СРЕДНИЕ ХАРАКТЕРНЫЕ КОНЦЕНТРАЦИИ ТОКСИКАНТОВ В ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЯХ ДЕЛЬТЫ ВОЛГИ И СЕВЕРНОГО КАСПИЯ
Авторы:
1.
Каспийский научно-исследовательский институт рыбного хозяйства
2.
Каспийский научно-исследовательский институт рыбного хозяйства
Тип:
Статья
Страницы:
с 29
по 36
Статус:
Опубликован
Получено:
05.12.2017
Одобрено:
25.12.2017
Опубликовано:
25.12.2017
Классификаторы:
УДК 551.313:628.394(282.247.41+262.81)
ГРНТИ 34.39 Физиология человека и животных
ГРНТИ 62.13 Биотехнологические процессы и аппараты
ГРНТИ 69.01 Общие вопросы рыбного хозяйства
ГРНТИ 69.25 Аквакультура. Рыбоводство
ГРНТИ 69.31 Промышленное рыболовство
ГРНТИ 69.51 Технология переработки сырья водного происхождения
ГРНТИ 87.19 Загрязнение и охрана вод суши, морей и океанов
ГРНТИ 34.39 Физиология человека и животных
ГРНТИ 62.13 Биотехнологические процессы и аппараты
ГРНТИ 69.01 Общие вопросы рыбного хозяйства
ГРНТИ 69.25 Аквакультура. Рыбоводство
ГРНТИ 69.31 Промышленное рыболовство
ГРНТИ 69.51 Технология переработки сырья водного происхождения
ГРНТИ 87.19 Загрязнение и охрана вод суши, морей и океанов
Язык материала:
русский
Ключевые слова:
донные отложения, контроль, загрязнение, токсиканты, концентрация, дисперсность
Аннотация (русский):
При оценке степени загрязнения водных экосистем важным объектом анализа являются донные отложения. Ввиду отсутствия в настоящее время в России нормативов содержания приоритетных токсикантов в донных отложениях водных объектов предпринимаются различные попытки их нормирования, имеющие сугубо региональный статус. В рамках исследования был применен подход, позволяющий характеризовать степень загрязнения с помощью сравнения абсолютных значений концентраций токсикантов, наиболее распространенных в Волго-Каспийском бассейне, со средними характерными величинами, рассчитанными для каждого основного типа отложений. Для расчетов использовали многолетний массив данных по содержанию нефтепродуктов, цинка, меди, свинца, кадмия, никеля, марганца и железа в водотоках дельты р. Волги и западной части Северного Каспия. Проведенная типизация грунтов с выделением основных типов пресноводных и морских отложений для каждого из них сопровождалась усреднением величин концентраций токсикантов. При переходе от крупнодисперсных фракций к мелкодисперсным для пресноводных грунтов было выявлено увеличение содержания всех токсикантов в 2,8-9,8 раза. Отмечено, что в накоплении нефтепродуктов, никеля и марганца помимо дисперсности важную роль играло присутствие ракушечного материала. В северокаспийских донных отложениях уменьшение размера частиц вызывало повышение концентраций ряда токсикантов, особенно в присутствии илистых фракций. Кроме этого, усиление накопления некоторых загрязняющих веществ (никеля, свинца и кадмия) наблюдалось в грунтах, представленных ракушей как в чистом виде, так и с примесью песка. На примере сравнительного анализа данных по содержанию токсикантов в донных отложениях водотоков дельты Волги и Северного Каспия в 2016 г. со средними характерными величинами выделены участки, в наибольшей степени подверженные загрязнению.
При оценке степени загрязнения водных экосистем важным объектом анализа являются донные отложения. Ввиду отсутствия в настоящее время в России нормативов содержания приоритетных токсикантов в донных отложениях водных объектов предпринимаются различные попытки их нормирования, имеющие сугубо региональный статус. В рамках исследования был применен подход, позволяющий характеризовать степень загрязнения с помощью сравнения абсолютных значений концентраций токсикантов, наиболее распространенных в Волго-Каспийском бассейне, со средними характерными величинами, рассчитанными для каждого основного типа отложений. Для расчетов использовали многолетний массив данных по содержанию нефтепродуктов, цинка, меди, свинца, кадмия, никеля, марганца и железа в водотоках дельты р. Волги и западной части Северного Каспия. Проведенная типизация грунтов с выделением основных типов пресноводных и морских отложений для каждого из них сопровождалась усреднением величин концентраций токсикантов. При переходе от крупнодисперсных фракций к мелкодисперсным для пресноводных грунтов было выявлено увеличение содержания всех токсикантов в 2,8-9,8 раза. Отмечено, что в накоплении нефтепродуктов, никеля и марганца помимо дисперсности важную роль играло присутствие ракушечного материала. В северокаспийских донных отложениях уменьшение размера частиц вызывало повышение концентраций ряда токсикантов, особенно в присутствии илистых фракций. Кроме этого, усиление накопления некоторых загрязняющих веществ (никеля, свинца и кадмия) наблюдалось в грунтах, представленных ракушей как в чистом виде, так и с примесью песка. На примере сравнительного анализа данных по содержанию токсикантов в донных отложениях водотоков дельты Волги и Северного Каспия в 2016 г. со средними характерными величинами выделены участки, в наибольшей степени подверженные загрязнению.
Ключевые слова:
донные отложения, контроль, загрязнение, токсиканты, концентрация, дисперсность
донные отложения, контроль, загрязнение, токсиканты, концентрация, дисперсность
Донные отложения любого водного объекта представляют большой интерес для оценки уровня загрязнения водных экосистем. По сравнению с водными массами донные отложения являются более информативным объектом наблюдения [1], т. к. перемещаются с гораздо меньшей скоростью, сохраняют «память» о внешнем воздействии, накапливают загрязняющие вещества в значительно большем количестве. Это связано с высокой сорбционной способностью грунтов и более низкой (по сравнению с водой) скоростью деградации в них токсикантов [2, 3]. Объективный контроль загрязнения окружающей среды осуществляется обычно с помощью экспериментально обоснованного норматива содержания веществ в виде их предельно допустимой концентрации (ПДК). При этом предусмотрено несколько лимитирующих направлений: токсикологическое, санитарное, санитарно-токсикологическое, органолептическое, рыбохозяйственное [4]. В настоящее время в России утверждены и действуют нормативы в виде ПДК токсикантов в водах водных объектов, но отсутствуют и не разработаны (даже на приоритетные химические вещества) нормативы в донных отложениях водных экосистем. Вопрос о необходимости нормирования качества донных отложений как среды депонирования загрязняющих веществ давно и широко обсуждается, необходимость решения этой проблемы давно назрела. Донные осадки - сложная многокомпонентная среда, и вследствие большого разнообразия и неоднородности состава интерпретация результатов их анализа затруднена. Предпринимались попытки различных подходов к нормированию и характеристике содержания токсикантов в донных отложениях [5-7], имеющих свои преимущества и недостатки. Существуют нормативы оценки качества донных отложений регионального статуса, применение которых ограничено конкретной территорией и водными объектами, где загрязнение произошло в недалеком прошлом (территория Ханты-Мансийского округа, Тюменской области, Обь-Иртышского бассейна, г. Санкт-Петербурга). Нами был выбран подход, предусматривающий анализ данных многолетних наблюдений и установление обобщающей величины, называемой средней характерной концентрацией приоритетных токсикантов в конкретных типах грунта, залегающего в дельте р. Волги и Северном Каспии. Эту величину в последующем можно будет использовать для сравнения с абсолютной концентрацией каждого токсиканта в определенном районе и в определенный период времени для характеристики подверженности данного участка загрязнению. Ранее подобные расчеты, в ходе которых использовались результаты за 25-летний период наблюдений, были произведены для бассейна Азовского моря [8]. В нашем случае для расчета характерных концентраций в дельте р. Волги и Северном Каспии были использованы данные, полученные за 9 лет наблюдений (2008-2016 гг.). Материалы и методы исследований Исследования проводились в водотоках дельты р. Волги на 17 стационарных станциях, в западной части Северного Каспия - на 37 станциях. Пробы донных отложений отбирались в ходе научных экспедиций ежегодно - с апреля по октябрь. Отбор проб осуществлялся в соответствии с ГОСТ 17.1.5.01-80. Охрана природы. Гидросфера. Общие требования к отбору проб донных отложений водных объектов для анализа на загрязненность (http://docs.cntd.ru/ document/1200012787), с помощью дночерпателей бентосного и «Океан-50». Всего было проанализировано 597 проб речных грунтов и 517 образцов морских грунтов. Перечень приоритетных для Волго-Каспийского бассейна токсикантов состоит из нефтепродуктов и 7 тяжелых металлов - цинка, меди, свинца, кадмия, никеля, марганца, железа, содержание которых измерялось согласно единым методикам выполнения химических анализов. Другими словами, методы определения и приборная база оставались неизменными, что чрезвычайно важно для достоверности полученных данных и выводов, сделанных на основе их анализа. Для определения нефтепродуктов использовали метод флуоресценции [9], тяжелые металлы определяли методом пламенной атомно-абсорбционной спектрометрии [10]. Результаты исследований Водотоки дельты р. Волги. Как известно, степень накопления токсикантов в значительной степени зависит от дисперсности грунтов: при переходе от крупных фракций к мелким возможно увеличение их содержания в несколько раз. В ряде исследований, посвященных изучению современных осадков Северного Каспия и дельты р. Волги, приведен обзор их гранулометрических особенностей, установлено, что спектр размеров частиц весьма широк [11-14]. На основе многолетних данных в водотоках дельты Волги нами было выделено семь основных типов грунтов - от крупно- до мелкодисперсных (табл. 1). Наиболее распространенными типами донных отложений являлись илистые, а также мелко- и среднезернистые пески, наименее распространенными - илы (с примесью песков, алевритов, ракуши и без примесей). Таблица 1 Типы донных отложений в водотоках дельты Волги по данным 2008-2016 гг. Тип донных отложений Характеристика грунта Частота встречаемости, % 1 Среднезернистый светлый песок 17 2 Мелкозернистый светло- и темно-серый песок 27 3 Илистый песок 32 4 Ил с примесью ракуши 2 5 Песчанистый ил 11 6 Алевритистый ил 4 7 Ил 7 При расчете средних характерных концентраций для каждого из выделенных типов грунтов были получены средние арифметические, минимальные и максимальные значения, стандартное отклонение σ, после чего из массива данных были исключены результаты, отклоняющиеся более чем на 2σ, и рассчитаны усредненные показатели. Примечательно, что в пресноводных водотоках от среднезернистого песка до ила содержание всех токсикантов увеличивалось, самым незначительным (в 2,8 раза) увеличение было по кадмию, самым существенным (в 9,8 раза) - по железу. Для цинка, меди, свинца, кадмия, железа по мере уменьшения размера частиц происходило постепенное увеличение значений (рис. 1, а). В динамике концентраций этих элементов выявлена тесная положительная связь (r = 0,98-0,99 при р < 0,05). Для других токсикантов (нефтепродуктов, никеля, марганца) важную роль играло присутствие в грунтах ракушечного материала - примесь ракуши в илистом песке снижала содержание нефтепродуктов, но повышала содержание никеля и марганца (рис. 1, б). Несмотря на это, показатели концентрации нефтепродуктов, никеля и марганца положительно коррелировали между собой (r = 0,86-87 при р < 0,05). а Рис. 1. Средние характерные концентрации токсикантов в донных отложениях пресноводных водоемов: а - Fe, Zn, Cu, Pb, Cd ∙ 10 (для визуализации концентрация кадмия увеличена в 10 раз); б - нефтепродукты, Ni, Mn: 1 - среднезернистый песок; 2 - мелкозернистый песок; 3 - илистый песок; 4 - ил с примесью ракуши; 5 - песчанистый ил; 6 - алевритистый ил; 7 - ил Учитывая небольшую разницу в значениях типов осадков, близких по гранулометрическому признаку (средне- и мелкозернистый песок, песчанистый и алевритистый ил), средними характерными концентрациями предлагаем считать величины, приведенные в табл. 2. Таблица 2 Средние характерные концентрации токсикантов в донных отложениях различных гранулометрических типов в водотоках дельты Волги, мг/кг Тип грунта Нефтепродукты Zn Cu Pb Cd Ni Mn Fe Среднезернистый светлый песок Мелкозернистый песок 8,0 6,0 2,5 3,0 0,3 7,0 100,0 1800,0 Илистый песок 15,0 9,0 4,0 5,0 0,4 9,0 200,0 3000,0 Ил с примесью ракуши 12,0 12,0 7,0 7,0 0,4 13,0 600,0 5000,0 Песчанистый ил Алевритистый ил 17,0 13,0 7,0 8,0 0,4 13,0 350,0 6000,0 Ил 20,0 18,0 9,0 9,0 0,5 17,0 450,0 8000,0 Акватория Северного Каспия. В Северном Каспии донные осадки были представлены восемью основными типами, среди которых по частоте встречаемости доминировали ракуша (целая и битая), а также мелкозернистый и илистый песок с обломками ракушечного материала (табл. 3). Таблица 3 Типы донных отложений Северного Каспия по данным 2008-2016 гг. Тип донных отложений Характеристика грунта Частота встречаемости, % 1 Ракуша, обломки ракуши 26 2 Ракуша с примесью песка 7 3 Крупнозернистый песок с примесью ракуши 7 4 Мелкозернистый песок с обломками ракуши 21 5 Илистый песок с примесью ракуши 18 6 Мелкозернистый песок 8 7 Илистый песок 9 8 Песчанистый ил 4 В северокаспийских донных отложениях при переходе от крупнодисперсных фракций к мелкодисперсным повышались концентрации не всех токсикантов, а лишь нефтепродуктов, цинка, меди, марганца и железа, которые тесно коррелировали друг с другом (r = 0,89-0,94 при р < 0,05). Следует отметить общую особенностью динамики показателей - появление в составе грунтов илистых фракций сразу влекло за собой их увеличение по сравнению с ракушечным и песчанистым типами (рис. 2, а). Для остальных токсикантов (свинца, никеля, кадмия) увеличение накопления отмечалось в грунтах ракушечного типа (рис. 2, б), и между ними была выявлена положительная связь (r = 0,50-0,98 при р < 0,05). Специфической особенностью никеля было определяющее влияние на его содержание доли песчанистых фракций - рост этой доли сопровождался уменьшением показателей. Рис. 2. Средние характерные концентрации токсикантов в донных отложениях Северного Каспия: а - нефтепродукты, Zn, Cu, Mn, Fe: 1 - ракуша; 2 - ракуша с песком; 3 - крупнозернистый песок с ракушей; 4 - мелкозернистый песок с ракушей; 5 - илистый песок с ракушей; 6 - мелкозернистый песок; 7 - илистый песок; 8 - песчанистый ил б Рис. 2. Продолжение: б - Pb, Ni, Cd: 1 - ракуша; 2 - ракуша с песком; 3 - крупнозернистый песок с ракушей; 4 - мелкозернистый песок с ракушей; 5 - илистый песок с ракушей; 6 - мелкозернистый песок; 7 - илистый песок; 8 - песчанистый ил При типизации отложений по средним характерным концентрациям были определены величины, указанные в табл. 4, при этом крупнозернистый песок и мелкозернистый песок с примесью ракуши были объединены в один тип. Таблица 4 Средние характерные концентрации токсикантов в донных отложениях различных гранулометрических типов в Северном Каспии, мг/кг Тип грунта Нефтепродукты Zn Cu Pb Cd Ni Mn Fe Ракуша, обломки ракуши 6,0 2,0 2,5 18,0 1,5 10,0 40,0 25,0 Ракуша с примесью песка 6,0 3,0 3,0 24,0 2,0 12,0 60,0 80,0 Крупно- и мелкозернистый песок с обломками ракуши 6,0 3,0 2,5 13,0 1,0 9,0 60,0 800,0 Илистый песок с примесью ракуши 9,0 4,0 3,0 12,0 1,0 10,0 60,0 2500,0 Мелкозернистый песок 7,0 5,0 2,0 9,0 0,8 7,0 70,0 1300,0 Илистый песок 8,0 5,0 3,0 9,0 0,8 10,0 140,0 3000,0 Песчанистый ил 25,0 10,0 6,0 9,0 0,8 12,0 250,0 6000,0 Теперь, имея средние характерные величины, для определения степени подверженности загрязнению конкретного района в конкретный период времени, необходимо сравнить с ними абсолютные величины. Превышение этой усредненной характерной концентрации будет свидетельствовать о загрязненности районов исследования независимо от гранулометрических особенностей донных отложений. Так, в 2016 г., при анализе содержания токсикантов в донных отложениях дельты Волги в рукавах Бахтемир, Кизань, Волго-Каспийском канале, Белинском канале в период половодья, было обнаружено значительно большее количество нефтепродуктов, цинка, свинца, кадмия, чем в других водотоках. Сравнение со средними характерными величинами для данных типов грунтов (илистого и мелкозернистого песка) дало основание полагать, что усиление накопления токсикантов отмечено лишь в районе 4 Огневки Волго-Каспийского канала, где кратность превышения средних характерных значений достигала по нефтепродуктам 20 раз, цинку и кадмию - 3 раза, свинцу - 5 раз. В остальных районах концентрации незначительно отличались от величин, характерных для этих типов грунтов. На акватории Северного Каспия в июне 2016 г. содержание нефтепродуктов, цинка, свинца, меди, кадмия в донных осадках выше, чем в остальных районах моря, было в районе западного мелководья у банки Часовая и на юго-востоке у п-ва Мангышлак. Кратность превышения средних характерных величин (2-3 раза) указывала на поступление в грунты у банки Часовая значительного количества нефтепродуктов и цинка, в грунты у п-ва Мангышлак - кадмия. По остальным параметрам усиления загрязнения в этих районах исследований отмечено не было. Заключение Таким образом, в отсутствие российских рыбохозяйственных нормативов содержания токсикантов в донных отложениях при оценке степени подверженности загрязнению экосистемы Волго-Каспийского бассейна можно использовать полученные нами обобщенные показатели, характерные для каждого из основных литологических типов. Установлено, что в пресноводных водотоках уменьшение размера частиц грунта сопровождалось увеличением в той или иной мере концентраций всех изучаемых токсикантов. Для морских донных отложений, помимо дисперсности, немаловажным фактором в накоплении ряда токсикантов было присутствие в составе грунта ракушечного материала. Сравнительный анализ данных 2016 г. по содержанию загрязняющих веществ и средних характерных концентраций позволил оценить, какие именно районы подвержены загрязнению и какими конкретно токсикантами.
1. Сает Ю. М., Ревич Б. А., Янин Е. П. Геохимия окружающей среды. М.: Недра, 1990. 335 с.
2. Кленкин А. А., Корпакова И. Г., Конев Ю. В., Елецкий Б. Д. Фоновое содержание нефтепродуктов в компонентах экосистемы Азовского моря // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. 2006. № 9. С. 76-79.
3. Никаноров А. М., Страдомская А. Г. Нефтепродукты в донных отложениях пресноводных объектов // Водные ресурсы. 2003. Т. 30, № 1. С. 106-110.
4. Нормативы качества воды и водных объектов рыбохозяйственного значения, в том числе нормативы предельно допустимых концентраций вредных веществ в водах водных объектов рыбохозяйственного значения. М.: ВНИРО, 2011. 257 с.
5. Кленкин А. А., Павленко Л. Ф., Корпакова И. Г., Студеникина Е. И. Современная характеристика донных отложений Азовского моря по степени загрязненности комплексом наиболее опасных токсикантов // Водные ресурсы. 2008. Т. 35, № 1. С. 88-92.
6. Степанова Н. Ю., Латыпова В. В., Румянцев В. А., Поздняков Ш. Р. Использование интегрального подхода для нормирования качества донных отложений природных вод // Водные ресурсы. 2015. Т. 42, № 5. С. 647-656.
7. Галиулин Р. В., Галиулина Р. А., Башкин В. Н. Решение проблемы нормирования углеводородов в донных отложениях водных экосистем // Территория Нефтегаз. 2011. № 2. С. 72-75.
8. Кленкин А. А., Павленко Л. Ф., Корпакова И. Г., Темердашев З. А. Обоснование обобщающего показателя качества экологического состояния донных отложений // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2007. Т. 73, № 8. С. 11-14.
9. Методика выполнения измерений массовой концентрации нефтепродуктов в пробах почв и грунтов флуориметрическим методом на анализаторе жидкости «Флюорат-02»: ПНД Ф 16.1:2.21-98. М., 2012. 14 с.
10. ПНД Ф 16.1:2:2.2:2.3.78-2013 Методика измерений массовой концентрации подвижных форм металлов: меди, цинка, свинца, кадмия, марганца, никеля, кобальта, хрома в пробах почв, грунтов, донных отложений, осадков сточных вод методом пламенной атомно-абсорбционной спектрометрии. М., 2013. 17 с.
11. Хрипунов И. А., Катунин Д. Н., Азаренко А. В. Многолетние изменения гранулометрического состава и пространственного распределения донных отложений Северного Каспия // Водные ресурсы. 2010. Т. 37, № 6. С. 709-706.
12. Свальнов В. Н., Алексеева Т. Н., Газенко А. О. Современные осадки Северного Каспия и дельты Волги // Океанология. 2011.Т. 51, № 1. С. 123-135.
13. Карыгина Н. В., Дегтярева Л. В. Органические соединения в донных отложениях дельты р. Волга // Водные ресурсы Волги: история, настоящее и будущее, проблемы управления: Материалы II Меж регион. науч.-практ. конф. (25-27 октября 2012 г., Астрахань). Астрахань, 2012. С. 157-160.
14. Degtjareva L., Zajcev V. The content of the organic in grounds of the Caspian sea // Soil Science in International Year of Soils 2015 (19-23 октября 2015 г., Сочи). М.: ООО «БукиВеди», 2015. P. 84-86.
