Дипломная (вкр): Тяжелые металлы в донных отложениях

Водорастворимые формы показывают концентрации элементов, растворяющихся в воде.

ПДК подвижных и водорастворимых форм элементов нельзя сравнивать с кларками валовых форм, так как концентрации подвижных форм, как правило, значительно ниже валовых кларков.

Это связано с тем, что в почвах элемент присутствует как в подвижных соединениях, допускающих его водную миграцию, так и в минералах, устойчивых к растворяющему действию воды и почвенных растворов.

Многие авторы отмечают, что современное положение с нормированием тяжелых металлов в почвах нельзя назвать удовлетворительным из-за недостаточной разработанности их принципов и, как следствие этого, слабой обоснованности рекомендованных нормативов.

Очевидно поэтому ПДК тяжелых металлов для почв, разработанные в разных странах, значительно отличаются друг от друга.

При этом нормативы для подвижных форм тяжелых металлов разработаны менее всего.

Важнейшим моментом в охране окружающей среды и одной из экологических характеристик тяжелых металлов является знание их нормального (фонового) содержания в почвах и параметры его возможного техногенного изменения, что позволяет осуществлять контроль за состоянием почвенного покрова, определять темпы и степень загрязнения его тяжелых металлов.

В настоящее время нет единого взгляда на определение фонового содержания тяжелых металлов в почве.

Чаще всего под фоновыми подразумеваются уровни содержания тяжелых металлов в почвах на значительном удалении от их техногенных источников.

Существует также мнение, что за настоящий "чистый" (естественный) фон следует принимать те концентрации тяжелых металлов, которыми характеризовались почвы до начала научно-технической революции.

В распоряжении экологов и геохимиков таких данных очень немного, поэтому за фоновое содержание тяжелых металлов в почве принимают средние статистические данные о содержании тех или иных элементов в различных типах почв и почвенных регионах, исключая данные по техногенно загрязненным почвам.

Наметилось два основных подхода к определению фоновых уровней загрязняющих веществ в ландшафтах.

Первый (метод кларков) - заключается в подсчете средних содержаний химических элементов в отдельных компонентах природной среды, Таблица 5.10.

Таблица 5.10 Фоновые концентрации химических элементов в почве, мг/кг

Другой подход состоит в исследовании конкретного распределения химических элементов в почвах и других элементах ландшафта. При этом выявляются не столько уровни содержания, сколько типы распределения элементов в зависимости от условий миграции и аккумуляции их в ландшафтах, а для оценки фонового распределения элементов предложено понятие "фоновая геохимическая структура", которая характеризуется рядом геохимических коэффициентов: коэффициенты радиальной и латеральной дифференциации, биологического поглощения.

Вопрос о том, какие данные привлекать для получения средних значений содержания элементов в почве, достаточно сложен и не всегда однозначно понимается разными исследователями. Именно поэтому многочисленные данные разных исследователей являются несравнимыми в силу различий в подходах к определению сред них фоновых значений

Чаще всего, говоря о фоновых или нормальных значениях содержания тяжелых металлов, подразумевают их содержание в верхнем корнеобитаемом слое почвы (0-10, 0-20 см).

Многими исследователями установлено, что тяжелые металлы преимущественно аккумулируются именно в нем, и коррелируют с содержанием органических веществ, взаимодействуя с ним. В процессе почвообразования происходит постепенное освобождение тяжелыъ металлов в профиле почвы из почвообразующих пород, постоянно идут процессы их водной миграции. Кроме того на поверхность почвы выпадают компоненты атмосферного загрязнения в связи с ближним и дальним переносом загрязняющих веществ. Последнее обстоятельство невозможно исключить в эпоху техногенеза, так как тяжелые металлы с компонентами дальнего переноса поллютантов также участвуют в формировании их фонового содержания.

При оценке среды с действующими источниками загрязнения используют: коэффициент концентрации химического вещества Кс и суммарный показатель загрязнения Zс.

Коэффициент концентрации Ксi представляет отношение фактического содержания определяемого i -го вещества в почве Сi к кларку почв, либо к региональному фону этого элемента Сфi :

Коэффициент концентрации Zс показывает интенсивность накопления элемента в воде по отношению к природному фону.

Суммарный показатель загрязнения (Zс) является комплексной оценкой загрязнения.

Численно он равен сумме коэффициентов концентраций N химических элементов загрязнителей:

Ориентировочная оценочная шкала опасности загрязнения почв по суммарному показателю загрязнения (Zc) представлена в Таблице 5.11.

Таблица 5.11 Ориентировочная оценочная шкала опасности загрязнения почв по суммарному показателю загрязнения (Zc)

5.3 Оценка загрязненности ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ

Для ДО, которые являются своеобразной депонирующей средой, характерна способность накапливать вместе с химическими элементами информацию об экологическом состоянии всей водосборной площади, отражая ее состоянием и виды производств на ее территории.

Темпы и объемы формирования донных отложений, а также уровень загрязненности их слоев различны на всем протяжении существования водного объекта, что позволяет, как проследить воздействие изменяющейся техногенной нагрузки на речные экосистемы во времени, так и изменение тех естественных процессов, которые протекают в ней.

Поэтому, в ряде стран донные отложения используют как основной индикатор экологического состояния водного объекта, отображающий уровень техногенного воздействия на речные экосистемы.

К наиболее опасным загрязняющим веществам относятся соединения тяжелых металлов и различные соединения углеводородов.

Необходимость нормирования содержания загрязняющих веществ в донных отложениях обусловлено тем, что сильно загрязненные донные отложения оказывают серьезное отрицательное влияние на состояние воды водоемов и водотоков.

Загрязнения, поступающие в водные объекты, являются источниками «первичного загрязнения», которые накапливаясь в больших концентрациях в сильно загрязненных донных отложений, могут, в свою очередь, послужить источником «вторичного» загрязнения водных объектов, вызывая тем самым ухудшение качества воды.

Это является важным обстоятельством, обусловливающим необходимость включение донных отложений в состав основных объектов экологических и эколого-геохимических исследований и использование их для оценки экологического состояния водных систем.

В настоящее время оценка экологического состояние водных объектов определяется, как правило, исходя из совокупности различных показателей воды (а именно ее пригодностью для конкретных видов водопользования), без учета состояния донных отложений и возможности вторичного загрязнения воды. Проведение исследований донных отложений является обязательным лишь при эпизодическом геолого-экологическом картографировании территорий.

При этом, в Водном кодексе Российской Федерации дно водоемов считается одной из составных частей поверхностных водных объектов. Несмотря на то, что контроль состава донных отложений водных систем является обязательным (в рамках Единой Государственной системы мониторинга за состоянием окружающей среды), в государственные, региональные и объектные программы экологического мониторинга речных систем и промышленных объектов этот вид исследований, как правило, не включается.

Следует отметить, что мониторинг донных отложений вряд ли может быть эффективным при отсутствии нормативов содержания загрязняющих веществ в составе донных отложений, как среды депонирования загрязняющих веществ, представляющей существенную угрозу для водной экосистемы.

Оценка степени воздействия донных отложений на экологическое состояние водных объектов представляет определенные методологические трудности.

Это связано с тем, что с одной стороны ПДК для донных отложений отсутствуют, а с другой стороны, донные отложения, хотя близки по вещественному составу к почвам, но они не являются почвой как объектом землепользования.

Согласно Водному кодексу Российской Федерации поверхностные водные объекты состоят из поверхностных вод и покрытых ими земель в пределах береговой линии.

Таким образом, донные отложения являются неотъемлемой частью водных объектов, имея отличное от воды фазовое состояние и иные механизмы воздействия на водные экосистем.

Существующие в литературе подходы к экологическому нормированию содержания загрязняющих веществ в донных отложениях, как правило, руководствуются целью, на которую они ориентированы: охрана здоровья человека, сохранение дикой природы, восстановление и оздоровление загрязненных участков, а также масштабом воздействия (национальные, региональные нормативы или локальные, привязанные к одному конкретному месту, например, выпуску очистных сооружений).

Разработаны некоторые региональные нормативы содержания ряда токсикантов в донных отложениях различных пресноводных водоемов мира с применением разных критериев: фоновые концентрации; интервалы (либо предельные уровни) соответствующего негативного воздействия на гидробионтов ; равновесное распределение загрязняющего вещества.

В России подобные работы находятся в начальной стадии, можно отметить лишь единичные попытки разработки экологических нормативов содержания индивидуальных соединений в донных отложениях с использованием геохимического и токсикологического подходов.

В целом следует признать отсутствие единых подходов, позволяющих устанавливать нормативы качества донных отложений, которые могли бы войти в единую систему нормативов для включения их в стратегию охраны водных и биологических ресурсов в региональном масштабе.

В связи с этим одной из чрезвычайно актуальных задач в области экологического нормирования является поиск подходов к установлению стандартов качества донных отложений как важного фактора риска для водной экосистемы и включению их в стратегию управления качеством природных вод.

Наиболее распространенный подход заключается в сравнении полученных массовых концентраций тяжелых металлов со значением величин кларка, фоновыми концентрациями, официально установленными допустимыми уровнями или с другими ранее полученными натурными данными.

Мерой уровня загрязненности в этом методе служит коэффициент обогащения (К0), показывающий во сколько раз содержание тяжелых металлов в донных отложениях (или взвешенных веществах) превышает их кларковые или фоновые значения.

Здесь следует отметить, что по коэффициенту обогащения оценить уровень загрязненности донных отложений можно чисто условно, так как не существует нормативно определенных значений К0, а приводимые в литературе значения величин фоновых концентраций различными авторами рассчитываются и трактуются по-разному.

В качестве ориентировочных значений можно пользоваться, например, фоновыми содержаниями тяжелых металлов в донных отложениях и объектах осадочного генезиса, не подверженных антропогенному загрязнению, Таблица 5.12.

Наиболее часто используемым на практике методом оценки качества донных отложений является метод последовательного химического экстрагирования.

Таблица 5.12 Фоновые содержания тяжелых металлов (мкг/г) в донных отложениях и объектах осадочного генезиса, не подверженных антропогенному загрязнению

Впервые этот метод был предложен для анализа морских донных отложениях.

В его основу положена способность различных реагентов извлекать из пробы донных отложений либо определенные формы металлов, либо металлы, связанные с конкретными фазами донных отложений.

Например, известно, что уксусная кислота способна извлекать из пробы донных отложений только карбонаты металлов, тогда как ацетат аммония с pH 7 только их адсорбированные формы.

После проведения серии последовательных экстракций, полученные экстракты анализируют раздельно и по преобладанию тех или иных форм тяжелых металлов в пробе делают выводы об их подвижности и потенциальной опасности для экосистемы в целом.

К настоящему времени предложено несколько методик последовательного химического экстрагирования, включающих от двух до девяти последовательных ступеней экстракции. Среди них наиболее распространенной является методика, основанная на количественном определении пяти форм нахождения металла:

·        легкообменной;

·        карбонатной;

·        оксидной, входящей в состав гидрооксидов Fe и Mn;