Одним из наиболее объективных и надёжных показателей загрязнения водоёма и общей антропогенной нагрузки на него является содержание тяжёлых металлов в воде, донных отложениях (илах) и биоте. В отличие от органических веществ тяжёлые металлы не подвержены деградации и могут лишь мигрировать и накапливаться в различных компонентах водной экосистемы [6, 7].
Накопление металлов рассматриваемой группы в илах, превышающих допустимые нормативы и фоновые, представляет опасность для качества вод из-за возможного вторичного загрязнения – выноса микроэлементов из донных отложений в воду [4]. Кроме того, высокие их содержания в донном грунте неблагоприятно отражаются на живых организмах, населяющих гидробиоценоз.
Поскольку гидробионты активно аккумулируют из воды химические соединения, информация о содержании последних в природных водах важна для понимания влияния соединений металлов на водную биоту. Следует также учитывать, что часто цепи питания, берущие начало с гидробионтов, включают и наземные организмы, приводящие к человеку [9]. В связи с этим мониторинг качества воды и экологического состояния природного водоёма и водотока должен включать в себя комплексную оценку содержания различных химических веществ в компонентах экосистемы водоёма.
Важным является также анализ значимости факторов, оказывающих возможное влияние на интенсивность накопления токсикантов в наименее динамичной, наиболее консервативной и значимой компоненте гидробиоценоза – донных отложениях.
Среди характеристик, определяющих ряд свойств донных отложений следует остановиться на гранулометрическом составе и физико-химической или ионно-сорбционной ёмкости. Под гранулометрическим составом почвы и донных отложений понимается относительное содержание в ней частиц различного диаметра, в частности «физического» песка и «физической» глины. Частицы глины обладают высокой ионно-сорбционной ёмкостью, (т.е. способностью поглощать определённое количество ионов в расчёте на 100г почвы), в том числе и в отношении ионов тяжёлых металлов, при определённых условиях среды данный параметр может изменяться и глина, поглощающая токсиканты, способна стать источником вторичного загрязнения природного водоёма [8].
В связи с имеющимися в литературе данными о влиянии структуры, состава почв и её поглотительной ёмкости на накопление соединений тяжёлых металлов, в частности ртути [2, 3, 6] представилось актуальным исследовать гранулометрический состав и физико-химическую ёмкость донных отложений среднего течения реки Урал.
Материалы и методы исследования Материалом исследования явились вода и донные отложения, отобранные с восьми участков среднего течения реки Урал: «р. Урал – «Карьер»», «р. Урал выше лагеря «Дубки»», «р. Урал – «Водозабор»», «р. Урал – «Автодорожный мост»», «р. Урал – «Железнодорожный мост»», «р. Урал после слияния с водами очистных сооружений г. Оренбурга», «р. Урал – лагерь «Чайка»», «р. Урал – «Чернореченский мост»».
Определение содержания ртути в воде и донных отложениях проводили на анализаторе жидкости Эксперт-001, прошедшем поверку (документ на поверку КТЖГ.414318.001 РЭ от 14.10.2013г.) в соответствии со стандартной методикой (Руководство по эксплуатации и методики поверки, 2013г) [1].
Для оценки степени загрязнения донных отложений ртутью руководствовались «намеченным» (экологическим) нормативом, принятым в Нидерландах, значение которого составляет 0,00005 мг/кг. Условно считается, что при соблюдении данного норматива водной экосистеме ущерба не наносится [5].
Полученные значения концентраций ртути сопоставляли с ГН 2.1.5.1315-03 «Предельно-допустимые концентрации химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования», значение которого составляет 0,0005 мг/л [2].
Определение гранулометрического состава донных отложений осуществляли по методу М.М. Филатова. Показатель суммы поглощённых оснований (ионно-обменную ёмкость) рассчитывали по методу Каппена-Гильковица [5].
Результаты исследования и их обсуждение
Анализируя полученные данные, следует отметить, что соединения ртути обнаружены во всех исследуемых точках, как в пробах воды, так и в пробах донных отложений. В воде превышений значения гигиенического норматива токсиканта не зафиксировано ни на одном участке среднего течения реки Урал (рис. 1). Лишь на участке «Железнодорожный мост» концентрация растворённых соединений исследуемого металла была сравнима с нормативом и составила 0,0005 мг/л.
Рис. 1. Содержание ртути в воде, мг/л
В ДО экологический норматив по данному металлу был превышен абсолютно на всех станциях: в районе «Карьера» в 220 раз, что, возможно, обусловлено активно протекающими окислительными процессами на дне водоёма и диффузией ионов ртути из более глубоких слоёв материнской породы. На участках «Водозабор», «Автодорожный мост» и «Дубки» превышения составили в 240, 260 и 20 раз, соответственно. «Железнодорожный мост» и «Очистные сооружения» следует отметить особо, поскольку увеличения экологического норматива составили в 900 и 1040 раз (рис. 2).
Рис. 2. Содержание ртути в ДО, мг/кг
Данный факт указывает на большую аккумулирующую способность ДО по сравнению с водой, как наиболее динамичной фракцией в проточном водоёме.
В связи с тем, что физико-химические свойства и структура почвы во многом определяют её поглощающую способность [3, 6] далее анализировался гранулометрический состав и физико-химическая ёмкость ДО во всех зонах исследования. По гранулометрическому составу почвы, слагающие ДО на большинстве участках были отнесены к песчаным, содержание глины варьировало от 1,35 до 5,67%в зонах: «р. Урал – «Карьер»», «р. Урал выше лагеря «Дубки»», «р. Урал – «Водозабор»», «р. Урал – «Автодорожный мост»», «р. Урал – «Железнодорожный мост»», «р. Урал – лагерь «Чайка»», «р. Урал – «Чернореченский мост»» (рис. 3), низкой оказалась и поглотительная
Рис. 3. Содержание глины (%) и показатель суммы поглощённых оснований в ДО
(физико-химическая) ёмкость почв, значение показателя суммы поглощённых оснований составило от 0,5 до 6,5 ммоль/100 г: только в зоне «Очистные сооружения» содержание глины определено равным 22,67%, что позволило отнести данный участок к легкосуглинистым: с данным фактом, возможно, и связана наибольшая концентрация соединений ртути в донных отложениях исследуемого участка. Достаточно высокой оказалась и поглотительная ёмкость почвы по показателю суммы поглощённых оснований 16,1 ммоль/100г, что в 2,93 раза выше, чем в остальных точках исследования. В связи с этим, вероятно, концентрирующая способность донных отложений участка «Очистные сооружения» больше, чем остальных исследуемых станций, что во многом объясняет существенные превышения экологического норматива даже при отсутствии техногенных источников загрязнения.
Анализ показал, что между содержанием соединений ртути в ДО и показателем суммы поглощённых оснований прослеживается положительная значимая корреляционная связь: значение коэффициента Спирмана составило Rсп=0,83. Зависимость между содержанием ртути в ДО и процентом глины также оказалась положительной, но слабее, чем в первом случае: коэффициент Спирмана составил Rcп=0,68.
При исследовании уровня корреляции между содержанием соединений ртути в воде и процентом глинистых частиц в ДО, а также показателем суммы поглощённых оснований получены отрицательные значения коэффициента Спирмана, что указывает на отсутствие зависимости между процентом глинистых частиц, показателем суммы поглощённых оснований и концентрацией соединений ртути в воде.
Таким образом, выяснено, что именно физико-химические свойства донных отложений во многом определяют интенсивность накопления соединений ртути, так как они представляют собой скопления частиц почвы, горной (материнской) породы, растительных, животных остатков и глины на дне водоёма, которые, подвергаясь процессам деструкции приобретают пористую структуру с большим количеством активных центров на поверхности, способных присоединять ионы ртути и удерживать их [8, 9]. Эффект сорбции усиливается при наличии частиц глины диаметром около 20 мкм [7]. При изменении температурных условий в водоёме, рН, химического потребления кислорода, концентрации соединений серы донные отложения могут стать источником вторичного загрязнения для воды и гидробионтов: привнося токсикант в водоём даже при отсутствии источника загрязнения [6]. Данный эффект усиливается также при уменьшении водности года и снижении уровня паводковых вод, что и было отмечено в среднем течении реки Урал с 2006 по 2014 год.
Рецензенты:
Никоноров А.А., д.м.н., профессор, заведующий кафедрой биохимии, ГБОУ ВПО Оренбургский медицинский университет, г. Оренбург;
Дерябин Д.Г., д.м.н., профессор, заведующий кафедрой микробиологии, ГБОУ ВПО Оренбургский государственный университет, г. Оренбург.