The factors of the low iodine concentration in soil cover and drinking waters of the second ridge of the Mountain Crimea

Full Text

Введение Одной из актуальных медико-социальных проблем современного общества является йододефицит, которым, исходя из различных источников, в мире страдают около 1,5-2 млрд человек [1; 2]. Наличие хронического дефицита йода в организме человека часто становится скрытой причиной многих заболеваний. Содержание йода в окружающей среде колеблется в зависимости от разных факторов: географического положения, в частности удаленности от морей и океанов, рельефа местности - равнинная или горная, наличия горных пород - карбонатных и бескарбонатных, состава почв - органика, гумус, засоление. Природным источником йода служит океан, происходит круговорот в следующей системе: океан - атмосфера - почва - воды - растения [2]. Йод в организм человека в большей степени поступает через трофические цепи (с продуктами питания), замкнутые на почве. И в меньшей степени - с питьевой водой и из атмосферы. Развитие йододефицитных заболеваний зависит и от других факторов, в частности недостатка в почвах Se, Co, Cu, Mn. Общеизвестно, что наиболее масштабным микроэлементозом на территории современной России является зобная эндемия, обусловленная, в первую очередь, дефицитом йода [1; 5; 6]. В Республике Крым, несмотря на то что она является приморским регионом, имеет место и дефицит йода в окружающей среде, и йододефицитные заболевания [3; 5; 7]. В связи с вышесказанным весьма актуальны поиск и сравнение значимости факторов низкого содержания йода в нижних звеньях трофической цепи Крымского полуострова - почвах и природных водах. Разнообразный почвенный покров Республики Крым, в особенности его горной части (черноземные, лугово-степные, дерново-карбонатные, буроземные, коричневые, серые лесные, дерновые) [8], позволяет предполагать наличие контрастных районов по содержанию йода в почвах и в соответствующих им сельскохозяйственных продуктах. Целью настоящей работы было выявить контрастность по содержанию йода почвенного покрова и природных вод питьевого назначения в Горном Крыму на примере бассейна р. Бодрак (Бахчисарайский район) и по возможности установить его причину. В основу работы положены материалы полевых исследований, выполненных по инициативе и при участии авторов, на территории учебно-научного полигона им. А.А. Богданова (на базе «Крымская» СПбГУ) в 2019 г. Полигон расположен в пределах Второй Крымской горной гряды, в долине реки Бодрак, и представляет собой весьма контрастный с геологической точки зрения район, что позволяет экстраполировать полученные данные на территорию всей Второй гряды Горного Крыма [9; 10]. Методы и материалы Полевые методы. В полевой период проводился отбор проб почв и природных вод в Бахчисарайском районе, в пределах бассейна р. Бодрак (Горного Крыма). Отбор почвенных проб проводился лопатой с глубины 10-15 см (в зависимости от мощности гумусового горизонта), в пределах выбранной площадки с однородным ненарушенным фитоценозом, в пределах единого элементарного ландшафта. Почвенные пробы отбирались в меридиональном направлении с учетом смены карбонатных пород палеогена и мела, терригенными и морскими бескарбонатными породами триаса и юры. В пределах каждой смены литологического типа пород отбор почв проводился в сопряженных по рельефу элементарных ландшафтах (вершина, склон, замыкающее понижение). Всего было отобрано 40 почвенных проб (рис.). Отбор водных проб осуществлялся в пластиковую емкость, предварительно промытую дистиллятом[9], из открытых источников (родники, реки, озера). Всего в 2019 г. было отобрано шесть водных проб в пределах полигона им. А.А. Богданова (рис.), а также шесть проб за его пределами (Симферопольская область). Рис_карта Карта фактического материала: долина р. Бодрак в окрестностях базы «Крымская». Наложения данных сделаны автором на основу физико-географической карты Крыма [8] fig 1 eng stat-2023 Sampling map: the valley of the river. Bodrak, in the vicinity of the Krymskaya base. The overlays of the data were made by the author on the basis of a physical and geographical map of the Crimea [8] Во всех водных пробах в полевых условиях измеряли электропроводимость и pH (с помощью портативных приборов фирмы HANNA). Помимо 12 проб вод питьевого назначения, отобранных из различных источников в 2019 г. (см. рис.), использованы данные по 20 пробам, отобранным в пределах полигона в 2017 г. Лабораторные методы. Для определения содержания йодид-ионов в отобранных пробах использовали ускоренный вариант кинетического роданидно-нитритного метода определения макроколичеств йода в водах и других объектах (в том числе в почвах) [11]. Измерения йода проводили в Москве, в лаборатории биогеохимии окружающей среды ГЕОХИ РАН, на фотометре КФК 3-01. Чувствительность метода - 1-4 нг/мл, воспроизводимость - 7-15 %. Содержание йода измерили в 23 почвенных пробах (и пересчитали на сухой вес пробы) и 12 водных пробах. Содержание йода в двадцати водных пробах, отобранных в долине реки Бодрак в 2017 г., было измерено в лаборатории тем же методом. Для проверки гипотезы о задержке йода в карбонатных почвах в сравнении с бескарбонатными, ввиду образования устойчивого соединения CaI+, в тех же 23 пробах почв был измерен рН-водный, с помощью pHметра Hanna Instruments. Для учета роли поглощения йода органикой и насыщенности почвенного поглощающего комплекса карбонатами в испытательной лаборатории ООО «Лаб24» города Москвы, в 23 пробах почв было измерено содержание гумуса[10] и емкости катионного обмена[11]. Результаты исследований Ранее проводившиеся исследования в пяти районах Горного Крыма (2017-2019 гг.) показали, что самые высокие средние значения йода в водах, характерны для рек (от 4,5 до 8,8 мкг/л). Максимальные значения отмечены для ювенильных вод грязевых вулканов Керченского полуострова, а минимальные - для ставков (запруд) в долинах временных водотоков и большинства водопроводных вод. Настоящее исследование (2020 г.) подтвердило, что из источников питьевого назначения максимальное содержание йода можно отметить для рек - 8,87 мкг/л (табл. 1). Изменение содержания йода в водах реки Бодрак и ряда других рек Бахчисарайского района может быть связано со сменой пород в районе границы Эпикиммерийского субплатформенного и Киммерийского геосинклиналных поясов, что не противоречит данным по смене химического состава вод реки, полученным ранее [12]. В реках отмечаются и наиболее высокие средние (10,75 мкг/л) и медианные (8,87 мкг/л) значения. Было отмечено, что содержание йода в речных водах Горного Крыма варьирует весьма в широких пределах (3,48-24,38 мкг/л), и местами выходит за пределы нормы (от 2 до 10 мкг/л). Содержание йода в родниках варьирует в пределах от 1,18 до 11,21 мкг/л, при этом как средние 4,0 мкг/л, так и медианные значения 3,7 мкг/л находятся в пределах нормы (от 2 до 10 мкг/л). Таблица 1. Варьирование содержания йода, рН, удельная электропроводность (УЭП) в водах питьевого назначения второй гряды Горного Крыма, 2017-2019 гг. Тип источника n Йод, мкг/л pH УЭП, mS/см Минимум Медиана Максимум Водопровод 6 0,99 2,54 12,45 7,92 0,89 Родник 14 1,18 3,70 11,21 7,69 0,63 Колодец 5 0,89 2,33 4,57 7,47 1,49 Река 7 3,48 8,87 24,38 7,94 0,93 Table 1. Variation of iodine content, pH and specific electrical conductivity in drinking waters of the second ridge of the Crimean Mountains, 2017-2019 Source type N Iodine, mkg/l pH Conductivity, mS/sm Minimum Median Maximum Aqueduct 6 0.99 2.54 12.45 7.92 0.89 Springs 14 1.18 3.70 11.21 7.69 0.63 Wells 5 0.89 2.33 4.57 7.47 1.49 Rivers 7 3.48 8.87 24.38 7.94 0.93 Высокие значения содержания йода отмечаются в водопроводных водах поселка Скалистое (12,45 мкг/л). Однако для большинства водопроводных вод характерно содержание йода от 1 до 3 мкг/л, что и подтверждается весьма низким значением медианы (2,54 мкг/л) и, по-видимому, можно объяснить особенностью водовмещающих пород. На миграцию йода влияют такие характеристики вод, как pH и минерализация. Обращает на себя внимание, что наиболее щелочными из исследованных проб являются воды рек (среднее рH = 7,94; n = 7), а наименее - колодезные воды (среднее pH = 7,47; n = 5). Значимая отрицательная связь между величиной pH и содержанием йода выявлена для водопроводных вод (R = -0,43; n = 6), колодцев (R = -0,52; n = 5) и рек (R = -0,67; n = 7) и практически отсутствует у родников (R = 0,05; n = 14). По-видимому, в более щелочной среде, характерной в Горном Крыму для карбонатных водовмещающих пород, йод образует соединения CaI+ и менее переходит в водную среду в виде йонов или водорастворимых соединений. Наибольшая удельная электропроводность, а как следствие, и связанная с ней минерализация, отмечалась в наших исследованиях для колодезных вод, наименьшая - для родников. По-видимому, это связано с загрязнением колодцев органикой вследствие хозяйственной деятельности. Однако этот факт требует дополнительной проверки. Значимая положительная связь между величиной УЭП и содержанием йода выявлена для водопроводных вод (R = 0,48; n = 6), колодцев (R = 0,52; n = 5) и рек (R = 0,54; n = 7) и практически отсутствует у родников (R = -0,05; n = 14). Содержание йода в почвенном покрове. Наиболее высокое содержание йода наблюдается в дерново-карбонатных почвах (16,52 мг/кг), а минимальное в буроземах (0,35 мг/кг) и аллювиально-дерновых (0,4 мг/кг). Для большей части исследованных почв выявлен низкий уровень содержания йода (медиана - менее 6 мг/кг). Особенно низкие медианные значения отмечены для буроземов и аллювиально-дерновых почв (табл. 2). Учитывая, что поступление йода с атмосферными осадками для исследуемой нами ограниченной территории не может сильно варьировать (что было подтверждено измерением йода в атмосферных осадках ранее), предполагалось, что основное влияние на содержание йода в почвах будут оказывать параметры почвенного покрова, способствующие аккумуляции йода, такие, как органическое вещество почв и карбонаты. Содержание гумуса в почвах Горного Крыма меняется в весьма широких пределах, особенно между дерново-карбонатными и буроземными почвами, как правило, приуроченными к противоположным склонам квестовой гряды [13]. Новые исследования 2019 г. подтвердили эту закономерность: наиболее высокие значения гумуса характерны для дерново-карбонатных почв (от 4,1 до 8,8 %). Хотя максимальные значения гумуса в некоторых буроземах не уступают его содержанию в дерново-карбонатных почвах, однако в целом его значение варьирует в них в более широких пределах (1,7-8,6 %), а средние и медианные значения существенно ниже, чем в дерново-карбонатных (табл. 2). Наименьшее значение гумуса (табл. 2) отмечалось в аллювиально-дерновых почвах, что может быть объяснено прерывистым процессом почвообразования в долинах этих горных речек. Очевидна слабая тенденция к росту содержания йода при росте рН среды и содержания органики (гумуса). Таблица 2. Варьирование содержания йода, гумуса, ЕКО и рН в некоторых типах почв Горного Крыма (долина р. Бодрак) Типы почв Параметр N Минимум Медиана Максимум Аллювиально-дерновые Йод, мг/кг 4 0,4 1,2 1,6 Гумус, % 4 2,6 3,1 3,9 ЕКО, мг экв/100 4 20 22 47 рН (водный) 4 7,2 7,7 7,8 Буроземы Йод, мг/кг 6 0,35 1,6 3,5 Гумус, % 6 1,7 5,1 8,6 ЕКО, мг экв/100 6 14 46 64 рН (водный) 6 6,6 6,8 7,9 Дерновокарбонатные Йод, мг/кг 13 1,3 5,1 16,5 Гумус, % 13 4,1 5,9 8,8 ЕКО, мг экв/100 13 27 109,5 172 рН (водный) 13 7,5 7,9 8,5 Table 2. Variation in the content of iodine, humus, CEC and pH in some types of soils of the Crimean Mountains (Bodrak river valley) Type of soils Measured parameter N Minimum Median Maximum Fluvisoils Iodine, mg/kg 4 0.4 1.2 1.6 Humus, % 4 2.6 3.1 3.9 Cation exchange capacity, mg-eqv/100) 4 20 22 47 pH 4 7.2 7.7 7.8 Cambisoils Iodine mg/kg 6 0.35 1.6 3.5 Humus, % 6 1.7 5.1 8.6 Cation exchange capacity, mg-eqv/100 6 14 46 64 pH 6 6.6 6.8 7.9 Regosoils Iodine, mg/kg 13 1.3 5.1 16.5 Humus, % 13 4.1 5.9 8.8 Cation exchange capacity, mg-eqv/100 13 27 109.5 172 pH 13 7.5 7.9 8.5 Наименьшая емкость катионного обмена (ЕКО) отмечена у аллювиальных почв, а наибольшая у дерново-карбонатных почв, что также может объясняться неразвитостью сильнокаменистых почв горных речек Второй Гряды Горного Крыма. Это может свидетельствовать о низком содержании карбоната кальция в ППК аллювиальных почв долины реки Бодрак, что не противоречит общеизвестным данным о составе их почвообразующих пород. Для буроземов отмечались как невысокие значения ЕКО (Ме = 46 мкг-экв/100), так и значения рН (Ме = 6,8 мкг-экв/100), наименьшие среди обследованных почв. Значение рН верхних горизонтов исследованных почв варьировало от 6,5 (буроземы) до 8,5 (дерново-карбонатные). При этом коэффициент корреляции содержания йода к рН оказался малозначимым (r = 0,39), что свидетельствует, возможно, о меньшей фиксации йода на карбонатном барьере, в сравнении с захватом его органикой (биогеохимический барьер). При этом данный вопрос требует дополнительных исследований ввиду небольшой выборки, полученной авторами в 2019 г.: n = 23). Независимо от наличия или отсутствия в почвах естественных природных сорбентов, рассмотренных в статье (карбонатные породы и почвенная органика), содержание йода в почвах бассейна реки Бодрак оказалось очень низкое (аллювиально-дерновые - Ме = 3,1 мг/кг; дерново-карбонатные - Ме = 5,9 мг/кг). Заключение В результате проделанной работы были получены первые экспериментальные данные, характеризующие содержание йода в природных водах и почвенном покрове геохимически контрастных ландшафтов второй гряды Горного Крыма (Бахчисарайский район Республики Крым). Выявлено, что в целом содержание йода в обследованных источниках питьевых вод (колодцах, скважинах, родниках…) соответствует существующим нормам (2-10 мкг/л), однако для отдельных источников наблюдаются крайне низкие значения содержания йода (причем как для колодцев 0,89 мкг/л, так и для скважин - 1,75 мкг/л), что, по-видимому, объясняется влиянием водовмещающих пород. Установлена высокая вариабельность йода в почвах автоморфных ландшафтов Горного Крыма от 0,43 мг/кг (горные буроземы) до 15,4 мг/кг (дерново-карбонатные почвы). Максимальное содержание йода выявлено в дерново-карбонатных почвах Горного Крыма, а минимальное в буроземах (0,43 мг/кг) и аллювиально-дерновых (0,41 мг/кг). Для природных почв (не затронутых сельскохозяйственной деятельностью) наиболее высокие значения йода соответствуют почвам с наибольшим содержанием гумуса, наибольшему значению рН в верхнем горизонте и наиболее высокой ЕКО. Подтверждено, что на ограниченной площади (3×5 км) с примерно одинаковым поступлением йода с осадками содержание йода в верхних горизонтах разных типов почв может отличаться в несколько раз, причем в прямой зависимости от содержания гумуса и присутствия карбонатов в их почвенном поглощающем комплексе.

About the authors

Victor Yu. Berezkin

Vernadsky Institute of Geochemistry and Analytical Chemistry of Russian Academy of Sciences (GEOKHI RAS); RUDN University

Author for correspondence.
Email: victor76@list.ru
ORCID iD: 0000-0002-1025-638X
SPIN-code: 7074-9488

D. in Geology, Senior Researcher, GEOKHI RAS; Associate Professor, RUDN University

19 Kosygina St, Moscow, 119991, Russian Federation; 8/5 Podolskoye Shosse, Moscow, 115093, Russian Federation

Victor V. Glebov

Institute of Management Problems named after V.A. Trapeznikova

Email: vg44@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-3390-161X
SPIN-code: 2685-5454

D. in Psychological, Associate Professor, Senior Researcher

65 Profsoyuznaya St, Moscow, 117997, Russian Federation

Elena P. Kayukova

Sankt Petersburg University

Email: e.kayukova@spbu.ru
ORCID iD: 0000-0001-5231-9273
SPIN-code: 8175-2360

D. in Geology, Associate Professor of the Department of Hydrogeology and Engineering Geology

7-9 Universitetskaya embankment, St. Petersburg, 199034, Russian Federation

References

Supplementary files