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).
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.