Scientific journal
Advances in current natural sciences
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,653

NFLUENCE OF GRANULOMETRIC COMPOSITION OF BOTTOM SEDIMENTS ON GROSS DISTRIBUTION OF METALS (MN, PB, CR, ZN, NI) IN SOME RIVERS OF THE OB-IRTYSH BASIN

Zemtsova E.S. 1 Alimova G.S. 1
1 Tobolsk Complex Scietific Station of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences (TCSS UB RAS)
Атомно-эмиссионным методом определено валовое содержание металлов (Mn, Pb, Cr, Zn, Ni) в донных отложениях некоторых рек Обь-Иртышского бассейна: р. Демьянка, р. Самсоновская, р. Лев, р. Вандрас. Проведен корреляционный анализ Спирмена между валовыми концентрациями металлов и процентным содержанием гранулометрических фракций донных отложений < 2,0 мм. Установлена положительная корреляционная зависимость между концентрациями Mn, Pb, Cr, Zn, Ni и фракцией глинистых частиц (< 0,005 мм). На основе полученных уравнений регрессии рассчитаны теоретические значения концентрации Mn, Pb, Cr, Zn, Ni в образцах проб донных отложений известного гранулометрического состава исследуемых рек. При сравнении теоретических значений с фактически полученными результатами выявлены образцы с повышенными концентрациями металлов.
Atomic-emission method determined the total content of metals (Mn, Pb, Cr, Zn, Ni) in the bottom sediments of some rivers of the Ob-Irtysh basin: r. Demianka, r. Samsonovskaya, r. Lev, r. Vandras. Spearman’s correlation analysis was made between the total metal concentrations and the percentage of granulometric fractions of bottom sediments < 2,0 mm. A positive correlation between the concentrations of Mn, Pb, Cr, Zn, Ni and a fraction of clay particles (< 0,005 mm) was established. Based on the regression equations obtained, the theoretical values ​​of the concentration of Mn, Pb, Cr, Zn, Ni in samples of sediment samples of the known granulometric composition of the investigated rivers were calculated. When comparing the theoretical values ​​with the actual results, samples with elevated metal concentrations were detected.
the Ob-Irtysh basin
bottom sediments
granulometric composition
metals
organic matter
correlation and regression analyses
1. Lukjanov S.A., Lebedev A.A., Shvarcman Ju.G. Granulometricheskij sostav donnyh otlozhenij i ego raspredelenie v ustevoj zone r. Severnoj Dviny / S.A. Lukjanov, A.A. Lebedev, Ju.G. Shvarcman // Arctic Environmental Research. 2011. no. 2. рр. 12–19.
2. Vlijanie granulometricheskogo sostava donnyh otlozhenij na podvizhnost i toksichnost tjazhelyh metallov v pribrezhnoj zone Finskogo zaliva Baltijskogo morja / Poljak Ju.M. [i dr.] // Voda: himija i jekologija. 2017. no. 1. рр. 11–18.
3. Slukovskij Z.I., Bubnova T.P. Himicheskij sostav frakcii < 0,1 mm otlozhenij reki Neglinki indikator zagrjaznenija gorodskogo vodotoka / Z.I. Slukovskij, T.P. Bubnova // Uchebnye zapiski Petrozavodskogo gosudarstvennogo universiteta. 2013. no. 4 (133). рр. 50–56.
4. Jugaj V.S., Dauvalter V.A. Osobennosti formirovanija granulometricheskogo sostava donnyh otlozhenij ozera Bolshoj Vudjavr / V.S. Jugaj, V.A. Dauvalter // Trudy Fersmanovskoj nauchnoj sessii GI KNC RAN. 2011. no. 8. рр. 157–159.
5. Frakcii tjazhelyh metallov Cd, Cr, Pb v donnyh otlozhenijah malyh rek bassejna Verhnej Obi Samsonovskaja, Lev i Vandras / G.S. Alimova [i dr.] // Mezhdunarodnyj zhurnal prikladnyh i fundamentalnyh issledovanij. 2016. no. 10–1. рр. 93–95.
6. Alimova G.S., Tokareva A.Ju., Zemcova E.S. Srednjaja plotnost zapasov tjazhelyh metallov v donnyh otlozhenijah malyh rek bassejna Verhnej Obi Samsonovskaja, Lev i Vandras / G.S. Alimova, A.Ju. Tokareva, E.S. Zemcova // Uspehi sovremennogo estestvoznanija. 2016. no. 10. рр. 110–113.
7. Opyt ocenki zagrjaznenija donnyh otlozhenij nizhnego techenija reki Irtysh toksichnymi metallami / Zemcova E.S. [i dr.] // Mezhdunarodnyj zhurnal prikladnyh i fundamentalnyh issledovanij. 2016. no. 10–4.рр. 604–608.
8. Sravnitelnyj analiz soderzhanija metallov v donnyh otlozhenijah nekotoryh rek Tjumenskoj oblasti / Zemcova E.S. [i dr.] // Fundamentalnye issledovanija. 2015. no. 2–26. рр. 5798–5802.
9. Opredelenie granulometricheskogo sostava gruntov (metodicheskie ukazanija) / Sost. V.V. Fursov, M.V. Baljura. Tomsk: Izd-vo Tom. gos. arhit.-stroit. un-ta, 2007. 21 р.
10. Prostranstvenno-vremennoe raspredelenie tjazhelyh metallov v donnyh otlozhenijah juzhnoj chasti Kujalnickogo Limana / G.N. Shihaleeva [i dr.] // Bestnik ONU. Himija. 2014. T. 19. Vyp. 4(52). рр. 59–68.

В современных условиях промышленного освоения Обь-Иртышского бассейна (питьевое и техническое водоснабжение, судоходство, рыболовство) особенное внимание уделяется экологическому состоянию как крупных рек, так и их притоков. Характер накопления загрязняющих веществ зависит и от гранулометрического состава донных отложений (ДО). Верхний 10-сантиметровый слой донных осадков – основной объект геоэкологических исследований [1]. В частности, влияние различных гранулометрических фракций ДО на валовое распределение металлов обнаружено рядом исследователей [2–8]. Интенсивность сорбции металлов донными осадками может зависеть и от химических свойств ДО – рН, содержание органического вещества и т.д. [7].

Объектом исследования в данной работе являются ДО некоторых рек Обь-Иртышского бассейна – Демьянка, Самсоновская, Лев и Вандрас. Демьянка является достаточно крупным правым притоком р. Иртыш, общей длиной более 1000 км. Реки Самсоновская, Лев, Вандрас – притоки бассейна Верхней Оби, расположенные в южной части Ханты-Мансийского автономного округа (ХМАО) Тюменской области. Исследуемые притоки бассейна Верхней Оби относят к малым рекам с протяженностью не более 200 км [6].

Цель работы – на основе полученных уравнений регрессии, отражающих математическую зависимость концентрации металла от процентной доли фракций гранулометрического состава ДО, рассчитать теоретические значения концентрации металлов в каждом образце ДО. Сравнение фактически полученных результатов с теоретически рассчитанными позволит выявить образцы донных осадков с «аномальными» (т.е. значительно отклоняющимися от теоретических показателей) концентрациями элементов.

В работе изучено валовое распределение металлов – Mn, Pb, Cr, Zn, Ni в донных осадках исследуемых рек. Данные металлы относят к микрокомпонентам природных объектов. Согласно ГОСТ 17.4.1.02-83 «Классификация химических веществ для контроля загрязнения» Pb и Zn относят к 1 классу опасности (высоко опасные), Cr и Ni – 2 класс опасности (умеренно опасные), Mn – 3 класс опасности (мало опасные) [3].

Материалы и методы исследования

В 2014 г. проведены экспедиционные работы на территории Ханты-Мансийского автономного округа и Уватского района Тюменской области по изучению химического загрязнения ДО четырех рек – Демьянка (D), Лев (L), Вандрас (V) и Самсоновская (S). Географические координаты станций отбора проб ДО представлены в табл. 1.

Таблица 1

Географические координаты станций отбора проб ДО на реках ХМАО

Наименование

водоема

Станция отбора

Географические координаты

Река Вандрас

В2

N60004,125´; Е071028,729´

В1

N60004,120´; Е071028,956´

Река Лев

Л2

N60001,344´; Е071021,974´

Л1

N60000,730´; Е071020,229´

Река Самсоновская

С1

N59038,171´; Е071017,701´

С2

N59058,117´; Е071017,689´

Река Демьянка

Д1

N59029,313´; Е070000,523´

Д2

N59032,626´; Е069020,476´

Отобрано 24 образца ДО (по 6 образцов с каждой реки). Отбирался верхний слой речных отложений (5–10 см) при использовании дночерпателя с площадью захвата 0,025 м2. Анализ образцов ДО проведен в 2014 г. в лаборатории экотоксикологии ТКНС УрО РАН (аттестат аккредитации № РОСС RU.0001.516420 от 04 марта 2011 г.). Оценен уровень рН водной вытяжки ДО, содержание органического вещества, валовые концентрации пяти элементов – Mn, Pb, Cr, Zn, Ni. Содержание органического вещества определено по методу И.В. Тюрина в модификации В.Н. Симакова. Элементный анализ проведен в разведенных экстрактах после кислотного разложения образцов ДО с использованием метода атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (ИСП-АЭС) на спектрометре Optima 7000DV (PerkinElmer, США). Кислотное разложение образцов ДО выполнено с помощью системы микроволнового разложения speedwave MWS-2 (BERGHOF Products + Instruments GmbH, Германия). Гранулометрический состав ДО был определен авторами ранее с помощью метода Рутковского, для классификации ДО по результатам гранулометрического анализа использован треугольник Ферре [9]. Статистический анализ данных проведен с использованием пакета программ Statistica (StatSoft). При проверке статистических гипотез применялись регрессионный анализ, коэффициент корреляции Спирмена r (r < 0,30 – слабые связи, r = 0,31–0,70 – средние связи, r > 0,70 – сильные связи по шкале Чеддока) [10].

Результаты исследования и их обсуждение

Донные отложения четырех исследуемых рек различались по гранулометрическому составу и классифицировались как «пески», «суглинистые пески» и «песчанистые суглинки» [8]. Количество образцов ДО данных наименований для каждой реки составило соответственно 4, 2, 0 для р. Демьянка; 0, 3, 3 – для р. Вандрас; 2, 2, 2 – для р. Лев и 0, 2, 4 – для р. Самсоновская. Валовое содержание металлов в образцах разного механического состава значительно различалось. Так, в «песчанистых суглинках» по сравнению с «песками» усредненные концентрации Mn были выше в 2,0 раза, Pb – в 3,5 раза, Cr – в 2,2 раза, Zn – в 2,5 раза, Ni – в 1,6 раз. Таким образом, при оценке степени загрязнения ДО тяжелыми металлами необходимо учитывать содержание в них гранулометрических фракций разной размерности. Наиболее тесные связи изученных металлов выявлены с содержанием фракции глинистых частиц. Установлена математическая зависимость между данными параметрами (рисунок). На основе полученных уравнений регрессии рассчитаны теоретические значения концентрации металлов в каждом образце ДО с тем или иным содержанием глинистых частиц. Сравнение фактически полученных результатов с теоретически рассчитанными позволило выявить образцы донных осадков с «аномальными» (т.е. значительно отклоняющимися от теоретических показателей) концентрациями элементов. На рисунке визуально можно наблюдать максимальные отклонения полученных концентраций (пунктирная линия) от теоретической кривой (сплошная черная линия).

zem1.tif

Фактическое и теоретическое содержание металлов в образцах донных отложений рек Демьянка (D), Лев (L), Вандрас (V) и Самсоновская (S) в зависимости от содержания фракции глинистых частиц (Clay, %)

Валовое содержание Mn в исследуемых образцах варьировало от 17 до 299 мг/кг и находилось в прямой зависимости от содержания фракции глинистых частиц (r = + 0,70) и органического вещества (r = + 0,72) в ДО. С процентным содержанием фракции песчаных частиц статистически значимых связей не выявлено. Существенных отклонений фактических значений Мn от теоретически рассчитанных не наблюдалось.

Содержание Pb в изученных образцах изменялось в интервале от 2,9 до 80 мг/кг. Относительно других металлов показатели Pb имели более тесные связи с количеством органического вещества (r = + 0,81), фракции глинистых частиц (r = + 0,74) и фракции песчаных частиц (r = – 0,71) в ДО. В отдельных пробах (р. Самсоновская и р. Вандрас) фактические концентрации Pb незначительно превышали теоретические – в 1,4–1,6 раз (рисунок). Определены тесные связи Pb с Cr (r = + 0,84) и Zn (r = + 0,84).

Увеличение коэффициента корреляции для фракции менее 0,005 мм по Мn и Pb до 0,8 отмечено и в других работах [3].

Пределы колебаний Cr в образцах ДО составили от 0,9 до 26 мг/кг. Показатели Cr возрастали при увеличении доли глинистых частиц (r = + 0,73) и содержания органического вещества (r = + 0,74) и снижались при увеличении доли песчаных частиц (r = – 0,59). В двух образцах (S1 и V6) практически полученные результаты в 1,6 раз превысили теоретические.

Минимальные показатели Zn в изученных образцах составили 0,9 мг/кг, максимальные – 29,5 мг/кг. Коэффициенты корреляции Zn с содержанием фракций глинистых, песчаных частиц и органического вещества в ДО составили соответственно + 0,72, –0,71 и + 0,72. Заметное превышение фактических результатов над теоретически рассчитанными наблюдалось только в образце S1 (в 1,7 раза).

Валовое содержание Ni в ДО изменялось в диапазоне от 0,3 до 9,9 мг/кг. Определены относительно слабые связи показателей Ni c содержанием фракции глинистых частиц (r = + 0,42) и фракции песчаных частиц (r = – 0,42), с количеством органического вещества, статистически значимых связей не выявлено. Профиль кривой, отражающей экспериментально полученные концентрации Ni, существенно отличался от профилей других металлов. Выраженные пики определены в образцах L2 и L6 (значения превышали теоретические в 1,9 раз). Данные образцы классифицировались соответственно как «песок» и «суглинистый песок» и характеризовались низким содержанием органического вещества. Высокие концентрации Ni в данных образцах могут быть связаны с антропогенным загрязнением, например загрязнением нефтепродуктами. Известно, что Ni является одним из наиболее распространенных токсичных элементов нефти (концентрация Ni в нефти может достигать 0,01 %).

Проведен сравнительный анализ содержания металлов в ДО четырех исследуемых рек. Минимальные значения исследуемых металлов определены в образцах ДО р. Демьянка, характеризующихся наиболее высоким содержанием фракции песчаных частиц и низким содержанием фракции глинистых частиц и органического вещества (табл. 2).

Таблица 2

Химико-физический состав донных отложений исследуемых рек (в левом столбце – значение медианы, в правом столбце – диапазон значений показателя)

Показатель, единица измерения

р. Демьянка

р. Вандрас

р. Лев

р. Самсоновская

Mn, мг/кг

86,8

[28,9–99,5]

107

[98,9–117]

114

[99,7–139]

209

[204–284]

Pb, мг/кг

20,9

[6,9–21,9]

34,5

[31,3–46,8]

23,6

[19,5–30,8]

63,8

[51,6–72,7]

Cr, мг/кг

8,8

[2,6–9,2]

13,6

[12,8–15,9]

13,9

[11,4–16,1]

22,2

[19,5–24,6]

Zn, мг/кг

11,2

[2,4–12,5]

16,2

[15,5–16,6]

15,2

[8,4–18,0]

20,9

[17,3–23,5]

Ni, мг/кг

3,8

[1,0–4,4]

5,8

[5,4–5,9]

7,3

[7,1–9,6]

7,2

[6,1–8,6]

Фракция глинистых частиц, %

2,3

[0,0–4,5]

4,5

[4,5–5,7]

6,2

[3,4–6,8]

10,8

[9,1–11,3]

Фракция песчаных частиц, %

90,0

[85,0–100]

66,3

[55,0–80,0]

81,3

[75,0–90,0]

72,5

[65,0–85,0]

Фракция илистых частиц, %

6,6

[0,0–10,5]

28,6

[15,5–39,3]

13,6

[5,2–18,2]

17,5

[4,8–25,5]

Органическое вещество, %

0,19

[0,11–0,33]

0,52

[0,45–0,56]

0,24

[0,16–0,40]

1,47

[1,06–2,06]

рН, ед. рН

6,6

[6,4–7,1]

5,0

[5,0–5,3]

6,3

[6,1–8,1]

5,6

[4,6–6,5]

Максимальные значения Mn, Pb, Cr и Zn отмечены в образцах ДО р. Самсоновская, отличительной особенностью которых было высокое содержание органического вещества и фракции глинистых частиц (табл. 2). Концентрации всех изученных металлов отрицательно коррелируют со значениями содержаний фракций песчаных частиц, что согласуется с данными других работ по исследованию ДО водоемов [3, 7].

Выводы

Определены валовые концентрации пяти металлов в донных отложениях некоторых рек ХМАО – Mn (19–299 мг/кг), Pb (2,9–80 мг/кг), Cr (0,9–26 мг/кг), Zn (0,9–30 мг/кг), Ni (0,3–9,9 мг/кг).

Установлены значимые положительные корреляции между концентрацией металлов в донных осадках и содержанием в них фракции глинистых частиц и органического вещества.

На основе полученных уравнений регрессии рассчитаны теоретические значения концентрации Mn, Pb, Zn, Cr и Ni в образцах донных отложений известного гранулометрического состава. При сравнении теоретических значений с фактически полученными результатами выявлены образцы с повышенными концентрациями металлов.

Таким образом, различия в содержании металлов в ДО исследуемых рек обусловлены естественными причинами – различиями в содержании различных гранулометрических фракций и органического вещества. В содержании Ni статистически значимых различий между ДО рек Самсоновская и Лев не выявлено. Как было отмечено выше, высокие концентрации Ni в песчаных ДО р. Лев могут быть связаны с антропогенным загрязнением.

Статья подготовлена при финансовой поддержке ФАНО России в рамках темы ФНИ № 0408-2014-0019 «Миграционные процессы радионуклидов и химических поллютантов в экосистеме водоемов Обь-Иртышского бассейна».

Авторы выражают искреннюю благодарность коллегам – к.б.н. А.А. Чемагину, к.б.н. Е.И. Поповой за участие в отборе проб ДО.