Scientific journal

Advances in current natural sciences

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,775

Данная работа направлена на решение фундаментальной проблемы типизации и сравнительного геохимического анализа составов вод, донных отложений и взвесей в водотоках и водоемах бореальной климатической зоны на эталонных объектах Европейской части России. Целью работы было исследование геохимического состава и сравнительный анализ составов донных осадков и водной взвеси малого водоема во Владимирской области и крупного водохранилища в Тверской области, а также изучение форм нахождения микроэлементов. Важным направлением исследований являлось изучение распространенности редкоземельных элементов (РЗЭ) в донных осадках и взвеси в водоемах Владимирской и Тверской областей. Исследование распространенности РЗЭ в водных экосистемах представляет большой интерес в связи с их использованием в качестве индикаторов геохимических процессов при изучении миграции и особенностей их фракционирования в системе вода – взвесь – донные осадки. Надежных данных о геохимическом составе речных взвесей, полученных с применением современных аналитических методов все еще недостаточно [1]. Иваньковское водохранилище является одним из основных источников питьевого водоснабжения Московского региона и оценка его экологического состояния имеет большое практическое значение для планирования рационального использования водных ресурсов и оценки антропогенного воздействия в связи с прогрессирующим хозяйственным освоением.

Материалы и методы исследования

Опробование водоемов проводилось в июне 2017 г. Для исследования были выбраны малое озеро во Владимирской области (оз. Ершевик) как эталонный объект водоема первичной гидрографической сети и крупный конечный водоем речного стока – типичное равнинное водохранилище средней полосы России – Иваньковское водохранилище в Тверской области (рис. 1, 2). Озеро Ершевик находится во Владимирской области на водосборном бассейне р. Клязьма, которая дренирует заболоченные территории. На Иваньковском водохранилище опробование проводилось на двух участках с различными гидродинамическими обстановками: в мелководном плесе (створ Безбородово) с озерным режимом и в створе Мелково, где режим водохранилища приближен к речному.

Отбирали верхний слой донных осадков (0–5 см) при помощи трубки ГОИН. Пробоподготовку и анализ проводили по методике [2]. Образцы взвеси накапливали в процессе фильтрации большеобъемных проб воды (50 л) из придонного горизонта на мембранных фильтрах (МФАС-ОС-1 Владипор) с диаметром пор 0,22 мкм. Взвесь и донные осадки разлагали в смеси кислот HF + HNO3 + HCl. Содержание микроэлементов определяли методом масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (прибор ELEMENT-2, ThermoFinnigan). Определение форм нахождения микроэлементов проводили по схеме последовательных экстракций по методу Тессье [3].

Рис. 2. Схема расположения станций опробования донных осадков и взвеси оз. Ершевик

Результаты исследования и их обсуждение

Как известно, взвешенное вещество является исходным материалом для образования донных осадков [4]. Геохимический состав взвешенного вещества отражает современный состав терригенной и биогенной составляющих, поступающих в настоящее время в водоем, в то время как геохимический состав донных осадков дает общую интегральную оценку и характеризуют результат длительных процессов осадконакопления на последних стадиях его формирования.

Исследование общего химического состава донных осадков водоемов показало, что их макросостав близок к составу четвертичных отложений Русской равнины [1, 5]. Различие в составе исследуемых донных отложений и четвертичных отложений Русской равнины состоит в более высоких содержаниях TiO2, Al2O3, Fe2O3, MnO, K2O и в меньшем количестве кремнезема в донных отложениях. Это является следствием высокого содержания глинистых минералов в составе донных отложений. Кроме того, донные осадки отличаются более высокими содержаниями органического вещества. Содержание Сорг в донных отложениях и взвеси створа Мелково составляло 2 и 3,2 %; в донных осадках и взвеси створа Безбородово 1,7 и 4,8 %; в донных осадках и взвеси оз. Ершевик 10,7 и 3,8 % соответственно.

Содержания микроэлементов в донных осадках и взвеси водоемов представлены в таблице. Как видно, донные осадки исследуемых водоемов имеют схожий микроэлементный состав. Различие проявляется в более высоких концентрациях микроэлементов, которые относятся к группе тяжелых металлов (V, Cr, Co, Ni, Cu, Zn, As, Mo, Ag, Cd, Sn, Sb, W, Pb) в донных осадках оз. Ершевик. Это, вероятно, связано с антропогенным поступлением этих элементов с загрязненными водами р. Клязьма во время паводков. Донные осадки створа Мелково характеризуются самыми низкими концентрациями большинства микроэлементов, что объясняется интенсивной переработкой донных осадков в активных гидродинамических условиях и с вымыванием тонкодисперсной илистой фракции, с которой сорбционно связаны микроэлементы.

Сравнение микроэлементного состава донных осадков и взвеси Иваньковского водохранилища показывает, что во взвеси содержится больше V, Cr, Co, As, Sb, Th, U, Ni, Zn, а также Mn, Fe, Cорг. Полученные данные о геохимическом составе взвеси Иваньковского водохранилища близки к имеющимся в литературе данным для взвешенного вещества р. Волга [1]. Как показали наши исследования, в составе взвеси из придонного горизонта литогенная составляющая преобладает над биогенной. Взвесь створа Безбородово характеризуется высоким содержанием Al, Sc, Ti. Терригенные частицы, поступающие в водоем с поверхностным и речным стоком с водосборной территории и в результате береговой абразии в большом количестве содержатся в составе взвеси мелководного створа Безбородово. Для взвешенного вещества створа Безбородово получены самые высокие содержания большинства микроэлементов (Be, Sc, V, Cr, Co, Ni, Cu, Rb, Y, Zr, Nb, Mo, Cs, Ba, Pb, Th, U). Высокая доля биогенной составляющей, источником которой служит преимущественно фитопланктон, получена для взвешенного вещества малого озера Ершевик, для которого получены высокие содержания биофильных элементов (P, Cорг), а также Zn и Cd.

Сравнительные профили распределения концентраций редкоземельных элементов в донных осадках и взвеси водоемов приведены на рис. 3. Полученные данные о распространенности редкоземельных элементов в донных осадках и взвеси оз. Ершевик и Иваньковского водохранилища позволили установить следующие закономерности. Суммарные содержания РЗЭ в исследуемых водоемах составляют: 146 и 190 мг/кг для донных осадков и взвеси створа Безбородово в Иваньковском водохранилище; 58 и 79 мг/кг для донных осадков и взвеси створа Мелково в Иваньковском водохранилище; 160 и 25 мг/кг для донных осадков и взвеси озера Ершевик. Концентрации легких РЗЭ для всех исследованных водоемов превышают концентрации тяжелых РЗЭ, составляя 88–91 % от общего содержания РЗЭ, что хорошо согласуется с имеющимися данными для геосферы в целом [7]. Самые высокие значения содержаний РЗЭ, близкие к соответствующим значениям для глин Русской платформы и данным [1] для р. Волги, были получены для донных осадков створа Безбородово и оз. Ершевик. Это свидетельствует о поступлении РЗЭ в донные осадки за счет их выщелачивания из горных пород территории водосбора в составе литогенных частиц взвеси. Профили распределения РЗЭ в донных осадках и взвеси Безбородово, а также донных осадках оз. Ершевик однотипны по своей конфигурации и отражают состав РЗЭ пород территории водосбора. Для донных осадков и взвеси створа Мелково были получены значения в среднем в два раза ниже средних содержаний РЗЭ в глинах Русской платформы [1, 5]. Это объясняется тем, что в активных гидродинамических условиях створа Мелково, где речной режим, происходит интенсивная переработка донных осадков и вымывание мелкодисперсных частиц взвеси с сорбированными на них РЗЭ и не происходит накопления РЗЭ в составе донных осадков. Такая же закономерность была ранее отмечена для других микроэлементов. Самые низкие значения содержаний РЗЭ были получены для взвеси оз.Ершевик, они были в 6–8 раз ниже соответствующих значений для глин Русской платформы. Это связано с тем, что в летний период во взвеси здесь преобладает биогенная составляющая и состав РЗЭ отражает уровень их содержания в фитопланктоне. Поскольку в донных осадках оз.Ершевик были получены высокие содержания РЗЭ, а во взвеси низкие, поступление РЗЭ и других микроэлементов в озеро происходит в составе терригенного осадочного вещества в период паводков.

Результаты определения форм нахождения микроэлементов в донных осадках и взвеси водоемов Владимирской и Тверской областей показали, что суммарная доля миграционно-способных форм микроэлементов от их валового содержания составляет от 4 до 94 %. Полученные результаты имеют большое экологическое значение, так как дают информацию о количестве металлов, которые непрочно удерживаются в составе донных осадков, т.е. позволяют оценить опасность вторичного загрязнения поверхностных вод. Для донных осадков мелководного залива в створе Безбородово доля миграционно-способных форм микроэлементов от валового содержания составляла: 10–20 % для U, V, La, Ce, Cu, Cr; 20–50 % для Ni, Mo, Pb, Sr, Co, Zn; и достигала самых больших значений для Cd 92 %. На участке водохранилища с речным гидродинамическим режимом в створе Мелково, который расположен ниже по течению от г. Тверь и испытывает антропогенную нагрузку в результате поступления промстоков, в донных осадках получены более высокие значения содержания миграционно-способных форм Mo, Cr, Co, Ni, Zn по сравнению с донными осадками створа Безбородово. В донных осадках малого оз. Ершевик для большинства микроэлементов были получены такие же соотношения форм нахождения микроэлементов, как в донных осадках Иваньковского водохранилища. Исключение составили V, U, Co, Ni, Cu, Zn, Sr для которых были получены более высокие значения содержания миграционно-способных форм, которые вероятно связаны с техногенным поступлением.

Общие закономерности выявленные для форм нахождения микроэлементов в донных осадках, как малого озера, так и крупного водохранилища следующие. В донных осадках главные миграционно-способные формы Cd, U, Sr представлены подвижными формами (обменными, сорбционными, карбонатными) – 10–40 % от валового содержания элемента. Миграционно-способные формы Mo, Pb, Cr, Cu, La, Ce в основном связаны с органическим веществом и составляют 10–20 % от их валового содержания в донных осадках. Для Mo, Cr, Cu, Pb, Co, Ni, Zn, V важное значение имеют формы, связанные с гидроксидами железа и марганца (10–30 % от валового содержания), наравне с формами, связанными с органическим веществом.

Сравнительный анализ миграционно-способных форм микроэлементов в донных осадках и взвеси створа Безбородово в Иваньковском водохранилище, показывает что со взвешенным веществом связано больше миграционно-способных форм Cd, U, Cr, Co, Ni, Zn, Sr, La, Ce. Доля миграционно-способных форм большинства микроэлементов от их валовых содержаний во взвеси составляет 10–14 % для V, Cr, Cu; 20–30 % для Mo, Pb, U, Ni, Sr, Ce, La; 94 % для Cd. Среди миграционно-способных форм во взвеси преобладают формы, связанные с органическим веществом для Mo (17 %), V (7 %), Cr (5 %), Ni (13 %), Cu (10 %), La и Ce (11 %). Для Cd, U, Sr во взвеси преобладают подвижные формы (обменные, сорбционные, карбонатные) доля которых от валового содержания 46, 10 и 23 % соответственно. Для Cd (36 %), Pb (12 %), U (8 %), V (7 %), Co (27 %), Ni (12 %), Zn (21 %) большое значение имеют формы, связанные с гидроксидами железа и марганца. Самое низкое извлечение миграционно-способных форм из донных осадков и взвеси для всех исследованных водоемов было получено для Th и составило в среднем 1–2 %.

Заключение

Сравнение геохимического состава донных осадков малого озера и крупного водохранилища показало их большое сходство с средним составом глин и четвертичных отложений Русской равнины. Отличие состоит в более высоких содержаниях ряда микроэлементов (тяжелых металлов), для которых большую роль играет антропогенный фактор. Исследование геохимического состава взвеси позволило охарактеризовать современный состав вещества, поступающего в донные осадки на ранних стадиях осадкообразования, и определить вклад биогенной и терригенной составляющих. В малых озерах и мелководных заливах в составе взвеси преобладают частицы биогенного происхождения (планктон). Выявленный характер распределения РЗЭ в донных осадках и взвеси водоемов Тверской и Владимирской областей позволяет сделать выводы о том, что поступление РЗЭ в донные осадки определяется концентрациями РЗЭ в породах бассейна водосбора и отражает общий геохимический фон концентраций РЗЭ в зоне гипергенеза. Полученные данные о соотношении форм нахождения микроэлементов в донных осадках малого озера и крупного водохранилища, которые имеют большое сходство, выявляют общие закономерности, типичные для водоемов бореальной климатической зоны. Определяющую роль в миграции микроэлементов и их накоплении в составе донных отложений играют процессы сорбции и соосаждения на оксигидроксидах железа и марганца и образование ассоциированных с Fe и Mn органоминеральных коллоидов. В донных отложениях водоемов (оз. Ершевик) и створов водохранилища (Мелково), испытывающих высокую антропогенную нагрузку возрастает доля миграционно-способных форм элементов.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ (грант 16-05-00542).