KONCENTRACJE METALI CIĘŻKICH (Cu, Zn, Pb, Co, Cd, Hg) W MUSZLACH MIĘCZAKÓW SŁODKOWODNYCH Z OBSZARU ESTUARIUM ODRY I WYBRANYCH JEZIOR POMORZA ZACHODNIEGO
THE CONCENTRATIONS OF HEAVY METALS (Cu, Zn, Pb, Co, Cd, Hg) IN SHELLS OF FRESHWATER MOLLUSCS FROM THE ODRA RIVER ESTUARY AND THE SELECTED LAKES OF WESTERN POMERANIA
Dr Stanisław Piotrowski
Wstęp
Zagadnienie obecności metali ciężkich i czynników wpływających na ich koncentracje w muszlach jest stosunkowo mało poznane. Obserwuje się od kilkudziesięciu do kilkuset razy niższe koncentracje metali w muszlach, niż w tkankach miękkich. Ponadto muszle mogą odgrywać w ekosystemach swoiste czasowe „więzienie” metali ciężkich, a więc przyczyniać się do ich czasowej eliminacji z geochemicznego obiegu (Bertine & Goldberg 1972). Podobne relacje, ale tylko w odniesieniu do Pb obserwowali Bolognani-Fantin et al. (1982). Z kolei Imlay (1982) obserwował zupełnie odwrotne relacje – wysokie koncentracje metali w muszlach Unionidae w relacji do tkanek miękkich: dla Pb – koncentracje 450 razy wyższe; dla Cd – koncentracje 100 razy wyższe; dla Cu – koncentracje 6 razy wyższe. Wartości rzędu od kilku do kilkuset μg/g s.m. (=ppm) i czasami porównywalne z poziomem metali w tkankach miękkich, choć z reguły niższe o rząd wielkości, obserwowali Bias & Karbe (1985) oraz Jurkiewicz-Karnkowska (1989a, b).
Największa ilość metali ciężkich ulega sorpcji na powierzchni muszli, ale połączenie to ma charakter bardzo labilny (Bias & Karbe op. cit.). Część metali jest prawdopodobnie wbudowana w sposób bardziej trwały i właśnie ta część mogłaby służyć do bioindykacji skażeń środowiska zarówno obecnie, jak i w przeszłości (Imlay op. cit.). W muszlach stosunkowo silnie akumulowane są zwłaszcza Pb i Cd oraz w mniejszym stopniu Cu, Co, Mn, Sr (Babukutty & Chacko 1992). Niektóre metale ciężkie mogą być dość mocno związane w muszli, lub cząsteczkach fosforanowych obecnych w tkankach miękkich, co może powodować czasową ich niedostępność biologiczną w środowisku (Nott & Nicolaidou 1993). W przypadku mięczaków o dużych muszlach i o ich możliwym określeniu wieku można prowadzić badania odnośnie stanu środowiska obecnie jak i w przeszłości. W tym konkretnym przypadku Imlay (op. cit.) wskazał na możliwość użycia muszli Unionidae. Obserwacje tempa wzrostu oraz linii przyrostowych na muszlach umożliwiają analizę nieletalnych skutków zanieczyszczeń, które wywołują w tych małżach stres, a ten z kolei powoduje powstanie dodatkowych pierścieni. Jest dowiedzione, dla znaczącego przedziału czasu, że obecność metali ciężkich może powodować poważne zaburzenia w wewnętrznej strukturze muszli mięczaków, które mogą być dostrzegane na podstawie badań morfologicznych lub biochemicznych. Jakkolwiek, ścisłe odwzorowanie takich zachowań i ogólne skutki tych elementów chemicznych (metali ciężkich) na morfologię muszli i ich ultrastrukturę nie są w pełni rozumiane i rozpoznane (Moura et al. 2000). W swoich badaniach Jurkiewicz-Karnkowska & Królak (1996) zwracają uwagę na znaczny udział muszli w akumulacji metali ciężkich, zwłaszcza Cd, Fe i Mn. Podobne sugestie zawarte są też i w innych pracach (Jurkiewicz-Karnkowska 1989a i b; Pitts & Wallace 1994; Doherty et al. 1993; Newman et al. 1994).
Analizy płynów mięczaków są rzadko spotykane, ponieważ ich mała objętość stwarza trudności analityczne. Ale z ich analizy, kiedy mamy wystarczającą ich objętość, wynika, że małże mogą akumulować metale w tzw. swoich częściach zewnętrznych (na zewnątrz od tkanek miękkich) podczas powstawania muszli (Lingard et al. 1992). Różnice w pierwiastkowym składzie muszli różnych gatunków jest odmienna i zależy od: (a) odmiennych, mineralogicznych właściwości muszli (Dodd 1965); (b) zmienności w zasoleniu, temperaturze i oddziaływaniu każdego środowiska (Pilkey & Hower 1960); (c) środowiskowych koncentracji pierwiastków przyłączanych do minerału, przez izomorficzne podstawienie (Auerheimer et al. 1984).
Koncentracje metali ciężkich w muszlach, jak i w tkankach miękkich Dreissena polymorpha (racicznica zmienna) są zależne od miejsc i sezonu pobrania próbek (Wiesner et al. 2001). Nie stwierdza się natomiast zależności koncentracji metali od wielkości muszli racicznicy zmiennej, z wyjątkiem stężeń Pb, którego jest znacznie więcej w małżach o wielkości powyżej 3,5 cm, niż w muszlach poniżej 1,9 cm długości (Wiesner et al., op. cit.). Z tym ostatnim sformułowaniem trudno się jednak zgodzić (Piotrowski 2006).
Chociaż bioakumulacja metali w muszlach może uzyskiwać konkretny wymiar, jak np. zawartości Cu i Zn w muszlach Unionidae to zastosowanie muszli jako elementu bioindykatora jest nadal dyskutowane (Eldera & Collins 1991).
Celem poniższych badań było stwierdzenie: (a) stopnia akumulacji Cu, Zn, Pb, Co, Cd i Hg w muszlach analizowanych gatunków; (b) istotności zmian międzygatunkowych w koncentracjach metali ciężkich; (c) zmian międzyśrodowiskowych stężeń metali w zależności od miejsca pobrania próbek.
Obszar badań
Estuarium Odry stanowią: rozgałęziony układ cieków Dolnej Odry, jezioro Dąbie, Roztoka Odrzańska, Zalew Szczeciński, cieśniny Piany, Świny i Dziwny oraz część Zatoki Pomorskiej. Granice tego obszaru, górna odlądowa i dolna morska, są zmienne a ich położenie zależy od wielu czynników. Estuarium Odry cechuje się skomplikowanym układem hydrologicznym, o którego złożoności decyduje przede wszystkim (Jasińska, 1991):
Estuariowy charakter ujścia, tj istnienie wymiany wód pomiędzy morzem i obszarem śródlądowym,
Wyjątkowo skomplikowany układ rzek i kanałów na odcinku Widuchowa-Trzebież,
Duża retencyjność obszaru wynikająca zarówno z istnienia zbiorników wód powierzchniowych (Zalew Szczeciński, Jezioro Dąbie), jak i ze struktury geologicznej obszarów przyległych,
Znaczna dynamika zmian wielkości hydrologicznych, głównie stanów wody, wynikająca ze zmienności poziomu wody i dużej podatności systemu na te zmiany oraz wpływ warunków anemobarycznych, głównie wiatrów.
W Widuchowej Odra rozgałęzia się na Odrę Wschodnią (Regalicę) i Odrę Zachodnią, pomiędzy którymi, aż po Szczecin, rozciąga się obszar Międzyodrza, przez który przebiega szereg bardziej lub mniej drożnych kanałów. Po minięciu Międzyodrza Odra Wschodnia wpływa do jeziora Dąbie, po przepłynięciu którego ponownie łączy się z Odrą Zachodnią i dalej, już jako Domiąża, wpływa do Roztoki Odrzańskiej i Zalewu Szczecińskiego (Piotrowski & Stolarczuk, 1999). Poprzez trzy cieśniny łączące Morze Bałtyckie z Zalewem Szczecińskim Odra wpływa do Bałtyku (Buchholz, 1993). Zjawisko tzw. cofki wód Odry i przydennych wlewów zasolonej wody morskiej sięga przeciętnie na odległość 100 km od brzegu morza, ale maksymalnie zaznacza się 160 km od brzegu morza (Buchholz, 1989; Jasińska, 1991). Naturalny układ hydrologiczny tego obszaru został mocno zmieniony (począwszy od drugiej połowy XIX wieku) w wyniku szeroko zakrojonych prac w porcie szczecińskim i budową toru wodnego Szczecin-Świnoujście. W związku z tym głębokości Odry Zachodniej poniżej Szczecina są stale utrzymywane na poziomie 10-12 metrów (Piotrowski & Stolarczuk op.cit.).
Do badań porównawczych wytypowano pięć najczystszych jezior leżących w poblizu estuarium Odry: jezioro Ostrów – dorzecze Rurzycy, jezioro Kiełbicze i jezioro Wełtyńskie – dorzecze Odry, jezioro Binowo i jezioro Miedwie – dorzecze Płoni. Wody tych jezior należą do wód II klasy czystości.
Metoda badań
Materiał do badań laboratoryjnych został pobrany w latach 1999 i 2000 z następujących rejonów estuarium Odry: Międzyodrze, Jezioro Dąbie, Domiąża, Roztoka Odrzańska i Zalew Szczeciński. Dla celów porównawczych pobrano też próbki z jezior: Ostrów, Kiełbicze, Wełtyńskie, Binowo i Miedwie (Rys. 1).
Pobór próbek mięczaków – na każdym stanowisku pobierano próbki mięczaków przy pomocy dragi. Natychmiast po pobraniu mięczaki przechowywano 24 godziny w przefiltrowanej wodzie z miejsca ich pobrania. Przez cały czas woda była natleniana. Celem tego procesu było oczyszczenie i całkowite wydalenie zawartości jelita, które może zawierać strawione i nie strawione pożywienie, a także oczyszczenie powierzchni muszli z epifauny i przylegającego osadu.
Stanowiska badawcze były lokalizowane za pomocą systemu nawigacji satelitarnej GPS firmy Trimble Navigation.
Przygotowanie próbek mięczaków do analiz chemicznych – po oczyszczeniu muszli, dla każdego stanowiska dokonano pomiarów długości (małże) i wysokości (ślimaki) muszli. Następnie próbki gotowano w celu oddzielenia tkanek miękkich od muszli. Tak otrzymany materiał przemywano wodą destylowaną, a następnie suszono do stałej masy w temperaturze 55-60oC. Po wysuszeniu próbki mielono w młynku agatowym. Jako próbkę z danego stanowiska rozumie się wszystkie żywe osobniki badanego ślimaka, czy małża, jakie na danym stanowisku zostały pobrane.
Wszystkie analizy koncentracji metali ciężkich w muszlach mięczaków zostały wykonane w Centrum Badań Jakości Sp. z o.o. KGHM Polska Miedź S.A. Oznaczenia Cu, Zn, Pb, Co i Cd dokonano techniką ICP-AES na spektrometrze plazmowym typu Liberty. Rtęć oznaczono za pomocą generatora wodorków (metoda zimnych par) techniką CV-AES.
Opracowanie wyników badań dokonano za pomocą programu Microsoft Excel oraz przeprowadzono analizę skupień (metoda pojedynczego wiązania i odległości euklidesowe) oraz i analizę głównych składowych (PCA) przy zastosowaniu programu STATISTICA (wersja 5). Wielowymiarowe skalowanie (MDS) przeprowadzono przy zastosowaniu programu PRIMER (wersja 5) opracowanego przez Plymouth Marine Laboratory, UK.
Statystyczne postępowanie, którego celem było stwierdzenie istotnych zależności pomiędzy badanymi gatunkami mięczaków a obecnością w nich metali ciężkich zostało przeprowadzone na przykładzie średnich koncentracji metali ciężkich (Cu, Zn, Pb, Co, Cd i Hg) w muszlach a przynależnością gatunkową analizowanych mięczaków. Algorytm postępowania w w/w analizie statystycznej obejmował następujące etapy:
1. Zdefiniowanie macierzy danych.
2.Wybór miary podobieństwa.
3.Obliczenie elementów macierzy odległości taksonomicznych między gatunkami mięczaków.
4.Aglomeracja skupień (wg wybranej zasady wiązania) aż do uzyskania dendrogramu.
5.Analiza i weryfikacja dendrogramu.
1. Jako macierz danych przyjęto średnią zawartość poszczególnych metali ciężkich w muszlach badanych gatunków mięczaków z uwzględnieniem gatunków dla których wykonano tylko analizę geochemiczną jednej próbki. Takie, pojedyncze serie pomiarowe, w macierzy danych są przyjmowane i na równi traktowane z innymi danymi (średnimi zawartościami metali.
2. Jako taksonomiczną miarę podobieństwa wybrano odległość euklidesową:
gdzie: xij to wartość j-tej cechy dla i-tego obiektu, xkj – wartość j-tej cechy dla k-tego obiektu, dik – odległość pomiędzy i-tym i k-tym obiektem (i, k=1,2,…,m; j=1,2,…,p).
3. Macierz odległości taksonomicznych między badanymi gatunkami mięczaków została utworzona na podstawie w/w odległości euklidesowych.
4. Aglomeracja skupień została dokonana w oparciu o metodę najmniejszej wariancji, tak zwana metoda Warda.
Do ostatecznej weryfikacji przynależności gatunków do odpowiednich skupień (vide dendrogram) wykorzystano metodę zaproponowana przez Hellwiga (Hellwig, 1968), według której dwa podzbiory zbioru będziemy uważać za istotnie różne, jeśli najkrótsza odległość między parą punków należących do dwóch podzbiorów jest większa niż pewna wartość krytyczna (Wk). Wartość tę oszacowano w następujący sposób:
znaleźć wartość minimalną dla każdego wiersza w macierzy odległości,
dla nowo powstałej zmiennej obliczyć: średnią arytmetyczną i odchylenie standardowe,
obliczyć wartość krytyczna (Pluta 1977).
Obliczona wartość krytyczna, Wk (tu Wk = 16,11), jest traktowana, jako wyznacznik wydzielenia ilości skupień.
5. Oprócz analizy wielozmiennej istotna jest także analiza struktury każdego z wydzielonych skupień. Pozwala ona uzyskać informacje jakie cechy (tu jakie metale ciężkie) zadecydowały o utworzeniu poszczególnych skupień. Badanie to przeprowadzono w oparciu o metodę średnich arytmetycznych (wg Runie – vide Pluta 1977; Hellwig 1968).
Wskaźnikiem struktury każdego skupienia są ilorazy xn/x; gdzie xn – średnia arytmetyczna danej cechy dla wyróżnionej klasy, x – średnia arytmetyczna danej cechy. Wartości ilorazów większe od jedności świadczą o dominacji określonego metalu w skupieniu.
Wyniki badań
Pod względem koncentracji metali ciężkich w muszlach badanych gatunków mięczaków słodkowodnych mamy do czynienia z następującym szeregiem metali: Zn