Correlation analysis of heavy metals in sediments

Abstract

This paper presents the results of chemical analysis of lakes sediments in the taiga zone of Western Siberia. The total content and mobile forms of heavy metals are determined, correlation diagram for the heavy metal content is made, Clarke concentrations are calculated. There is constructed a matrix of pair correlations using the program Statistika 6.0.

Full Text

В водных экосистемах между донными отложениями (ДО) и водой происходят непрерывные процессы обмена веществами. В этой связи большой интерес представляет изучение влияния донных отложений на загрязнение воды в результате вторичного загрязнения. Этот процесс наблюдается, когда ранее перешедшие из толщи воды загрязняющие вещества в результате различных внутриводоемных процессов (изменение окислительно-восстановительной обстановки, биохимические процессы) могут переходить из ДО в воду, вновь загрязняя ее [1]. Среди множества токсикантов, попадающих в природные воды, особое значение имеют тяжелые металлы (ТМ). Активно включаясь в миграционные циклы, они аккумулируются в различных компонентах водных экосистем. Особая опасность ТМ заключается в том, что, в отличие от токсикантов органической природы, в большей или меньшей степени разлагающихся в природных водах, ТМ в них стабильны и изменяют только свои формы нахождения. В группу тяжелых металлов (ТМ) входит большое число химических элементов (металлов и металлоидов), удельная плотность которых больше 5 г/см3. При всей условности такого объединения все тяжелые металлы обладают одним общим свойством: они могут быть биологически активными. Попадая в результате антропогенной деятельности в природные среды, многие из них могут накапливаться в живых организмах до таких уровней концентраций, когда они начинают оказывать токсические воздействие на организмы. К числу наиболее токсичных для биоты тяжелых металлов относятся свинец, кадмий, ртуть, мышьяк, медь, цинк, ванадий, кобальт, хром и др. Загрязнение природной среды некоторыми тяжелыми металлами уже приобрело глобальный характер. Источники поступления тяжелых металлов в морские бассейны подразделяются на две группы - природного и антропогенного происхождения. К природным относится в первую очередь речной сток, куда химические элементы попадают в растворенном и взвешенном виде, в результате химического и физического выветривания пород и почв водосбора, со стоком подземных вод, атмосферными выпадениями, при эрозии берегов и дна, за счет поступления богатых металлами иловых вод из донных отложений, а также при водообмене с другими водоемами. Антропогенными источниками являются разработки месторождений различных руд, нефти, газа, промышленные, перерабатывающие и ремонтные предприятия (особенно металлургические заводы), автомобильный, авиационный и морской транспорт, сельское хозяйство, морские порты, муниципальные стоки городов, санаторно-курортные комплексы и т.д. [2]. Всё это определило цель данной работы: получение экспериментальных данных по содержанию тяжелых металлов в донных отложениях и выявление корреляционных зависимостей по содержанию тяжелых металлов. Объектами исследования являлись донные отложения, из 40 озер таежной зоны Западной Сибири. При определении валового содержания донные отложения прокаливали при 450 °С и растворяли в концентрированной фтористоводородной кислоте. Подвижные формы тяжелых металлов извлекались ацетатно-аммонийным буферным раствором с рН=4,8. Элементный состав донных отложений был определен атомно-адсорбционным анализом. По результатам определений была рассчитана доля подвижных форм металлов от их общего содержания. Рисунок 1. Доля подвижных форм тяжелых металлов от их общего содержания в донных отложениях озер Из диаграммы видно, что доля подвижных форм Ni, Cr, Cd, Cu, Fe составляет соответственно от 0,2 % до 3% от их общего содержания. Доля подвижных форм Mn, Zn, Co, Sr в донных отложениях от их общего содержания достаточно велика от 15% до 21%, что увеличивает их реальную токсичность, поскольку подвижная форма является лабильной и при небольшом закислении водоема может перейти в водную фазу [3]. В большинстве литературных источников по анализу данных тяжелых металлов в природных объектах принято построение матриц парных корреляций с целью выявления отсутствия или наличия корреляций между содержаниями тяжелых металлов. Нами была построена матрица парных корреляций с использованием программы Statistika 6.0. Таблица 1 Корреляционная зависимость валового содержания УЭП орг. в-во Cu Cd Zn Ni Mn Cr Sr Co Fe УЭП 1,00 0,15 0,32 -0,06 0,15 0,07 0,08 0,15 0,39 0,13 -0,17 орг. в-во 0,15 1,00 -0,04 0,01 -0,21 -0,18 -0,19 0,15 0,37 0,17 0,05 Cu 0,32 -0,04 1,00 -0,21 0,60 0,12 0,25 0,12 0,14 0,10 -0,03 Cd -0,06 0,01 -0,21 1,00 -0,45 -0,54 -0,36 -0,52 -0,39 -0,50 0,08 Zn 0,15 -0,21 0,60 -0,45 1,00 0,49 0,54 0,30 0,29 0,25 0,24 Ni 0,07 -0,18 0,12 -0,54 0,49 1,00 0,86 0,91 0,62 0,89 -0,06 Mn 0,08 -0,19 0,25 -0,36 0,54 0,86 1,00 0,78 0,57 0,76 0,19 Cr 0,15 0,15 0,12 -0,52 0,30 0,91 0,78 1,00 0,75 1,00 -0,07 Sr 0,39 0,37 0,14 -0,39 0,29 0,62 0,57 0,75 1,00 0,71 -0,10 Co 0,13 0,17 0,10 -0,50 0,25 0,89 0,76 1,00 0,71 1,00 -0,06 Fe -0,17 0,05 -0,03 0,08 0,24 -0,06 0,19 -0,07 -0,10 -0,06 1,00 Проведение корреляционного анализа позволило выделить несколько значимых соответствий, таких как (Cr-Mn-Sr) - халькофильные элементы, (Co-Ni) - сидерофильные элементы и (Сu-Zn-Cd) - литофильные элементы (таблица 1). Кроме того, были обнаружены корреляции между Zn-Mn, Ni-Cr, Sr-Co, что указывает на иные механизмы формирования донных отложений. При этом были обнаружены значительные корреляции между Mn-Fe (таблица 1), что говорит о возникновении железо-марганцевых конкреций, которые возникают в озёрах таежно-лесной зоны, где много болот, в водах которых много органических кислот и органического вещества. Роль органического вещества в аккумуляции тяжелых металлов в илах незначительна. Для характеристики накопления микроэлементов в донных отложениях озер Западной Сибири использовался кларк концентрации. Данный показатель рассчитывался как отношение содержания химического элемента в изучаемом природном теле к его кларку в земной коре. Валовые содержания микроэлементов в донных отложениях озер сравнивались с кларками осадочных пород (глинами и сланцами). Для расчета кларков концентрации были использованы таблицы кларков, составленные А.П. Виноградовым [1]. Таблица 2 Корреляционная зависимость подвижных форм УЭП орг. в-во Cu Cd Zn Ni Mn Cr Sr Co Fe УЭП 1,00 0,15 0,35 0,01 -0,09 -0,35 -0,23 0,02 0,19 -0,22 -0,26 орг. в-во 0,15 1,00 0,01 -0,06 -0,13 -0,54 -0,44 -0,19 -0,34 -0,34 -0,47 Cu 0,35 0,01 1,00 -0,15 0,01 0,27 0,19 -0,32 -0,15 -0,09 0,30 Cd 0,00 -0,06 -0,15 1,00 -0,54 0,37 -0,23 -0,14 0,14 0,23 -0,27 Zn -0,09 -0,13 0,01 -0,54 1,00 -0,02 0,45 -0,11 -0,04 0,20 0,30 Ni -0,35 -0,54 0,27 0,37 -0,02 1,00 0,47 -0,21 -0,13 0,36 0,57 Mn -0,23 -0,44 0,19 -0,23 0,45 0,47 1,00 -0,14 0,08 0,21 0,89 Cr 0,02 -0,19 -0,32 -0,14 -0,11 -0,21 -0,14 1,00 0,46 0,38 -0,24 Sr 0,19 -0,34 -0,15 0,14 -0,04 -0,13 0,08 0,46 1,00 0,33 -0,07 Co -0,22 -0,34 -0,09 0,23 0,20 0,36 0,21 0,38 0,33 1,00 -0,02 Fe -0,26 -0,47 0,30 -0,27 0,30 0,57 0,89 -0,24 -0,07 -0,02 1,00 Таблица 3 Среднее содержание элементов в земной коре, мг/кг Химический элемент, мг/кг Кларк по Виноградову, мг/кг Медианное значение валового содержания КК Zn 83 31,06 0,37 Cu 47 12,56 0,27 Cr 83 19,16 0,23 Co 18 4,07 0,23 Ni 58 12,82 0,22 Fe 46500 72,38 0,16 Mn 1000 87,01 0,09 Sr 340 15,89 0,05 Кларки концентраций, рассчитанные для тяжелых металлов, не превышают среднего содержания в земной коре (КК<<1), поэтому можно предположить, что они рассеиваются в донных отложениях (таблица 3). Таким образом, изучение состава донных отложений и расчет кларков позволили оценить степень накопления металлов. Для 40 образцов донных отложений озер таежной зоны Западной Сибири были определены валовые содержания и подвижные формы тяжелых металлов. Выявлены корреляционные зависимости по содержанию тяжелых металлов и содержанию органического вещества. Наиболее значительные корреляции обнаружены между Mn-Fe, что говорит о возможном возникновении железо-марганцевых конкреций. Проведен рассчет кларков концентраций тяжелых металлов в донных отложениях.