного показателя ЗФв/ЗФн (ОПЗФ) снижается в десятки раз, что хорошо заметно на примере ингибитора фотосинтеза диурона (рис. 1).

-а З

2 5

1400 г 1200 1000 800 600 400 200 0 ■

0,23 2,3

LößL

230 2300

■ 4,0

■ 3,5 ' 3,0

2,5

■ 2,0 1,5 1,0 0,5

■ 0,0

л я

s X

Концентрация диурона, мкг/дм

I I ЗФв Y//A ЗФн (левая шкала) - - ОПЗФ (правая шкала) Рисунок 1 - Влияние диурона на параметры ЗФ водоросли хлорелла

Вместе с тем для ионов исследованных ТМ было обнаружено, что при переходе к их высоким концентрациям подъем ЗФн сменяется его снижением, вызываемым, по всей вероятности, повреждением токсикантами реакционных центров фотосистемы 2, генерирующих послесвечение хлорофилла. В результате проведенных экспериментов были получены значения ЕС50 трех металлов для ЗФв и ОПЗФ (таблица 1), исходя из которых можно сделать заключение, что метод на основе ЗФ более чувствителен к присутствию в среде ионов меди, тогда как чувствительность прироста культуры водоросли выше к ионам цинка и кадмия.

Таблица 1 - Значения ЕС50 (мг/дм3) для трех металлов, полученные разными методами биотестирования на водоросли хлорелла

Медь Кадмий Цинк

Прирост я © со ОПЗФ Прирост 1 ЗФв ОПЗФ Прирост ЗФв ОПЗФ

0,023 0,018 0,002 0,016 8,793 1,607 0,402 3,402 1,039

±0,003 ±0,003 ±0,001 ±0,002 ±0,440 ±0,080 ±0,016 ±0,170 ±0,052

3.3. Влияние факторов культивирования на токсичность ионов ТМ для водоросли Chlorella vulgaris

В ходе исследований было выявлено, что чувствительность параметров ЗФ и функции роста культуры водоросли к ионам ТМ может существенно зависеть от условий эксперимента. Среди изучаемых факторов были учтены свет, температура, длительность контакта клеток с токсикантами, концентрация и состав питательной среды Тамия, плотность засева клеток водоросли.

Результаты исследований показали, что действие ионов меди, так же как и ингибитора фотосинтеза диурона, надежно регистрируется по изменению интенсивности ОПЗФ уже через несколько минут контакта с клетками водоросли, в то время как для проявления токсического эффекта ионов цинка

и кадмия необходима предварительная экспозиция образцов в КВМ-05 в течение 1 часа. Показано, что фактор света в большей степени определяет чувствительность метода регистрации ЗФ хлореллы к ТМ, чем фактор температуры.

Концентрация и состав питательной среды Тамия также определяют чувствительность водоросли к токсикантам. Показано значительное снижение чувствительности биотеста к ионам ТМ в высококонцентрированной (50 %) питательной среде Тамия. Данный факт может объясняться образованием комплексов металлов с питательными элементами, в результате чего биодоступность токсикантов может существенно снижаться. При этом из всех питательных элементов, входящих в состав среды Тамия, основная роль в снижении чувствительности тест-объекта к ионам ТМ принадлежит соединениям фосфора (КН2Р04).

Проведенные исследования позволили также сделать вывод о том, что в ограниченном и замкнутом объеме токсичность ТМ определяет количество их ионов, приходящихся на одну клетку водоросли. Чем ниже исходное содержание клеток хлореллы, тем выше чувствительность биотеста к токсикантам.

3.4. Влияние содержания гумусовых веществ на токсичность ионов ТМ для культуры водоросли Chlorella vulgaris

Литературные данные свидетельствуют о возможности как положительного, так и отрицательного влияния ГВ на водоросли (Зенин, Белоусова, 1988; Руководство..., 1997; Калабин, Каницкая, Кушнарев, 2000; Steinberg, Timofeyev, Menzel, 2009). В связи с этим нами на начальном этапе было исследовано влияние препаратов гуминовых (ГК) и фульвокислот (ФК) на рост и фотосинтетическую активность культуры водоросли Chlorella vulgaris. Результаты экспериментов показали отсутствие снижения ОПЗФ культуры водоросли в растворах гуматов и фульвокислот как сразу после внесения, так и после экспозиции в КВМ-05 в течение 1 часа. Установлено также, что ГК и ФК не влияют на прирост культуры водоросли вплоть до концентраций 62,5 мг/дм3.

Поскольку гумусовые вещества могут контролировать поведение и токсичность ТМ в природных системах (Линник, Набиванец, 1986; Mercier et al., 2001; Gueguen et al., 2003), то нами было исследовано комплексообразование ионов меди, цинка и кадмия с гуминовыми кислотами с помощью биотестов на основе прироста и ЗФ водоросли хлорелла (рис. 2, 3). Для более удобного сравнения данных на графиках (рис. 2, 3) представлены значения, выраженные в долях от контроля. В результате анализа полученных данных по обоим биотестам был сделан вывод, что степень закомплексованности ионов ТМ гуминовыми кислотами увеличивается в следующем порядке: Zn2+ < Cd2+ < Cu2+. Важно отметить, что взаимодействие ТМ с гумусовыми веществами - это только один из возможных механизмов детоксикации ионов металлов в растворе (Koukal et al., 2003; Slaveykova, 2007). Учет всех факторов, влияющих на эти механизмы, представляется достаточно сложной задачей, что может являться объяснением расхождения данных, полученных разными исследователями.

¿1

и о

" С

н £

= ->

О =

м а —

2 Р

Концентрация гумата, мг/дм

| I Си (0,04 мг/дм3) Щ Сс1 (0,02 мг/дм3) ■ гп(2р мг/дм3)

Рисунок 2 - Зависимость воздействия ионов меди (0,04мг/дм3), кадмия (0,02мг/дм) и цинка (2,5 мг/дм3) на прирост водоросли хлорелла от содержания гумата. Контр+ТМ - вариант, не содержащий ГК, но с добавлением ТМ

= я

Я Ч

ч ®

£ &

- я

а о

Є *

г*

іі

р- —

1-Н

Концентрация гумата, мг/дм

| 2п (10,24 мг/дм3) ■ Ссі (1,28 мг/дм3)

І I Си (0,04 мг/дм3)

Рисунок 3 - Зависимость воздействия ионов меди (0,04 мг/дм3), кадмия (1,28 мг/дм3) и цинка (10,24 мг/дм3) на ЗФв водоросли хлорелла от содержания гумата. Контр+ТМ - вариант, не содержащий ГК, но с добавлением ТМ интерпретацию полученных результатов и может приводить к разногласиям между исследователями.

Известно, что две основные фракции ГВ - гуминовые и фульвокислоты в неравной степени определяют биодоступность элементов в водной среде (Холин, 2001). Проведенные нами исследования показали, что препарат ФК в несколько большей степени был способен снижать токсическое воздействие Си2+ и Сс12+ на фотосинтетическую активность водоросли, чем ГК. Однако в более длительном эксперименте, основанном на приросте культуры водоросли, эти различия исчезают. Согласно литературным данным, снижение токсичности ТМ может объясняться не только механизмами комплексообразо-вания их с ГВ, но также и процессами экранирования клеток водоросли гумусовыми веществами от ионов тяжелых металлов (Коика1 е1 а1, 2003; Б1ауеукоуа, 2007). Оба процесса могут иметь место при снижении токсичности металлов в среде, что усложняет

3.5. Сопоставление данных по связывающей способности природных вод, полученных двумя методами биотестирования

Современные представления о процессах взаимодействия органического вещества вод (в частности, ГВ) и ионов тяжелых металлов позволяют заключить, что водные объекты, контролируемые гумусовыми веществами, являются основным типом внутренних вод (Steinberg, Timofeyev, Menzel, 2009).

2000 1800 1600 1400

я 1200 © 1000 м 800 600 400 200 О

Рисунок 4 - Зависимость интенсивности ЗФв культуры водоросли хлорелла от концентрации ионов меди в контрольной воде и в воде рек Енисей и Кана

Проведенные нами исследования характера действия трех ТМ (медь, цинк и кадмий) на водоросль хлорелла в природной воде показали, что их токсичность может значительно снижаться. На рисунке 4 представлен типичный характер неравноценного действия ионов меди на ЗФв водоросли хлорелла в 1 % среде Тамия, приготовленной на основе дистиллированной (Контроль) и речных вод (Енисей и Кача).

Данные, полученные расчетным методом, показали, что ЕС50 для дистиллята был равен 0,015±0,001 мг/дм3, для проб Енисея - 0,12±0,006 мг/дм3, для Качи- 1,3±0,052 мг/дм3 ионов меди. Следовательно, снижение токсичности ионов меди в воде р. Енисей составляло 8 раз, а в воде р. Кача - 86,7 раз. Основываясь на понятии комплексобразующей способности воды, а также «буферной емкости» (Линник, Набиванец, 1986; Будников, 1998; Остроумов, 2005), можно сделать вывод, что воды реки Кача в большей степени способны нейтрализовать токсическое действие ТМ, чем воды реки Енисей, по причине большего содержания веществ, с которыми они способны вступать во взаимодействие. Не исключено также, что в их число могут входить и примеси антропогенного происхождения, присутствующие в загрязненных водах р. Кача.

Поскольку выполнение оперативного биотеста на основе регистрации замедленной флуоресценции водоросли хлорелла предусматривает только кратковременный контакт (1 час) тест-организма с токсикантами, то представляет интерес изучение характера действия ТМ в природных водах при более длительных экспозициях. Для этого нами был использован биотест по

0,04 0,16 0,64 2,56 10,24 Концентрация ионов меди, мг/дм 3 - Енисей----Кача.........Контроль

воздействию токсических веществ на рост водоросли хлорелла, выполняемый в течение 22 часов. Эксперименты показали (рис. 5), что данные по связывающей способности воды одного и того же объекта, полученные двумя биотестами на основе разных тест-функций водоросли хлорелла, могут существенно различаться. Так, если кратность снижения токсичности ионов меди в воде реки Енисей в биотесте по ЗФ составляла около 22 раз, то в биотесте по приросту водоросли эта величина для тех же проб воды составила 3 раза (рис. 5).

О — N 5 и «О N О О О О — ^

о о* сГ с? о" с^ Концентрация ионов меди,

мг/дм3 Контроль — Енисей

Концентрация ионов меди,

мг/дм1 — Контроль — Енисей

а б

Рисунок 5 - Токсическое действие ионов меди на прирост (а) и ЗФв (б) культуры водоросли хлорелла в контрольной (дистиллированной) и природной водах (р. Енисей)

3.6. Пространственно-временная динамика связывающей способности 1 природных вод

а 1Д

Природные воды § по-разному связывают ионы металлов, про- | являя при ЭТОМ не- Г одинаковую буфер- = ную емкость (Будни- в ков, 1998). Основной причиной этого считается разное содержание растворенного органического вещества (в основном, гумусовых веществ) в водоемах и водотоках.

в м

О 0,01 0,04 0,16 0,64 2р6 10,24 0,005 0,02 0,08 0,32 1.28 5,12 20,48

Концентрация ионов меди, мг/дм3 -о- Дистиллят -о- Енисей Кача - Лесное Бугач Рисунок б - Токсическое действие ионов меди на ЗФв культуры водоросли хлорелла в контрольной (дистиллированной) и природных водах (р. Енисей и Кача, пр. «Бугач», оз. «Лесное»),

Как показали исследования, проведенные нами на примере двух водотоков (реки Енисей и Кача) и двух искусственных водоемов, находящихся в черте г. Красноярска (пруд «Бугач» и озеро «Лесное»), связывающая способность вод разных природных объектов может существенно отличаться. Однако уменьшение токсичности ионов меди было практически одинаковым в однотипных водных объектах (рис. 6). Так, токсичность Си2' снижалась более чем в 600 раз в водах обоих водоемов (пр. «Бугач» и о. «Лесное») и около 200 раз в водах обеих рек (Енисей и Кача). Данный факт может свидетельствовать о существовании специфических для определенного типа водного объекта механизмах, определяющих его связывающую способность. Согласно литературным данным, для вод рек более характерны органические вещества, попадающие с водосборной площади вместе с поверхностным стоком (аллохтонное органическое вещество), а для озер и водохранилищ - образующиеся в результате внутриводо-емных процессов (автохтонное органическое вещество) (Линник, Набиванец, 1986; Гусева и др., 2000). Присутствие комплексообразующих веществ, продуцируемых и накапливаемых внутри замкнутого объема пр. «Бугач» и о. «Лесное», может обуславливать более высокую связывающую способность вод этих объектов по сравнению с проточными системами.

Концентрация органического углерода в водах подвержена также сезонным колебаниям (Бшгпоу, 2008). Ввиду этого нами была исследована динамика изменения связывающей способности вод рек Енисей и Кача в течение 2007, 2008 и 2009 гг.

Исследование динамики связывающей способности вод рек Енисей и Кача, выполняемое в течение 8 месяцев 2007 г., проводилось с помощью биотеста на основе ЗФ тест-культуры водоросли хлорелла. Результаты, представленные на рисунке 7, показывают, что связывающая способность вод обоих природных объектов значительно изменялась во времени. Максимальная кратность уменьшения токсичности ионов меди за весь период исследования составила 512 раз в пробе воды р. Енисей, взятой в июле, и в пробах воды р. Кача, взятых в июле и августе. Цинк и кадмий связывались в гораздо меньшей степени в пробах воды обеих рек. Максимальная кратность снижения токсичности ионов цинка составляла 33 раза в пробе воды р. Кача, взятой в августе. Для ионов кадмия ее значение в пробах воды р. Кача, взятых в январе, июле, августе и сентябре, достигала примерно той же величины. Как уже было показано выше, среди трех ТМ ионы меди в наибольшей степени способны к комплексообразованию с гумусовыми веществами, что может объяснять более высокую степень снижения токсичности этого металла в природной воде.

В целом связывающая способность вод обеих рек по отношению ко всем исследованным ТМ была выше в летний период. Полученные результаты хорошо согласуются с литературными данными, согласно которым среди сезонов года максимальные концентрации органического углерода зафиксированы в период паводков и весенних стоков (Бштоу, 2008), а также летом (Линник, Набиванец, 1986).

Си

600

-л Й 500

— с.

л £ X к 400

о о 5

и о 300

гз I

с. * о г •2 о 200

р 100

Ж ОЙ

Пк

январь март

февраль апрель

маи август остяорь

июль сентябрь

л 30

с: с.

„ К ^ 25

и о и и 20

5 о т

& ^ X 15

е. о

и г и 10 5

январь март май август октябрь

февраль апрель июль сентябрь

са

январь март май август октябрь

февраль апрель июль сентябрь

Время отбора проб

I 1 Енисей Е^З Кача

Рисунок 7 - Кратность уменьшения токсичности ионов меди, цинка и кадмия в пробах вод рек Енисей и Кача (2007 г.). Токсический эффект ТМ оценивался

по изменению ЗФ

Следует также указать, что по отношению ко всем трем ТМ достаточно высокий уровень связывающей способности был отмечен в пробах воды р. Кача, взятых в осенние и зимние месяцы. Такие повышения были разовыми и не отвечали общей тенденции изменения комплексообразующей способности

вод во времени, что хорошо заметно при сравнении с данными для вод р. Енисей. Согласно литературным источникам, концентрации органического углерода (продуцируемого внутри водоема и поступающего с водосборной площади) в природных водах быстро падают в течение периодов меженей, особенно зимой (Бпитоу, 2008). Поскольку все исследованные в настоящей работе водные объекты находятся в зоне расположения населенных пунктов, следует учитывать возможную роль примесей антропогенного происхождения в установлении величины связывающей способности этих вод. Поступление таких веществ в водные объекты в осенне-зимний период может обуславливать повышение буферной емкости вод по отношению к ТМ.

Исследование динамики связывающей способности воды р. Енисей, проводимое в течение 7 месяцев 2008 г., показало, что данная величина может существенно различаться в пробах, взятых из разных участков русла реки. В данном случае проводились эксперименты по воздействию ионов меди на ЗФ тест-культуры водоросли хлорелла в пробах природной воды четырех станций отбора. Первая станция находилась на 0,5 км ниже плотины Красноярской ГЭС, вторая станция - 1 км ниже п. Слизнево, третья станция - 15 км ниже г. Красноярска и 0,5 км ниже устья р. Березовка, четвертая станция - 35 км ниже г. Красноярска.

Станция 1 Станция 2

м = а. и * 8

апрель нюнь август октяорь май июль сентябрь

Время отбора проб

апрель нюнь августошбрь май нюльсектябрь

Времи отбора проб

а &

ь * £ і

140 120 100 80 60 40 20 0

Станция 3

апрель июнь август октябрь май июль сентябрь

Времн отбора проб

§ 1

§ 3

В *

. С. У

120

г 40

Станция 4

□п

апрель нюнь август октябрь май июль сентябрь

Время отбора проб

Рисунок 8 - Кратность уменьшения токсичности ионов меди в пробах воды р. Енисей (2008 г.) из разных мест отбора. Воздействие токсиканта оценивалось по изменению ЗФ

Результаты экспериментов, представленные на рисунке 8, свидетельствуют о повышении связывающей способности воды р. Енисей в весенне-летний период. Вместе с тем хорошо заметно, что для проб станций, находящихся выше по течению, до г. Красноярска, было характерно резкое повышение комплексо-образующей способности в июне и значительно более низкие ее значения в остальные месяцы. Для станций 3 и 4 наблюдалась менее четкая картина, максимальные снижения токсичности ионов ТМ выявлены в периоды с апреля по май и с июля по август. На основе полученных данных сделано предположение, что влияние как геохимических особенностей территории, так и гидросооружений и крупных населенных пунктов, может обуславливать местоспецифичные особенности динамики связывающей способности вод природных объектов. Так, например, повышение связывающей способности вод станций 3 и 4, находящихся ниже г. Красноярска, наблюдалось в более длительные периоды, чем для станций, находящихся до города (рис. 8).

В п. 3.5 было показано, что величины вязывающей пособно-сти природной воды, полученные двумя методами (на основе прироста и ЗФ культуры водоросли хлорелла), могут существенно различаться. Вместе с тем, как показали исследования, проведенные в 2009 г., результаты обоих биотестов выявляли одинаковую динамику связывающей способности проб воды р. Енисей в течение 5 месяцев (рис. 9). Таким образом, оба биотеста пригодны для целей исследования динамики комплексообразующей способности вод во вре-

апрель июнь октябрь

май сентябрь

Время отбора проб

І I Прирост ЗФ Рисунок 9 - Кратность уменьшения токсичности

ионов меди в пробах воды р. Енисей (2009 г.), определяемой по снижению прироста водоросли

Выводы:

1. Ионы трех тяжелых металлов (медь, цинк и кадмий) имеют различный характер воздействия на прирост и замедленную флуоресценцию тест-культуры водоросли хлорелла. Метод на основе ЗФ более чувствителен к присутствию в среде ионов меди, тогда как чувствительность прироста культуры водоросли выше к ионам цинка и кадмия.

2. Предварительное культивирование позволяет существенно повысить чувствительность биотеста на основе ЗФ водоросли хлорелла к ТМ, при этом фактор света в большей степени определяет чувствительность метода, чем фак-

тор температуры. Кроме того, тест-объект более чувствителен к присутствию ТМ в менее концентрированной питательной среде и при меньшей плотности засева клеток водоросли. Из всех питательных элементов, входящих в состав среды, основная роль в снижении чувствительности тест-объекта к ионам ТМ принадлежит соединениям фосфора.

3. Гумусовые вещества (в концентрациях, не превышающих 62,5 мг/дм3) не оказывают негативного влияния на рост и фотосинтетическую активность культуры водоросли хлорелла. Фульвокислоты в несколько большей степени способны снижать биодоступность Си2+ и Cd2+, чем гуминовые кислоты.

4. На примере нескольких объектов (реки Енисей и Кача, пр. «Бугач», оз. «Лесное») продемонстрирована возможность снижения биодоступности ионов ТМ для одноклеточных водорослей в природной воде. При этом воды исследованных природных объектов обладали существенно различающейся связывающей способностью по отношению к ТМ, что может являться следствием неодинакового содержания в них природных лигандов, а также, по-видимому, разным уровнем загрязнения их примесями антропогенного происхождения.

5. Данные по связывающей способности воды одного и того же объекта, полученные двумя биотестами на основе разных тест-функций водоросли хлорелла, могут существенно различаться.

6. Связывающая способность природных вод по отношению к ТМ может значительно изменяться во времени, достигая максимальных значений в весенне-летний период. Кроме того, воды на отдельных участках реки могут отличаться биодоступностью в них ТМ.

7. Среди трех исследованных ТМ наибольшая степень снижения токсичности в пробах природной воды была выявлена для Си2+, что, вероятнее всего, связано с высоким сродством этого металла к комплексообразующим веществам.

Практические рекомендации:

1. ФГБУ «Уральский государственный научно-исследовательский институт региональных экологических проблем» - учитывать динамику и место-специфичность связывающей способности воды при разработке проектов нормативов допустимых сбросов.

2. Центрам лабораторного анализа и технических измерений Федеральной службы по надзору в сфере природопользования - использовать разработанную на основе результатов проведенных исследований и допущенную для целей государственного экологического контроля методику определения токсичности питьевых, природных и сточных вод, водных вытяжек из почв, осадков сточных вод и отходов по изменению относительного показателя замедленной флуоресценции культуры водоросли хлорелла (Chlorella vulgaris Beijer).

3. Результаты исследования используются в учебном процессе в преподавании дисциплин «Биологический контроль состояния окружающей среды» и «Флуоресценция хлорофилла» на кафедре экологии и природопользования Института экономики, управления и природопользования Сибирского федерального университета (акт внедрения).

Список работ по теме диссертации В изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Бородулина, Т.С. Влияние загрязнения воды нефтью на замедленную флуоресценцию водоросли Chlorella vulgaris Beijer и выживаемость рачков Daphnia magna Str. I Т.С. Бородулина, В.И. Полонский, Е.С. Власова (Стравин-скене), Т.Л. Шашкова, Ю.С. Григорьев // Сибирский экологический журнал. -2011.-№ 1.-С. 107-111.

Основные публикации в других научных изданиях:

2. Власова (Стравинскене) Е.С. Чувствительность биотеста на основе водоросли Chlorella vulgaris к тяжелым металлам / Е.С. Власова (Стравинскене), Ю.С. Григорьев // Объединение субъектов Российской Федерации и проблемы природопользования в Приенисейской Сибири: тез. докл. межрегион, практ. конф. - Красноярск, 2005. - С. 430.

3. Власова (Стравинскене) Е.С. Влияние концентрации и состава питательной среды на чувствительность водоросли Chlorella vulgaris к тяжелым металлам / Е.С. Власова (Стравинскене), Ю.С. Григорьев // Экология Южной Сибири и сопредельных территорий: тез. докл. междунар. науч. школы-конференции студентов и молодых ученых. - Абакан, 2005. - Т. 2. - С. 47-48.

4. Григорьев, Ю.С. Биодоступность тяжелых металлов в природных и сточных водах / Ю.С. Григорьев В.Н. Бурмакин, Н.С. Бондарев, Е.С. Власова (Стравинскене), Т.Л. Шашкова // Современные проблемы водной токсикологии: тез. докл. междунар. конф. - Борок, 2005. - С. 33.

5. Власова (Стравинскене) Е.С. Применение биотеста на основе водоросли Chlorella vulgaris для оценки качества природных вод / Е.С. Власова (Стравинскене), Ю.С. Григорьев // Научно-техническое творчество молодежи -путь к обществу, основанному на знаниях: тез. докл. всерос. конф. - М., 2006. -С. 129.

6. Григорьев, Ю.С. Оперативные технологии биотестирования токсичности вод / Ю.С. Григорьев, T.JI. Шашкова, Е.С. Власова (Стравинскене), М.А. Субботин // Биоиндикация в мониторинге пресноводных экосистем: тез. докл. междунар. науч. конф. - СПб., 2006. - С. 45.

7. Власова (Стравинскене) Е.С. Определение биодоступности ТМ в природных водах методами биотестирования / Е.С. Власова (Стравинскене), Ю.С. Григорьев // Экотоксикология: современные биоаналитические системы, методы и технологии: тез. докл. рос. школы-конференции молодых ученых. -Пущино, 2006. -С. 98-100.

8. Власова (Стравинскене) Е.С. Влияние состава питательной среды на чувствительность водоросли Chlorella vulgaris к тяжелым металлам / Е.С. Власова (Стравинскене), Ю.С. Григорьев // Современные проблемы физиологии и биохимии водных организмов: тез. докл. 2-й науч. конф. с участием стран СНГ. - Петрозаводск, 2007. - С. 35-36.

9. Власова (Стравинскене) Е.С, Исследование модификации токсичных свойств тяжелых металлов в воде природных объектов методами биотестирования / Е.С. Власова (Стравинскене), Ю.С. Григорьев // Проблемы региональной экологии в условиях устойчивого развития: тез. докл. всерос. науч.-практ.конф. -Киров,2007.- С. 158.

10. Власова (Стравинскене) Е.С. Замедленная флуоресценция хлорофилла в оперативной оценке токсического действия тяжелых металлов на растительные тест-организмы / Е.С. Власова (Стравинскене), М.А. Субботин, Ю.С. Григорьев И Региональные проблемы природопользования и охраны окружающей среды: тез. докл. регион, науч.-практ. конф. -Куртамыш, 2008.- С. 124.

11. Власова (Стравинскене) Е.С. Относительный показатель замедленной флуоресценции в оперативной оценке токсического действия тяжелых металлов на тест-культуру водоросли Chlorella vulgaris / Е.С. Власова (Стравинскене), Ю.С. Григорьев // Антропогенное влияние на водные организмы и экосистемы: тез. докл. III Всерос. конф. по водной токсикологии, посвящ. памяти Б.А. Флерова; Критерии оценки качества вод и методы нормирования антропогенных нагрузок: тез. докл. конф. по гидроэкологии. - Борок, 2008. - Т. 3. -С. 14.

12. Григорьев, Ю.С. Биодоступность загрязняющих веществ в водных объектах и проблема регионального нормирования / Ю.С. Григорьев, Е.С. Власова (Стравинскене), Т.Н. Шашкова // Антропогенное влияние на водные организмы и экосистемы: тез. докл. Ш Всерос. конф. по водной токсикологии, посвящ. памяти Б.А. Флерова; Критерии оценки качества вод и методы нормирования антропогенных нагрузок: тез. докл. конф. по гидроэкологии. - Борок, 2008. - Т. 3.-С. 168.

13. Григорьев Ю.С., Власова Е.С. (Стравинскене). Методика определения токсичности питьевых, природных и сточных вод, водных вытяжек из почв, осадков сточных вод и отходов по изменению относительного показателя замедленной флуоресценции культуры водоросли хлорелла (Chlorella vulgaris Beijer). - M., 2009. - 43 с. - ПНД Ф Т 14.1:2:4.16-09 16.1:2.3:3.14-09, ФР. 1.31.2009.06642.

14. Стравинскене, Е.С. Модификация токсичных свойств тяжелых металлов для водоросли Chlorella vulgaris в природной воде / Е.С. Стравинскене, Ю.С. Григорьев // Проблемы экологии. Чтения памяти профессора М.М. Ко-жова: тез. докл. междунар. науч. конф. и междунар. школы для молодых ученых. - Иркутск, 2010. - С. 468.

Санитарно-эпидемиологическое заключение № 24.49.04.953.П. 000381.09.03 от 25.09.2003 г. Подписано в печать 20.02.2012 Формат 60x84/16. Бумага тип. № 1 Печать - ризограф. Усл. печ. л. 1,0 Тираж 100 экз. Заказ № 1626 Издательство Красноярского государственного аграрного университета 660017, Красноярск, ул. Ленина, 117

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Стравинскене, Екатерина Сергеевна, Красноярск

61 12-3/1024

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ Сибирский федеральный университет Институт экономики, управления и природопользования Кафедра экологии и природопользования

На правах рукописи

СТРАВИНСКЕНЕ ЕКАТЕРИНА СЕРГЕЕВНА

ПРОБЛЕМА БИОДОСТУПНОСТИ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ЭКОЛОГИЧЕСКОМ МОНИТОРИНГЕ ПРИРОДНЫХ ВОД

03.02.08 - экология (биология)

диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель: канд. биол. наук, доцент Григорьев Юрий Сергеевич

Красноярск 2012

Оглавление

Введение..................................................................................................................3

Глава 1. Процессы поступления, миграции и трансформации токсичных свойств тяжелых металлов в водной среде (Обзор литературы)................9

1.1. Пути поступления, формы миграции и токсичность тяжелых металлов в водной среде.........9

1.2. Роль органического вещества вод в процессах миграции и трансформации токсичных свойств тяжелых металлов........................................................................................................................16

1.3. Пространственно-временное колебание РОВ в природных водных объектах.........................26

1.4. Применение методов биотестирования при исследовании трансформации токсичных свойств ТМ в водной среде.......................................................................................................................28

1.5. Характеристика трех тяжелых металлов: медь, цинк, кадмий...................................................37

Глава 2. Материалы и методы......................................................................... 45

2.1. Характеристика тест-объекта........................................................................................................45

2.2. Методика проведения экспериментов на основе регистрации прироста культуры водоросли Chlorella vulgaris.........................................................................................................................................47

2.3. Методика проведения экспериментов на основе регистрации параметров замедленной флуоресценции культуры водоросли Chlorella vulgaris..........................................................................49

Глава 3. Результаты и обсуждения..................................................................52

3.1. Характер токсического воздействия ионов меди, цинка и кадмия на прирост тест-культуры водоросли хлорелла....................................................................................................................................52

3.2. Характер токсического воздействия ионов меди, цинка и кадмия на замедленную флуоресценцию тест-объекта....................................................................................................................55

3.3. Влияние факторов культивирования на токсичность ионов ТМ для водоросли Chlorella vulgaris ......................................................................................................................................................................63

3.4. Влияние содержания гумусовых веществ на токсичность ионов ТМ для культуры водоросли Chlorella vulgaris.........................................................................................................................................75

3.5. Сопоставление данных по связывающей способности природных вод, полученных двумя методами биотестирования.......................................................................................................................86

3.6. Пространственно-временная динамика связывающей способности природных вод...................91

Выводы..................................................................................................................99

Список литературы..........................................................................................102

Приложение - Акт внедрения в учебный процесс.....................................119

Введение

Загрязнение водной среды тяжелыми металлами (ТМ) является одной из наиболее актуальных проблем, обусловленных все возрастающей техногенной нагрузкой на природные системы. Наряду с исследованием токсичности тяжелых металлов для различных гидробионтов и процессов поступления их в водоемы в последнее время большое внимание уделяется таким аспектам как миграция и трансформация форм существования ТМ в среде (Линник, Набиванец, 1986; Исидоров, 1999; Холин, 2001; Mercier et al., 2001; Janssen et al., 2003, Karner et al, 2006). По мере накопления знаний в этой области становится ясно, что данных по общей концентрации металлов в воде недостаточно для прогнозирования токсического эффекта на организмы (Будников, 1998; Beceiro-Gonzalez et al., 2000). Данная проблема является общей для всех токсикантов, поступающих в окружающую среду, поэтому при определении уровня загрязнения среды рекомендуется использовать не только методы химического анализа, но также и методы биотестирования. Это связано с тем, что, в отличие от химического анализа, биотестирование позволяет провести интегральную оценку токсичности среды с учетом доступности загрязнителей для гидробионтов.

мобильность следовых элементов в среде (через реакции комплексообразования), или снижать их миграционную способность благодаря склонности гумусовых веществ адсорбироваться на минеральных поверхностях (Линник, Набиванец, 1986; Mercier et al., 2001). Кроме того, в результате процессов комплексообразования, или связывания, РОВ может существенно влиять на биодоступность ТМ для фитопланктона (Линник, Набиванец, 1986; Морозова, Пен, Репях, 2001; Gueguen et al., 2003). Существует мнение, согласно которому гумусовые вещества могут контролировать поведение всех типов поллютантов в природных системах, включая органические загрязнители (Mercier et al., 2001).

Вместе с тем, содержание в природных водах растворенного органического вещества может существенно зависеть от типа и места расположения водного объекта (Smirnov, 2008). Это, в свою очередь, может влиять на степень проявления токсических свойств поллютантов в различных водных объектах. Понимание значимости модифицирующих характеристик воды, во многом определяющих токсичность одних из наиболее распространенных поллютантов, попадающих в водоемы - металлов, привело некоторые организации (напр., Агентство по защите окружающей среды США, US-ЕРА) к созданию местоспецифичных критериев качества воды (US-EPA, 1994; Heijerick, De Shamphelaere, Janssen, 2002). Однако до сих пор нет однозначных ответов на многие вопросы, такие как связь форм нахождения ТМ в воде с их токсичностью, или влияние внешних условий на токсичность ТМ для гидробионтов (Исидоров, 1999).

3. Выявить зависимость чувствительности тест-объекта к тяжелым металлам от условий проведения эксперимента (свет, температура, способ установления токсического эффекта); определить оптимальные условия проведения биотеста.

4. Оценить роль гумусовых веществ в снижении токсичности тяжелых металлов природными водами.

5. Сравнить степень понижения токсичности тяжелых металлов в пробах воды различных природных объектов.

Защищаемые положения:

1. Проявление токсических свойств тяжелых металлов по отношению к гидробионтам определяется составом природных вод, в частности, присутствием в них комплексообразующих компонентов. Наиболее характерная ситуация заключается в снижении токсичности металлов при попадании их в водные объекты.

Апробация. Материалы исследований были доложены на международной научной школе-конференции студентов и молодых ученых «Экология Южной Сибири и сопредельных территорий» (г. Абакан, 2004; 2005; 2008); межрегиональной научно-практической конференции «Объединение субъектов Российской Федерации и проблемы природопользования в Приенисейской Сибири» (г. Красноярск, 2005); международной конференции «Современные проблемы водной токсикологии» (п. Борок, 2005); всероссийской научной конференции «Современные аспекты экологии и экологического образования» (г. Казань, 2005); всероссийской конференции «Научно-техническое творчество молодежи - путь к обществу, основанному на знаниях» (г. Москва, 2006); I открытой научно-практической конференции молодых работников ФГУП «ГХК» (г. Железногорск, 2006); международной научной конференции «Биоиндикация в мониторинге пресноводных экосистем» (г. Санкт-Петербург, 2006); российской школе-конференции молодых ученых «Экотоксикология: Современные биоаналитические системы, методы и технологии» (г. Пущино,

2006); 2-ой научной конференции с участием стран СНГ «Современные проблемы физиологии и биохимии водных организмов» (г. Петрозаводск,

2007); всероссийской научно-практической конференции «Проблемы

региональной экологии в условиях устойчивого развития» (г. Киров, 2007); региональной научно-практической конференции «Региональные проблемы природопользования и охраны окружающей среды» (г. Куртамыш, 2008); пятой международной научно-практической конференции «Исследование, разработки и применение высоких технологий в промышленности» (г. Санкт-Петербург, 2008); ХЬУ1 международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс. Глобальные проблемы и принципы устойчивого развития» (г. Новосибирск, 2008); III всероссийской конференции по водной токсикологии, посвященной памяти Б.А. Флерова «Антропогенное влияние на водные организмы и экосистемы» и Конференции по гидроэкологии «Критерии оценки качества вод и методы нормирования антропогенных нагрузок» (г. Борок, 2008); международной научной конференции и международной школе для молодых ученых «Проблемы экологии. Чтения памяти профессора М.М. Кожова» (г. Иркутск, п. Большие Коты, 2010).

Результаты работы были представлены на выставках НТТМ-2006 (г. Москва, 2006); 1-й и 2-й Городских ассамблеях (г. Красноярск, 2008; 2009); молодежном форуме (г. Красноярск, 2008); молодежном форуме «Селигер-2009».

Работа была поддержана следующими грантами: грант Сибирского федерального университета на выполнение молодежного научно-исследовательского проекта «Исследование модификации токсических свойств тяжелых металлов в природных и сточных водах» (2007 г.); грант Сибирского федерального университета на выполнение коммерческого проекта «Разработка и внедрение оперативных технологий биологического контроля качества окружающей среды в систему государственного и ведомственного экологического мониторинга» (2007 г.); грант Красноярского краевого фонда науки для молодых ученых 18й (2008 г.); Грант Сибирского федерального университета на выполнение молодежного проекта «Разработка оперативных методик определения токсичности воды флуоресцентными методами» (2008 г.);

Грант Сибирского федерального университета на выполнение инновационного проекта «Создание комплекса оперативных технологий биомониторинга окружающей среды» (2008 г.).

Публикации. По теме исследований опубликовано 20 работ, в том числе 1 работа в издании, рекомендованном ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 119 страницах, содержит 4 таблицы, 31 рисунок, состоит из введения, 14 глав и выводов. Список литературы включает 208 наименований, в том числе 147 на

иностранном языке.

Благодарности. Автор выражает благодарность научному руководителю кандидату биологических наук, доценту Ю.С. Григорьеву за ценные советы и помощь в проведении работы, а также сотрудникам кафедры экологии и природопользования за консультации при выполнении и оформлении результатов работы.

Глава 1. Процессы поступления, миграции и трансформации токсичных свойств тяжелых металлов в водной среде (Обзор литературы)

1.1. Пути поступления, формы миграции и токсичность тяжелых металлов в водной среде

Тяжелые металлы играют большую роль в жизненных процессах, что в значительной мере связано с биологической активностью многих из них (Константинов, 1986; Линник, Набиванец, 1986; Будников, 1998; Исидоров, 1999). Среди ТМ есть как необходимые для жизнеобеспечения организма биогенные элементы, так и ксенобиотики, вызывающие отравление или гибель. В связи с широким использованием ТМ в промышленности, их поступление в окружающую среду стремительно растет (Моисеенко, Кудрявцева, Гашкина, 2006). Вместе с тем накопленные данные позволяют говорить о наличии неоднозначной связи между их концентрацией в среде и токсичностью. Поэтому большой интерес представляют исследования процессов поступления и миграции металлов в природной среде, а также процессов трансформации их химических форм и свойств.

Термин «тяжелые металлы» в настоящее время ассоциируется с понятием «токсичные металлы» (Исидоров, 1999; Папина, 2001). В качестве критериев принадлежности металлов к этой группе могут использоваться многочисленные характеристики: атомная масса, плотность, токсичность, распространенность в природной среде, степень вовлеченности в природные и техногенные циклы (Будников, 1998; Исидоров, 1999). Прежде всего представляют интерес те металлы, которые в наибольшей степени загрязняют атмосферу ввиду использования их в значительных объемах в производственной деятельности. В результате накопления во внешней среде они представляют серьезную опасность с точки зрения их биологической активности и токсических свойств.

К ним относят кадмий, медь, мышьяк, никель, ртуть, свинец, цинк и хром (Будников, 1998).

Попадание металлов в водные объекты может быть обусловлено как антропогенными, так и естественными процессами, такими как вулканическая деятельность, выветривание, химическое и биологическое выщелачивание пород, деструкция растительности (Исидоров, 1999; Моисеенко, Кудрявцева, Гашкина, 2006). При этом объемы антропогенного поступления многих элементов в водные системы сопоставимы или даже превышают объемы природного поступления (Моисеенко, Кудрявцева, Гашкина, 2006; Koukal et al., 2003; Clemens, 2006). Основным источником антропогенного загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами являются предприятия тепло- и электроэнергетики. Кроме того, большой вклад в загрязнение окружающей среды металлами вносят предприятия черной и цветной металлургии, горнодобывающие и химические предприятия, цементные заводы, гальванические производства, автотранспорт (Вредные химические вещества..., 1988; Будников, 1998; Исидоров, 1999; Морозова, Пен, Репях, 2001). Существует возможность загрязнения воздуха, водоемов, грунта и подземных вод вследствие накопления твердых отходов на свалках, шламонакопителях, а также при их уничтожении (Синицкая и др., 2002).

Повышение концентрации тяжелых металлов в природных водах часто связано с другими видами загрязнения, например, с закислением. Выпадение кислотных осадков способствует снижению значения pH и переходу металлов из сорбированного на минеральных и органических веществах состояния в свободное (Будников, 1998).

В атмосфе

Информация о работе

Стравинскене, Екатерина Сергеевна
кандидата биологических наук
Красноярск, 2012
ВАК 03.02.08

Диссертация

Проблема биодоступности тяжелых металлов в экологическом мониторинге природных вод - тема диссертации по биологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы