Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

ПРИМЕНЕНИЕ ЭКОГЕОЛОГИЧЕСКИХ КРИТЕРИЕВ ПРИ ОЦЕНКЕ ХИМИЧЕСКОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ НИЖНЕГО ИРТЫША

Алимова Г.С. 1 Земцова Е.С. 1 Токарева А.Ю. 1
1 ФГБУН «Тобольская комплексная научная станция» Уральского отделения Российской академии наук
На основе данных атомно-эмиссионного анализа валового содержания химических элементов рассчитаны коэффициенты концентрации и определен суммарный показатель геохимической нагрузки донных отложений Нижнего Иртыша. Ранжирование химических элементов в донных отложениях нижнего течения р. Иртыш определено в следующем виде Pb > Cr > Co > Fe > Mn > Ni > As > Cu > Cd > Sr > Zn > Mo. Впервые проведенная экогеологическая оценка состояния донных отложений Нижнего Иртыша выявила слабый уровень техногенного загрязнения токсичными химическими элементами 2 и 3 класса опасности (Рb, Sb, Se, Fe, Mo, As, Zn, Cd, Co, Cr, Cu, Mn, Ni, Sr) с допустимой степенью геохимической нагрузки Zс от 1,69 … 3,31 (при Zс < 16, по Ю.Е. Саету). Из исследуемых химических элементов только валовое содержание соединений свинца превышает фоновое значение в донных отложениях Нижнего Иртыша.
донные отложения
нижнее течение р. Иртыш
химические элементы
коэффициент концентрации
геохимическая ассоциация
1. Алимова Г.С. Гидрохимия поверхностных вод и видовой состав макрозообентоса нижнего течения р. Иртыш / Г.С. Алимова, Е.С. Земцова, А.А. Чемагин, Е.И. Попова, И.А. Дударева, А.Ю. Токарева, Г.Х. Хакимзянова // Вода: химия и экология. – 2014. – № 5. – С. 27–34.
2. ГОСТ 17.1.5.01-80 Охрана природы. Гидросфера. Общие требования к отбору проб донных отложений водных объектов для анализа на загрязненность. – М.: ИПК Из-во стандартов, 1982. – 5 с.
3. Земцова Е.С. Сравнительный анализ содержания металлов в донных отложениях некоторых рек Тюменской области / Е.С. Земцова, Г.С. Алимова, А.Ю. Токарева, И.А. Дударева // Фундаментальные исследования. – 2015. – № 2 (часть 26) – С. 5798–5802.
4. Земцова Е.С., Алимова Г.С., Дударева И.А., Токарева А.Ю., Попова Е.И. Содержание металлов в донных отложениях реки Иртыш // Естественные и технические науки. – 2014. – № 9–10 (77). – С. 54–56.
5. Кленкин А.А. Современная характеристика донных отложений Азовского моря по степени загрязненности комплексом наиболее опасных токсикантов / А.А. Кленкин, Л.Ф. Павленко, И.Г. Корпакова, Е.И. Студеникина // Водные ресурсы. – 2008. – Т. 35. – № 1. – С. 88–92.
6. Основы экогеологии, биоиндикации и биотестирования водных экосистем: учеб. пособие / под ред. В.В. Куриленко. – СПб.: Изд-во С.-Петерб. ун-та, 2004. – 448 с.
7. ПНД Ф 16.2.2.:2.3.71-2011. Количественный химический анализ почв. Методика измерений массовых долей металлов в осадках сточных вод, донных отложениях, образцах растительного происхождения спектральными методами. – М., 2011. – 41 с.
8. Фокин Д.П. Геоэкологическая оценка распределения тяжелых металлов и нефтепродуктов в донных осадках восточной части Финского залива Балтийского моря: автореф. дис. ... канд. геогр. наук. – СПб., 2011. – 20 с.
9. Чемагин А.А. Современное экологическое состояние реки Иртыш в нижнем течении: дис. … канд. биол, наук. – Тюмень, 2015. – С. 71.
10. Яндекс. Карты. – URL: http://maps.yandex.ru (дата обращения: 21.07.2014).

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].

pic_42.tif

Рис. 1. Схема-карта района исследований (масштаб 1:500000): 1.wmf границы муниципальных районов; 2.wmf границы г. Тобольска; 4.wmf населенные пункты; 3.wmf направление течения реки; 5.wmf (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]:

alimova01.wmf

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 alimova02.wmf варьирует в пределах 26–28 % экв., относительная суммарная концентрация ионов alimova03.wmf 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).


Библиографическая ссылка

Алимова Г.С., Земцова Е.С., Токарева А.Ю. ПРИМЕНЕНИЕ ЭКОГЕОЛОГИЧЕСКИХ КРИТЕРИЕВ ПРИ ОЦЕНКЕ ХИМИЧЕСКОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ НИЖНЕГО ИРТЫША // Успехи современного естествознания. – 2016. – № 5. – С. 94-98;
URL: https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=35905 (дата обращения: 15.08.2022).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074