Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,831

МАРГАНЕЦ В ВОДЕ И ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЯХ НИЖНЕГО ТЕЧЕНИЯ РЕКИ ИРТЫШ

Дударева И.А. 1 Алимова Г.С. 1 Токарева А.Ю. 1
1 Тобольская комплексная научная станция Уральского отделения Российской академии наук (ТКНС УрО РАН)
Атомно-эмиссионным методом определено валовое содержание Mn в поверхностной воде и донных отложениях нижнего течения реки Иртыш. Показана сезонная динамика пространственного распределения валовых концентраций Mn в донных отложениях, представлены коэффициенты вариации признака. Установлено, что в сезонной динамике Mn имеет характерные закономерности распространения в компонентах водной экосистемы. Установлено, что содержание Mn в воде по всему исследуемому участку нижнего течения р. Иртыш превышает предельно допустимую концентрацию в 9…20 раз. Подтверждена положительная сильная корреляция между цветностью и концентрацией марганца в воде. Отмечены сезонные тенденции минимального и максимального накопления Mn в донных отложениях нижнего течения р. Иртыш. Наибольшая нагрузка приходится на осенний и весенний периоды исследований. Коэффициенты вариации Mn в донных отложениях подтверждают симметрию малых рядов выборки, как по сечению, так и по протяжению реки. Полученные значения коэффициентов вариации менее 10 % свидетельствуют о слабой изменчивости признака. Рассчитанные кларки концентрации Mn меньше 1, что может говорить о рассеивании элемента в донных отложениях нижнего течения р. Иртыш.
нижнее течение р. Иртыш
вода природная поверхностная
донные отложения
марганец
коэффициент вариации
кларк концентрации
1. Кашин В.К., Иванов Г.М., Корсунов В.М. Марганец в абиотических компонентах и растениях ландшафтов Забакайлья / В.К. Кашин, Г.М. Иванов, В.М. Корсунов // Сибирский экологический журнал. – 2008. – № 2. – С. 263–271.
2. Шигабаева Г.Н., Ахтырская Е.О. Корреляционный анализ содержания тяжелых металлов в донных отложениях / Г.Н. Шигабаева, Е.О. Ахтырская // Известия МГТУ «МАМИ». – 2014. – Т. 3. – № 2(20).– С. 55–59.
3. Моисеенко Т.И. Рассеянные элементы в поверхностных водах суши: Технофильность, биоаккумуляция и экотоксикология / Т.И. Моисеенко, Л.П. Кудрявцева, Н.А. Гашкина; Ин-т вод. проблем РАН. – М.: Наука, 2006. – 261 с.
4. Коган Р.М., Рыжкова Л.О. Исследование форм нахождения природных загрязнителей в поверхностных водах р. Бира / Р.М. Коган, Л.О. Рыжкова // Региональные проблемы. – 2010. – Т. 13, № 2. – С. 86–91.
5. Бобренко Е.Г., Бобренко М.И. Оценка трансграничного загрязнения реки Иртыш марганцем // Образование и наука: современное состояние и перспективы развития: материалы междунар. науч.-практ. конф.: в 6 частях. – Министерство образования и науки Российской Федерации, 2014. – С. 24–26.
6. Гидрохимия поверхностных вод и видовой состав макрозообентоса нижнего течения р. Иртыш / Г.С. Алимова [и др.] // Вода: химия и экология. – 2014. – № 5(71). – С. 27–34.
7. Чемагин А.А. Современное экологическое состояние реки Иртыш в нижнем течении: дис…. канд. биол, наук. – Тюмень, 2015. – 231 с.
8. Содержание металлов в донных отложениях реки Иртыш / Земцова Е.С. [и др.] // Естественные и технические науки. – 2014. – № 9–10 (77). – С. 54–56.

Марганец – один из наиболее значимых микроэлементов, необходимый для жизнедеятельности всех организмов, но повышенное содержание марганца в объектах окружающей среды и в рационе питания может приводить к йоддефицитным заболеваниям [1]. Марганец относится к одним из наиболее распространенных элементов в земной коре, его кларк в литосфере составляет 1000 мг/кг [2]. Данный элемент отличается высокой лабильностью и способен легко переходить в воду, вследствие чего его миграция в водные объекты высокая как за счет прямых поступлений, так и за счет опосредованных вторичными факторами, например кислотными осадками [3]. К прямым поступлениям марганца в поверхностные воды относят сточные воды металлургических заводов, предприятий химической промышленности [2]. Значительные количества марганца поступают в природную поверхностную воду в процессе разложения водных животных и растительных организмов [4]. Соединения марганца являются одним из основных загрязнителей многих рек Российской Федерации, в том числе и р. Иртыш [5]. Иртыш – трансграничная река, протекает через Китай – Казахстан – Российскую Федерацию, является главным источником хозяйственно-питьевого и промышленного водоснабжения, рыбного промысла, основной артерией судоходных путей.

К настоящему времени один из основных принятых способов оценки состояния природных поверхностных вод – это сравнение валовых концентраций загрязняющих элементов и веществ с их предельно допустимыми концентрациями (ПДК). Содержание марганца в воде зависит и от химического состава природных вод (водородный показатель, цветность и др.).

На территории бассейна р. Иртыш наиболее изучено распределение элементов, в частности марганца, в природных объектах – воде и донных отложениях (ДО) в его среднем течении [5]. Одним из экогеологических коэффициентов, на основе которого можно провести предварительную оценку валового накопления конкретного элемента в ДО, является кларк концентрации, представляющий собой отношение концентрации элемента в ДО к его среднему содержанию в литосфере.

Цель работы – исследование сезонной динамики валового содержания Mn, его пространственного распределения и накопления в воде и донных отложениях (ДО) нижнего течения р. Иртыш, определение кларков концентрации Mn по исследуемым створам.

Материалы и методы исследования

Отбор образцов проб воды и донных отложений в нижнем течении р. Иртыш проведен в шести станциях – на участке от села Абалак Тобольского района до села Горнослинкино Уватского района Тюменской области в 2015 г. (рис. 1). Длина реки Иртыш в пределах рассматриваемой территории составила 163 км. Отбор выполнен в период весенне-летнего половодья (май – сентябрь) 2015 г. из верхнего слоя донных отложений до глубины 10 см с помощью специального пробоотборника с площадью сечения 36 см2. На каждой станции производили шесть выемок грунта – не менее двух с магистрального русла (М.Р.), левого (Л.Б.) и правого (П.Б.) берегов [6].

Анализ воды и ДО проведен по стандартным методикам. Определение валового содержания марганца проведено атомно-эмиссионным методом на спектрометре OPTIMA-7000 DV по ПНД Ф 14.1:2:4.135-98 – в воде и по ПНД Ф 16.2.2:2.3.71-2011 – в ДО в лаборатории экотоксикологии ТКНС УрО РАН (аттестат аккредитации № РОСС RU.0001.516420 от 04 марта 2011 г.). Определение цветности воды по РД 52.24.497-2005.

Результаты анализов обрабатывали математически с помощью программы Microsoft Excel c вычислением среднего арифметического значения dud01.wmf его стандартного отклонения (SD). Значение заданной доверительной вероятности Р = 0,05. Статистическая обработка экспериментальных данных осуществлена с помощью программы «Statisticav 6.0 StatSoft».

При исследовании равномерности распределения Mn в ДО по створам в сезонной динамике использовали коэффициент вариации (СV, %). Он позволил сравнить изменчивость признака по длине реки и ее сечению. Известно, что при сильно асимметричных рядах распределения СV может достигать 100 %. Условно принято, что коэффициент вариации меньше 10 % свидетельствует об относительно слабой изменчивости признака (слабое варьирование), 10–20 % – средней (среднее варьирование), более 20 % – сильной (значительное, сильное варьирование).

dud1.tif

Рис. 1. Карта-схема створов отбора проб воды и донных отложений в нижнем течении р. Иртыш вблизи населенных пунктов: 1 – село Абалак, Тобольский район, 2 – деревня Бизино, Тобольский район, 3 – г. Тобольск, речной порт, 4 – деревня Медведчиково, Тобольский район, 5 – Научно-исследовательский стационар «Миссия» ТКНС УрО РАН, Уватский район, 6 – село Горнослинкино, Уватский район [6]

Кларк концентрации марганца определяется по формуле

dud02.wmf

где Х – концентрация Mn в ДО, мг/кг; К = 1000 мг/кг – кларк, среднее содержание в литосфере [3].

Результаты исследования и их обсуждение

В поверхностных водах марганец (до 98 % валового содержания) содержится во взвешенной форме (в степени окисления +4). В растворенной форме марганец (в степени окисления +2) присутствует в природных водах, обедненных кислородом. По данным [6] концентрация кислорода в водах нижнего течения р. Иртыш находится в пределах 7,5…8,2 мг/дм3 и реакция среды слабощелочная. Предельно допустимая концентрация марганца в воде составляет 10 мкг/дм3 [6]. На всех створах наблюдается высокое содержание соединений марганца в воде (рис. 2).

dud2.wmf

Рис. 2. Среднее содержание марганца (за май – сентябрь 2015 г.) в поверхностных водах нижнего течения р. Иртыш («Л.Б.» – левый берег, «М.Р.» – магистральное русло, «П.Б.» – правый берег)

Максимальные концентрации марганца в воде обнаружены в створе 5: 14,5 ПДК – по руслу, 22,5 ПДК – по левому берегу и 24 ПДК – по правому берегу реки; в створе 4 – 23,7 ПДК – по левому берегу; в створе 6 – от 12,1 до 18,2 ПДК. В створах 1–3 содержание марганца в воде превышает ПДК в среднем в 10,7 раз по сечению реки (рис. 2). Высокие значения марганца в природной поверхностной воде р. Иртыш могут быть обусловлены и увеличением средних значений минерализации до 212 мг/дм3 [6]. На содержание марганца в природных водах также влияют и некоторые гидрохимические показатели воды, например цветность. На рис. 3 показано среднее содержание марганца в воде и градус цветности поверхностных вод нижнего течения р. Иртыш. Полученные данные подтверждают положительную сильную корреляцию (коэффициент корреляции Спирмена rs = 0,83, р = 0,04) между цветностью и концентрацией марганца в воде.

dud3.wmf

Рис. 3. Среднее содержание марганца (мкг/дм3) в воде и градус цветности ( °Pt-Co шкала) поверхностных вод нижнего течения р. Иртыш

В целом по содержанию и распределению Mn в воде и ДО наблюдается общая закономерность, заключающаяся в повторении меандры реки. Левый берег Иртыша пологий, здесь скорость течения затормаживается, взвешенные вещества, а с ними и металлы оседают на дно. Правый берег обрывистый, скорость течения выше, сильнее происходит взмучивание ДО, металл мигрирует в воду вместе с взвешенными веществами [7]. Это просматривается и в сезонном аспекте, что подтверждается данными исследований ДО, представленными в таблице. В ней отражено продольное и поперечное, а также сезонное распределение Mn.

У большинства створов, левое правобережье накапливает марганец в ДО в весеннее половодье, а в створах 1–3 по левому берегу – и осенью.

За весь изучаемый период максимальная нагрузка зафиксирована в створе 1.

Уровень валового содержания Mn по руслу реки выше, чем у берегов, на 80…150 мг/кг.

Валовое содержание Mn (мг/кг) в ДО, dud03.wmf ± SD (n = 3; Р = 0,05), среднее содержание dud03.wmf за период отбора (по вертикали) и по длине (по горизонтали) исследуемого участка нижнего течения р. Иртыш, кларк концентрации

Точка отбора проб

Сезон отбора проб

Створ

dud03.wmf

1

2

3

4

5

6

Левый берег

Весна

333 ± 2

479 ± 0

391 ± 0

141 ± 0

250 ± 0

270 ± 1

311

Лето

348 ± 0

248 ± 1

264 ± 3

202 ± 1

153 ± 0

102 ± 1

220

Осень

691 ± 2

454 ± 0

452 ± 0

192 ± 1

52 ± 0

116 ± 1

326

dud03.wmf

457

394

369

179

152

162

286

КК

0,5

0,4

0,4

0,4

0,2

0,2

0.3

Магистральное русло

Весна

305 ± 0

432 ± 0

64 ± 1

161 ± 1

419 ± 2

323 ± 1

284

Лето

287 ± 0

315 ± 2

394 ± 0

158 ± 1

364 ± 1

347 ± 2

311

Осень

109 ± 0

135 ± 1

468 ± 3

234 ± 0

72 ± 0

987 ± 7

334

dud03.wmf

234

294

309

184

285

553

310

КК

0,2

0,3

0,3

0,2

0,3

0,6

0.3

Правый берег

Весна

211 ± 1

261 ± 1

116 ± 0

280 ± 1

122 ± 0

250 ± 1

207

Лето

229 ± 0

194 ± 1

97 ± 1

254 ± 0

201 ± 1

217 ± 1

199

Осень

98 ± 0

107 ± 1

89 ± 0

217 ± 1

205 ± 1

70 ± 0

131

dud03.wmf

179

187

101

250

176

179

179

КК

0,2

0,2

0,1

0,3

0,2

0,2

0.2

dud03.wmf по сечению реки

290

292

260

204

204

298

258

Максимум его концентрации отмечается в створе 6. ДО русла реки представляют собой суглинки, суглинки илистые, с преобладанием фракции глинистых частиц в гранулометрическом составе. Коэффициент корреляции Спирмена для фракции глинистых частиц с Mn составляет 0,8, чем и обусловлено наибольшее накопление металла в ДО русла реки [8]. Содержание элемента в среднем по сечению реки имеет близкие значения – в среднем 260 мг/кг. Вариация содержания марганца в ДО нижнего течения р. Иртыш свидетельствует о слабой изменчивости признака. По протяжению реки коэффициент варьирования меняется: от 0,01 % (М.Р.) до 0,34 % (Л.Б.) – весной; от 0,23 % (П.Б.) до 0,34 % (Л.Б.) – летом; от 0,40 % (П.Б.) до 0,70 % (Л.Б.). По сечению вариация имеет следующие значения: минимум – 0,11 % (створ 1) и максимум – 0,75 % (створ 3) – весной; 0,17–0,18 % (створ 1, 5) и 0,48 % (створ 3) – летом; 0,08 % (створ 4) и 1,10 % – осенью соответственно. Таким образом, коэффициенты варьирования незначительны, но все же содержание Mn изменяется по створам, особенно это заметно в поперечном сечении реки – от прибрежной зоны к стрежню.

Кларки концентрации, рассчитанные для марганца в ДО по створам в нижнем течении р. Иртыш, не превышают среднего содержания в земной коре (КК < 1). То есть, возможно, окисление и осаждение марганца (+2) протекает довольно медленно и происходит рассеивание элемента в ДО (таблица) [2].

Выводы

Содержание Mn в воде по всему исследуемому участку нижнего течения р. Иртыш превышает ПДК в 9…20 раз. Подтверждена положительная значимая корреляция между цветностью и концентрацией марганца в воде.

Отмечены сезонные тенденции минимального и максимального накопления Mn в ДО нижнего течения р. Иртыш. Наибольшая нагрузка приходится на осенний и весенний периоды исследований.

Коэффициенты вариации Mn в ДО подтверждают симметрию малых рядов выборки, как по сечению, так и по протяжению реки. Полученные значения CV<10 % свидетельствуют о слабой изменчивости признака.

Рассчитанные кларки концентрации Mn меньше 1, что может говорить о рассеивании элемента в ДО нижнего течения р. Иртыш.

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».


Библиографическая ссылка

Дударева И.А., Алимова Г.С., Токарева А.Ю. МАРГАНЕЦ В ВОДЕ И ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЯХ НИЖНЕГО ТЕЧЕНИЯ РЕКИ ИРТЫШ // Успехи современного естествознания. – 2017. – № 8. – С. 70-74;
URL: https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=36523 (дата обращения: 01.02.2023).

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 = 1.685