Тюменская область обладает весьма значительными водными ресурсами. Количество рек протяженностью более десяти километров превышает 70 тыс. [1]. Самыми крупными водными артериями являются Обь и ее приток Иртыш. Реки богаты высокоценными сиговыми и осетровыми рыбами и имеют существенное рыбопромысловое значение.
Многочисленные исследования свидетельствуют об ухудшении качества вод и состояния рыбных ресурсов Обь-Иртышского бассейна, что связано с негативным химическим воздействием предприятий разных отраслей промышленности, сельского и коммунального хозяйства, транспорта [4, 5]. Основными загрязняющими веществами водных объектов являются тяжелые металлы, нефтепродукты, фенолы, биогены, органические вещества. Обстановка в регионе свидетельствует о необходимости постоянного экологического мониторинга.
Исследования вод не всегда дают возможность полноценно охарактеризовать состояние пресноводной экосистемы из-за высокой динамичности их состава и дискретности поставки загрязнителей техногенными источниками. Значительно более стабильным компонентом природной среды являются донные отложения (ДО), депонирующие загрязняющие вещества, попадающие на территорию водосборов рек и озер [3]. Среди веществ, загрязняющих окружающую среду, по опасности воздействия на живые организмы и объему выбросов особое место занимают соединения тяжелых металлов. Многими авторами показаны значительные различия содержания металлов в почвах и ДО разной дисперсности [2]. Между тем в большинстве публикаций оценка концентраций металлов в ДО и пойменных почвах Обь-Иртышского бассейна проводится без учета гранулометрического состава образцов.
Цель исследования – провести сравнительный анализ содержания металлов в ДО рек Тюменской области с учетом их физико-химических свойств.
Материалы и методы исследования
Работа выполнена в соответствии с темой естественнонаучного направления деятельности ТКНС УрО РАН «Состояние экосистем Иртыша в условиях интенсивного антропогенного воздействия» и при финансовой поддержке УрО РАН в рамках программы интеграционных проектов (грант № 12-И-4-2045).
В 2013 году проведены экспедиционные работы по изучению химического состава ДО пяти рек Обь-Иртышского бассейна. Отобрано 63 образца ДО реки Иртыш в пределах Тобольского и Уватского районов Тюменской области с правого берега, русла и левого берега и по 6 образцов ДО рек Демьянка, Лев, Вандрас и Самсоновская (река Демьянка является притоком Иртыша; другие реки через Большой Салым впадают в Обь). Анализ отобранных образцов выполнен в лаборатории Экотоксикология ТКНС УрО РАН (аттестат аккредитации № РОСС RU.0001.516420 от 04.03.2011) с применением аттестованных методик и с использованием сертифицированных в РФ, поверенных средств измерения и оборудования. Определялось содержание основных ионов (НСО3–, SO42– , CI– , Ca 2+ , Mg 2+ , Na + , К + ), органических веществ (гумус), оценивался рН водной вытяжки ДО. Проводилась оценка концентраций валовой формы металлов на атомно-эмиссионном спектрометре с индуктивно-связанной плазмой Optima 7000 DV (Perkin Elmer, США). В образцах ДО реки Иртыш анализировалось содержание 18 металлов (Al, Fe, Ca, Mg, K, Mn, Na, Pb, Sr, Cr, Zn, Se, Sb, Ni, Cu, Co, As, Cd), в пробах ДО других рек оценивалось содержание 7 металлов (Mn, Pb, Sr, Cr, Zn, Ni, Cu). Пробоподготовка осуществлялась с использованием системы микроволнового разложения speedwave MWS-2 (BERGHOF Products + Instruments GmbH, Германия). При определении гранулометрического состава ДО использовался метод Рутковского, для классификации грунтов по результатам гранулометрического анализа применялся треугольник Ферре.
Статистический анализ данных проводился с использованием пакета Statistica (Stat Soft, США). При проверке статистических гипотез использовались H-критерий Крускала – Уоллиса, U-критерий Манна – Уитни, корреляционный и регрессионный анализ. Критический уровень значимости (p) принимался равным 0,05.
Результаты исследования и их обсуждение
Выявлена неоднородность исследуемых образцов ДО по гранулометрическому составу – содержание песка в отдельных пробах колебалось от 27 до 100 %, глины – от 0 до 15 %. ДО классифицировались как пески, суглинистые пески, песчанистые суглинки, суглинки и суглинки илистые (рис. 1).
ДО исследуемых рек характеризовались низким содержанием солей. Общее содержание солей в ДО реки Иртыш не превышало 0,1 %, в других реках – 0,05 % (рис. 2). Водородный показатель водной вытяжки ДО варьировал в диапазоне от 4,4 до 8,4. При ранжировании рек по величине рН получен следующий ряд – Иртыш > Демьянка > Лев > Самсоновская, Вандрас. ДО реки Иртыш чаще всего классифицировались как слабощелочные, ДО рек Вандрас и Самсоновская – как кислые (рис. 2). Наблюдалось низкое содержание гумуса в изучаемых образцах – не более 1,0 %, за исключением реки Самсоновская, характеризующейся более высокими показателями гумусовых веществ – 2,6 ± 0,9 % (рис. 2).
Рис. 1. Распределение образцов донных отложений на группы в зависимости от гранулометрического состава
Рис. 2. Химический состав донных отложений
Определено валовое содержание металлов в образцах ДО исследуемых рек. Проведено ранжирование усредненных концентраций металлов:
|
Иртыш |
Al≈Fe > Ca > Mg > K > Mn > Na > Pb > Sr > Cr≈Zn > Se≈Ni≈Sb > Cu > Co > As > Cd |
|
Демьянка |
Mn > Pb > Zn > Cr > Sr > Ni > Cu |
|
Лев |
Mn > Pb > Zn≈Cr > Sr≈Ni > Cu |
|
Вандрас |
Mn > Pb > Zn > Cr > Sr > Ni > Cu |
|
Самсоновская |
Mn > Pb > Zn≈Cr > Sr≈Ni > Cu |
Выявлены различия между реками в ранге стронция (Sr) – в ДО реки Иртыш наблюдались более высокие его концентрации относительно Cr и Zn, в других реках – более низкие.
При проведении корреляционного анализа отмечены положительные связи большинства металлов с содержанием гумуса, причем наиболее тесные корреляции определены для Al, Fe, К, Mn, Pb, Zn, Co, Se. Такие металлы как Sr, Ca, Mg, Ni и Cd, не имели статистически значимых связей с содержанием гумуса. Таким образом, имеются различия в способности гумусовых веществ сорбировать различные металлы. С показателями рН в ряде случаев (Pb, Al, Zn, Cr) наблюдались отрицательные корреляции.
Рис. 3. Содержание металлов в донных отложениях реки Иртыш разного гранулометрического состава (*пробы с наименованиями «суглинок» и «суглинок илистый» объединены в одну группу в связи с отсутствием статистически значимых отличий между группами в содержании металлов)
Известно, что на содержание металлов в ДО решающее значение оказывает дисперсность последних. При уменьшении размера фракций увеличивается удельная площадь поверхности частиц и, соответственно, сорбция металлов на поверхности материала взвеси. Установлены сильные и средней силы связи между валовым содержанием металлов в ДО (за исключением Cd) и показателями гранулометрического состава грунта, причем корреляции металлов с процентным содержанием песка в пробах имели отрицательный характер, а с содержанием глины – положительный. С показателями глины наблюдались более тесные связи (рис. 3).
Рис. 4. Теоретические и фактические значения концентраций металлов в донных отложениях рек Демьянка, Лев, Вандрас и Самсоновская
Вычислены значения валового содержания металлов (медиана) в образцах ДО реки Иртыш разного гранулометрического состава – песках, суглинистых песках, песчанистых суглинках и суглинках (рис. 3). Определены статистически значимые различия между группами в содержании анализируемых элементов. В суглинках концентрации металлов значительно превышали таковые в песках (в среднем в 5 раз). Наиболее существенные различия наблюдались при сравнении концентраций калия (медианы крайних групп различались в 12 раз), наименьшие – при сравнении концентраций стронция (медианы различались в 2,5 раза). Выведены уравнения регрессии, отражающие математическую зависимость двух переменных – концентрации металла (х) от доли песка (s) или глины (с) в образце ДО (рис. 3). На основе данных уравнений, определив процентное содержание различных гранулометрических фракций в ДО, можно предсказать наиболее вероятные значения концентрации металла в анализируемом образце.
При использовании полученных уравнений регрессии, а также данных о гранулометрическом составе ДО рек Демянка, Лев, Вандрас и Самсоновская, рассчитаны теоретические значения концентраций семи металлов для данных образцов. Проведен сравнительный анализ теоретических значений с фактически полученными результатами (рис. 4). Выявлено превышение теоретических значений Sr, Cu, Ni и Cr над практическими показателями (p < 0,0001). Таким образом, в ДО реки Иртыш по сравнению с ДО малых рек того же гранулометрического состава наблюдается более высокая концентрация данных металлов. При оценке показателей Mn получена неоднозначная картина – по сравнению с Иртышом, ДО реки Вандрас накапливают Mn меньше, а ДО реки Самсоновская – больше. Следует отметить, что особенностью химического состава ДО реки Самсоновская было и высокое содержание органических веществ.
Заключение
Анализ ДО указывает на многократное превышение концентраций металлов в суглинках по сравнению с песками, в связи с чем оценка уровня загрязнённости ДО металлами должна проводиться с учетом их гранулометрического состава. Так, одни и те же концентрации металлов в образцах ДО с высоким содержанием глины могут расцениваться как норма, а в песчанистых образцах свидетельствовать о загрязнении. С целью сравнения содержания металлов в ДО, идентичных по гранулометрическому составу, удобно использовать уравнения регрессии.
Рецензенты:
Харитонцев Б.С., д.б.н., профессор кафедры биологии, экологии и методики естествознания, филиал, Тюменский государственный университет, г. Тобольск;
Ерёмченко О.З., д.б.н., профессор, заведующая кафедрой физиологии растений и микроорганизмов, Пермский государственный университет, г. Пермь.
Библиографическая ссылка
Земцова Е.С., Алимова Г.С., Дударева И.А., Токарева А.Ю. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СОДЕРЖАНИЯ МЕТАЛЛОВ В ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЯХ НЕКОТОРЫХ РЕК ТЮМЕНСКОЙ ОБЛАСТИ // Фундаментальные исследования. – 2015. – № 2-26. – С. 5798-5802;URL: https://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=38507 (дата обращения: 18.04.2024).