Распределение и факторы аккумуляции тяжелых металлов и металлоидов в речных донных отложениях на территории г. Улан-Удэ

Полный текст

Введение Одним из направлений городской экогеохимии является изучение загрязнения донных отложений рек и водоемов. В донных отложениях накапливаются поллютанты, поступающие с промышленными, коммунально-бытовыми и ливневыми стоками. Поэтому их экологическое состояние служит интегральным показателем техногенной нагрузки на городские ландшафты [1]. Формирующиеся в реках и водоемах техногенные илы сравнивают с «бомбой замедленного действия», так как при изменении геохимической обстановки содержащиеся в них ТММ могут переходить в растворенную форму, мигрировать в речных водах и распространяться по пищевым цепям [2]. Нередко локальное загрязнение компонентов городских аквальных ландшафтов приводит к выносу поллютантов за границы города. Наиболее сильное техногенное воздействие на донные отложения наблюдается в крупных городах [1; 3; 4]. Проблема загрязнения городских донных отложений ТММ достаточно хорошо изучена в России и за рубежом. Первая группа исследований посвящена выявлению пространственных трендов и факторов аккумуляции ТММ в донных отложениях рек, каналов и озер. Подобные исследования проведены в Ногинске, Электростали, Улан-Баторе [5], Красноярске [6], Стокгольме [7], Бергене [8], Авейру [9], Кампале [10], Богре [11], Читтагонге [12], Бангалоре [13] и др. Вторая группа исследований связана с определением форм нахождения ТММ в донных отложениях [11; 14]. Цель данной работы - изучить распределение и факторы аккумуляции ТММ в речных донных отложениях крупного промышленного центра. В качестве объекта исследования выбран г. Улан-Удэ в нижнем течении р. Селенги, впадающей в оз. Байкал. На территории города расположено более 35 потенциальных источников загрязнения: очистные сооружения, городская свалка, предприятия приборостроения, ремонта локомотивов и вагонов, металлопроката, авиаи судостроения и др. Основной вклад в загрязнение атмосферы вносят работающие на угле ТЭЦ и выбросы автотранспорта [15]. Актуальность работы связана с тем, что эколого-геохимическое состояние городских донных отложений может влиять на состояние нижнего течения р. Селенги и оз. Байкал и определяет их пригодность для рекреации. Предшествующие исследования почвенного покрова Улан-Удэ выявили его слабое загрязнение по сравнению с фоновыми территориями [16], хотя город включен в приоритетный список городов с высоким уровнем загрязнения воздуха [15]. Возможно, поллютанты накапливаются в донных отложениях, которые, как и почвы, выступают депонирующей средой по отношению к ТММ. В задачи исследования входило: · отбор образцов донных отложений из р. Селенги и ее притока р. Уды; определение в них физико-химических свойств и содержания ТММ; · выявление пространственного распределения ТММ в речных донных отложениях в зависимости от их основных физико-химических свойств и уровня антропогенного воздействия; · оценка экологической опасности загрязнения донных отложений. Материалы и методы исследования Донные отложения рр. Селенги и Уды опробовались в период летней межени в конце июля 2015 г. Отобрано 12 образцов отложений выше и ниже по течению крупных промышленных и транспортных объектов (рис. 1). Средний шаг про- Рис. 1. Карта функционального зонирования г. Улан-Удэ с точками отбора проб донных отложений Fig. 1. Map of land-use zoning of the Ulan-Ude territory with sampling points of bottom sediments боотбора на р. Селенге составил 1700 м, на р. Уде - 2800 м. Фоновые пробы р. Уды отбирались в 8 и 26 км, р. Селенги - в 11 км выше границы города. В 16 км ниже по течению из р. Селенги была взята 1 проба. Валовое содержание ТММ и Fe2O3 в пробах определялось во ВНИИ минерального сырья им. Н.М. Федоровского масс-спектральным (ICP/MS) и атомно-эмиссионными методами (ISP/AES) c индуктивно связанной плазмой на массспектрометре “Elan-610” и атомно-эмиссионном спектрометре “Optima-4300 DV” (Perkin-Elmer, США). Для подробного анализа выбраны 14 ТММ 1-3 классов опасности: V, Cr, Co, Ni, Cu, Zn, As, Mo, Cd, Sb, W, Pb, а также Bi и Sn. В Эколого-геохимическом центре географического факультета МГУ определены гранулометрический состав в трехкратной повторности на лазерном микроанализаторе размеров частиц “Analizette 22”, pH в водной суспензии на стационарном приборе «Эксперт-pH», содержание органического вещества Сорг методом И.В. Тюрина. Эти физико-химические свойства влияют на способность донных отложений закреплять поллютанты. Статистическая обработка геохимических данных в программном пакете Statistica 8 включала вычисление выборочных средних, медиан, коэффициентов ранговой корреляции Спирмена (r) и других статистических показателей. Содержание ТММ в фоновых донных наносах, которые отбирались выше по течению города, путем расчета кларков концентрации (КК) и рассеяния (КР) сравнивалось с кларками литосферы А.П. Виноградова [17], а также с кларками, рекомендованными Н.С. Касимовым, Д.В. Власовым [18]: Z. Hu, S. Gao для Bi, Co, Cu, V [19]; Н.А. Григорьева для W, Sb, Ni, Cr, As, Zn [20]; R.L. Rudnick, S. Gao для Mo, Cd [21]; K.H. Wedepohl для Sn [22]. Интенсивность антропогенного воздействия оценивалась коэффициентами концентрации ТММ в донных наносах по отношению к фону: Kc = Са/Сф, где Са, Сф - содержание ТММ в городских и фоновых образцах соответственно. Так как в РФ не существует нормативных документов, которые устанавливают уровни ПДК для ТММ в донных отложениях, экологическая опасность загрязнения донных отложений (Ko = Са/ПДК) определялась по отношению к ПДК, разработанным для почв [23]. Уровень полиэлементного загрязнения донных отложений характеризовался в зависимости от показателя суммарного загрязнения Zc = åКс - (n - 1), где n - число ТММ с Kc > 1, который имеет пять градаций [24]. Результаты и их обсуждение Физико-химические свойства и сорбционная способность донных отложений. Физико-химические свойства городских и фоновых отложений практически не отличаются друг от друга, за исключением более высокого - в 1,5-3 раза - содержания органического вещества в городе. Донные отложения р. Селенги и Уды характеризуются песчаным и супесчаным гранулометрическим составом, нейтральной реакцией среды, низким содержанием органического вещества и Fe2O3 (рис. 2). Таким образом, в целом они обладают невысокой сорбционной способностью по отношению к ТММ. 20,00 18,00 16,00 14,00 12,00 10,00 8,00 6,00 4,00 2,00 Фон о-в Богородский Слияние с р. Удой Вблизи судостроительного завода Вблизи автодороги в 3 км ниже слияния с р. Удой Напротив нефтебазы «Бурят-терминал» 0,00 Физ. глина, Сорг, Fe2O3, % pH 7,7 7,6 7,5 7,4 7,3 7,2 7,1 7,0 6,9 Ниже очистных сооружений 6,8 а 12,00 Физ. глина, Сорг, Fe2O3, % pH 7,0 10,00 6,8 8,00 6,6 6,00 6,4 4,00 6,2 2,00 6,0 Фон - 26 км Фон - 8 км Выше авиазавода Ниже авиазавода Ниже кирпичного завода Вблизи автодороги выше ТЭЦ-1 Ниже ТЭЦ-1 Вблизи автодороги в 1,2 км выше слияния с р. Селенгой 0,00 5,8 б - физ. глина; - Сорг; - Fe2O3; - pH Рис. 2. Изменение сорбционных свойств донных отложений вниз по течению р. Селенги (а) и р. Уды (б) в районе г. Улан-Удэ 20,00 18,00 16,00 14,00 12,00 10,00 8,00 6,00 4,00 2,00 Background Isle of Bogorodskiy Confluence with the Uda Near the shipbuilding yard Near the oil depot “Buryat terminal” 0,00 Glay, OС, Fe2O3, % pH 7,7 7,6 7,5 7,4 7,3 7,2 7,1 7,0 6,9 Below the wastewater treatment plant 6,8 Near the highway at 3 km below the confluence with the Uda а 12,00 Glay, OС, Fe2O3, % pH 7,0 10,00 6,8 8,00 6,6 6,00 6,4 4,00 6,2 2,00 6,0 Background - 26 km Background - 8 km Above the aircraft factory Below the aircraft factory Below the Brickyard Near the highway above the TPP-1 Below the TPP-1 0,00 Near the highway at 1,2 km above the confluence with the Selenga 5,8 b - glay; - OС; - Fe2O3; - pH Fig. 2. Change in sorption properties of bottom sediments downstream of the Selenga (a) and Uda (b) riverswithin the Ulan-Ude city Донные отложения обеих рек имеют близкое содержание физической глины и Fe2O3, однако в донных отложениях р. Уды в среднем в 2,5 раза больше органического вещества, что обусловливает несколько более кислую реакцию среды - коэффициент корреляции между этими показателями r = -0,53. С учетом того, что pH снижается незначительно, донные отложения р. Уды обладают более высокой сорбционной способностью. Максимальное содержание физической глины, органического вещества и Fe2O3 в городских донных отложениях р. Селенги приурочено к нефтебазе «Бурят-терминал», очистным сооружениям и острову Богородскому (см. рис. 2). В донных отложениях р. Уды повышенная аккумуляция физической глины выявлена выше авиазавода и ТЭЦ-1, Fe2O3 - ниже ТЭЦ-1. Рост содержания органического вещества наблюдается ниже кирпичного завода. Повышенное содержание этих компонентов как основных фаз-носителей ТММ, может способствовать их накоплению в донных отложениях. Содержание ТММ в донных отложениях. Выше г. Улан-Удэ донные наносы р. Селенги обогащены относительно кларков А.П. Виноградова Bi (КК = 14,4) и As (1,9), обеднены Cu5,0, Ni3,3, Cr2,5, Co2,2, Mo2,0 (нижние индексы - КР), содержания остальных ТММ близки к кларкам. Аккумуляция As в донных отложениях уже отмечалась в среднем течении р. Селенги ниже впадения Чикоя. Это объясняется повышенным содержанием As в слагающих бассейн горных породах [25]. Накопления ТММ относительно других глобальных кларков не выявлено, среди рассеивающихся оказались Bi, As, W (КР = 1,7) при снижении рассеяния у Сu (КР = 2,5). Содержание ТММ (мг/кг) в речных донных отложениях в районе г. Улан-Удэ и на фоновых территориях Таблица Объект (число проб) V Cr Co Ni Cu Zn As Mo Cd Sn Sb W Pb Bi р. Селенга в 11 км выше Улан-Удэ (n = 1) 66,8 33,4 8,16 18,1 11,6 54,5 3,16 0,55 0,12 1,97 0,59 1,16 16,1 0,13 р. Селенга в Улан-Удэ (n = 6) 63,5 27,9 7,80 16,3 13,1 59,7 3,20 0,70 0,1 2,10 0,60 1,70 20,3 0,20 р. Уда в 8 км выше Улан-Удэ (n = 1) 67,4 17,7 6,87 10,6 11,2 66,7 2,50 1,0 0,15 2,56 0,45 1,36 17,8 0,13 р. Уда в 26 км выше Улан-Удэ (n = 1) 93,7 14,1 5,62 8,83 9,94 65,4 1,40 1,07 0,12 2,41 0,37 1,21 15,2 0,12 р. Уда в Улан-Удэ (n = 6) 88,5 19,0 6,80 9,40 10,4 60,3 1,20 1,2 0,1 2,70 0,40 1,70 18,7 0,10 Content of HMMs (mg/kg) in river bottom sediments in the Ulan-Ude city and in the background territories Table Object (number of samples) V Cr Co Ni Cu Zn As Mo Cd Sn Sb W Pb Bi Selenga river, 11 km above Ulan-Ude (n = 1) 66,8 33,4 8,16 18,1 11,6 54,5 3,16 0,55 0,12 1,97 0,59 1,16 16,1 0,13 Selenga river in UlanUde (n = 6) 63,5 27,9 7,80 16,3 13,1 59,7 3,20 0,70 0,1 2,10 0,60 1,70 20,3 0,20 Uda river, 8 km above Ulan-Ude (n = 1) 67,4 17,7 6,87 10,6 11,2 66,7 2,50 1,0 0,15 2,56 0,45 1,36 17,8 0,13 End Table Object (number of samples) V Cr Co Ni Cu Zn As Mo Cd Sn Sb W Pb Bi Uda river, 26 km above Ulan-Ude (n = 1) 93,7 14,1 5,62 8,83 9,94 65,4 1,40 1,07 0,12 2,41 0,37 1,21 15,2 0,12 Uda river in Ulan-Ude (n = 6) 88,5 19,0 6,80 9,40 10,4 60,3 1,20 1,2 0,1 2,70 0,40 1,70 18,7 0,10 По химическому составу фоновые отложения р. Уды почти не отличаются от наносов р. Селенги, они обогащены Bi (КК = 11,1) и обеднены Cu5,0, Ni5,0, Cr5,0, Co2,9. При сравнении с другими кларками обогащения наносов ТММ не установлено, а список ТММ с кларками рассеяния пополнили Bi, As, W, Sb (КР = 1,7-2,5) при снижении рассеяния у Сu (КР = 2,5). Таким образом, фоновые донные отложения обеих рек выше Улан-Удэ характеризуются в основном околокларковыми или пониженными содержаниями ТММ. По сравнению с р. Удой в наносах р. Селенги в 1,5-2,1 раза выше концентрации Сr, As, Ni, Sb и в 1,7 раза ниже Mo. В пределах г. Улан-Удэ речные отложения по микроэлементному составу практически не отличаются от фоновых (таблица), что связано с их низкой сорбционной способностью и незначительнымзагрязнением осаждающегося взвешенного вещества [26]. Как и на фоне, городские наносы р. Селенги по сравнению с р. Удой имеют в среднем более высокое содержание Cr, As, Ni, Sb и более низкое - Мо. Кроме литогеохимических особенностей, это связано с разными условиями аккумуляции ТММ. Так, сорбция Мo усиливается в более кислых и богатых органическим веществом донных отложениях р. Уды. Пространственные тренды накопления ТММ в донных отложениях. Слабоконтрастные локальные аномалии (Kc ³ 1,5) ТММ в донных отложениях обеих рек выявлены вблизи крупных промышленных предприятий и транспортных магистралей. В отложениях р. Селенги максимальные содержания W, Cu, Mo, As, Sb, Pb, Bi, Cd, Co, Ni (Kc = 1,7-3,5) приурочены к нефтебазе «Бурят-терминал» (рис. 3). Бол´ ьшая часть ТММ, очевидно, поступает в составе нефтепродуктов, которые образуют пленку на водной поверхности. Они могут попадать в реку при разгрузке загрязненных грунтовых вод и за счет утечек из расположенной на берегу нефтебазы. Ниже очистных сооружений установлены незначительные превышения фоновых содержаний As, W и Bi (Kc = 1,5-1,9). Видимых нарушений работы очистных сооружений зафиксировано не было, поэтому слабая аккумуляция этих ТММ, скорее всего, обусловлена незначительными утечками сточных вод. Закономерное нарастание загрязнения донных отложений вниз по течению р. Селенги нарушается при впадении р. Уды, где отложения отличаются низкой сорбционной способностью и удаленностью от крупных промышленных предприятий и автомагистралей. На расстоянии 16 км ниже Улан-Удэ содержание всех ТММ практически совпадает с фоновым. Таким образом, антропогенные изменения состава донных отложений р. Селенги четко проявляются только в черте города. Донные отложения р. Уды выше авиазавода накапливают Сd (Kc = 1,5),вблизи автодороги выше по течению ТЭЦ-1 - Сd, Bi (Kc = 1,5-1,6), ниже ТЭЦ-1 - W, V, Сd, Cu, Sb (Kc = 1,5-2,0), вблизи автодороги в 1,2 км выше впадения в Селенгу - Мо, Сd, Bi (Kc = 1,5-1,6) (рис. 4). Согласно данным снегомерной съемки [26], для выбросов ТЭЦ характерно наличие V, а для эмиссии автотранспорта - Bi и Cd. Рис. 3. Изменение концентраций Cu, As, Mo, W, Bi в донных отложениях р. Селенги вниз по течению в районе г. Улан-Удэ относительно фона Fig. 3. Change in the concentrations of Cu, As, Mo, W, Bi in the bottom sediments downstream of the Selenga riverwithin the Ulan-Ude city relative to the background Рис. 4. Изменение концентраций V, Mo, Cd, W, Bi в донных отложениях р. Уды вниз по течению в районе г. Улан-Удэ относительно фона Fig. 4. Change in the concentrations of V, Mo, Cd, W, Bi in the bottom sediments downstream of the Uda river within the Ulan-Ude city relative to the background Аккумуляция ТММ в донных отложениях рек определяется не только уровнем антропогенного воздействия, но и их физико-химическими свойствами. Содержание физической глины влияет на накопление практически всех ТММ, о чем свидетельствуют значимые положительные коэффициенты корреляции между этими величинами: Bi, Co, Ni (r = 0,93-0,89), Сr, Cu, Zn, As, Sb, Cd, W (r = 0,78- 0,5). Органическое вещество усиливает сорбцию Mo, W, Sn, Zn, Pb (r = 0,73-0,6). Эти же элементы (кроме Pb) и V накапливаются при увеличении содержания оксидов железа (r = 0,9-0,59). Для анионогенного Mo выявлена отрицательная корреляционная связь с pH (r = -0,57), что согласуется с данными [1; 27]. Тесные корреляционные связи указывают на то, что осаждение ТММ происходит преимущественно на комплексных сорбционно-седиментационных, хемосорбционных и биогеохимических барьерах, приуроченных к отложениям с повышенным содержанием физической глины, Fe2O3, органического вещества Сорг. Для накопления Mo большое значение имеет кислый барьер. Контрастность аккумуляции ТММ выше по течению авиазавода и ТЭЦ-1 усиливается за счет сорбционно-седиментационного барьера, где содержание физической глины увеличивается до 9 и 9,6% соответственно. Ниже по течению ТЭЦ-1 определяющую роль для V играет хемосорбционный (с содержанием Fe2O3 6,2%), а для W - еще и биогеохимический (Сорг = 1,6%) барьеры. В 1,2 км выше впадения в Селенгу сорбция Mo усиливается при формировании биогеохимического (с Сорг = 1,5%) и кислого (рН = 6,2) барьеров. При отсутствии поступления со стоками загрязненных фаз-носителей ТММ их аккумуляция ниже очистных сооружений и вблизи нефтебазы «Бурят-терминал», по всей видимости, усиливается за счет сорбционно-седиментационного, где содержание физической глины увеличивается до 16,5-17,9%, биогеохимического (Сорг 1,1-1,2%) и хемосорбционного барьеров (4,2-5,5%). Экологическая опасность загрязнения донных отложений. Суммарное загрязнение донных отложений в пределах города и ниже по течению от него относится к допустимому уровню. За счет локального максимума вблизи нефтебазы «Буряттерминал» (Zc = 15,6) среднее значение показателя Zc р. Селенги (4,8) в 1,4 раза выше по сравнению с р. Удой (3,4). Если в качестве оценки среднего использовать медиану, то загрязнение обеих рек оказывается практически одинаковым. Превышения ПДК в донных отложениях р. Селенги установлены для As (Ko = 1,5-3,4). Максимальные сверхнормативные концентрации этого элемента зафиксированы вблизи нефтебазы «Бурят-терминал» (3,4) и ниже очистных сооружений (3,1). Ниже по течению от города Ko снижается до 1,5. Выводы 1. Донные отложения рек Селенги и Уды в пределах города и ниже по течению характеризуются околокларковыми или пониженными содержаниями ТММ и по микроэлементному составу практически не отличаются от фоновых, что связано с их низкой сорбционной способностью и незначительной техногенной трансформацией осаждающегося взвешенного вещества. 2. Слабоконтрастные (Кс = 1,5-3,5) локальные аномалии ТММ в городских донных отложениях выявлены вблизи автомагистралей, нефтебазы «Бурят-терминал», очистных сооружений, выше по течению авиазавода и ниже ТЭЦ-1. Их контрастность обусловлена не только техногенной нагрузкой, но и наличием комплексных сорбционно-седиментационных, хемосорбционных, биогеохимических и кислых (для Mo) геохимических барьеров. 3. Суммарное загрязнение донных отложений в городе и ниже по течению от него относится к допустимому уровню. Превышения ПДК установлено для As (Ko = 1,5-3,4).

Об авторах

Николай Сергеевич Касимов

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Автор, ответственный за переписку.
Email: nskasimov@mail.ru

доктор географических наук, профессор, академик РАН, президент и заведующий кафедры геохимии ландшафтов и географии почв географического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова

Ленинские горы, Москва, Россия, 119991

Илья Дмитриевич Корляков

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Email: ilya.korlyakov@gmail.com

магистрант кафедры геохимии ландшафтов и географии почв географического факультета

Ленинские горы, Москва, Россия, 119991

Наталья Евгеньевна Кошелева

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Email: natalk@mail.ru

доктор географических наук, ведущий научный сотрудник кафедры геохимии ландшафтов и географии почв географического факультета

Ленинские горы, Москва, Россия, 119991

Список литературы