Changes in phytoplankton productivity with the introduction of heavy metals into the ecosystem and its subsequent purifi cation with a humic sorbent

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription or Fee Access

Abstract

Mesoscale modeling experiments simulating water pollution of a freshwater plain reservoir by infusion of a mixture of heavy-metal (Cd, Zn, Cu) salts were conducted. Central to the research was determining the phytoplankton response (in terms of primary production) to the presence of heavy metals in water and to the introduction of a sorbent based on mechanochemically oxidized humic acids. The removal of heavy metals by phytoplankton on the 16th day of the experiment resulted in a decrease in the content of Cd(II) to 62%, Zn(II) to 58%, and Cu(II) to 46% of the initial levels. The use of sorbent under the same conditions led to a decrease in the content of Cd(II) to 21%, Zn(II) to 27%, and Cu(II) to 10% of the initial levels. The sorbent under study does not cause blooming of the reservoir, distinguishing it from sorbents containing humic acids with the native structure of molecules.

Full Text

Restricted Access

About the authors

T. S. Skripkina

Institute of Solid State Chemistry and Mechanochemistry SB RAS; Novosibirsk State University

Author for correspondence.
Email: urazovatanya@mail.ru
Russian Federation, 2, Kutateladze, Novosibirsk, 630128; 1, Pirogova street, Novosibirsk, 630090

A. L. Bychkov

Institute of Solid State Chemistry and Mechanochemistry SB RAS; Novosibirsk State University

Email: urazovatanya@mail.ru
Russian Federation, 2, Kutateladze, Novosibirsk, 630128; 1, Pirogova street, Novosibirsk, 630090

B. S. Smolyakov

Nikolaev Institute of Inorganic Chemistry SB RAS

Email: urazovatanya@mail.ru
Russian Federation, 3, Lavrentev prospect, Novosibirsk, 630090

O. I. Lomovsky

Institute of Solid State Chemistry and Mechanochemistry SB RAS

Email: urazovatanya@mail.ru
Russian Federation, 2, Kutateladze, Novosibirsk, 630128

References

  1. Бруевич С.В. Проблемы химии моря. М.: Наука, 1978. 335 с.
  2. Брянская А.В., Двуреченская С.Я., Пузанов А.В., Пельтек С.Е. Исследования токсичности сточных вод, поступающих в Новосибирское водохранилище // Вода: химия и экология. 2013. Т. 63. № 9. С. 19–23.
  3. Васильев О.Ф., Савкин В.М., Двуреченская С.Я. и др. Экологическое состояние Новосибирского водохранилища // Сибирский экол. журн. 2000. № 2. С. 149–163.
  4. Васильев О.Ф., Савкин В.М., Двуреченская С.Я., Попов П.А. Водохозяйственные и экологические проблемы Новосибирского водохранилища // Вод. ресурсы. 1997. № 24. С. 581–589.
  5. Двуреченская С.Я., Булычева Т.М. Гидрохимический режим и качество воды Новосибирского водохранилища // Многолетняя динамика водно-экологического режима Новосибирского водохранилища. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2014. С. 54–89.
  6. Куликова Н.А. Связывающая способность и детоксицирующие свойства гумусовых кислот по отношению к атразину. Дис. … канд. биол. наук. М.: Изд-во МГУ, 1999.
  7. Миркин Б.М., Наумова Л.Г. Основы общей экологии. М.: Университет. кн., 2005. 236 с.
  8. Науменко Ю.В. Фитопланктон реки Оби. Автореф. дис. … докт. биол. наук. Новосибирск, 1996. 33 с.
  9. Огрызкова О.С., Эйрих А.Н., Серых Т.Г. и др. Сезонные изменения содержания марганца в воде Новосибирского водохранилища // Изв. АлтГУ. 2014. Т. 83. № 2, 3. С. 176–180.
  10. Романов Р.Е., Ким Г.В. Состав и структура альгоценозов // Многолетняя динамика водно-экологического режима Новосибирского водохранилища. Новосибирск: Изд–во СО РАН, 2014. С. 90–131.
  11. Савкин В.М. Водохранилища Сибири, водно-экологические и водно-хозяйственные последствия их создания // Сибирский экол. журн. 2000. № 2. С. 109–121.
  12. Савкин В.М., Двуреченская С.Я. Влияние многолетних изменений гидролого-гидрохимического режима Новосибирского водохранилища на экологические условия водопользования // Сибирский экол. журн. 2010. № 4. С. 663–669.
  13. Смоляков Б.С., Белеванцев В.И., Жигула М.В. и др. Оценка последствий комплексного загрязнения пресного водоема солями металлов с помощью мезокосмов // Вод. ресурсы. 2004. Т. 31. № 3. С. 365–374.
  14. Смоляков Б.С., Бортникова С.Б., Жигула М.В., Федотова А.А., Ермолаева Н.И., Артамонова С.Ю. Мезомоделирование комплексного загрязнения пресного водоема солями металлов (Pb, Cu, Zn, Cd) при вариациях их химических форм в растворе // Вод. ресурсы. 2004. Т. 31. № 3. С. 365–374.
  15. Смоляков Б.С., Плеханов Д.Ф. Оценка первичной продукции в пресном водоеме по суточной динамике рН воды // Журн. экол. химии. 1994. Т. 3. № 3–4. С. 201–205.
  16. Тихонов В.В., Орлов Д.С., Лисовицкая О.В. и др. Сорбция гуминовых кислот бактериями // Микробиология. 2013. Т. 82. № 6. С. 691–697.
  17. Уразова Т.С., Бычков А.Л., Ломовский О.И. Механохимическая модификация структуры гуминовых кислот бурого угля для получения сорбентов тяжелых металлов // Журн. прикладной химии. 2014. Т. 87. Вып. 5. С. 664–668.
  18. Belevantsev V.I., Ryzhikh A.P., Smolyakov B.S. Diurnal and Vertical Variability of pH (O2), and Eh in the Novosibirsk Water Reservoir // Russian Geol. Geoph. 2008. № 49. P. 673–681.
  19. Fu F., Wang Q. Removal of heavy metal ions from wastewaters: A review // J. Environ. Manag. 2011. V. 92. № 3. P. 407–418.
  20. Ghabbour E.A., Shaker M., El–Toukhy A., Abid I.M., Davies G. Thermodynamics of metal cation binding by a solid soil-derived humic acid: Binding of Fe(III), Pb(II), and Cu(II) // Chemosphere. 2006. 63. P. 477–483.
  21. Khan F.A., Ansari A.A. Eutrophication: An ecological vision // Botanical Rev. 2005. V. 71. № 4. P. 449–482.
  22. Mohan D., Pittman Jr. C.U. Arsenic removal from water/wastewater using adsorbents – A critical review // J. Haz. Mat. 2007. V. 142. № 1–2. P. 1–53.
  23. Petersen R.C. The contradictory biological behavior of humic substances in the aquatic environment // Humic substances in the aquatic and terrestrial environment. Berlin Heidelberg: Springer–verlag, 1991. P. 369–389.
  24. Smolyakov B.S., Ryzhikh A.P., Romanov R.E. The fate of Cu, Zn, and Cd in the initial stage of water system contamination: The effect of phytoplankton activity // J. Haz. Mat. 2010. V. 184. P. 819–825.
  25. Takenaga H., Aso S. Studies on the physiological effect of humic acid. Part 9. Stability constants of cation-nitrogenic acid chelates // Soil Sci. Plant Nutr. 1976. V. 22. № 1. P. 103–104.
  26. Tipping E. Cation Binding by Humic Substances. Cambridge: Cambridge Univ. Press, 2002. 422 p.
  27. Tulonen T., Salonen K., Arvola L. Effects of different molecular weight fractions of dissolved organic matter on the growth of bacteria, algae and protozoa from a highly humic lake // Hydrobiologia. 1992. № 229. P. 239–252.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. The temporal dynamics of Cd2 + elimination under the conditions of mesomodeling: the upper curve is without a sorbent, the lower one is with a sorbent. The ordinate is the ratio of the current concentration of a heavy metal in a solution to its initial concentration.

Download (72KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. The temporal dynamics of the removal of heavy metals (a) - Zn, (b) - Cu under conditions of mesomodeling: the upper curve is without a sorbent, the lower one is with a sorbent. The ordinate is the ratio of the current concentration of a heavy metal in a solution to its initial concentration.

Download (149KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Dependence of the relative primary production of P / P0 in the mesocosms on time in the conditions of mesomodeling for sorbents from brown coal. P - primary daily production, mesocosm; P0 - primary daily output, background water.

Download (91KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Dependence of the relative primary production of P / P0 in minicosms on time, the influence of the components of the sorbent: 1 - brown coal, mechanochemically oxidized Na2CO3 × 1.5H2O2, 2 - original brown coal. P - primary daily production, minicosm, P0 - primary daily production, background water

Download (61KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2019 Russian Academy of Sciences