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

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Географический факультет

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

Н.С. Касимов, И.Д. Корляков, Н.Е. Кошелева

Москва, Россия

Аннотация

Изучены распределение и факторы аккумуляции тяжелых металлов и металлоидов (ТММ) в донных отложениях р. Селенги и ее притока Уды на территории г. Улан-Удэ. Их экологогеохимическое состояние может влиять на состояние нижнего течения р. Селенги и оз. Байкал. Отобрано 3 фоновых, 12 городских и 1 проба донных отложений ниже по течению от города.

Определены основные физико-химические свойства (рН, содержание органического вещества, оксидов железа, гранулометрический состав) и валовое содержание ТММ в пробах.

Для отложений рек Селенги и Уды свойственны песчаный и супесчаный гранулометрический состав, нейтральная реакция среды, низкое содержание органического вещества и Fe2O3. Выше по течению от г. Улан-Удэ отложения р. Селенги и Уды обладают близким химическим составом и характеризуются рассеиванием и околокларковыми концентрациями ТММ. В пределах города и ниже по течению отложения по микроэлементному состав у несущественно отличаются от фоновых, что связано с их низкой сорбционной способностью и незначительным загрязнением осаждающегося взвешенного вещества.

Слабоконтрастные геохимические аномалии выявлены вблизи автомагистралей (Мо, Сd, Bi), нефтебазы «Бурят-терминал» (W, Cu, Mo, As, Sb, Pb, Bi, Cd, Co, Ni), очистных сооружений (As, W, Bi), выше по течению авиазавода (Cd) и ниже ТЭЦ-1 (W, V, Сd, Cu, Sb).

Наличие корреляционных связей содержания ТММ с физико-химическими свойствами отложений указывают на то, что формирование геохимических аномалий обусловлено также присутствием сорбционно-седиментационных, хемосорбционных и биогеохимических барьеров. Для накопления анионогенного Мо большое значение имеет кислый барьер. Суммарное загрязнение отложений в пределах города и ниже по течению относится к допустимому уровню. Превышения ПДК (в 1,5--3,4 раза) в отложениях р. Селенги установлены для As. Таким образом, в г. Улан-Удэ и ниже по течению -- наблюдается слабая техногенная трансформация и низкая экологическая опасность загрязнения речных отложений. Максимальные содержания ТММ локализованы на геохимических барьерах вблизи промышленных предприятий и автомагистралей.

Ключевые слова: загрязнение, тяжелые металлы и металлоиды, городские ландшафты, донные отложения, геохимические барьеры

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, авиа- и 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).

Рис. 1. Карта функционального зонирования г. Улан-Удэ с точками отбора проб донных отложений

Средний шаг пробоотбора 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 Fe2Oз в пробах определялось во ВНИИ минерального сырья им. Н.М. Федоровского масс-спектральным (ICP/MS) и атомно-эмиссионными методами (ISP/AES) с индуктивно связанной плазмой на масс-спектрометре “Е1ап-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-рН», содержание органического вещества Сорг методом И.В. Тюрина. Эти физико-химические свойства влияют на способность донных отложений закреплять поллютанты.

Fig. 1. Map of land-use zoning of the Ulan-Ude territory with sampling points of bottom sediments

Статистическая обработка геохимических данных в программном пакете 81а1;151;1са 8 включала вычисление выборочных средних, медиан, коэффициентов ранговой корреляции Спирмена (г) 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:

Кс = 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 (К0 = Сз/ПДК) определялась по отношению к ПДК, разработанным для почв [23].

Уровень полиэлементного загрязнения донных отложений характеризовался в зависимости от показателя суммарного загрязнения

Z_С = УКс -- (п -- 1),

где п -- число ТММ с Кс > 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.

Рис. 2. Изменение сорбционных свойств донных отложений вниз по течению р. Селенги (а) и р. Уды (б) в районе г. Улан-Удэ

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 Fe2Oз, 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 г = --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 Fe2Oз 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, Fe2Oз -- 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 В1 (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).

Таблица

Содержание ТММ (мг/кг) в речных донных отложениях в районе г. Улан-Удэ и на фоновых территориях

Table

Content of HMMs (mg/kg) in river bottom sediments in the Ulan-Ude city and in the background territories