Регистрация / Вход
Прислать материал

Оценка загрязнения донных осадков зал. Находка на основе данных химического анализа и биотестирования

Сведения об участнике
ФИО
Журавель Елена Владимировна
ФИО (на английском языке)
Zhuravel Elena Vladimirovna
Название организации
ДВФУ
Информация о докладе
Вид доклада
Постерный доклад
Секция
Биоиндикация и химический анализ в экологическом мониторинге
Название доклада
Оценка загрязнения донных осадков зал. Находка на основе данных химического анализа и биотестирования
Соавторы доклада (ФИО, организация, город, страна)
Мазур М.А. (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток, Российская Федерация), Ковековдова Л.Т. (Дальневосточный федеральный университет, ТИНРО-Центр, Владивосток, Российская Федерация), Черняев А.П. (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток, Российская Федерация)
Аннотация
Исследовано содержание тяжелых металлов и углеводородов, в том числе фракции полиароматических углеводородов, в донных осадках зал. Находка. Выявленные концентрации тяжелых металлов и ПАУ не превышали допустимых концентраций и пороговых значений токсичности для гидробионтов. Концентрации ОУВ превосходили допустимый уровень в 1,5-25 раз. Степень загрязнения донных осадков на большинстве станций низкая или средняя. На основе результатов эмбриотеста с плоским морским ежом Scaphechinus mirabilis показано нарушение личиночного развития тест-объекта в пробах осадков с большинства станций.
Ключевые слова
физико-химические методы, биотестрование, ПАУ, тяжелые металлы, эмбриотест, загрязнение донных осадков
Введение

Мониторинг экологического состояния морских прибрежных акваторий включает физико-химические исследования, которые позволяют определить концентрации загрязняющих веществ. В программу мониторинга обычно входит определение в воде и донных осадках токсичных элементов и углеводородов, в том числе полиароматических (ПАУ), оказывающих токсическое, тератогенное и канцерогенное воздействие на гидробионтов. На основе многолетних исследований была выявлена зависимость между концентрациями загрязняющих веществ в донных осадках и степенью экологического риска, вызванного их токсическим воздействием на гидробионтов [6, 11, 12, 13]. Однако непосредственные реакции гидробионтов на загрязнение позволяют выяснить только биологические методы оценки – биоиндикация и биотестирование. Поэтому все большее распространение в экологическом мониторинге получает интегральная оценка состояния морских акваторий, основанная на химических и токсикологических данных [6, 7, 8, 14]. В качестве тест-организмов используются гидробионты различных систематических групп. В морской среде применяются морские ежи, их эмбрионы и личинки, т.к. на ранних стадиях онтогенеза организмы более чувствительны к присутствию токсикантов и различным изменениям физико-химических факторов среды. Эмбриональные и личиночные стадии морских ежей отличаются высокой чувствительностью к действию внешних факторов.

Одной из наиболее освоенных акваторий Приморского края является залив Находка, на побережье которого сосредоточены крупные порты, в том числе порт Восточный в б. Врангеля и нефтепорт в б. Козьмина. В 2012 г. его воды оценивались как «загрязненные», а отдельных частей – б. Находка и б. Козьмина – как «грязные» [2]. Вследствие активного развития инфраструктуры, с каждым годом антропогенная нагрузка на залив увеличивается. Поэтому необходимо проводить комплексную оценку состояния морской среды, оценивать качество донных осадков, как интегрального показателя загрянения среды в результате длительного антропогенного воздействия на акваторию. Цель работы: оценить современные уровни загрязнения и токсичности донных осадков в разных районах зал. Находка с помощью физико-химических методов и биотестов с плоским морским ежом Scaphechinus mirabilis (Agassiz, 1863).

Методы и материалы

Пробы донных осадков были отобраны легководолазным способом с 10 станций залива (Рисунок 1) с глубины 4-5 м из верхнего пятисантиметрового слоя.

Рисунок 1. Карта-схема расположения станций отбора проб. 1 – б. Мусатова, 2 – м. Шведова, 3 – м. Шефнера, 4 – север залива, 5 – устье р. Партизанской, 6 – пляж Песчаный, 7 – б. Врангеля, пос.Береговое; 8 – б. Врангеля, старый пирс; 9 – рыбокомбинат в б. Козьмина; 10 – район нефтепорта «Козьмино».

 

Все станции отличались по степени антропогенной нагрузки. На побережье б. Мусатова (станция 1) находится дачный поселок и пляж, кроме того, севернее в б.Новицкого расположен нефтепорт. Станции 2 и 3 ограничивают выход из б. Находка с ее портовыми сооружениями и судоремонтными заводами. Рядом проходит железная дорога, сосредоточены автовокзал и крупные торговые центры, выпуск коллектора городской канализации, стоянка частных катеров и причал береговой охраны. Станция 4 находится в промзоне, станция 5 – вблизи устья р. Партизанская; станция 6 – в районе крупного песчаного пляжа. Возле станции 7 в б. Врангеля продолжается строительство новых причалов порта «Восточный», а станция 8 находится южнее территории порта «Восточный», у старого угольного пирса; станция 9 расположена в судоходной зоне вблизи рыбокомбината (пос. Козьмино); станция 10 – в окрестностях нового Спецнефтепорта Козьмино, открытого в конце 2009 г.

Измерение концентраций кислоторастворимых форм токсичных элементов (As, Cd, Cu, Pb, Zn) проводили на атомно-абсорбционном спектрофотометре «Shimadzu» 6800 с использованием пламенного и беспламенного методов анализа. Определение общих углеводородов (ОУВ) проводили методом ИК-спектрометрии на ИК-анализаторе фирмы «Shimadzu» IRAffinity-1 (Япония) с предварительным выделением целевых компонентов из образцов грунта жидкость-жидкостной и ультразвуковой экстракцией и последующей очисткой экстрактов на сорбентах. Разделение смеси полиароматических углеводородов проводили методом обращенно-фазовой высокоэффективной жидкостной хроматографии на жидкостном хроматографе «Shimadzu» LC-10 ADvp (Япония).

Значения коэффициента (фактора загрязнения) Сf рассчитывали для каждого токсического вещества с помощью формулы Сf = Сmean/Cn, где Сmean – средняя концентрация вещества; Cn – фоновая концентрация этого вещества. Значения оцениваю согласно следующим критериям: Сf< 1 – низкие, 1≤ Сf< 3 – среднее, 3 ≤ Сf< 6 – высокие, Сf ≥ 6 – очень высокие [9, 15]. Коэффициенты степени загрязнения осадков Сd были рассчитаны как сумма всех факторов загрязнения по формуле Сd = ∑Сf . Значения индекса Сd оценивали в соответствии со следующими критериями: Сd< 8 – низкая степень загрязнения, 8 ≤ Сd< 16 – средняя степень загрязнения, 16 ≤ Сd< 32 – высокая степень загрязнения, Сd>32 – очень высокая степень загрязнения донных осадков [1].

Для оценки потенциальной токсичности донных осадков и экологического риска для гидробионтов рассчитывали коэффициент SQG-Q (mean sediment quality guideline quotient) по формуле: SQG-Q=ΣPEL-Q/n, где ΣPEL-Q – отношение средней концентрации токсичного вещества в пробе к величине PEL (Probable Effect Level – уровень вероятного воздействия), n – количество токсичных компонентов [11]. Расчет проводили, используя данные о суммарном содержании ПАУ и концентрациях пяти токсичных элементов. Осадки оценивали согласно следующим критериям: SQG-Q ≤0,1 – осадки нетоксичны, небольшая вероятность проявления отрицательных биологических эффектов; 0,1<SQG-Q<1 – осадки умеренно токсичны, средняя вероятность проявления отрицательных биологических эффектов; SQG-Q>1 –осадки очень токсичны, высокая вероятность наблюдения отрицательных биологических эффектов [12].

Для проведения биотеста готовили водную вытяжку из осадков, используя фильтрованную и стерилизованную морскую воду. Применяли стандартную методику эмбриотеста, получая гаметы от трех родительских пар и производя оплодотворение в стерильной морской воде. Зиготы помещали в тестируемые вытяжки и наблюдали дальнейшее их развитие до достижения стадии среднего плутеуса [6]. Через 48 часов рассчитывали долю аномальных личинок, а также измеряли длину личинок (n=100).

Результаты экспериментов обрабатывали с помощью пакетов программ Excel и Statistica: определяли среднее арифметическое, стандартное отклонение, достоверность различий между выборками по критерию Стьюдента. 

Полученные результаты

 Содержание загрязняющих веществ в донных осадках

При изучении уровней содержания токсичных элементов было выявлено, что донные осадки зал. Находка загрязнены ими незначительно. Концентрации Cd, Pb, Cu находились в пределах фоновых уровне для зал. Петра Великого [4]. Превышение фонового содержания мышьяка по сравнению с другими частями зал. Петра Великого, обусловлено высоким содержанием поллютантов поступающих от береговых промышленных и коммунально-бытовых предприятий, а также с судов морского транспорта [3].

Наибольший уровень содержания Cu, Pb, Zn, As характерен для станции 2, Сd – для станции 8, что, вероятно, связано с функционированием портов. При этом ни на одной из станций в донных осадках не были превышены уровни, при котором происходило бы негативное воздействие на гидробионтов (ERL-ERM, TEL-PEL).

Содержание углеводородов (ОУВ) повсеместно превышало фоновый, а на четырех станциях и допустимый уровень (Рисунок 2). Преимущественно - это акватории вблизи портов (станциии 1, 2, 4, 8). Основными источниками поступления ОУВ в акватории залива являются береговые предприятия и морской транспорт. Также вероятен перенос загрязненных нефтью и нефтепродуктами вод в б. Мусатова с севера, из б. Новицкого, в которой расположен нефтепорт.

Наибольшее суммарное содержание ПАУ выявлено на станции 7 (в районе порта в б. Врангеля). Превышение фоновых концентраций также отмечено в районе станций 1 и 2 – м. Шведова. По существующей классификации уровня загрязнения донных осадков полиароматическим углеводородами [5], низкому уровню загрязнения соответствует содержание ПАУ в пределах 0-100 нг/г, умеренному – 100-1000 нг/г, высокому – 1000-5000 нг/г и очень высокому – более 5000 нг/г. В ходе анализа содержания ПАУ в донных осадках залива Находка, ни на одной из исследуемых станций не было отмечено превышение допустимой концентрации ПАУ (1000 нг/г), таким образом, загрязнение донных осадков соответствует низкому уровню. Важно отметить, что ни на одной из исследуемых станций не наблюдалось превышение допустимого содержания бенз(а)пирена (25 нг/г).

Рисунок 2. Концентрации загрязняющих веществ в донных осадках зал. Находка.

 

После проведения расчетов индекса загрязнения осадков Сd на станциях 1, 3, 5, 8 и 10 была выявлена высокая степень загрязнения, на станции 2 – очень высокая, Сd более 32. Средняя степень загрязнения отмечена на станциях 7 и 9 (Рисунок 3).

 

Рисунок 3. Значения индекса загрязнения донных осадков Cd на исследуемых станциях в зал. Находка

 

Оценка потенциальной токсичности донных осадков на основе расчета индекса экологического риска SQG-Q показала, что осадки на подавляющем большинстве станций можно отнести к нетоксичным, так как значения SQG-Q не превышали 0,1 (Рисунок 4), при этом наибольшей потенциальной токсичностью обладали осадки на станции 2. Полученные результаты свидетельствуют о низкой расчетной степени токсичности донных осадков зал. Находка для гидробионтов.

 Оценка уровня токсичности осадков на основе результатов биотеста с S.mirabilis

Процедура биотестирования донных осадков позволила выявить интенсивное ингибирующее воздействие содержащихся в них токсичных веществ на раннее развитие S. mirabilis. На всех станциях было отмечено значительное количество аномальных эмбрионов и личинок (Рисунок 4). Особенно ярко это проявилось на станции 2 у м. Шведова, где через двое суток эксперимента большая часть личинок погибла, развитие остальных остановилось на стадии гаструлы и раннего плутеуса. Доля нормальных личинок, выращенных в водной вытяжке из донных осадков с м. Шефнера (станция 3), не превышала 20%, в пробе из окрестностей нефтепорта «Козьмино» (станция 10) -- всего 12%.

 

 

Рисунок 4. Результаты тестирования донных осадков из зал. Находка (среднее±станд. откл., n=8) и значения индекса экологического риска SQG-Q.

 

Токсический эффект загрязненных донных осадков для личинок S. mirabilis проявился не только в отставании в развитии и морфологических изменениях, но и в подавлении их роста. После проведения промеров было выявлено, что размеры личинок достоверно отличаются от контроля во всех тестируемых вытяжках, за исключением станции 9 в б. Козьмина. При средней длине личинок в контроле 256±23 мкм в экстракте из донных осадков со станции 2 она составила всего 153±17 мкм, что свидетельствует о значительном угнетении их роста.

 

Заключение

Результаты исследований, проведенных в зал. Находка, показывают, что биологическая оценка уровня загрязнения и токсичности морских донных осадков должна быть обязательной составляющей экологического мониторинга прибрежно-морских акваторий.

Физико-химический анализ концентраций токсичных веществ в донных осадках показал умеренные уровни их загрязнения тяжелыми металлами и ПАУ, по уровню потенциальной токсичности осадки на большинстве станций были отнесены к нетоксичным (и к умеренно токсичным в районе станции 2). В процессе биотестирования донных осадков на станциях были выявлено нарушение развития эмбрионов и личинок S. mirabilis в диапазоне от 1% на станции 4 до 100% на станции 2. Таким образом, реальное воздействие на гидробионтов загрязняющих веществ, содержащихся в донных осадках, должно оцениватьсяна основе комплексного применения физико-химических методов и биотестирования.

Цитируемая литература
[1] Ващенко МА, Жадан ПМ, Альмяшова ТН, Ковалева АЛ, Слинько ЕН. 2010. Оценка уровня загрязнения донных осадков Амурского залива (Японское море) и их потенциальной токсичности. Биол. моря. 36: 354-361.
[2] Качество морских вод по гидрохимическим показателям. Ежегодник 2013. 2014. Москва: Наука. 200 с.
[3] Ковековдова ЛТ, Иваненко НВ, Симоконь МВ. 2002. Особенности распределения As в компонентах морских прибрежных экосистем Приморья. Электронный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ» http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2002/127.pdf
[4] Шулькин В М. 2004. Металлы в экосистемах морских мелководий. Владивосток: Дальнаука. 277 с.
[5] Baumard P, Budzinski H, Garrigues P. 1998. Polycyclic aromatic hydrocarbons in sediments and mussels of the western Mediterranean Sea. Environ. Toxicol. Chem. 17: 765–776.
[6] Beiras R, Fernandez N, Bellas J, Besada V, Gonzalez-Quijano A, Nunes T. 2003. Integrative assessment of marine pollution in Galician estuaries using sediment chemistry, mussel bioaccumulation, and embryo-larval toxicity bioassays. Chemoshere. 52: P. 1209-1224.
[7] Bellas J, Nieto O, Beiras R. 2011. Integrative assessment of coastal pollution: Development and evaluation of sediment quality criteria from contamination and ecotoxicological data. Continental Shelf Research. 31: 448-456.
[8] Duran I, Nieto O. 2011. Water characterization in three industrialized harbours( Vigo, Bilbao and Parajes) in North Coast of Spain. Mar. Pollut. Bull. 64: 410-415.
[9] Hakanson L. 1980. Ecological Risk Index for Aquatic Pollution Control. A Sedimentological Approach. Water Res. 14: 975–1001.
[10] Long ER, MacDonald DD. 1998. Recommended uses of empirically derived, sediment quality guidelines for marine and estuarine ecosystems. Hum. Ecol. Risk Assess. 4: 1019-1039.
[11] Long ER, MacDonald DD, Smith SL, Calder ED. 1995. Incidence of adverse biological effects within ranges of chemical concentrations in marine and estuarine sediments. Environ. Manag. 19: 81-97.
[12] MacDonald DD, Carr RS, Eckenrod D, Greening H, Grabe S, Ingersoll CG, Janicki S, Janicki T, Lindskoog RA, Long ER, Pribble R, Sloane G, Smorong DE. 2004. Development, Evaluation, and Application of Sediment Quality Targets for Assessing and Managing Contaminated Sediments in Tampa Bay, Florida. Arch. Environ. Contam. Toxicol. 46: 147–161.
[13] MacDonald DD, Carr RS, Calder FD, Long ER, Ingersoll CG. 1996 Development and evaluation of sediment quality guidelines for Florida coastal waters. Ecotoxicology. 5: 253-278.
[14] Montero N, Belzunce-Segarra MJ, Menchaca I, Garmendia JM, Franco J, Nieto O, Etxebarria N. 2013. Integrative sediment assessment at Atlantic Spanish harbours by means of chemical and ecotoxicological tools. Environ. Monit. Assess. 185: 1305–1318.
[15] Pekey H, Karaka D, Ayberk S, Tolun L, Bakoglu M. 2004. Ecological Risk Assessment Using Trace Elements from Surface Sediments of Izmit Bay (Northeastern Marmara Sea) Turkey. Mar. Pollut. Bull. 48: 946–953.
Благодарности
Определение полиароматических углеводородов было произведено в лаборатории молекулярного анализа ШЕН ДВФУ и поддержано грантом Российского научного фонда (проект № 14-50-00034).
Название, авторы, резюме (на английском языке)

Assessment of the bottom sediments pollution in the Nakhodka Bay according the results of chemical analyses and bioassay

Zhuravel E.V.1, Mazur M.A.1, Kovekovdova L.T.1,2, Chernyaev A.P.1

1 Far Eastern Federal University, 690600, Vladivostok, Sukhanova str., 8

2Federal State Unitary Enterprise “TINRO-center”, 690091, Vladivostok, Shevtchenko str., 4

E-mail contact: 654612301ad14fzhrvl@rambler.ru

The content of heavy metals, total hydrocarbons and polycyclic aromatic hydrocarbons in bottom sediments of Nakhodka Bay was investigated. It is shown that the content of heavy metals and PAH was considerably below the permissible levels and does not exceed the toxic thresholds for the aquatic organisms survival. But the total hydrocarbons concentrations exceeded the permissible level in 1,5-25 times. The degree of bottom sediments contamination at most stations was low or moderate. Based on the results of the bioassay with sand dollar Scaphechinus mirabilis shows a violation of the larval development in the sediments samples from most stations.