К приоритетным загрязнителям окружающей среды относятся тяжелые металлы (ТМ). Тяжелые металлы поступают в водную среду в результате природных и антропогенно-обусловленных процессов. Многие тяжелые металлы являются жизненно необходимыми для живых организмов, их повышенное содержание приводит к нарушению функции органов и систем, тератогенным и мутагенным эффектам [2,3].
Основным источником загрязнения водных объектов бассейна реки Надым тяжелыми металлами являются предприятия нефтегазового комплекса, деятельность которых связана с освоением крупнейших газовых и нефтяных месторождений Медвежье, Ямбургское, Уренгойское, Северо-Уренгойское, Песцовское, Северо-Комсомольское, Сугмутское, Юрхаровское. Тяжелые металлы могут поступать в озера со стоками нефтегазопромышленного комплекса, в результате выпадения тяжелых металлов на территории водосборов из загрязненной атмосферы продуктами сжигания попутного нефтяного газа на факелах и газофакельных установках, в результате глобального переноса воздушных масс из западных, северо-западных промышленно развитых территорий севера Европы и Европейской территории России.
Малые озера представляют собой уникальные модели для изучения состояния окружающей среды в локальном, региональном и глобальном масштабах, изучения миграции и трансформации химических элементов. Известно, что миграционная активность многих металлов повышается в кислой среде. Представляет интерес выявление связей между уровнем кислотности водной среды и концентрациями тяжелых металлов для выявления особенностей формирования качества вод.
Цель исследования заключалась в оценке уровня загрязнения поверхностных вод малых озер бассейна реки Надым тяжелыми металлами и связь их концентраций с реакцией водной среды.
Материалы и методы исследования
Проведено гидрохимическое обследование четырех озер, расположенных в подзоне северной тайги бассейна реки Надым с островным распространением многолетнемерзлых пород, торфяников, бугров и гряд пучения. Почвообразующие породы представлены озерно-аллювиальными отложениями с прослойками и линзами суспензий. Характерным типом растительности является березово-лиственничные и березово-сосновые кутарничко-лишайниковые редколесья [8].
По морфометрическим показателям обследованные озера относятся к малым озерам. Время отбора проб: сентябрь. Отбор проб проводился с учетом требований «ГОСТ Р 51592-2000 Вода. Общие требования к отбору проб». Отбор проб осуществлялся с глубины 0,3-0,5 м в количестве 1 л в полиэтиленовые бутыли. Химико-аналитические работы проводились в стационарной лаборатории качества вод, устойчивости водных экосистем и экотоксикологии и в сертифицированной Федеральной службой по аккредитации лаборатории экологических исследований Тюменского государственного университета.
В отобранных пробах определялись: pH – потенциометрическим методом, кремний – спектрофотометрическим методом, концентрации алюминия, свинца, железа, меди, никеля, кобальта, цинка, марганеца, хрома, кадмия, ртути определялись атомно-абсорбционным методом (ContrAA, Analytik Jena, Германия).
Результаты исследования и их обсуждение
Показатель pH обследованных озер варьировал от 4,9 до 6,82. Поверхностные воды двух малых озер имели низкие значения водородного показателя: 4,9 и 5,7 соответственно. Региональные фоновые значения водородного показателя составляют от 6,3 до 7,7 [4], ПДКрх находится в диапазоне от 6,0 до 9,0.
К веществам высокой степени опасности относятся Hg, Pb, Cd. В обследованных озерных экосистемах содержание свинца и кадмия не превышало ПДК для водных объектов рыбохозяйственного назначения (табл. 1). Концентрации свинца в озерах б/н № 1 и № 2 выше кларковых значений в 1,4 и в 1,9 раза и составляли 0,0014 и 0,0019 мг/л соответственно. Концентрации ртути в озерных водах не превышали кларка для природных вод и были не более 0,05 мг/л.
В группу менее опасных тяжелых металлов входят Сu, Co, Ni, Cr, Zn. В водных объектах бассейна реки Надым содержание никеля, кобальта и хрома не превышало ПДК. Во всех пробах озерных вод концентрации меди и цинка были выше ПДК в 1,3 – 4 раза. Максимальные концентрации меди и цинка выявлены в озере б/н №1, не подверженном воздействию антропогенного фактора. Повышенное содержание данных тяжелых металлов в поверхностных водах обследованных озер обусловлено природными условиями и является типичным для водных объектов севера Западной Сибири [5, 6, 7, 9].
Наибольшую опасность представляют подвижные формы тяжелых металлов. Миграционная активность ионов металлов значительно повышается в кислой среде. В нашем исследовании показана высокая зависимость концентраций многих тяжелых металлов от водородного показателя (табл. 2). Положительная связь выявлена для марганца (r = 0,903), кремния (r = 0,729) и железа (r = 0,613). Концентрация металлов в воде увеличивается при повышении водородного показателя. Максимальные концентрации марганца, кремния и железа выявлены в озерах б/н № 3 и «Янтарное» с нейтральными величинами pH.
В кислой среде повышается подвижность ионов свинца (r = – 0,994), хрома (r = – 0,828) и алюминия (r = – 0,921). Суммарная концентрация тяжелых металлов 2 и 3 класса опасности (свинца и хрома) максимальная в озерах б/н № 1 и 2 со слабокислой водной средой. Величина pH оказывает непосредственное влияние на токсичность загрязняющих веществ, усиливая негативные эффекты тяжелых металлов для гидробионтов.
Таблица 1
Содержание тяжелых металлов в поверхностных водах малых озер бассейна реки Надым ЯНАО
|
№ п/п |
Показатель |
ПДКрх |
Кларк речной воды** |
Озеро б/н №1 |
Озеро б/н №2 |
Озеро б/н №3 |
Озеро «Янтарное» |
|
1 |
Si, мг/л |
0,1 |
6,0 |
0,084 |
0,074 |
0,823 |
2,51 |
|
2 |
Al, мг/л |
0,04 |
0,16 |
0,0112 |
0,0269 |
0,0075 |
0,0078 |
|
3 |
Fe, мг/л |
0,1 |
0,04 |
0,223 |
0,203 |
0,514 |
2,50 |
|
4 |
Cu, мг/л |
0,001 |
0,007 |
0,0053 |
0,0037 |
0,0046 |
0,0025 |
|
5 |
Ni, мг/л |
0,01 |
0,0025 |
0,0041 |
0,0031 |
0,0025 |
0,0034 |
|
6 |
Co, мг/л |
0,01 |
0,003 |
<0,001 |
<0,001 |
<0,001 |
<0,001 |
|
7 |
Zn, мг/л |
0,01 |
0,02 |
0,0286 |
0,0126 |
0,00649 |
0,00568 |
|
8 |
Mn, мг/л |
0,01 |
0,01 |
0,00575 |
0,00684 |
0,019 |
0,0172 |
|
9 |
Pb, мг/л |
0,006 |
0,001 |
0,0014 |
0,0019 |
0,00079 |
0,00094 |
|
10 |
Cr, мг/л |
0,02 |
0,001 |
0,00253 |
0,00222 |
0,00142 |
0,00136 |
|
11 |
Cd, мг/л |
0,005 |
0,0002 |
<0,0001 |
<0,0001 |
<0,0001 |
<0,0001 |
|
12 |
Hg, мкг/л |
0,01 |
0,07 |
<0,05 |
<0,05 |
<0,05 |
<0,05 |
Примечание. * – кларк речной воды (по [1]).
Таблица 2
Корреляционные связи между концентрациями тяжелых металлов в водах малых озер бассейна реки Надым и водородным показателем
|
№ п/п |
Показатель |
М±Ϭ |
R (корреляция) |
|
1 |
Si, мг/л |
0,873±0,888 |
0,729 |
|
2 |
Al, мг/л |
0,013±0,0071 |
-0,921 |
|
3 |
Fe, мг/л |
0,860±0,854 |
0,613 |
|
4 |
Cu, мг/л |
0,004±0,00093 |
-0,207 |
|
5 |
Ni, мг/л |
0,003275±0,0005 |
-0,318 |
|
7 |
Zn, мг/л |
001334±0,0082 |
-0,51 |
|
8 |
Mn, мг/л |
0,01219±0,0053 |
0,903 |
|
9 |
Pb, мг/л |
0,00126±0,00039 |
-0,994 |
|
10 |
Cr, мг/л |
0,00188±0,00045 |
-0,828 |
С другой стороны озерные воды северной тайги богаты органическими веществами, гуминовыми кислотами способными к комплексообразованию с тяжелыми металлами. Комплексы природных высокомолекулярных соединений с тяжелыми металлами достаточно прочные и тем самым способны снижать токсические эффекты гидратированных ионов металлов или простых соединений тяжелых металлов с неорганическими анионами.
Железо и марганец относятся к петрогенным элементам и определяют фазовый химический состав системы. Процессы химического выветривания горных пород сидерита, глауконита, пирита приводят к обогащению поверхностных вод железом. Железо в воде находится в ионной форме и в виде комплексов с водой, неорганическими и органическими соединениями. Fe (II) подвергается химическому окислению и окислению с участием железобактерий до Fe (III), и в виде гидроксидов выпадает в осадок. В зоне северной тайги поверхностные воды содержат железо в значительных концентрациях в виде гуматов [9].
Марганец принадлежит к распространенным элементам в окружающей среде. Основными минералами марганца являются пиролюзит, манганит, браунит. Преобладающая форма миграции марганца в озерных водах катионная (Mn2+). Микробиота и Fe (III) выступают в роли катализатора процесса окисления марганца. Марганец в озерных водах окисляется до оксида марганца кислородом, растворенным в воде и в виде озерных железо-марганцевых конкреций и железо-марганцевых корок марганец накапливается на дне озер.
Заключение. Концентрации металлов-загрязнителей в поверхностных водах малых озер бассейна реки Надым не превышают естественного фонового уровня. Однако концентрации свинца в озерах незначительно выше кларковых значений, концентрации железа, марганца, меди и цинка превышают ПДК. Повышенное содержание данных тяжелых металлов в поверхностных водах обследованных озер обусловлено почвенными, органоминеральными и геологическими природными факторами и является типичным для водных объектов севера Западной Сибири. В кислой среде повышается подвижность ионов свинца, хрома и алюминия и усиливаются потенциальные негативные эффекты тяжелых металлов для гидробионтов.