FEATURES OF DISTRIBUTION OF SCATTERED METALS IN BENTHIC COMMUNITIES OF THE NORTH-WEST CASPIAN SEA
Authors:
1.
Astrakhan State Technical University
2.
Association of state universities of Caspian region countries
(Head)
Russian Federation
Russian Federation
3.
Astrakhan State Technical University
4.
Volga-Caspian branch of All-Russian Research Institute of Fisheries and Oceanography
(Candidate of Biological Sciences; Senior Researcher of the Laboratory of Molecular Genetics and Physiology)
Type:
Article
Pages:
from 106
to 110
Status:
Published
Received:
05.06.2013
Accepted:
25.06.2013
Published:
25.06.2013
Subject area:
UDK 574.587(262.81):576.3/7
GRNTI 34.39 Физиология человека и животных
GRNTI 62.13 Биотехнологические процессы и аппараты
GRNTI 69.01 Общие вопросы рыбного хозяйства
GRNTI 69.25 Аквакультура. Рыбоводство
GRNTI 69.31 Промышленное рыболовство
GRNTI 69.51 Технология переработки сырья водного происхождения
GRNTI 87.19 Загрязнение и охрана вод суши, морей и океанов
BBK 28.082.32(961):24.115.1
GRNTI 34.39 Физиология человека и животных
GRNTI 62.13 Биотехнологические процессы и аппараты
GRNTI 69.01 Общие вопросы рыбного хозяйства
GRNTI 69.25 Аквакультура. Рыбоводство
GRNTI 69.31 Промышленное рыболовство
GRNTI 69.51 Технология переработки сырья водного происхождения
GRNTI 87.19 Загрязнение и охрана вод суши, морей и океанов
BBK 28.082.32(961):24.115.1
Language:
Russian
Keywords:
benthos, soil, biogeochemical cycles, algae, mollusks, copper, zinc, nickel, North-West Caspian Sea
Abstract (English):
The features of the distribution of copper, zinc, nickel in soils and benthic organisms of the North-West Caspian Sea are studied. A particular attention is paid to the study of the mechanism and nature of mineral exchange between water organisms and the environment, including the biogeochemical cycles of migration of chemical elements in the system "soil-benthos". It is stated that the distribution of copper, zinc and nickel in the benthic communities of the North-West Caspian Sea does not strongly depends on the depths of the sea. The soils of the North-West Caspian Sea are characterized with a very low content of zinc and copper and a reduced nickel content. Using the calculated coefficients of migration, it is determined that among the investigated benthic communities nickel is largely accumulated by benthic animals, while copper and zinc – by plants.
The features of the distribution of copper, zinc, nickel in soils and benthic organisms of the North-West Caspian Sea are studied. A particular attention is paid to the study of the mechanism and nature of mineral exchange between water organisms and the environment, including the biogeochemical cycles of migration of chemical elements in the system "soil-benthos". It is stated that the distribution of copper, zinc and nickel in the benthic communities of the North-West Caspian Sea does not strongly depends on the depths of the sea. The soils of the North-West Caspian Sea are characterized with a very low content of zinc and copper and a reduced nickel content. Using the calculated coefficients of migration, it is determined that among the investigated benthic communities nickel is largely accumulated by benthic animals, while copper and zinc – by plants.
Keywords:
benthos, soil, biogeochemical cycles, algae, mollusks, copper, zinc, nickel, North-West Caspian Sea
benthos, soil, biogeochemical cycles, algae, mollusks, copper, zinc, nickel, North-West Caspian Sea
Оптимизация любых биоценозов, в том числе и водных, достигается прежде всего сбалансированным поступлением химических элементов в живые организмы, что требует изучения различных экосистем на биогеохимическом уровне. Для водных экосистем это исследования сходства и различий в содержании микроэлементов между компонентами биоценозов с учетом пространственного распределения, при изучении сообществ бентосных организмов – в зависимости от изменения глубины водоема, а также типа грунта. В различных геохимических условиях среды биогеохимическая пищевая цепь, благодаря количественным и качественным изменениям, может быть использована для характеристики субрегионов биосферы. Изменчивость биогеохимической цепи может достигать значительных величин, но она должна быть в определенной степени лимитирована содержанием химических элементов в компонентах экосистемы. Водные экосистемы характеризуются значительным разнообразием распределения и миграции элементов. Понимание закономерностей миграции химических элементов в водоемах невозможно без выяснения путей и процессов их концентрирования и обмена в организмах, потребности гидробионтов в микроэлементах, установления их пороговых, токсических и биотических концентраций и природы естественных, содержащих металлы соединений, формы которых могут изменяться в процессе миграции через грунты, воды, первичную продукцию, планктон, макрофиты, бентосную фауну и рыб. Следует отметить, что в пищевых цепях происходит процесс отсеивания – уменьшения количества одних элементов и накопления – увеличения концентрации других [1]. Целью предпринятых нами исследований являлся биогеохимический анализ грунта, а именно распределение меди, цинка и никеля в грунтах и в некоторых представителях зоо- и фитобентоса Северо-Западного Каспия. Выявленные закономерности изменения содержания меди, цинка и никеля в составе бентосных сообществ, удаленных от берега, позволят проследить пространственное и глубинное распределение этих микроэлементов в грунтах и бентосных организмах северо-западной части Каспийского моря. Материал и методы исследования Объекты исследования – пробы грунтов, различающихся по типу (ракушечный, песчано-ракушечный и илисто-ракушечный); донных водорослей, обитающих на данных грунтах – энтероморфа извилистая (Enteromorpha flexuosa), кладофора сборная (Сladophora glomerata); раковинных моллюсков – митилястер (Mytilaster lineatus), церастодерма (Cerastoderma lamarcki); усоногих ракообразных – балянус или морской желудь (Balanus improvisus), который живет, прикрепляясь к субстрату. Пробы отбирали и подготавливали по существующему стандарту по отбору и подготовке проб для химического анализа грунтов. Количественный анализ металлов проводили по методическим указаниям атомно-абсорбционного анализа [2, 3] на атомно-адсорбционном спектрофотометре Hitachi 180-50. Применялась трехщелевая ацетилено-пропановая горелка, газ – пропан, окислитель – воздух. Для каждого металла использовалась отдельная лампа с полым катодом. Результаты исследований Никель. Результаты анализа показали, что количество никеля в донных отложениях несколько возрастает в южном направлении – от 19,6 мг/кг на мелководной станции до 29 мг/кг на станции с глубинами до 50 м, а по направлению к востоку концентрация никеля снижается до 7,2 мг/кг на станции с глубинами до 5 м. Среднее содержание этого элемента в грунтах Северо-Западного Каспия составляет 19,6 мг/кг. Согласно результатам анализа, самыми бедными по содержанию никеля являются илисто-ракушечные грунты (7,2 мг/кг), наиболее богатыми – ракушечные грунты (23,45 мг/кг), песчано-ракушечные грунты содержат среднее количество никеля – 18,6 мг/кг. Для никеля коэффициент концентрации в морских грунтах равен 0,37, что говорит о низком содержании никеля в грунтах по сравнению с литосферой. Следует отметить, что нет принципиального различия в аккумуляции никеля в фито- и зообентосе. Среднее содержание этого элемента в растительных и животных образцах отличается незначительно – 20,1 и 24,9 мг/кг соответственно. Установлено, что концентрация никеля имеет положительную корреляцию у таких представителей зообентоса, как митилястер и балянус (коэффициент корреляции r = 0,96). Положительная корреляция по никелю наблюдается также у раковины и тела церастодермы (r = 0,7). Раковины этих моллюсков утилизируют никеля больше, чем тела – 23,9 и 16,0 мг/кг соответственно. На примере церастодермы прослеживается положительная корреляция в изменении содержания никеля в системе «грунт – моллюск» с увеличением глубины от 3 до 50 м (коэффициент корреляции r = 0,62). Содержание никеля у водорослей энтероморфа извилистая и кладофора сборная положительно коррелирует только на небольших глубинах (3–10 м, r = 0,7), а на большой глубине характер корреляции меняется на отрицательный, т. е. содержание никеля в энтероморфе падает, а в кладофоре растет. Медь. Содержание меди в грунтах, как и содержание других микроэлементов, определяется главным образом их содержанием в материнских породах, а также характером органических отложений. Для меди характерна значительная биогенность, высокая контрастность миграции, склонность к комплексообразованию и адсорбции. Содержание меди в грунтах в южном направлении сначала немного возрастает, достигая величины 10 мг/кг на глубинах 5–10 м , затем, с увеличением глубины до 50 м, плавно снижается. Среднее содержание этого металла в грунтах на изученных станциях Северо-Западного Каспия составляет 5,6 мг/кг. Определенной зависимости содержания меди от типа грунта нами не выявлено. Коэффициенты концентрации (Кк) меди в изученных экотопах, рассчитанные нами, свидетельствуют о том, что грунты исследованных водоемов характеризуются относительно низкой способностью к накоплению меди, концентрация которой в исследованных грунтах значительно ниже ее средних концентраций в литосфере [4]. Микроэлементный анализ грунтов и организмов бентоса в зависимости от глубины показал, что концентрация меди в биотических компонентах бентосных сообществ зависит от глубины моря. Отмечено, что с увеличением глубины моря изменение содержания меди носит неоднородный характер. Однако можно отметить следующие особенности: – низкое содержание меди в грунтах – 5,6 мг/кг; – различие в аккумуляции меди между фито- и зообентосом – 22,8 и 6,45 мг/кг соответственно, т. е. концентрация меди в водорослях в 3,5 раза выше. Следует отметить, что среднее содержание меди в теле изученных морских двустворчатых моллюсков очень низкое, оно значительно меньше, чем ее количество в грунтах – 5,2 мг/кг и 5,6 мг/кг соответственно. Так, усоногий рак-балянус содержит вдвое больше меди (10,1 мг/кг), чем изученные морские двустворчатые моллюски. Концентрация меди в раковинах церастодермы положительно коррелирует с ее содержанием в грунтах (коэффициент корреляции r = 0,65). Макрофиты – растительные организмы, имеющие большое значение в продукционном балансе водоёма. Они создают основную часть первичного органического вещества – материальную и энергетическую основу существования водных и околоводных животных, оказывают сильное средообразующее влияние, изменяют газовый режим и активируют реакцию воды, определяют локальную гидродинамическую обстановку, участвуют в обмене макро- и микроэлементов и трансформации донных отложений, служат средой обитания и пищей многих бентосных животных и рыб. Нами установлена высокая степень накопления меди донными водорослями – 22,8 мг/кг, особенно кладофорой – 30,7 мг/кг. Четко выраженной динамики утилизации меди кладофорой сборной не установлено, а для энтероморфы извилистой характерно некоторое снижение концентрации меди по мере увеличения глубины. Цинк. Содержание цинка в грунтах в южном направлении сначала резко возрастает, достигая 37,8 мг/кг на глубинах 3–20 м, затем, на глубинах 10–50 м, снижается до 2 мг/кг, после чего снова увеличивается и на глубинах близких к 50 м достигает концентрации 30 мг/кг. Среднее содержание этого элемента в донных отложениях Северо-Западного Каспия составляет 13,9 мг/кг. Определенной зависимости содержания цинка от типа грунта нами не обнаружено. Грунты Северо-Западного Каспия характеризуются относительно низкой способностью к накоплению цинка, концентрация которого в исследованных грунтах значительно ниже средних концентраций этого элемента в литосфере [4]. Коэффициент концентрации составляет всего 0,17. Нами выявлены изменения концентрации цинка в компонентах бентосных сообществ в зависимости от характеристики экотопа (донных отложений), которые заключаются в следующем: – с увеличением глубины моря однозначной динамики содержания цинка в грунтах не обнаружено; – установлено повышение концентраций цинка на глубине 5–10 м как в грунтах (37,8 мг/кг), так и в бентосных организмах (в среднем – 24 мг/кг) по сравнению с грунтом и донными организмами на других глубинах; – различий в аккумуляции цинка между фито- и зообентосом не выявлено. Следует отметить положительную корелляцию между содержанием цинка в грунтах и в теле церастодермы (r = 0,2). Определено принципиальное различие между содержанием цинка в раковине и теле церастодермы – 2,3 и 40,5 мг/кг соответственно. Установлено, что среднее содержание цинка в фитобентосе уменьшается с глубиной от 28,3 до 20,0 мг/кг сухого вещества. Таким образом, в результате исследований выявлено, что самыми бедными по содержанию никеля являются илисто-ракушечные грунты (7,2 мг/кг), наиболее богатыми – ракушечные грунты (23,45 мг/кг), при среднем содержании 19,6 мг/кг. Среднее содержание меди и цинка в грунтах Северо-Западного Каспия составляет 5,6 и 13,9 мг/кг соответственно. В целом грунты Северо-Западного Каспия характеризуются очень низким содержанием цинка и меди и пониженным содержанием никеля. Коэффициенты концентраций (по отношению к кларку) приведены в таблице. Коэффициент концентрации меди, цинка и никеля в грунтах Северо-Западного Каспия ЭлементКларк, мг/кг сухого веществаСодержание элементов в грунтах, мг/кгКк Cu475,60,12 Zn8313,90,17 Ni5319,60,37 Заключение Таким образом, результаты исследований показали, что распределение Cu, Zn и Ni в бентосных сообществах Северо-Западного Каспия зависит от глубины моря. Повышение концентрации меди и цинка в них отмечено уже на глубине 10 м, а повышенная утилизация никеля бентосными организмами характерна для более глубоких районов моря (50 м). Накопление рассеянных элементов моллюсками и макрофитами имеет свои особенности. В связи с тем, что они являются малоподвижными организмами, окружающая среда оказывает на их химический состав более выраженное действие, чем на планктонные организмы. Моллюски могут накапливать большое количество микроэлементов, в несколько раз превышающее их концентрацию в воде и грунте. Большее количество микроэлементов моллюски накапливают телом. Концентрация накопленных элементов зависит от видовых особенностей животных и мест их обитания [5]. Определены особенности утилизации никеля, меди и цинка зоо- и фитобентосом. Концентрация меди в водорослях выше, чем у представителей зообентоса – 22,8 и 6,45 мг/кг соответственно. Наиболее выраженная утилизирующая способность меди обнаружена для кладофоры сборной – 30,7 мг/кг. Представитель усоногих раков – балянус – содержит вдвое больше меди (10,1 мг/кг), чем изученные виды двустворчатых моллюсков (5,2 мг/кг). Определены коэффициенты миграции для Cu, Zn и Ni в системах «грунт – зообентос», «грунт – водоросли», которые составляют для никеля в системе «грунт – зообентос» 1,27, а в системе «грунт – водоросли» – 1,01. Никель в большей степени накапливается зообентосом, а медь и цинк лучше аккумулируются водорослями. Для меди коэффициент миграции в системе «грунт – зообентос» составляет 1,15, а в системе «грунт – водоросли» – 4,05; для цинка коэффициенты миграции в изученных системах соответственно равны – 1,4 и 1,6. Из полученных результатов видно, что распределение Cu, Zn и Ni в бентосных сообществах Северо-Западного Каспия от глубины моря зависит слабо. С помощью вычисленных коэффициентов миграции определено, что в исследованных бентосных сообществах никель в большей степени накапливают бентосные животные, а медь и цинк – растения. Изученные химические элементы по содержанию в грунтах, фито- и зообентосе имеют одинаковый в качественном отношении убывающий ряд: Ni > Zn > Cu. Полученные данные могут быть использованы при изучении сезонного мониторинга содержания этих металлов, а также динамики их миграционной способности в процессе сукцессии и с изменением глубины.
1. Koval'skiy V. V. Geohimicheskaya ekologiya / V. V. Koval'skiy. M.: Nauka, 1974. 300 s.
2. Bricke M. E. Atomno-absorbcionnyy spektrohimicheskiy analiz / M. E. Bricke. M.: Himiya, 1982. 232 s.
3. Prays S. V. Analiticheskaya atomno-absorbcionnaya spektroskopiya / S. V. Prays. M.: Mir, 1976. 355 s.
4. Vinogradov A. P. Mikroelementy i zadachi nauki / A. P. Vinogradov. M.: Agrohimiya, 1965. № 8. S. 20-31.
5. Ermakov V. V. Geohimicheskaya ekologiya zhivotnyh / V. V. Ermakov, S. F. Tyutikov. M.: Nauka, 2008. 315 s.
