TO THE QUESTION OF ACCUMULATION OF HEAVY METALS (PB, HG, AS) IN THE COMPONENTS OF AQUATIC ECOSYSTEMS OF ESTUARINE AREA OF THE RED RIVER (VIETNAM)
Authors:
1.
Astrakhan State Technical University; Caspian Institute of Sea and River Transport named after Admiral F. M. Apraksin, branch of the Volga State University of Water Transport
(Doctor of Biological Sciences, Assistant Professor; Professor of the Department of Hydrobiology and General Ecology; Professor of the Department of Mathematical and Natural Sciences disciplines)
Russian Federation
Russian Federation
2.
Astrakhan State Technical University; Vietnam Maritime University
(Postgraduate Student of the Department of Hydrobiology and General Ecology; Lecturer of the Department of Engineering Ekology)
Russian Federation
Russian Federation
Type:
Article
Pages:
from 132
to 140
Status:
Published
Received:
05.03.2018
Accepted:
25.03.2018
Published:
25.03.2018
Subject area:
UDK 574.52: 543.31
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
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
Language:
Russian
Keywords:
heavy metals, enrichment coefficients of heavy metals, bottom sediments, mollusks Meretrix lyrata, bioaccumulation
Abstract (English):
The paper focuses on the peculiarities of accumulating heavy metals (Pb, Hg, As) in the system "water - bottom sediments - mollusks" in the estuary of the Red river (Vietnam). The objectives established in the work were to determine concentration and accumulation of heavy metals in different components of the estuarine area of the Red river (water, suspended solids, sediments, soft tissues and intestines of shellfish) and to analyze the dynamics of heavy metals. The studies were conducted during the main hydrological seasons in 2014-2016 (high water and low water periods). The suspended Pb, Hg, As concentration in the waters of the mouth area of the Red river is maximum in the mouths of the arms and gradually decreases towards the sea. The distribution of Pb, Hg, As in suspended solids is characterized by a considerable unevenness, the maximum concentration of these elements was observed in the surface water layer on the river-sea frontier. According to the average values of the enrichment coefficient KSS/BS, the studied heavy metals arrange in the following order: Pb>Hg>As, i.e. the maximum contents of Hg and As in the mouth area of the Red river were observed in sediments, maximum content of Pb - in suspension. There has been found a mechanism of distributing heavy metals in different forms in sediments. Accumulating the studied heavy metals in mollusks Meretrix lyrata is uneaven, which is both stipulated by physical abilities of different body organs of the mollusks and movability of the metals. According to the content of heavy metals in the soft tissues and intestines of mollusks, heavy metals are distributed in the following order: As>Pb>Hg. Accumulation of Pb in the intestine is 3 times greater than in soft tissues, but accumulation of As and Hg in the intestine and soft tissues are almost identical. Mollusks take most heavy metals from the suspended matter and organic fraction of bottom sediments.
The paper focuses on the peculiarities of accumulating heavy metals (Pb, Hg, As) in the system "water - bottom sediments - mollusks" in the estuary of the Red river (Vietnam). The objectives established in the work were to determine concentration and accumulation of heavy metals in different components of the estuarine area of the Red river (water, suspended solids, sediments, soft tissues and intestines of shellfish) and to analyze the dynamics of heavy metals. The studies were conducted during the main hydrological seasons in 2014-2016 (high water and low water periods). The suspended Pb, Hg, As concentration in the waters of the mouth area of the Red river is maximum in the mouths of the arms and gradually decreases towards the sea. The distribution of Pb, Hg, As in suspended solids is characterized by a considerable unevenness, the maximum concentration of these elements was observed in the surface water layer on the river-sea frontier. According to the average values of the enrichment coefficient KSS/BS, the studied heavy metals arrange in the following order: Pb>Hg>As, i.e. the maximum contents of Hg and As in the mouth area of the Red river were observed in sediments, maximum content of Pb - in suspension. There has been found a mechanism of distributing heavy metals in different forms in sediments. Accumulating the studied heavy metals in mollusks Meretrix lyrata is uneaven, which is both stipulated by physical abilities of different body organs of the mollusks and movability of the metals. According to the content of heavy metals in the soft tissues and intestines of mollusks, heavy metals are distributed in the following order: As>Pb>Hg. Accumulation of Pb in the intestine is 3 times greater than in soft tissues, but accumulation of As and Hg in the intestine and soft tissues are almost identical. Mollusks take most heavy metals from the suspended matter and organic fraction of bottom sediments.
Keywords:
heavy metals, enrichment coefficients of heavy metals, bottom sediments, mollusks Meretrix lyrata, bioaccumulation
heavy metals, enrichment coefficients of heavy metals, bottom sediments, mollusks Meretrix lyrata, bioaccumulation
Введение Устьевая область р. Красная (Хонгха) - одна из крупнейших во Вьетнаме, она в современных условиях состоит из дельты (14,6 тыс. км2) и устьевого взморья (1 300 км2) [1, 2]. На этой территории располагается мощный транспортно-промышленный узел на базе городов Северного Вьетнама [3]. Здесь также находятся основные площади рисовых полей. Такая концентрация производственных объектов обуславливает высокий уровень загрязнения в устьевой области р. Красная. В связи с этим изучение закономерностей распределения, состояния и поведения химических элементов на устьевом взморье р. Красная является актуальным для выявления уровня антропогенного загрязнения в районе исследования, прогнозирования экологических последствий воздействия на водную среду р. Красная. Цель работы заключалась в исследовании процессов накопления тяжелых металлов (Pb, Hg, As) в системе «вода - донные отложения - моллюски». Для этого было изучено содержание и накопление тяжелых металлов (ТМ) в отдельных компонентах устьевой области р. Красная (воде, взвешенном веществе, донных отложениях, мягких тканях и кишечнике моллюсков) и проведен анализ движения ТМ. Материалы и методы исследования Наблюдения проводились по следующим стационарам: по основному руслу р. Красная - на дельте (5 станций: С1-С5); станции С6-С8 относятся к устьям рукавов Чали, Балат и Нинько соответственно; станции С9 и С10 относятся к предустьевому взморью, расстояние между станциями составляет 15 км (рис. 1). - место отбора проб Рис. 1. Карта-схема устьевой области р. Красная (Хонгха): ВД - вершина дельты; ВУО - вершина устьевой области; районы сильного современного выдвижения дельты (А), размыва морского края дельты (В) Исследования проводились в период основных гидрологических сезонов 2014-2016 гг. (половодья и межени). Определение ТМ в воде, взвешенных веществах, донных отложениях проводилось методом атомно-абсорбционной спектрометрии [4-6]. Моллюски Meretrix lyrata отбирали также в 2 раза в год. Для эксперимента были использованы моллюски 3-летнего возраста. Выбор возрастной категории обусловлен вступлением организмов в период высокой биохимической и физиологической активности, повышением фильтрующей способности и, как следствие, повышенным концентрированием веществ из среды обитания [7]. Для исследования содержания ТМ мягкое тело моллюсков вынимали из раковины, разделяли мягкие ткани, среднюю и заднюю части кишечника [7, 8]. Далее определяли концентрацию ТМ методом атомно-абсорбционной спектрометрии, атомизацию проб осуществляли методом «холодного пара» [4, 9]. Результаты исследования Тяжелые металлы в воде и во взвешенном веществе. В природных водах ТМ могут находиться в виде смеси различных форм: взвешенных, коллоидных и истинно растворенных частиц, свободных гидратированных катионов, оксо- и гидроксокомплексов, комплексов с неорганическими и особенно органическими лигандами [10]. Самые высокие концентрации растворенных форм Pb, Hg, As наблюдались в вершине дельты р. Красная, где сосредоточены химические предприятия, промышленные центры и рисовые поля. Распределение концентрации взвешенной формы Pb, Hg, As в воде устьевой области р. Красная характеризуется наличием максимума в устьях рукавов. Из-за снижения скоростей течения в основном русле и дельтовых рукавах по мере приближения к морскому краю дельты и во взморье наблюдается процесс аккумуляции взвешенных веществ и сорбированных на них загрязняющих веществ [11]. По направлению к морю концентрация взвешенной формы этих элементов снижается со значительными градиентами, что сходно с распределением концентраций взвешенных веществ в водах устьевой области (табл. 1). Таблица 1 Концентрация взвешенной формы тяжелых металлов в воде устьевой области р. Красная № станции Глубина, м S, ‰ Pb, нг/г Hg, нг/г As, нг/г С1 1 0 675 28 32 20 0 886 31 45 Окончание табл. 1 № станции Глубина, м S, ‰ Pb, нг/г Hg, нг/г As, нг/г C2 1 0 632 24,5 26 15 0 741 27 31 С3 1 0 1012,5 60 62 15 0 1104 35 50 С4 1 0 1251 80 84 15 0 1233 95,4 95 С5 1 0 1044 52 45 15 0 1063,2 78 80 С6 1 3 1 427 85 72 10 15 2 459 98 92 C7 1 3 1 588 106 97 10 16 3 328 252 134 С8 1 3,5 1 123 82 67 10 16,5 2 571 122 92 C9 1 20 795 62 41 20 26 1 412 115 77 С10 1 25 305 42 12 20 26 47 51 28 40 27 297 68 41 Вероятно, потери взвешенной формы данных элементов на геохимическом барьере «река - море» пропорциональны потерям самого взвешенного вещества, а распределение подчиняется циркумконтинентальной зональности: по мере удаления от устья уменьшается как общая концентрация взвеси, так и доля соединений ТМ в ее составе [10]. Так, можно отметить, что основным источником поступления элементов в устьевом взморье является речной сток. Содержание ТМ во взвешенном веществе представлено в табл. 2. Таблица 2 Содержание тяжелых металлов во взвешенном веществе устьевой области р. Красная № станции Глубина, м S, ‰ Pb, мкг/г Hg, мкг/г As, мкг/г С1 1 0 15 0,07 0,06 20 0 26 0,1 0,45 C2 1 0 12,5 0,05 0,05 15 0 21 0,09 0,31 С3 1 0 22,5 0,2 0,5 15 0 32,4 0,1 0,87 С4 1 0 27,8 0,45 0,54 15 0 36,2 0,82 0,95 С5 1 0 23,2 0,38 0,45 15 0 31,2 0,78 0,8 С6 1 3 51 0,5 0,72 10 15 78 1,8 1,2 C7 1 3 55 0,6 0,94 10 16 86 1,2 1,34 С8 1 3,5 48 0,45 0,67 10 16,5 72 1,0 0,92 C9 1 20 68 0,9 1,41 20 26 42 1,15 0,77 С10 1 25 32 0,08 0,22 20 26 2 0,19 0,28 40 27 31 0,68 0,81 Как видно из табл. 2, для распределения Pb, Hg, As во взвешенном веществе характерна значительная неоднородность. Максимальные концентрации этих элементов наблюдались в поверхностном слое воды на станции С9 (концентрации Pb, Hg, As 68; 0,9; 1,41 мкг/г соответственно). Это может быть обусловлено флоккуляцией неорганических и органических растворенных веществ с сопутствующим захватом растворенных форм металлов. Данный процесс является основным механизмом извлечения растворенных микроэлементов во время перемешивания вод и имеет максимум интенсивности в диапазоне солености 15-20 ‰ [12]. В распределении Pb, Hg, As во взвешенном веществе по глубинам не выявлено выраженной тенденции. Неоднородное распределение ТМ зависит от состава взвешенных частиц, короткого времени жизни вод устьевого взморья и соотношения между процессами сорбции ТМ на взвешенных частицах и десорбции, приводящих к мобилизации взвешенной формы ТМ в раствор. Распределение тяжелых металлов между взвешенной фазой и фазой донных отложений. На рис. 2 представлены сравнительные гистограммы содержания изучаемых элементов во взвешенном веществе поверхностного слоя воды (ВВпов), взвешенном веществе придонного слоя воды (ВВдно) и в поверхностном слое донных отложений (ДО) на станциях С1, С7, С9, С10, приуроченных к дельте, речному, среднему и морскому районам устьевой области р. Красная. Рис. 2. Сравнительные гистограммы содержания изучаемых элементов во взвешенном веществе поверхностного слоя воды (ВВпов), во взвешенном веществе придонного слоя воды (ВВдно) и в донных отложениях (ДО) на основных частях устьевой области р. Красная в 2014-2016 гг.: а - свинец; б - ртуть; в - мышьяк Распределение Hg, Pb и As отличается следующими особенностями: содержание Hg и As в устьевой области р. Красная наблюдалось в порядке возрастания: ВВпов< ВВдно< ДО; в распределении общей особенностью является преобладание взвешенной фазы данных элементов над фазой донных отложений. На станции С7 (устье рук. Балат) наблюдался максимум содержания всех изученных металлов во взвешенном веществе поверхностного водного слоя и донных отложениях. Для исследования характеристики распределения ТМ между взвешенной формой и донными отложениями необходимо определить коэффициенты обогащения ТМ (Кв.в/д.о) [13-15]. Результаты расчета этих коэффициентов на станциях С1, С7, С9, С10, приуроченных к дельте, речному устью, среднему и морскому районам устьевой области р. Красная, приведены в табл. 3. Таблица 3 Коэффициенты обогащения взвешенного вещества тяжелыми металлами поверхностного слоя донных отложений № станции KPb KHg KAs С1 0,71 0,01 0,003 C7 0,89 0,04 0,03 C9 2,72 0,01 0,02 C10 1,45 0,01 0,005 Среднее значение 1,44 0,02 0,01 По величинам среднего коэффициента обогащения Кв.в/д.о изученные тяжелые металлы образуют следующий убывающий ряд: Pb > Hg > As. Средние значения Кв.в/д.о для Hg и As составляют 0,003-0,04. Содержание этих металлов повышено в донных отложениях относительно взвешенного вещества. Вероятно, эти элементы связаны преимущественно с минеральной глинистой компонентой твердого речного стока и накапливаются в составе донных отложений в геохимически инертной форме [10]. Коэффициент Кв.в/д.о для Pb варьирует в широких пределах (0,71-2,72) в различных частях, т. е. распределение этого металла зависит не только от процессов адсорбции взвешенными веществами, но и от физико-химических процессов, протекающих в различных частях устьевого взморья. Формы нахождения тяжелых металлов в донных отложениях. В донных отложениях концентрации изученных ТМ в десятки и сотни раз больше, чем в растворенных и взвешенных формах. Здесь они существуют в различных формах нахождения. Результаты исследования форм нахождения ТМ представлены в табл. 4. Таблица 4 Формы нахождения ТМ в донных отложениях устьевой области р. Красная Металл Валовые формы Карбонатная фракция Фракция железомарганцевых оксидов Органическая фракция Остаточная фракция мкг/г % мкг/г % мкг/г % мкг/г % Pb 62/25* _** 0,0 19,1/7,3 30,8/29,2 24,7/9,8 39,8/39,2 18,2/7,9 29,3/31,6 Hg 14,5/12 - 0,0 - 0,0 0,13/0,1 0,9/0,83 14,37/11,9 99,1/99,17 As 32,7/25,2 0,15/0,1 0,47/0,4 2,1/1,5 6,4/5,95 3,45/2,55 10,55/10,12 27/21,05 82,6/83,53 * Числитель - значения в речной части, знаменатель - в морской части. ** Не наблюдалась. Свинец присутствует во фракции железомарганцевых оксидов (29,2-30,8 %), органической (более 39 %) и остаточной фракции, отсутствует в карбонатной. Мышьяк в донных отложениях присутствует во всех фракциях нахождения: в карбонатной фракции (0,4-0,47 %), фракции железомарганцевых оксидов (5,95-6,4 %), органической (10,1-10,55 %) и остаточной фракции (более 80 %) Ртуть в донных отложениях на всех станциях устьевой области р. Красная не наблюдалась во фракциях карбонатной и железомарганцевых оксидов. Основная часть ртути присутствует в остаточной (неподвижной) фракции. Таким образом, преобладание доли изученных ТМ в остаточной (неподвижной) фракции, по сравнению с другими фракциями, наблюдается на всех станциях. Однако присутствие значительной части свинца в органической фракции говорит о том, что в донных отложениях данный элемент подвижнее, чем другие изученные металлы. В речной части устьевой области доля большинства фракций ТМ (за исключением остаточной фракции) больше, чем в морской части. В распределении ТМ в донных отложениях устьевой области наблюдалась следующая закономерность: «остаточная (минеральная) фракция > органическая фракция > фракция железомарганцевых оксидов > карбонатная фракция > растворенная фракция в воде». Аккумуляция ТМ в моллюски Meretrix lyrata. Содержание ТМ в мягких тканях и кишечнике (средней и задней части) двустворчатых моллюсков Meretrix lyrata отражено на рис. 3. Рис. 3. Накопление ТМ в разных органах моллюсков Meretrix lyrata в устьевой области р. Красная Согласно полученным результатам содержание всех изученных тяжелых металлов не превысило ПДК (для пищевых продуктов) Вьетнама. Анализ накопления токсикантов в органах Meretrix lyrata показал неодинаковое их накопление. В мягких тканях и в кишечнике моллюсков содержатся все три изученных металла, однако концентрация ТМ в кишечнике больше (в 1,1-3 раза), чем в мягких тканях. Неодинаковое накопление ТМ в моллюсках объясняется, вероятно, разной концентрирующей способностью органов, способом биоаккумуляции и уровнем подвижности самих металлов [7]. Содержание Hg и As в тканях и кишечнике наблюдалось практически на одном уровне (Hg 0,01 ± 0,001 и 0,012 ± 0,004 мг/кг; As - 1,8 ± 0,14 и 1,88 ± 0,14 мг/кг соответственно), т. е. из пищеварительного тракта данные элементы переходят в мягкие ткани, где и накапливаются. Средняя концентрация свинца в среднем и заднем отделе кишечника моллюсков (0,35 ± 0,09 мг/кг) в 3 раза выше, чем его концентрация в мягких тканях (0,125 ± 0,04 мг/кг). Большинство Pb содержится в кишечнике, т. к. данный элемент легко накапливается и имеет низкую подвижность. Помимо незначительного содержания Pb в растворенной форме, его высокое содержание отмечается во взвешенной форме и в донных отложениях, т. е. большинство Pb попадает в моллюски из взвешенного вещества и органической фракции донных отложений. По сравнению с другими металлами, накопление As в теле моллюсков максимально. Мышьяк значительно распространен во всех формах: растворенной, взвешенной и всех фракциях донных отложений. Выводы Распределение взвешенной формы Pb, Hg, As в воде устьевой области р. Красная характеризуется наличием максимума в устьях рукавов и общим убывающим градиентом в сторону моря. Для распределения Pb, Hg, As во взвешенном веществе характерна значительная неоднородность. Максимальные концентрации этих элементов наблюдались в поверхностном слое воды на барьере «река - море». По величинам среднего коэффициента обогащения Кв.в/д.о изученные тяжелые металлы располагаются в следующей последовательности: Pb > Hg > As, т. е. содержание ртути и мышьяка в устьевой области р. Красная наблюдалось в порядке ВВпов < ВВдно < ДО, а содержание свинца - ВВ > ДО. Закономерность распределения ТМ в различных формах нахождения в донных отложениях, наблюдавшуюся в устьевой области р. Красная, можно представить следующим рядом: остаточная фракция (минеральная фракция) > органическая фракция > фракция железомарганцевых оксидов > карбонатная фракция > растворенная в воде фракция. В зависимости от концентрирующей способности разных органов моллюсков и подвижности самих металлов накопления изученных тяжелых металлов в моллюсках Meretrix lyrata неодинаковы. По содержанию ТМ в мягких тканях и кишечнике моллюсков ТМ распределяют в следующем порядке: As > Pb > Hg. Накопление Pb в кишечнике в 3 раза выше, чем в мягких тканях, а накопления As и Hg в кишечнике и мягких тканях почти одинаковы. Большинство ТМ в моллюски попадают из взвешенного вещества и органической фракции донных отложений.
1. Isupova M. V., Mihaylov V. N. Gidrologicheskie processy v ust'evoy oblasti r. Hongha (Krasnaya) // Vodnye resursy. 2011. T. 38. № 5. S. 524-537.
2. Nguen T. T. N., Volkova I. V. Sravnitel'nyy analiz vozmozhnosti primeneniya metodov rascheta integral'nogo pokazatelya kachestva vody dlya ocenki vody v ust'evoy oblasti reki Krasnaya. URL: https: // www.science-education.ru/ru/article/view?id=26236 (data obrascheniya: 27.09.2017).
3. Ky N. V. Ust'evye oblasti rek V'etnama. Odessa: Astroprint, 2004. 360 s.
4. PND F14.1:2:4.139-98. Metodika vypolneniya izmereniy massovyh koncentraciy kobal'ta, nikelya, medi, cinka, hroma, marganca, zheleza, serebra v pit'evyh, prirodnyh i stochnyh vodah metodom atomno-adsorbcionnoy spektrometrii. M.: Gos. kom. RF po ohr. okruzh. sredy, 1998. 24 s.
5. Murav'ev A. G. Rukovodstvo po opredeleniyu pokazateley kachestva vody polevymi metodami. SPb.: «Krismas+», 2004. 248 s.
6. Novikov M. A. K voprosu o fonovyh znacheniyah urovney soderzhaniya tyazhelyh metallov v donnyh otlozheniyah Barenceva morya // Vestn. MGTU. 2017. T. 20. № 1/2. S. 280-288.
7. Pham Kim Phuong, Nguyen Thi Dung. To study accumulation of heavy metals As, Cd, Pb and Hg in Bivalves from natural environment // Science and technology (in Vietnam). 2007. Vol. 45, No. 5. P. 57-62.
8. Lavrinenko A. V., Il'yasova G. H. Nakoplenie tyazhelyh metallov v mollyuskah del'ty reki Volgi // Estestvennye nauki. 2010. T. 4. № 33. C. 18-20.
9. Vorob'ev V. I., Zaycev V. F., Scherbakova E. N. Biogennaya migraciya tyazhelyh metallov v organizme russkogo osetra (Acipenser guldenstadti Brandt): monogr. Astrahan': OOO «CNTEP», 2007. 116 s.
10. Linnik P. N., Nabivanec B. I. Formy migracii metallov v presnyh poverhnostnyh vodah. L.: Gidrometeoizdat, 1986. 270 s.
11. Polonskiy V. F. Ust'evaya oblast' Volgi: gidrologo-morfologicheskie processy, rezhim zagryaznyayuschih veschestv i vliyanie kolebaniy urovnya Kaspiyskogo morya. M.: GEOS, 1998. 280 s.
12. Chuhlebova L. M., Berdikov N. V. Osobennosti nakopleniya tyazhelyh metallov v vode, donnyh otlozheniyah i myshcah ryb srednego techeniya r. Amur // Regional'nye problemy. 2011. T. 14. № 1. S. 54-58.
13. Shitikov V. K., Rozenberg G. S., Zinchenko T. D. Kolichestvennaya gidroekologiya: metody sistemnoy identifikacii. Tol'yatti: Izd-vo IEVB RAN, 2003. 463 s.
14. Shul'kin V. M. Geohimiya metallov pri sedimentogeneze v pribrezhnoy zone morya // Geohimiya. 1990. № 3. S. 457-462.
15. Pavlov D. S. Ekologiya vnutrennih vod V'etnama. M.: T-vo nauch. izdaniy KMK, 2014. 435 s.
