В данной работе объектом исследования являются донные отложения нижнего течения Иртыша. Донные отложения рек относят к наиболее информативным объектам среды по сравнению с водными массами, так как они перемещаются с гораздо меньшей скоростью и таким образом могут хранить информацию о возможных многолетних загрязнениях конкретного водоема [5].
В Российской Федерации основным критерием качества воды является величина ПДК – предельно допустимая концентрация загрязняющего химического элемента и его соединений в воде. Для донных осадков на сегодняшний день нормативы ПДК химических элементов не разработаны [9]. В то же время оценку химического загрязнения донных отложений водоемов можно проводить с применением экогеологических (гидрохимических, геохимических и геофизических и др.) критериев, коэффициентов и показателей [6].
В группу таких показателей входит коэффициент концентрации Кс, представляющий собой отношение содержания химического элемента в конкретном природном объекте Сi к его фоновому содержанию СФ в соответствующем компоненте природной среды. Химические элементы со значениями КС ≥ 1,5 образуют геохимическую ассоциацию, характеризующую качественный (элементный) состав и структуру природно-техногенного загрязнения [6].
Целью работы является проведение экогеохимической оценки загрязнения донных отложений Нижнего Иртыша выявленными экологически значимыми химическими элементами, относящимися ко 2 и 3 классу опасности (Рb, Sb, Se, Fe, Mo, As, Zn, Cd, Co, Cr, Cu, Mn, Ni, Sr).
В задачи исследований включены следующие процедуры:
– проведение атомно-эмиссионного анализа образцов проб донных отложений на содержание в них экологически значимых химических элементов;
– расчет коэффициентов концентрации выявленных химических элементов 2 и 3 класса опасности;
– определение суммарного показателя геохимической нагрузки донных отложений Нижнего Иртыша;
– ранжирование химических элементов по концентрации в донных отложениях Нижнего Иртыша.
Антропогенная нагрузка на бассейн Иртыша обусловлена наличием промышленных, в том числе и металлургических, комплексов Сибири и Казахстана, а также зарегулированием верхнего течения каскадом водохранилищ – Бухтарминским, Усть-Каменогорским и Шульбинским. Актуальность исследования миграции химических элементов в экосистеме нижнего течения реки Иртыш обусловлена экогеологической ролью взвешенных частиц – компонентов водной среды. Тонкодисперсный состав и высокие сорбционные качества взвешенного материала формируют более высокие концентрации химических компонентов во взвеси по отношению к воде, что в условиях антропогенного загрязнения, особенно в период половодья, может привести к значительному переносу химических элементов и их накоплению в местах, находящихся на большом удалении от источников загрязнения.
На территории данного участка Иртыша активно развиваются нефтегазодобывающая и нефтеперерабатывающая отрасли промышленности. Побочным последствием технического роста является загрязнение водоемов, почв различными химическими поллютантами (тяжелые металлы, нефтепродукты). Экологически значимые химические элементы, к которым относятся и тяжелые металлы, являются приоритетными загрязнителями объектов окружающей среды.
В настоящей работе впервые на основе расчетов коэффициентов концентрации экологически значимых химических элементов определена степень геохимической нагрузки донных отложений Нижнего Иртыша. Методологические основы исследования миграции тяжелых металлов в пресноводных экосистемах, используемые в данной работе, разработаны и апробированы в публикациях [3–6, 8].
Работа выполнена при поддержке Программы фундаментальных научных исследований государственных академий наук на 2013–2020 годы по теме: «Миграционные процессы радионуклидов и химических поллютантов в экосистеме водоемов Обь-Иртышского бассейна» (№ государственной регистрации 116020510088).
Материалы и методы исследования
Отбор образцов проб донных отложений Нижнего Иртыша проведен в шести станциях – на участке от села Абалак Тобольского района до села Горнослинкино Уватского района Тюменской области (рис. 1). Длина реки Иртыш в пределах рассматриваемой территории составила 163 км [10]. Отбор выполнен в период весенне-летнего половодья (май – август) 2014 г. из верхнего слоя донных отложений до глубины 10 см с помощью специального пробоотборника с площадью сечения 36 см2 [2]. На каждой станции производили шесть выемок грунта – не менее двух с магистрального русла, левого и правого берегов.
Определение валового содержания химических элементов проведено также в 2014 г. атомно-эмиссионным методом на спектрометре OPTIMA-7000 DV по аттестованным методикам измерений в лаборатории экотоксикологии ТКНС УрО РАН (аттестат аккредитации № РОСС RU.0001.516420 от 04 марта 2011 г.) [7].
Контроль качества проводимых измерений осуществлен в соответствии с требованиями РМГ 76-2004 и подтверждается ежегодным участием лаборатории в межлабораторных сравнительных испытаниях. Статистический анализ данных выполнен с использованием программы «Statistica v6.0 Stat Soft».
Результаты исследования и их обсуждение
Статистически обработанные валовые концентрации выявленных экологически значимых химических элементов в донных отложениях Нижнего Иртыша – As, Cd, Co, Mo,
Sr, Рb, Cr, Cu, Mn, Fe, Ni, Zn ‒ приведены в публикациях авторов [3, 4]. Фоновые концентрации химических элементов в донных отложениях рек, используемые при расчетах, собраны из разных источников автором работы [9]. Рассчитанные значения коэффициентов концентрации исследуемых элементов даны в табл. 1.
На станциях 1, 2, 3, 5, 7 коэффициенты концентраций химических элементов увеличиваются от левого берега к руслу и правому берегу Нижнего Иртыша. Только на станциях 4 и 6 коэффициенты концентраций элементов отмечены выше у правого берега реки. Такое распределение валового содержания химических элементов в донных отложениях можно объяснить как характером меандрирования реки, т.е. концентрации химических элементов в донных отложениях повторяют меандры реки [10], так и гранулометрическим составом донных отложений [3, 4]. Правый берег станций 4 и 6, так же как и левый берег станций 1, 2, 3, 5, 7 представлен песчанистыми суглинками, суглинками илистыми, в которых сорбция металлов выше за счет увеличения фракции глинистых частиц в составе донных отложений реки [3, 4].
Рис. 1. Схема-карта района исследований (масштаб 1:500000): 
границы муниципальных районов; 
границы г. Тобольска; 
населенные пункты; 
направление течения реки; 
(1–7) – станции отбора проб донных отложений: 1 – село Абалак; Тобольский район; 2 – деревня Бизино; Тобольский район; 3 – г. Тобольск; речной порт; 4 – деревня Медведчикова; Тобольский район; 5 – деревня Бронниково; Тобольский район; 6 – научно-исследовательский стационар «Миссия» ТКНС УрО РАН; Уватский район; 7 – село Горнослинкино; Уватский район
По данным табл. 1 к химическим элементам со значениями Кс > 1,5 можно отнести свинец. У остальных выявленных химических элементов 2 и 3 класса опасности коэффициент концентрации находится в пределах от 0 до 0,9 на разных участках реки.
Ранжирование по средним значениям коэффициентов концентрации химических элементов в донных отложениях Нижнего Иртыша определено в следующем виде: Pb > Cr > Co > Fe > Mn > Ni > As > Cu > Cd > Sr > Zn > Mo.
Показатель геохимической нагрузки (Zс) можно рассчитать по формуле Ю.Е. Саета [6]:
где Кс – коэффициент концентрации, имеющий значение более 1,5; n – число учитываемых аномальных элементов с Кс > 1,5.
Техногенные аномалии обычно имеют полиэлементный состав, но по результатам наших исследований определен только один элемент с Кс > 1,5, поэтому n = 1, тогда Zс равен значениям коэффициентов концентрации свинца на исследуемых участках реки и не превышает 3,3 единиц (табл. 2).
По 4-балльной оценочной шкале степени геохимической нагрузки донные отложения Нижнего Иртыша по выявленным химическим элементам 2 и 3 класса опасности имеют допустимую степень геохимической нагрузки Zс = 1,69…3,31 (при Zс < 16 – допустимая, 16–32 – умеренно опасная, 32–128 – опасная, > 128 – чрезвычайно опасная) [6].
Таблица 1
Коэффициенты концентраций химических элементов в донных отложениях Нижнего Иртыша (правый берег/русло/левый берег)
|
СФ, [9] мг/кг Станция |
As |
Cd |
Co |
Mo |
Sr |
Pb |
Cr |
Cu |
Mn |
Fe |
Ni |
Zn |
|
7,64 |
7,6 |
0,86 |
1,6 |
99,7 |
21,6 |
40,1 |
20,2 |
705 |
27080 |
25,8 |
93,7 |
|
|
1 |
0,3 0,4 0,5 |
0,4 0,3 0,3 |
0,1 0,5 0,9 |
0,2 0,1 0,1 |
0,2 0,3 0,5 |
1,6 2,1 3,7 |
0,3 0,4 0,8 |
0,3 0,3 0,6 |
0,2 0,3 0,6 |
0,3 0,4 0,7 |
0,3 0,4 0,6 |
0,3 0,2 0,4 |
|
2 |
0,3 0,4 0,5 |
0,5 0,3 0,1 |
0 0,6 0,8 |
0,2 0,1 0 |
0,2 0,3 0,4 |
1,6 2,5 3,5 |
0,5 0,7 0,7 |
0,2 0,4 0,5 |
0,3 0,4 0,6 |
0,3 0,5 0,7 |
0,5 0,6 0,5 |
0,2 0,2 0,3 |
|
3 |
0,2 0,5 0,4 |
0,2 0,7 0,1 |
__0_ 0,7 0,8 |
0,1 0,3 0 |
0,1 0,4 0,3 |
0,7 2,8 3,0 |
0,4 0,6 0,7 |
0,1 0,4 0,6 |
0,1 0,4 0,5 |
0,2 0,5 0,6 |
0,1 0,4 0,5 |
0,1 0,3 0,3 |
|
4 |
0,4 0,2 0,2 |
0,7 0,1 0 |
0,3 0,3 0,3 |
0,2 0 0 |
0,4 0,2 0,2 |
2,6 1,3 1,3 |
0,6 0,4 0,3 |
0,4 0,2 0,2 |
0,4 0,3 0,3 |
0,4 0,3 0,3 |
0,4 0,2 0,3 |
0,2 0,1 0,2 |
|
5 |
0,4 0,4 0,3 |
0,6 0,3 0 |
0,3 0,6 0,6 |
0,2 0 0 |
0,3 0,3 0,3 |
2,1 2,2 2,3 |
0,5 0,5 0,5 |
0,3 0,3 0,3 |
0,3 0,5 0,4 |
0,4 0,4 0,4 |
0,3 0,4 0,4 |
0,2 0,2 0,2 |
|
6 |
0,3 0,4 0,1 |
0,5 0,4 0 |
0,3 0,6 0,3 |
0,2 0,1 0 |
0,3 0,3 0,1 |
1,8 2,4 0,8 |
0,5 0,5 0,2 |
0,3 0,3 0,1 |
0,3 0,4 0,2 |
0,3 0,4 0,2 |
0,3 0,4 0,1 |
0,2 0,2 0,1 |
|
7 |
0,3 0,6 0,5 |
0,5 0,6 0,3 |
0,3 1,0 1,0 |
0,2 0,1 0,1 |
0,4 0,4 0,3 |
1,8 4,3 3,9 |
0,5 0,9 0,8 |
0,3 0,6 0,6 |
0,3 0,8 0,7 |
0,3 0,8 0,7 |
0,3 0,6 0,6 |
0,1 0,4 0,4 |
Таблица 2
Показатель геохимической нагрузки (Zс) донных отложений Нижнего Иртыша
|
Станция |
Показатель геохимической нагрузки (Zс) на донные отложения Нижнего Иртыша |
|||
|
правый берег |
русло |
левый берег |
среднее значение |
|
|
1 |
1,62 |
2,09 |
3,72 |
2,48 |
|
2 |
1,52 |
2,48 |
3,49 |
2,50 |
|
3 |
0,72 |
2,84 |
2,99 |
2,19 |
|
4 |
2,59 |
1,32 |
1,30 |
1,74 |
|
5 |
2,10 |
2,24 |
2,32 |
2,22 |
|
6 |
1,82 |
2,43 |
0,81 |
1,69 |
|
7 |
1,77 |
4,21 |
3,94 |
3,31 |
Превышение концентраций соединений свинца над фоном в донных отложениях реки можно объяснить химическим составом поверхностных вод р. Иртыш. По данным исследований авторов в 2013 г. вода в реке Иртыш относится к водам малой минерализации и составляет в Тобольском районе 197,4–227,5, постепенно снижаясь вниз по течению реки до 174,3–176,6 мг/дм3 – в районе села Горнослинкино Уватского района. По химическому составу вода на исследуемом участке реки относится к гидрокарбонатному классу, содержание ионов 
варьирует в пределах 26–28 % экв., относительная суммарная концентрация ионов 
и Cl– находится в диапазоне от 10 до 26 % экв. Водородный показатель воды составляет 7,6–7,9 единиц рН. Известно, что при рН воды, близком к 8,0, свинец сравнительно легко вступает в реакции с главными макрокомпонентами природных вод, образуя труднорастворимые соединения (карбонаты, сульфаты, сульфиды, гидрооксиды) [1].
Заключение
Содержание химических элементов в донных отложениях нижнего течения р. Иртыш уменьшается в ряду: Pb > Cr > Co > Fe > Mn > Ni > As > Cu > Cd > Sr > Zn > Mo.
Из исследуемых химических элементов только валовое содержание соединений свинца превышает фоновое значение в донных отложениях Нижнего Иртыша, обусловленное химическим составом поверхностных вод реки.
В донных отложениях Нижнего Иртыша выявлен слабый уровень техногенного загрязнения токсичными химическими элементами 2 и 3 класса опасности (Co, Cr, Cu, Ni, Sr, Mo, Zn, Cd, Pb) с допустимой степенью геохимической нагрузки Zс от 1,74 до 3,31 (при Zс < 16, по Ю.Е. Саету).