63

Мміністерство освіти і науки України, молоді та спорту

Тернопільський національний педагогічний університет

імені Володимира Гнатюка

кафедра загальної біології

Зубрецька Світлана Богданівна________

Порівняльна характеристика та кореляційний аналіз розподілу важких металів в осінній та зимовий період гідроекосистеми озера Пісочне Шацького національного природного парку

Дипломна робота

Керівник роботи:

доцент кафедри загальної біології,

кандидат біологічних наук______________________Гуменюк Галина Богданівна

Тернопіль 2012

Зміст

ВСТУП 4

Розділ 1. Екологічна роль та моделювання міграції важких металів у водних екосистемах 10

1.1. Загальна характеристика та екологічна роль важких металів у водних екосистемах 10

1.2.Особливості моделювання міграції важких металів у складових водних екосистем. Кореляційний та регресійний аналіз. Коефіцієнт детермінації 16

РОЗДІЛ 2. МАТЕРІАЛИ ТА МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕНЬ 22

РОЗДІЛ 3. ЕКОЛОГО-ГІДРОЛОГІЧНА ХАРАКТЕРИСТИКА ОЗЕРА ПІСОЧНЕ ШАЦЬКОГО НАЦІОНАЛЬНОГО ПРИРОДНОГО ПАРКУ 26

3.1. Формування, геоморфологічна та ландшафтна характеристика Шацького національного природного парку та озера Пісочне 26

3.2. Температурний режим ставу озера Пісочне 29

3.3. Трофо - сапробіологічна характеристика озера Пісочне 30

3.4. Гідрологічна та біологічна характеристика озера 30

РОЗДІЛ 4. РОЗПОДІЛ ВАЖКИХ МЕТАЛІВ У СКЛАДОВИХ ОЗЕРА ПІСОЧНЕ 34

4.1. Розподіл важких металів у складових (вода, прибережний мул) гідроекосистеми озера Пісочне в осінній період 34

4.2. Розподіл важких металів у складових (вода, прибережний мул) гідроекосистеми озера Пісочне в зимовий період 41

Розділ 5. оЦІНКА ВЗАЄМОЗ’ВЯЗКУ КОНЦЕНТРАЦІЇ ВАЖКИХ МЕТАЛІВ 45

5.1. Кореляційний аналіз та прогнозна математична модель взаємозв’язку концентрації нікелю у воді та водневого показника середовища 45

5.2. Кореляційний аналіз та прогнозна математична модель взаємозв’язку концентрації нікелю у воді та розчинної форми металу у прибережному мулі 50

5.3. Кореляційний аналіз та прогнозна математична модель взаємозв’язку розчинної форми нікелю від валової форми металу у прибережному мулі 52

ВИСНОВКИ 55

Список літератури 57

Перелік умовних скорочень

ВМ	Важкі метали
РОР	Розчинені органічні речовини
ОР	Органічні речовини
рН	Водневий показник
БСКк	Біохімічне споживання кисню
АН	Антропічне навантаження
ПМ	Прибережний мул

ВСТУП

Йони металів є неодмінними компонентами природних водойм. Залежно від умов середовища (pH, окисно-відновного потенціалу, наявності лігандів) вони існують в різних ступенях окислення і входять до складу різноманітних неорганічних і металоорганічних сполук, які можуть бути розчиненими, колоїдно-дисперсними чи входити до складу мінеральних та органічних суспензій.

Розчинені форми металів, у свою чергу, досить різноманітні, що пов'язано з процесами гідролізу, гідролітичної полімеризації та комплексоутворення з різними лігандами. Відповідно, як каталітичні властивості металів, так і доступність для водних мікроорганізмів залежать від форм існування їх у водній екосистемі [23].

Багато металів утворюють досить міцні комплекси з органічними речовинами. Ці комплекси є однією з найважливіших форм міграції елементів у природних водах. Більшість органічних комплексів утворюються за хелатними циклами і є стійкими. Комплекси утворені ґрунтовими кислотами із солями заліза, алюмінію, титану, урану, ванадію, міді, молібдену та інших важких металів, відносно добре розчинні в умовах нейтрального, слабкокислого і слабколужного середовищ. Тому металорганічні комплекси здатні мігрувати в природних водах на досить значні відстані. Особливо важливо це для маломінералізованих і в першу чергу поверхневих вод, в яких утворення інших комплексів неможливе [26].

Для розуміння факторів, які регулюють концентрацію металу в природних водах, їх хімічну реакційну здатність, біологічну доступність і токсичність, необхідно знати не тільки валовий вміст, а й частку вільних і зв'язаних форм металлу [4].

Так, хелатні форми Cu, Cd менш токсичні, ніж вільні йони.

Джерелами забруднення вод важкими металами служать стічні води гальванічних цехів, підприємств гірничодобувної, чорної і кольорової металургії, машинобудівних заводів. Важкі метали входять до складу добрив, пестицидів і можуть потрапляти у водойми разом зі стоками з сільськогосподарських угідь [2].

Підвищення концентрації важких металів у природних водах часто пов'язане з іншими видами забруднення, наприклад, з закисленням. Випадання кислотних опадів сприяє зниженню значення рН і переходу металів із сорбованого на мінеральних і органічних речовинах стану у вільний.

Обробка експериментальних даних з використанням математичної статистики – це лише найпоширеніше, але не єдине і не найважливіше застосування математики. Справа в тому, що результати навіть досить тонких екпериментів далеко не завжди дозволяють відповісти на запитання, які основні рушійні сили і механізми впливають на стан і розвиток тієї чи іншої природної системи. Такі механізми можуть бути визначені при розгляді функціонування біологічної чи екологічної системи як результату взаємодії її складових елементів і зовнішніх факторів, що позначаються на стані середовища, в якому розглядаються ці системи. Дослідити згадану взаємодію різноманітних чинників можна тільки за допомогою математичних методів і методів математичного та імітаційного моделювання [26].

У зв’язку з цим нами досліджувалися особливості перерозподілу та статистична і кореляційна залежність концентрацій важких металів у складових гідроекосистеми на прикладі озера Пісочне Шацького національного природного парку.

Актуальність теми.

За останні 50 років під впливом діяльності людини (широкомасштабні меліорації, хімізація сільського господарства, збільшення скидів стічних вод тощо) спостерігається суттєве забруднення водних об’єктів. Особливих змін зазнають малі річки і озера. Внаслідок зростання антропічного навантаження (АН) погіршуються як кількісні, так і якісні показники поверхневих вод. Відбувається зростання мінералізації, надходження сполук азоту, фосфору, а також специфічних речовин токсичної дії, де в багатьох випадках першочерговий вплив мають важкі метали (ВМ). Інтенсивне погіршення якості поверхневих вод під впливом антропічних чинників мало місце до 1990 року, а після зменшення темпів економічного розвитку, була помічена тенденція деякого поліпшення їх якості, завдяки самоочисній здатності водойм [19].

Вміст та особливості нагромадження важких металів між основними складовими трофічного ланцюга гідроекосистем та можливості перерозподілу цих металів у складових водної екосистеми озера Пісочне Шацького національного природного парку вивчено недостатньо. Такі дослідження можуть мати як загальнотеоретичне, так і практичне значення для розробки засобів екологічного моніторингу прісних водойм. Базою для проведення екологічної експертизи є моделювання і прогнозування стану оточуючого середовища. Отримані дослідження можуть бути корисними у практичній діяльності спеціаліста-еколога, зокрема при проведенні екологічної експертизи й оцінки антропічного впливу на навколишнє середовище. Вирішенню саме цих завдань присвячене дане дослідження, спрямоване на вивчення перерозподілу та кореляційних залежностей концентрацій важких металів у складових гідроекосистеми озера Пісочне Шаціонального природного парку [16].

Мета і задачі дослідження.

Метою досліджень є визначення закономірностей розподілу ВМ (мідь, свинець, кадмій, кобальт, цинк, залізо, марганець, нікель) у прісноводній гідроекосистемі озера Пісочне Шацького національного природного парку (вода, прибережний мул) в залежності від сезонного фактору. Для досягнення мети були поставлені такі завдання:

1. Встановити ступінь накопичення міді, кобальту, кадмію і свинцю, цинку, марганцю та нікелю у воді, прибережному мулі озера Пісочне Шацького національного природного парку.

2. Дослідити особливості осіннього та зимового перерозподілу Cu, Co, Pb, Cd, Mn, Zn, Ni, Fe у системі вода прибережний мул водної екосистеми в залежності від гідрохімічних факторів.

3. Визначити рівень забруднення важкими металами озера Пісочне Шацького національного природного парку.

4. Встановити кореляційний аналіз взаємозв’язку концентрації металів у воді з водневим показником, концентрації металів у воді і їх розчинної форми у прибережному мулі, розчинної та валової форми металів у прибережному мулі; створити прогнозні математичні моделі цих кореляційних залежностей.

Об’єкт дослідження – динаміка розподілу та акумуляції важких металів в складових гідроекосистеми озера Пісочне Шацького національного природного парку.

Предмет дослідження – гідроекосистема озера Пісочне Шацького національного природного парку.

Методи досліджень. В основу методики досліджень вмісту важких металів покладена методика Мур Дж. В., Рамамурті С.[35] та їх модифікації, розроблені у відділі екотоксикології і гідрохімії Інституту гідробіології НАН України. Визначення вмісту важких металів здійснювали методом атомно-адсорбційної спектрофотометрії на спектрофотометрі С-115 при відповідних довжинах хвиль, які відповідали максимуму поглинання кожного з досліджуваних металів. Статистичну обробку здійснювали за методом Лакіна В.Т. [27].

Наукова новизна одержаних результатів. В результаті дослідження отримано дані про перерозподіл важких металів в осінній та зимовий період у складових природної гідроекосистеми (вода, прибережний мул (валові та розчинні форми)).

Встановлено корелятивний зв'язок між концентрацією важких металів та водневим показником середовища, концентрацією ВМ у воді та розчинною формою їх у прибережному мулі, розчинною та валовою формою ВМ у прибережному мулі, а також створено прогнозні математичні моделі залежності їх у місцях забору проб озера Пісочне.

Практичне значення. Результати представлені у роботі можуть бути використані у галузі природоохоронних заходів пов’язаних з вдосконаленням моніторингу поверхневих вод та покращенням екологічної ситуації у досліджуваних гідроекосистемах. Отримані показники можуть бути застосовані як біонормативні для формування рекомендацій щодо оцінки токсичності водного середовища.

Апробація та впровадження результатів дослідження. Результати дослідження оприлюднені на студентській науковій конференції Тернопільського педагогічного національного університету імені Володимира Гнатюка (2012 р.).

Публікації. За темою дипломної роботи опублікована 1 стаття у фаховому виданні.

Обсяг і структура роботи. Дипломна складається із вступу, переліку умовних скорочень, 5 розділів, висновків, списку літератури, який нараховує 51 найменування. Роботу викладено на 62 сторінках машинописного тексту, що включають 13 таблиць і 11 рисунків.

Розділ 1. Екологічна роль та моделювання міграції важких металів у водних екосистемах