авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 6 |

Биогенная миграция микроэлементов в океане

-- [ Страница 3 ] --
Металл Содержание, мкг/г сух. в. Содержание (мкг/г) в целом теле с учетом весовой доли мягких тканей и раковин Доля раковин (%) в суммарном содержании в целом теле
Mягкие ткани (n=1579) Раковины (n=248) Mягкие ткани (доля 0,1) Pаковины (доля 0,9)
Fe 414 ± 239 67,9 ± 17,8 41,4 ± 23,9 61,1 ± 2,0 60
Mn 16,5 ± 6,35 21,0 ± 8,2 1,65 ± 0,53 18,9 ± 4,8 92
Cu 10,4 ± 5,7 3,14 ± 1,65 1,04 ± 0,6 2,82 ± 1,41 73
Zn 124 ± 21 10,6 ± 4,1 12,4 ± 2,2 9,54 ± 3,5 44
As**) 11,15 ± 3,24 2,33 ± 1,05 1,11 ± 0,27 2,1 ± 0,85 65
Cd 2,32 ± 0,48 0,07 ± 0,02 0,23 ± 0,06 0,06 ± 0,02 21
Pb 3,24 ± 1,47 1,25 ± 0,67 0,32 ± 0,16 1,12 ± 0,53 78
Hg***) 0,155 ± 0,013 0,016 ± 0,004 0,015±0,007 0,014±0,003 49

*) ± среднее квадратичное отклонение; **) n=125 и 78 соответственно; ***) n= 115 и 78 соответственно.

Из Таблицы 1 видно, что при расчете содержаний на целое тело мидий соотношение доли мягких тканей и раковин в биоаккумуляции большинства металлов изменяется в сторону карбонатных скелетов, где сосредоточена преобладающая масса Fe, Mn, Cu, As, Pb и Hg. С мягкими тканями связана преобладающая масса Cd и Zn. Отсюда следует вывод о том, что накопление Fe, Mn, Cu, As, Pb и Hg в биоосообществах двустворчатых моллюсков происходит в значительной мере за счет процессов биоминерализации.

Кроме активного накопления микроэлементов наиболее массовым биосообществом мидий в процессах биоаккумуляции, существует и их пассивное накопление на поверхности карбонатных раковин, которое можно оценить с помощью экстракции их адсорбированного комплекса. В наших экспериментах для этих целей использовался 25% раствор СН3СООН (рН 4,5) и ультразвуковая ванна САПФИР-1. Результаты экстракции из раковин моллюсков разного возраста (n=32) показали, что наиболее лабильная адсорбированная форма составляет в среднем до 10% Fe, 30-40% As, Pb, Cd, Cu и преобладает (60-65%) для Zn и Mn. Отмечается подобие кривых, отражающих изменение общего содержания металлов в раковинах и их адсорбированной формы (рис.3).

Рис. 3. Соотношение адсорбированной формы и общего содержания Cu (мкг/г сух.в.)

в раковинах Mytilus eulis (Кандалакшский залив, Белое море) в зависимости от их длины.

Биологические процессы в эстуарии, включающие первичное и вторичное биопродуцирование, деструкцию и минерализацию органического вещества, приводят к изменениям концентраций СО2 и О2, сопровождающимся трансформацией окислительно-восстановительной обстановки в воде и донных осадках. Очевидно, что интенсивность биогенной миграции микроэлементов определяется уровнями их поглощения биосообществами, которые зависят от таких параметров экосистемы как биопродукция, биомасса, продолжительность биоциклов.

Как видно из Табл.2, биопродукция фитопланктона, а также биомасса зоопланктона, макрофитов и зообентоса, а также изменяется в несколько раз в пределах маргинального фильтра океана. Время биоциклов колеблется от часов (фитопланктон) до нескольких лет (макрозообентос).

Таблица 2. Некоторые характеристики прибрежных биосообществ океана.

Биосооб-щество Биомасса (ссылка) Биопродукция, мг См-2сутки-1 Время биоциклов
Фитопланктон - 200- 5 (20) (Флинт и др. 2007); <150 -800 (Виноградов и др., 1996) Часы - дни
Зоопланктон в слое 0-100м 200-500 мгм-3 (Богоров, 1968) Месяцы
Макрофиты 1,5 109т - сырая; 0,3 109т - сухая (Блинова, Возжинская, 1971); 0,11109 т Сорг (Романкевич, 1977) Недели - месяцы
Макрозообен-тос 200- >1000 г/м2 (сырая) 9109т (Зенкевич и др., 1971) Годы

Автором проведены расчеты баланса масс металлов, ежегодно поглощаемых биотой глобального маргинального фильтра (М био), по формуле: М био = Сср.Б, где Сср.- среднее (медиана) содержание каждого из микроэлементов в доминирующих таксонах, Б - среднее значение биомассы сообществ (Табл. 3). Здесь же показаны массы металлов ( М) в водной толще глобального маргинального фильтра, которые складываются из их поступления с аэрозолями (Duce et al., 1991; Martin, Windom, 1991; Шевченко, 2006), а также из потерь речного стока при смешении с морскими водами (Гордеев, 2009).

Таблица 3. Баланс масс металлов, находящихся в воде ( М,103 т год-1) и поглощаемых биомассой доминирующих сообществ (М био, 103 т ) в глобальном маргинальном фильтре

Мет М,103 т год-1 М био, 103 т
Аэрозоли 1) раств. взв. Речной сток 2) раств. взв. М Макро-фиты 3) Фитоп-ланк- тон 4) Фито-зоо-планк-тон 3) Бентос, мяг.тк.+ раков. 5) М био.
Mn 25 200 80 12300 12605 22 2120 360 + 252 2752
Fe 224 2030 1245 855000 858499 99 50000 3800 +380 54199
Cu 2,1 0,35 2 672 676 5,1 1220 72 +14,4 1311
Zn 7 2,45 1,2 1920 1931 21 10600 990 +13,2 11624
Ni 0,7 1 0 837 839 2,5 530 36 +25 594
Pb 5,6 0,7 0,8 414 421 3,9 2120 45 +23 2192
Co 0,03 - 3 315 318 0,35 53 9 +3,6 66
Cd 0,18 0,03 0,6 6) 0,83 1,5 85 13,5 +0,3 100

1) (Duce et al.,1991); 2) (Гордеев, 2009); 3) cух.биомасса 0,3·109 т (Блинова, Возжинская, 1971); 4) - ПП высокопродукт. р-нов 26,5109т С/год (Виноградов, 2008), сод. Сорг. =50%;

5) - 90% биомассы бентоса сосредоточено в прибрежных водах, 9·109т (Зенкевич и др., 1971;

Беляев, 1985); 6) (Martin, Windom, 1991).

Как видно из Табл. 3, суммарное биологическое поглощение (М био.) и суммарная масса в воде (М) примерно одинаковы только для Ni, т.е. практически весь никель поглощается биотой. Значительно меньшее биологическое поглощение выявлено для Mn, Co (20%) и Fe (6% от массы в воде). Напротив, суммарное биопоглощение Cu, Pb, Zn и особенно Cd существенно превышает их массу в воде, т.е. эти металлы неоднократно перерабатываются биотой в маргинальном фильтре. Используя данные Табл. 3, оценим продолжительность биологического цикла металлов (Тбио) на примере фитопланктона, который использует исключительно растворенную форму. Для этого массу растворенного металла (М) поделим на его ежегодное накопление фитопланктоном (М био) и получим ряд по возрастанию Тбио (годы): Zn, Ni, Pb (0,001); Cd (0,002); Cu (0,003); Fe (0,03); Mn (0,05); Co (0,06). Наиболее быстрый (менее 1 дня) «планктонный» цикл Zn, Ni, Pb, Cd и Cu по сравнению с Fe, Mn и Co (10-20 дней) можно объяснить различиями в химической реактивности и/или биодоступности этих металлов.

Оценка удаления микроэлементов при биопродуцировании сделана в работе (Martin, Windom, 1991), исходя из соотношения C/N =15 в органическом детрите и величины захоронения Сорг. (90%) в составе органогенного детрита (Romankevich, 1984). Согласно этим авторам, в результате биологических процессов в эстуарных зонах и на прилегающем континентальном шельфе на дно удаляется (103 т /год): Fe 68; Zn 27; Cd 4; Cu, Ni 3; Mn, Pb 2,1; As 1,5 и Сo 0,45. Сравнение этих величин с данными Табл.4 показывает, что массы металлов, которые захороняются в результате биопродукционных процессов, в десятки раз меньше, чем участвуют в биологическом круговороте.

Геохимическая роль макрозообентоса детально изучена на шельфе Черного моря и в Азовском море детально научной школой под руководством проф. Ю.П.Хрусталева (Хрусталев и др., 1982, 1984, 2001; Доценко, 2006). Седиментологическим выводом этих работ является то, масштабы бентосной биофильтрации шельфовых вод Черного моря в 2-5 раз превосходят твердый речной сток всего водосборного бассейна (Хрусталев, Денисов, 2002). Концентрирующая и биоседиментационная функция макрозообентоса подтверждается тем, что биогенный детрит, образовавшийся в экспериментальном микрокосме, оказался обогащенным рядом металлов (Co, Fe, Mn, Zn, Cu, Cd, Cr) относительно контрольного (Остроумов, Демина, 2009).

В ходе дальнейшей миграции в океане доля растворенной формы и, соответственно, относительная подвижность металлов (Мет.раст./Мет.взв.) увеличивается по сравнению с маргинальным фильтром (рис.4).

Рис.4. Относительная подвижность металлов в воде маргинального фильтра р.Обь

(Демина и др., 2010) и Карского моря *) (Gordeev et. al., 2007).

2. В пелагиали океана микроэлементы находятся в геохимически подвижных формах вследствие как прямого, так и опосредованного влияния процессов биопродуцирования. Геохимическим следствием этого является ускорение миграции микроэлементов в океане.

В океане растворенная форма микроэлементов преобладает над взвешенной, составляя в среднем от 50-55 (Fe, Pb) до 99 % от общего содержания в воде (Лисицын, Гордеев, 1979; Демина, 1982; Демина и др. 1983, 1985; Гордеев, 2009). Это служит важнейшим фактором, предопределяющим биогенную миграцию микроэлементов в океане, поскольку фитопланктон поглощает из воды именно растворенные химические элементы (ионы и неорганические комплексы). В процессе биоассимиляции фитопланктоном микроэлементы связываются с гидрофильными функциональными белковыми и липидными группами, включенными в клеточную мембрану живых организмов (в том числе, в составе внеклеточных полисахаридов бактериального происхождения), и выделяются в воду в виде экзометаболитов (Романкевич, 1977; Berger et al., 1987). Отсюда следует вторая геохимическая предпосылка биогенной миграции - способность тяжелых и переходных металлов с недостроенной d-оболочкой к образованию металлорганических комплексов в океанской воде, содержащей природные органические соединения с электронодонорными атомами и функциональными группами. Растворимость этих комплексов существенно выше, чем неорганических комплексов металлов, что способствует образованию устойчивых соединений с повышенной миграционной способностью. Для ряда металлов количественно определена доля, закомплексованная органическими лигандами: Ag, Ni, Se – от 20 до 50%; Cu, Zn, Mn, - от 50 до 85 %; Fe, Cd и Co- 90-95% от общей концентрации в растворе (Mantoura et al., 1980; Демина, 1982; Мoffet et al., 1990; Bruland, 1990, 1992; van den Berg, 1995; Boy et al., 2001; Saito, Moffet, 2001).

Таким образом, в растворе океанской воды на долю неорганических комплексов в разной степени диссоциации, составляющих биодоступную фракцию металлов, приходится менее 10% Fe, Cd, Co; 15-50 % Mn, Zn, Cu и оболее 50% Se, Ni, Ag.

Количественной оценкой концентрирующей функции биоты служит коэффициент накопления Кнак (Кнак = Сэлем. в организ. /Сэлем. в воде), который для разных металлов варьирует в широких пределах - от 102 до 106. Для каждого металла в отдельности наибольший Кнак отмечен в фитопланктоне, что обусловлено как физиологическим фактором - более высокой степенью его метаболизма (скорость деления клеток), так и физико-химическим явлением - наибольшей удельной его поверхностью, которая обеспечивает максимальный адсорбционный захват микроэлементов (Морозов, 1983; Sunda, Huntsman,1995). В океанском фитопланктоне содержание микроэлементов многократно выше, чем во взвеси; при этом для группы микроэлементов отмечается пропорциональность между их накоплением в планктоне и взвеси (рис.5). Это согласуется с выявленным ранее подобием химического состава океанской взвеси и планктона (Савенко, 1988).

Рис. 5. Сопоставление Кнак фитопланктоном и отношение Метвзв./Мет раст.

Если в экспериментах с чистыми культурами фитопланктона установлена прямая зависимость между содержанием металлов и концентрацией неорганических растворенных форм (Sunda, Huntsman,1995), то в природных условиях картина усложняется. Между Кнак. микроэлементов и их относительной геохимической подвижностью (Кподвиж.=Мет.раст./Мет.взв.) выявляется не прямая, а явно обратная зависимость (рис. 6), что, по-видимому, обусловлено немонотоностью видового состава планктона, и тем, что в природной воде, как показано выше, доля металлов в биодоступной форме не столь значительна, как это ставилось в экспериментах. Интересно, что аналогичный вывод получен для зоопланктона континентальных озер (Леонова,2009), т.е. можно предполагать сходство в процессах биогенной миграции микроэлементов в гидросфере.

Рис. 6. Зависимость между коэффициентами накопления (lg Кнак.) в фитопланктоне

и коэффициентами подвижности ( lg Кподвиж.) в океанской воде. Кподвиж. рассчитан

по данным (Гордеев, 2009).

В водной толще океана распределение ряда тяжелых металлов (Cu, Zn, Cd, Ni, Fe, Ag, Со, Mo, V) коррелирует с биогенными элементами - силикатами, фосфатами и нитратами: в фотической зоне вследствие захвата фитопланктоном их концентрация в растворе минимальна, а с увеличением глубины - по мере минерализации планктоногенного органического вещества - нарастает, что свидетельствует о вовлечении микроэлементов в биологический цикл фитопланктона (Brand et al., 1983; Bruland, 1980, 1983; Collier, Edmond, 1984; Martin, Fitzwater, 1988; Wangersky et al., 1989; Rue, Bruland, 1995 и др.).

Исследование вертикального распределения некоторых металлов на широтных и меридиональных разрезах юго-восточной части Тихого и центральной части Индийского океанов показало, что повышенные концентрации Fe, Zn и Cu в составе металлорганических комплексов приурочены к фотическому слою, южная субтропическая конвергенция способствует проникновению вод, обогащенных металлорганическими соединениями, на глубины вплоть до 500-1500м (Демина, Гордеев, 1979; Демина и др., 1983; Демина и др., 1985).

В пробах планктона, собранных в поверхностных водах различных районов с сильно различающимся содержанием биогенных элементов, средние значения отношений эссенциальных металлов Fe, Zn и Cd к биогенам оказываются практически постоянными, т.е. изменяются в пределах фактора 3 (Collier, Edmond, 1984; Ho, 2006). Это позволило вывести стехиометрическую формулу среднего состава планктона, наподобие числа Редфильда 106С: 16N: 1P (Redfield et al.,1963): P1000 Fe5 Zn2 (Cu, Mn, Ni, Cd)0,4 (Bruland et al., 1991); P1000 Fe5 (Zn, Mn)2 Ni1, Cd0,5, Cu0,4, Co0,2 (Kuss, Kremling, 1999); P1000 Fe1,8 Mn0,26, Zn5,4 Ni0,61 (Тwinning et al., 2004).

В планктоне большая доля (>90%) металлов связанa с нескелетной органической фазой: сверхлабильной фракцией ОВ, быстро высвобождающейся в воду после отбора, и более устойчивыми компонентами, содержащими специфические металлорганические лиганды (Martin, Knauer, 1973; Collier, Edmond, 1984). С помощью традиционных методов последовательного селективного химического выщелачивания (Gibbs, 1977) с некоторыми модификациями диссертанта были оценены основные механизмы накопления металлов в Тихом океане океанским тотальным планктоном, представленным в среднем на 65% зоопланктоном (копеподы), остальное – диатомовые и перидиевые водоросли. Показано, что в среднем около 80% от общего содержания Fe, Zn, Cu и Mn связано с органическим веществом, извлекаемым раствором пирофосфата и хлорированным спиртом, т.е. биоассимиляция служит главным механизмом накопления металлов (Демина, Фомина, 1978; Демина, 1982). Другой важный процесс накопления – окисление Fe и Mn на границе раздела фаз вода/живое вещество (вероятнее всего, бактериальное) с формированием монослоев аморфных гидроксидов (извлекаемых реагентом Честера), и пассивная адсорбция на них других металлов (15-25%). Наконец, до 8-10% этих металлов содержится в составе геохимически инертных форм, незатрагиваемых предшествующими реагентами и захватываемых при безвыборочной фильтрации зоопланктона (рис. 7).

 Формы некоторых тяжелых металлов в тотальном планктоне юго-восточной части-8 Рис.7. Формы некоторых тяжелых металлов в тотальном планктоне

юго-восточной части Тихого океана (Демина, 1982).



Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 6 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.