Scientific journal
Modern problems of science and education
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,931

THE CONCENTRATIONS OF COPPER AND ZINC IN WATER, SEDIMENTS AND COAST SOILS OF VOLGOGRAD RESERVOIR NEAR VOLZHSKY

Novikov V.V. 1 Puchkov M.Yu. 1 Zvolinskiy V.P. 1 Loktionova E.G. 2
1 All-Russian Institute of irrigated vegetable and melon
2 Astrakhan State University
В работе изучено распределение различных форм меди и цинка в воде, донных отложениях и почвах береговой зоны Волгоградского водохранилища у города Волжский. Дан сравнительный анализ двух отличающихся по гидрологическим условиям точек исследования: залива Осадный и открытой части водохранилища у пос. Краснооктябрьский. Содержание валовой формы меди уменьшалось в направлении «почвы – ДО – вода поровая – вода поверхностная» для обеих точек отбора. Однако валовое содержание меди в почвах берегового склона оказалось еще выше, чем в донных отложениях (35% от содержания в почвах). Подвижная форма меди в ДО была намного выше, чем в почвах. При сравнении почв и ДО можно отметить, что если валовая и водорастворимая формы меди накапливались в большей степени в почвах, то в донных отложениях преобладала подвижная форма. Содержание водорастворимой формы меди в почвах обеих точек не отличалось, а в донных отложениях залива Осадного она накапливалась. Содержание валовой формы цинка уменьшалось в направлении «почвы - ДО - вода поверхностная» для обеих точек отбора проб. Концентрации водорастворимой и подвижной форм цинка в ДО залива Осадного были намного выше, чем в почвах, что указывает на загрязненность донных отложений соединениями цинка.
In the paper we study the distribution of the different forms of copper and zinc in water, sediments and soils of the coastal zone of the Volgograd reservoir near the Volzhskiy city. The comparative analysis of two different points on the hydrological conditions of the study: the Osadniy Gulf and the open part of the reservoir near the village Krasnooktjabrskiy. The content of the gross form of copper decreased in the direction "soil - to - pore water - water surface" for the both sampling points. However, the total content of copper in the soils of the coastal slope was even higher than in the sediments (35% of the content in the soils). The mobile form of copper in the UP was much higher than in the soil. When we compared to the soil and we can be noted that if the total and soluble forms of copper accumulated mainly in the soils, in the sediments dominated the mobile form. The content of water-soluble form of copper in the soils of both points was no different, and in the bottom sediments of the Osadniy Gulf is accumulated. The content of the gross forms of zinc decreased in the direction of "soil - to - surface water" for the both sampling points. The concentrations of water-soluble and mobile forms of zinc to the Osadniy Gulf were much higher than in the soils, indicating that the contaminated sediment zinc compounds.
mode of occurrence
volamperometriya
aquatic vegetation
bioaccumulation
zinc
copper
heavy metals
soil
sediment

Введение

Волгоградское водохранилище является замыкающим в каскаде водохранилищ и аккумулирует весь водосбор Волжского бассейна. Оно находится в зоне недостаточного увлажнения и используется для целей гидроэнергетики и судоходства, орошения, водоснабжения, а также в рекреационных целях. Состав воды Волгоградского водохранилища определяется главным образом химическим составом вод, поступающих из Саратовского водохранилища (93,4% водного стока и лишь в незначительной степени химическим составом вод притоков и грунтовых вод 6,6%), повторяя все изменения химического состава его воды, но с некоторым опозданием, равным времени добегания воды от нижнего бьефа Саратовского до нижнего бьефа Волгоградского гидроузлов.

В его водах содержатся фенолы, детергенты, нефтепродукты, а также тяжелые металлы (ТМ) [1; 3], причем качество воды по большинству показателей ухудшается от северной части водохранилища к южной. В связи с этим целью данной работы было изучение соотношения растворенных и взвешенных форм ТМ (цинка, меди) в воде, а также водорастворимых, кислоторастворимых и валовых форм ТМ в донных отложениях и почвах прибрежной зоны.

Материал и методы исследования

Пробы поверхностной воды, донных отложений и почв были отобраны нами 9 июля 2011 года в двух точках нижней части Волгоградского водохранилища на территории г. Волжский: точка 1 - у поселка Краснооктябрьский (48°53´ 46,22´´ с.ш. 44°45´30,00´´ в.д.), точка 2 - в заливе Осадный (48°49´17,81´´ с.ш. 44°45´26.73´´) (рис. 1). Эти точки различаются антропогенной нагрузкой и гидрологическими условиями: если первая точка на открытой части водохранилища, где наблюдается усиленная абразия берега, и донные отложения формируются в основном за счет материала берегового склона, то вторая точка расположена в заливе, где ДО носят в основном характер сапропеля. Дополнительная нагрузка на водохранилища связана с тем, что вблизи Осадной балки проходит оживленная автотрасса Волгоград – Самара.

Рис. 1. Точки отбора проб

Пробоподготовка и анализ проб осуществлялись согласно методикам МУ 31-03/04 «Количественный химический анализ проб природных, питьевых и сточных вод. Методика выполнения измерений массовых концентраций цинка, кадмия, свинца и меди методом инверсионной вольтамперометрии на анализаторах типа ТА», МУ 31-11/05 «Количественный химический анализ проб почв, тепличных грунтов, илов, донных отложений, сапропелей, твердых отходов. Методика выполнения измерений массовых концентраций цинка, кадмия, свинца, меди, марганца, мышьяка, ртути методом инверсионной вольтамперометрии на анализаторах типа ТА».

Пробы воды после отбора делили на 2 части, одну из которых фильтровали, а затем обе фиксировали азотной кислотой. По содержанию ТМ в фильтрованной воде определяли растворённую форму ТМ, а в нефильтрованной – валовую. Содержание ТМ во взвешенном веществе определяли по разнице валового содержания и концентрации растворенной формы. После отстаивания ДО сливали поровую воду, фильтровали и определяли содержание ТМ в ней. Из почв и донных отложений извлекали различные формы ТМ: водорастворимые - бидистиллированной водой, подвижные - буферным ацетатно-аммонийным раствором при рН=4,8, кислоторастворимые – азотной кислотой с концентрацией 1 моль/дм3, а валовые – кипячением с раствором азотной кислотой с массовой долей 50% с обработкой перекисью водорода.

Результаты исследования и их обсуждение

Содержание валовой формы меди уменьшалось в направлении «почвы – ДО – вода поровая – вода поверхностная» для обеих точек отбора. Этот факт позволяет выдвинуть гипотезу о том, что идет процесс поступления меди в водохранилище за счет абразии почв. Действительно, у пос. Краснооктябрьский, где абразионные процессы очень активны, содержание почти всех форм меди выше, чем её содержание в заливе Осадном, защищённом от действия сильных ветров и действия волн, ввиду чего берег там очень слабо разрушается. Установлено, что содержание растворённой формы меди в поровой воде донных отложений (у пос. Краснооктябрьский и залива Осадный) значительно превышает количество той же формы в поверхностной воде (таблица 1). Концентрация растворённой формы меди у пос. Краснооктябрьский была более чем в 2 раза ниже, чем в заливе Осадном, несмотря на отмеченное выше обратное соотношение для остальных форм меди. Так, валовое содержание ее в воде залива Осадный в 10 раз ниже, чем у пос. Краснооктябрьский. Основная часть меди находится во взвешенной форме (72,5% - в заливе Осадный, и почти 99% у пос. Краснооктябрьский), что объясняется высоким содержанием взвешенных веществ, главным образом фитопланктона, который активно сорбирует медь [5]. Известно, что медь достаточно активно концентрируется в водорослях [6]: коэффициент накопления составляет 5,6 • 102, что значительно больше, чем в тканях рыбы –101.

Таблица 1

Содержание различных форм меди в воде Волгоградского водохранилища у г. Волжский

Тип воды

Форма нахождения меди

у пос. Краснооктябрьский

Залив Осадный

мг/л ± ст.ошибка

% от валовой

% от поро-вой

мг/л ± ст.ошибка

% от валовой

% от поровой

Поверхност-

ная

Растворенная

0,0004±

0,0002

1,10

7,20

0,0011 ± 0,0005

27,50

20,40

Валовая

0,0400± 0,0120

100,00

-

0,0040 ± 0,0016

100,00

-

Взвешенная

0,0400±

0,0120

98,90

-

0,0029 ± 0,0016

72,50

-

Поро-вая

Растворенная

0,0061±

0,0024

-

-

0,0054 ± 0,0022

-

-

Однако валовое содержание меди в почвах берегового склона оказалось еще выше, чем в донных отложениях (35% от содержания в почвах) (таблица 2). Подвижная форма меди в ДО была намного выше, чем в почвах, и составила в первой и второй точках соответственно по 13,3 и 10,5% от валовой в почвах и по 0,7 и 2,1% в почвах.

Таблица 2

Содержание различных форм меди в донных отложениях и почвах берегового склона Волгоградского водохранилища у г. Волжский, мг/кг

Форма нахожде-ния

Донные отложения

Почвы берегового склона

Отношение ДО/почвы

у пос. Красноок-тябрьский

залив Осадный

у пос. Краснооктябрьский

залив Осадный

у пос. Краснооктябрьский

залив Осадный

Водораст-воримая

0,039±0,012

1,100±

0,300

0,150±

0,050

0,120±

0,040

0,26

9,17

Подвиж-ная

1,100±0,300

0,460±

0,160

0,150±

0,050

0,290±

0,090

7,30

1,59

Кислото-раствори-мая

4,000±1,200

3,000±

0,900

8,300±

2,500

7,600±

2,300

0,48

0,40

Валовая

8,300±2,500

4,400±

1,300

22,000±

7,000

14,000±

5,000

0,38

0,31

При сравнении почв и ДО можно отметить, что если валовая и водорастворимая формы меди накапливались в большей степени в почвах, то в донных отложениях преобладала подвижная форма [4]. Содержание водорастворимой формы меди в почвах обеих точек не отличалось, а в донных отложениях залива Осадного оно накапливалась, причем содержание было в 9 раз больше, чем в почвах. Данный факт может быть объяснен природой донных отложений залива Осадный, основным материалом которых было органическое вещество, которое обладает высокой сорбирующей способностью. Большие количества меди сорбируются из воды растениями в процессе вегетации, и затем депонируются в отмерших остатках [5].

Нами показано, что содержание меди в высшей водной растительности Волгоградского водохранилища достигает нескольких сотен мг/кг, хотя в образцах рдеста пронзённолистного из залива Осадный в 2007 г. оно достигало 29 мг/кг [2]. Общее количество высшей водной растительности было гораздо больше в заливе Осадный, чем у пос. Краснооктябрьский, что объясняется воздействием волнения воды. Значительная прибойная деятельность в зоне мелководий вызывает взмучивание донных отложений, их промывание водой, засыпание ими существующей водной растительности, что препятствует их фотосинтетической деятельности и росту. Это приводит к существенному снижению растительных остатков в донных отложениях. Содержание валовой формы цинка уменьшалось в направлении «почвы – ДО – вода поверхностная» для обеих точек отбора проб. Этот факт можно объяснить антропогенным поступлением цинка в водохранилище, а не абразией почв. Содержание растворенной формы цинка в поровой воде донных отложений (0,086±0,021 мг/дм3 у пос. Краснооктябрьский и 0,20±0,05 мг/дм3 в Осадной балке) значительно больше количества той же формы в поверхностной воде, которое составляет около 10 процентов от содержания в поровой воде (таблица 3).

Таблица 3

Содержание различных форм цинка в воде, Волгоградское водохранилище

Тип воды

Форма нахождения цинка

у пос. Краснооктябрьский

Залив Осадный

мг/дм3 ± ст. ошибка

% от валовой

% от поровой

мг/дм3 ± ст.ошибка

% от валовой

% от поро-вой

Поверх-ностная

Растворенная

0,010±

0,003

0,77

11,60

0,014±

0,004

4,10

7,00

Валовая

1,300±

0,400

100,00

-

0,340±

0,080

100,00

-

Взвешенная

1,300±

0,400

99,20

-

0,330±

0,080

95,90

-

Поро-вая

Растворенная

0,090±

0,020

-

-

0,200±

0,050

-

-

Концентрации растворённой формы цинка у пос. Краснооктябрьский и в заливе Осадном были примерно равны, несмотря на то что валовое содержание его в воде залива Осадный в 3-4 раза ниже, чем у пос. Краснооктябрьский. Это объясняется различным содержанием взвешенных веществ: основная часть цинка находится во взвешенной форме (95,9% - в зал. Осадный, и 99,2% у пос. Краснооктябрьский). Развитие фитопланктона, активно сорбирующего ТМ, также способствовало увеличению относительного содержания взвешенной формы. Известно, что цинк достаточно активно концентрируется в водорослях (коэффициент накопления 5,6·104), а еще больше - в тканях рыбы [6]. Однако валовое содержание цинка в почвах берегового склона оказалось еще выше, чем в донных отложениях, которое составило всего около 60% от содержания в почвах (таблица 4).

Таблица 4

Содержание различных форм цинка в донных отложениях и почвах прибрежной зоны Волгоградского водохранилища, мг/кг

Форма

нахождения

Донные отложения

Почвы берегового склона

Отношение ДО / почвы

у пос. Краснок-тябрьский

залив Осадный

у пос. Краснок-тябрь-ский

залив Осад-

ный

у пос. Краснок-тябрьский

залив Осад-

ный

Водораствори-мая

0,27± 0,10

4,60±

0,40

0,52±0,16

0,24±0,09

0,52

19,20

Подвижная

0,45± 0,13

10,00±

3,00

1,80±0,60

0,78±0,28

0,25

12,80

Кислотораст-воримая

16,00 ±5,00

11,00±

3,00

29,00±

9,00

29,00±

9,00

0,55

0,38

Валовая

23,00±7,00

32,00±

10,00

36,00±

11,00

63,00±

19,00

0,64

0,51

Концентрации водорастворимой и подвижной форм цинка в ДО залива Осадного были намного выше, чем в почвах, что указывает на загрязненность донных отложений соединениями цинка. Такой же вывод можно сделать, сравнивая содержание цинка в поровой воде донных отложений в этих точках. Причиной отбора проб может являться высокое содержание органического вещества в ДО залива Осадный, так как Zn в высокой степени концентрируется водными макрофитами. В наших исследованиях 2007 г. содержание Zn составляло в разных видах макрофитов (мкг/кг сухого веса): рогоз узколистный - 224, тростник - 198, рдест пронзеннолистный - 95, роголистник темно-зеленый - 99 [2]. В результате процессов миграции в водных экосистемах тяжёлые металлы концентрируются в донных отложениях и биоте, в то время как в самой воде они остаются в относительно небольших концентрациях [3-5].

Заключение

Растворенные формы меди и цинка поступают в донные отложения и воду из прибрежных почв. Содержание меди оказывается повышенным в донных отложениях с высоким содержанием органического вещества, образовавшегося за счет отмирания высшей водной растительности. Содержание валовых форм меди и цинка в воде достаточно велико, почти все они находятся во взвешенном состоянии. Высокая волновая активность на открытом участке водохранилища повышает содержание взвешенных форм меди и цинка. Содержания растворенных форм обоих металлов приближаются к их содержанию в донных отложениях, а для меди даже превышают последние. В ДО содержание доступной организмам подвижной формы меди и цинка также невелико и составляет 10-13% и 2% валового содержания соответственно. Содержания меди и цинка в поровой воде донных отложений повышены по сравнению с таковым в поверхностных слоях воды, что может указывать на протекание процесса десорбции металлов из донных отложений. Содержание меди в почвах береговой зоны превышает таковое в донных отложениях для валовой и кислоторастворимых форм более чем в 2 раза, в то время как содержание подвижных форм оказывается больше в донных отложениях, богатых растительными остатками. В то же время в богатых растительными остатками донных отложениях залива Осадный содержание доступной формы цинка достигает трети валового содержания.

Знание разных форм содержания меди и цинка необходимо для изучения ее миграции в экосистеме, так как при оценке опасности существующего уровня загрязнений медью и цинком экосистемы Волгоградского водохранилища необходимо учитывать доступность различных форм металлов для организмов.

Рецензенты:

Бухарицин Петр Иванович, доктор географических наук, профессор, ведущий научный сотрудник ИВП РАН, председатель Астраханского отделения Русского географического общества, г. Астрахань.

Курочкина Татьяна Федоровна, доктор биологических наук, профессор кафедры экологии, природопользования, землеустройства и безопасности жизнедеятельности Астраханского государственного университета, г. Астрахань.