Scientific journal

Advances in current natural sciences

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,775

Калининградским заливом называется северо-восточная половина мелководного (максимальная глубина 5,2, средняя 2,7 м) Вислинского залива – крупнейшего бассейна лагунного типа Балтийского моря, расположенного в его юго-восточной части. Это трансграничный водоем с площадью водного зеркала 838 км2, из которых 472,5 км2 – акватория России (Калининградский залив). От моря залив отделяется песчаной косой, а водообмен с ним осуществляется через узкий судоходный Балтийский пролив (рисунок).

Акватория Вислинского залива по своим морфологическим, гидродинамическим и литологическим особенностям характеризуется отчетливо выраженной пространственной неоднородностью, позволившей выделить в нем несколько седиментационных районов [1]. Калининградский залив включает в себя эстуарий р. Преголя, Приморскую бухту, прибалтийский и юго-западный районы (рисунок). Основными источниками поступления осадочного материала и сопутствующих загрязняющих веществ в акваторию залива являются речной сток, атмосферный перенос, диффузное поступление с прибрежных территорий, а также регулярное ветроволновое взмучивание донных отложений [2].

Схема расположения станций в акватории Калининградского залива: 1 – государственная граница; 2 – границы седиментационных районов; 3 – точки отбора образцов донных осадков и их индекс; 4 – районы седиментации: I – эстуарий р. Преголя; II – прибалтийский; III – юго-западный

Донные отложения (далее – ДО), как важнейший компонент водной экосистемы, представляют интерес для многих специалистов. Они являются депонирующей средой, где происходит обмен веществом и энергией, и уникальным естественным источником информации о климатических, геохимических, экологических условиях, существовавших в историческом прошлом на водосборе и в самом водоеме. ДО способны накапливать загрязняющие вещества, включая тяжелые металлы и, в свою очередь, могут послужить источником «вторичного» загрязнения. Этим обусловливается необходимость всестороннего изучения ДО и включения их в перечень важнейших объектов экологических и эколого-геохимических исследований. Особенно это актуально для водных бассейнов, находящихся под сильной антропогенной нагрузкой, так как ДО можно использовать в качестве индикатора степени воздействия процессов техногенеза на экологическое состояние водоема [3–5]. Цель данной работы заключалась в оценке содержания тяжелых металлов (Pb, Cu, Ni, Co) и в выяснении особенностей их пространственного распределения в поверхностном слое донных осадков Калининградского залива Балтийского моря.

Материалы и методы исследования

Работа выполнена по данным экспедиционных исследований, проведенных в летний сезон 2021 г. Образцы ДО были отобраны во время литологической съёмки Калининградского залива на 29 станциях, охватывающих все районы залива и все типы донных отложений (рисунок). Образцы из верхнего (0–7 см) слоя осадков отбирались с помощью пробоотборника Петерсена (площадь захвата 0,025 м2). Для последующего анализа использовалась часть осадка, не имеющая прямого контакта со стенками пробоотборника. Первичная обработка полученных образцов донных осадков осуществлялась по методике, используемой в Институте океанологии РАН в морских геологических экспедициях. Гранулометрический анализ донных отложений определялся по массовому содержанию частиц различной крупности в процентах от массы исследуемого образца. Он выполнялся ситовым (фракции > 0,04 мм) и водно-механическим (фракции < 0,04 мм) методами [6]. На основании результатов анализа и в соответствии с классификацией Ч. Вентворта выделялись пески (2,0–0,063 мм), алевриты (0,063–0,004 мм) и глинистые илы (< 0,004 мм). Учитывая содержание преобладающей фракции в гранулометрическом составе, были выделены следующие гранулометрические типы ДО: пески (содержание песчаной фракции ≥ 65 %) и алевритово-глинистые илы (содержание мелкоалевритовой и глинистой фракций ≥ 65 %).

Определение содержания тяжелых металлов (Pb, Cu, Ni, Co) в донных отложениях проводилось методом атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (АЭС-ИСП), с использованием спектрометра OPTIMA 2100DV. Всего, таким образом, содержания тяжелых металлов были определены в 29 образцах ДО, отобранных во всех седиментационных районах (рисунок).

Результаты исследования и их обсуждение

Как было отмечено выше, в акватории Калининградского залива по морфологическим, гидродинамическим и литологическим особенностям выделено несколько седиментационных районов.

эстуарий реки Преголя (восточная часть залива) находится под воздействием речного стока, судоходного канала и регулярных сгонно-нагонных явлений. Это преимущественно аккумулятивная зона с наличием в ее осевой части локальных пятен с максимальными (30–60 см) для залива мощностями современных отложений. В этом районе залива значительные площади дна заняты песками и ракушняками, в то же время здесь отсутствуют алевритово-пелитовые илы, характерные для других районов. В эстуарии р. Преголя на предмет определения содержания тяжелых металлов были изучены 14 образцов ДО.

Среднее содержание Co в поверхностном слое ДО эстуария р. Преголя составило 4,3 мг/кг, максимальное содержание было зарегистрировано на уровне 15,3 мг/кг, а минимальное – 1,1 мг/кг. Концентрации Cu и Pb оказались достаточно близкими к этим значениям (табл. 1), а содержание Ni в ДО эстуарной зоны было значительно выше – в среднем 15,4 мг/кг при диапазоне значений 3,5–25,7 мг/кг.

Специфика прибалтийского седиментационного района определяется наиболее сложным рельефом со значительным перепадом глубин, повышенной гидродинамической активностью и доминированием песчаных отложений на поверхности дна. Он, в отличие от других районов залива, находится под непосредственным воздействием морских вод, поступающих через Балтийский пролив. Содержания тяжелых металлов были определены в 9 образцах ДО, полученных в этом районе.

По сравнению с эстуарием р. Преголя, содержания тяжелых металлов в ДО прибалтийского района были значительно ниже. Например, средние значения концентраций Co и Ni оказались меньше почти в два раза, средние концентрации Cu и Pb в ДО прибалтийского района также были несколько меньше, чем в ДО эстуарной зоны (табл. 1).

Таблица 1

Концентрация тяжелых металлов в донных отложениях Калининградского залива в изучаемых седиментационных районах

При этом минимальные значения содержаний тяжелых металлов в ДО прибалтийского и эстуарного районов отличались несущественно, а максимальные – довольно значительно. Так, максимальные содержания Co и Ni в ДО прибалтийского района были в два раза ниже, чем в ДО эстуарной зоны, а минимальные концентрации этих элементов были практически идентичны (табл. 1).

Юго-западный седиментационный район по своим гидродинамическим условиям преимущественно аккумулятивный, с широким развитием мелкоалевритовых илов (62 % от площади дна). Характерная его особенность – наличие глинистых илов (самых тонких из осадков, распространенных в заливе), пятно которых находится в осевой области, примыкающей к российско-польской границе. В этом районе для определения содержания тяжелых металлов были изучены 14 образцов ДО.

Средние содержания всех изучаемых тяжелых металлов в ДО этого района превышали средние содержания, выявленные в ДО прибалтийского района (табл. 1). В то же время средние концентрации Co и Ni были ниже, чем в эстуарном районе, а Cu и Pb – выше. В юго-западном районе зафиксировано наибольшее для ДО залива содержание Cu (28,4 мг/кг), а также Pb (16,4 мг/кг).

Пространственное распределение изучаемых тяжелых металлов весьма неоднородно по площади всего залива. Об этом свидетельствуют средние, максимальные и минимальные концентрации элементов в ДО, представленные в табл. 2. Пределы изменений концентраций Co составляют от 0,81 до 15,3, Cu – от 1,6 до 28,4, Ni – от 2,0 до 25,7 и Pb – от 1,2 до 16,4 мг/кг. Известно [7], что интенсивность аккумуляции донными осадками загрязняющих веществ зависит от их вещественно-генетического типа. Максимальное накопление свойственно илистым отложениям, минимальное – песчаным, поэтому в данной таблице приведены средние концентрации тяжелых металлов, рассчитанные отдельно для различных типов донных отложений.

Анализ пространственного распределения тяжелых металлов позволил выделить зоны повышенного содержания микроэлементов в ДО залива. Одна из таких зон находится в углубленном, серединном участке эстуарного района на трассе старого фарватера, где распространены илистые отложения. В образцах ДО, отобранных на расположенной в этой зоне станции № 528, были выявлены наибольшие для залива содержания Co (15,3 мг/кг) и Ni (25,7 мг/кг), а также повышенные значения Cu (16,4 мг/кг) и Pb (12,4 мг/кг). Это обусловлено тем, что углубление старого фарватера является одним из немногочисленных устойчивых аккумулятивных участков с высокими скоростями осадконакопления, выполняющего роль естественной ловушки для загрязняющих веществ, поступающих, в частности, с выносами рек, дренирующих территории прибрежных городов и поселков [2, 8].

Другой участок с высокими содержаниями тяжелых металлов расположен недалеко от польской половины залива, в юго-западной седиментационной зоне в местах развития самых тонких из ДО – глинистых илов. На станции № 678, расположенной в этой зоне, были выявлены максимальные для залива содержания Cu (28,4 мг/кг), а на станции № 691 – максимальные содержания Pb (16,4 мг/кг). В образцах ДО, отобранных на этих станциях, определены также повышенные концентрации и других элементов.

Таблица 2

Средние и фоновые значения концентраций тяжелых металлов (мг/кг) в различных типах донных отложений Калининградского залива

Ареал глинистых илов, обозначенный в юго-западной седиментационной зоне, продолжается и значительно расширяется в польской половине залива. Значения концентраций тяжелых металлов, определенные нами и польскими специалистами [9] в пределах ареала глинистых илов, оказались вполне сопоставимы. Это дает основания полагать, что выявленные здесь высокие содержания тяжелых металлов связаны, прежде всего, с гранулометрическим составом ДО. В то же время нельзя исключать влияние сложившихся гидродинамических особенностей на накопление в глинистых илах тяжелых металлов. Их распространение является областью обособленных циркуляций, где, согласно [8], нередко формируются динамически застойные условия, характеризующиеся высокими уровнями концентрации загрязняющих веществ в ДО.

Что касается содержаний тяжелых металлов в песчаных отложениях залива, то они были значительно ниже, чем в илах. Так, концентрация Co в песках в среднем составляла 1,6 мг/кг, в илах – 5,8 мг/кг, Cu – 3,1 мг/кг в песках и 11,1 мг/кг в илах, Ni – 8,2 мг/кг в песках и 14,1 мг/кг в илах и Pb – 4,3 и 8,3 мг/кг соответственно.

Так как в настоящее время не существует действующих нормативных документов, устанавливающих уровни ПДК для тяжёлых металлов в ДО, то для оценки степени загрязнения ДО был применен метод сравнения данных по фоновым концентрациям тяжелых металлов с их содержаниями в поверхностных слоях ДО. В качестве природного фона мы использовали результаты анализов образцов осадков из нижних слоев литологической колонки, в которых антропогенный след отсутствует, а содержания ТМ можно заведомо считать «доиндустриальными». Колонка ZW6 длиной 600 cм была отобрана в польской части залива, фоновые концентрации тяжелых металлов для илистых отложений были взяты с горизонта 550 см, а для песчаных – с горизонта 590 см [9].

Средние значения концентраций тяжелых металлов в поверхностных слоях ДО и фоновые значения приведены в табл. 2. Как следует из полученных данных, средние значения концентраций исследуемых металлов в илистых отложениях Калининградского залива не превышают геохимического фона. При этом среднее значение Ni более чем в два раза ниже фонового, а концентрации остальных элементов в илистых ДО не так заметно отличаются от фоновых значений. В песчаных отложениях залива содержания тяжелых металлов практически идентичны их фоновым значениям. Различия состоят лишь в том, что концентрация Ni и Cu незначительно выше, а Co и Pb – несколько ниже их фоновых концентраций.

Средние значения концентраций тяжелых металлов в ДО каждого из седиментационных районов залива были также сопоставлены с кларком содержания рассматриваемых элементов в земной коре [10]. В результате выявлено, что содержание в донных осадках Co, Cu, Ni и Pb во всех районах значительно ниже их содержаний в земной коре. Например, наибольшее (среди других районов залива) среднее значение Ni (15,4 мг/кг), рассчитанное для илистых отложений эстуария р. Преголя, было почти в три раза ниже его кларка (47 мг/кг) [10]. Наименьшие содержания (относительно кларков) всех рассматриваемых тяжелых металлов выявлены в песчаных отложениях прибалтийского района, что, вероятно, связано с высокой «промываемостью» района морскими водами через Балтийский пролив и доминированием песчаных отложений. В ДО юго-западной части залива наиболее приближенными к кларковым значениям оказались содержания Сu (10,5 мг/кг, при среднем содержании в земной коре 28 мг/кг) и Pb (8,8 мг/кг, при среднем содержании в земной коре 17 мг/кг), а концентрации Со и Ni были намного меньше их кларков.

Скудное обогащение ДО залива Co, Cu, и Pb относительно их фоновых значений и кларка в земной коре указывает на то, что, несмотря на антропогенную нагрузку на экосистему залива, в его осадочной толще не происходит аккумуляции тяжелых металлов. Это можно объяснить особенностями современной седиментации, для которой характерны активные процессы ресуспензии, являющиеся мощным механизмом самоочищения донных осадков [11]. При взмучивании сорбированные подвижные формы тяжелых металлов и иные поллютанты частично опять переходят из осадков в воду, частично с илистыми частицами выносятся в море [12, 13].

Заключение

Резюмируя вышеизложенное, можно констатировать, что тяжелые металлы в ДО Калининградского залива распределены неравномерно. Лидирующую позицию по содержанию занимает Ni, а в минимальных количествах обнаружен Co.

Локальные пятна повышенного содержания металлов находятся в юго-западной седиментационной зоне и в эстуарии р. Преголя, в местах развития илистых отложений. Наименьшие содержания рассматриваемых тяжелых металлов зафиксированы в хорошо промываемых морскими водами песчаных отложениях прибалтийской седиментационной зоны. Выявленные закономерности распределения тяжелых металлов в ДО залива согласуются с известной зависимостью, что интенсивность аккумуляции донными осадками загрязняющих веществ зависит от их вещественно-генетического типа.

Средние значения концентраций исследуемых металлов в ДО Калининградского залива не превышают геохимического фона, а также кларка в земной коре, т.е. в целом в осадках залива не прослеживается техногенной составляющей тяжелых металлов. Скудное обогащение ДО залива Co, Cu, и Pb обусловлено активными процессами ресуспензии, не позволяющими аккумулироваться в ДО загрязняющим веществам. Современное состояние ДО способствует нормальному функционированию экосистемы залива.

Экспедиционные исследования и анализ полученных данных выполнялись при поддержке гранта РФФИ р_а № 19-45-390013, интерпретация данных выполнена в рамках госзадания ИО РАН (тема № FMWE-2021-0012).