Дипломная (вкр): Тяжелые металлы в донных отложениях

Степень опасности концентраций загрязняющих веществ зависит от типа донных отложений.

Стандартные отложения имеют следующий состав: 10% содержания органическое вещество и 25% содержания глинистой фракции (частицы диаметром < 2 мкм). Оценка загрязненности донных отложений, отличающихся от стандартных (с содержанием глинистой фракции более 25% и содержанием органических веществ до 30%) предложено производить по критериям, приведенным в Таблице 5.19.

Для пересчета концентраций загрязняющих веществ в нестандартных донных отложений на концентрации их в стандартных донных отложений авторы методики используется следующее выражение:

Здесь:

 - исправленная концентрация;

 - измеренная концентрация;

 - поправочный коэффициент для приведения концентрации a, b и c - константы, зависящие от металлов, Таблица 5.20.

Таблица 5.19 Критерии загрязнения нестандартных донных отложений

Таблица 5.20 Поправочные коэффициенты пересчета содержания тяжелых металлов и мышьяка.

В целом следует признать отсутствие широко применяемых 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.

Таким образом, глобальным недостатком Российского водного законодательства является то, что основные базовые стратегии сохранения и улучшения качества природных водоемов содержат лишь стандарты качества водной среды и не включают единых стандартов качества донных отложений. Вместе с тем необходимо отметить, что именно донные отложения, благодаря их способности аккумулировать многие органические и неорганические соединения, могут быть фактором риска для всей водной экосистемы. Возможно вторичное загрязнение водной среды в результате процессов, приводящих к перераспределению содержащихся в донных отложениях загрязняющих веществ и нарушению баланса, сложившегося в системе «вода - донные отложения», а также неблагоприятное воздействие на плотность и разнообразие бентосного сообщества, определяющего эффективность процессов самоочищения.

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.

В основу методологии экспериментального и натурного изучения процессов аккумуляции и выноса тяжелых металлов в донных отложениях водохранилищ и озер для определении стандартов качества донных отложений может быть положен следующий принцип: концентрации тяжелых металлов в донных отложениях не должны превышать значений, представляющих угрозу для поверхностных и подземных вод с учетом категории их использования или быть причиной острых или хронических эффектов для биотической компоненты экосистемы водоемов.

Для оценки степени опасности тяжелых металлов с точки зрения безопасности поверхностных вод наиболее перспективным является оценка максимальной миграционной емкости тяжелых металлов отложений.

Максимальная миграционная емкость может быть охарактеризована суммарным количеством тяжелых металлов, способным к выносу из донных отложений в подвижных формах при наиболее неблагоприятных возможных условиях.

Порядок оценки максимальной миграционной емкости может быть представлен в следующем виде.

Выполняется анализ основных форм тяжелых металлов в донных отложениях.

Выполняется оценка основных параметров донных отложений, определяющих емкость их катионного обмена - содержание органического вещества, глинистых веществ, оксидов железа и марганца.

Определяется общее содержание трудно растворимых солей тяжелых металлов.

На основании мониторинга качества воды в водоеме определяются граничные значения показателей, определяющих миграционную активность донных отложений - содержание растворенного кислорода, рН, содержание азота и фосфора, серы и др.

На основании гидрогеохимических расчетов определяется количество тяжелых металлов в адсобированной фазе и в поровом растворе в наиболее неблагопрятных условиях.

Исходя из модели смешивания рассчитываются концентрации тяжелых металлов в воде водоема при наиболее неблагоприятных возможных условиях и сравниваются с ПДК, установленном для водоема с учетом его водохозяйственных характеристик.

На основании гидравлических расчетов оценивается способность миграции адсорбированных на взвешенных частицах отложений в результате ветрового или волнового их взмучивания.

В том случае, если определенные таким образом концентрации тяжелых металлов не превышают допустимых значений ПДК, состояние донных отложений может считаться безопасным.

Определение влияния тяжелых металлов донных отложений на биотические компоненты экосистемы водоемов наиболее корректно выполнять с использованием методов биотестирования и биоиндикации.

Биоиндикация - качественная оценка параметров среды обитания и ее отдельных характеристик по состоянию биоты в природных условиях (Биоиндикация и биомониторинг..., 1991). Понятие биоиндикация, включающее условия сравнения результатов, применяется исключительно для зависящей от времени оценки антропогенных или испытывающих антропогенное влияние факторов среды на основе изменения количественных характеристик биологических объектов и систем.

Организмы или сообщества организмов, жизненные функции которых так тесно кореллируют с определенными факторами среды, что могут применяться для их оценки, и называются биоиндикаторами.

Биоиндикация в узком смысле занимается изучением влияния антропогенных или антропогенно модифицированных факторов среды. При этом речь идет преимущественно не об оценке присутствия концентрации или интенсивности какого-либо параметра-среды, а о реакции биологических систем, т.е. рассматривается биологическое воздействие факторов среды. Если физические и химические методы дают количественные и качественные характеристики фактора, но позволяют лишь косвенно судить о его биологическом действии, то с помощью биоиндикации можно получить информацию о биологических последствиях и сделать лишь косвенные выводы об особенностях самого фактора.

Опасность антропогенных факторов состоит, прежде всего, в том, что биологические системы различного уровня (организмы, популяции, биоценозы) недостаточно адаптированы к ним. Антропогенные факторы столь разнообразны и создаются с такой скоростью, что биологические системы часто не успевают активизировать соответствующие адаптационные процессы. Многие антропогенные факторы среды потому и становятся опасными для биоты, что они радикально отличаются по величине, интенсивности, продолжительности и моменту воздействия от той обычно существующей в природе норме, к которой адаптированы биологические системы. В результате они часто влияют на диапазон толерантности, что нередко приводит к превышению допустимой нагрузки на организмы и распаду биологических систем.

Гидробиологические методы позволяют получить данные, характеризующие отклик водных биоценозов на антропогенное воздействие, который формируется за достаточно длительный промежуток времени. Сложилось устойчивое мнение, что индикация состояния экосистемы в каждый конкретный момент времени не дает возможности судить об отклике на антропогенное воздействие вследствие известной "консервативности" гидробиологических показателей, формирования адаптации» к загрязнению, естественных колебаний и цикличности процессов развития водных организмов и популяций. Однако биота на своем уровне несет в себе всю информацию о водном объекте и только отсутствие соответствующих методов и квалификации исследователей препятствует ее получению.

Центральным методом биоиндикационных исследований является сапробиологический анализ. Метод получил широкое распространение во всем мире, рекомендован комиссией СЭВ в качестве стандартных методов оценки состояния водных объектов, подверженных антропогенному влиянию. Уже известно множество вариантов этого метода (Унифицированные методы..., 1966; Макрушин, 1974, 1978; Кутикова, 1970, 1976, 1984), он разрабатывается широко в настоящее время (Методы биоиндикации ..., 1987, 1989 и др.). В то же время он подвергается и критике (Методы биоиндикации..., 1989; Кренева, 1993). Главный минус сапробиологического метода в том, что он учитывает загрязнение только органическим веществом, которое подвергается бактериальной деструкции и включается в круговорот веществ данного водного объекта. Другие отрицательные моменты изложены А.В. Абакумовым в работе (Руководство..., 1983). Тем не менее, значение этого метода трудно переоценить. В действительности система олиго-, мезо-, полисапробных водоемов вскрывает соотношение в них трофического потенциала, как ведущего фактора среды, по присутствию разно резистентных к нему показательных организмов (соответственно олиго-, мезо- и полисапробов).

Подчеркивая всю важность биоиндикационных методов исследования, следует подчеркнуть, что такой подход требует объективного разделения и точного описания двух одновременно действующих процессов, вызывающих отклонение индикационного признака от нормы. Во-первых, результат действия антропогенных факторов, во-вторых, следствие случайного отклонения от нормы в результате действия принципиально неформализируемых факторов (Алексеев, 1997, цит.по Гелашвили и др. 1999). Кроме того, такой важный показатель любого биоценоза, как видовой состав, не дает ее оценки на момент исследования, поскольку является итоговой характеристикой всей суммы воздействия на сообщество за некоторый промежуток времени.

Биотестирование токсичности донных отложений проводится с целью интегральной оценки их токсического загрязнения, обусловленного присутствием совокупности токсичных химических (загрязняющих) веществ.

Биотестирование токсичности донных отложений используют для решения следующих задач (Р 52.24.635-2002):

оценки токсичности (выявления, наличия и степени-токсичности) пробы донных отложений;

оценки уровня токсического загрязнения донных отложений водного объекта, выделения участков накопления токсичных загрязняющих веществ в донных отложениях и оценки влияния источников загрязнения на основе донных отложений;

оценки уровня токсического загрязнения экосистемы водного объекта по результатам биотестирования донных отложений и воды.

Биотестирование (биологическое тестирование) - это совокупность приемов получения информации об их токсичности, используемых в водной токсикологии. Биотестирование дает характеристику интегральной токсичности проб природной воды и донных отложений конкретного водного объекта. С помощью биотестирования оценивают интегральную токсичность комплекса веществ, присутствующих в водной среде и проявляющих или не проявляющих свои эффекты в зависимости от формы их нахождения, соотношений, взаимовлияний и ряда условий среды.

Биотестирование является основным методом при разработке нормативов ПДК химических веществ (биотестирование токсичности индивидуальных химических веществ) и, в конечном итоге, при оценке их опасности для окружающей среды и здоровья населения. Таким образом, оценка уровня загрязнения по результатам химического анализа, т.е. интерпретация результатов с точки зрения опасности для окружающей среды, также в значительной степени опирается на данные биотестирования.

Метод биотестирования, будучи биологическим, по сути, близок, по смыслу получаемых данных к методам химического анализа вод: как химические методы, они отражают характеристику воздействия на водные биоценозы (Бакаева, Хоружая и др., 2006).

Основой биотестирования является выбор чувствительных тест-организмов, удобных для лабораторного культивирования, достаточно репрезентативных, отражающих некоторые специфические особенности не только данного вида, но и большой группы гидробионтов, входящих в тот или иной биоценоз. Для биотестирования используют лабораторные культуры гидробионтов и выделенные из природных водных объектов. Использование последних дает возможность прогноза влияния токсического загрязнения на гидробионтов конкретного водного объекта. Тест-показатель подбирают с учетом их биологической значимости.

Существует два подхода к набору тест-организмов (Никаноров и др., 2000):

) система биотестирования должна содержать широкий набор организмов, представляющих все трофические уровни водной экосистемы;

) набор методик должен быть минимальным, тест-организмы должны быть простыми, удобными в работе и достаточно чувствительны к контролируемым загрязняющим веществам.

Для токсикологической оценки загрязнения пресноводных экосистем на основе биотестирования водной среды в рамках системы мониторинга ПВС Росгидромета рекомендовано использовать шесть видов тест-объектов: дафний, цериодафний, водорослей, простейших, коловраток, рыб (Р 52.24.566-94; Р52.24.662-2004; Р 52.24.690-2006).

Для оценки уровня токсического загрязнения донных отложений целесообразно использовать биотесты на представителях донных биоценозов - зообентосе. Бентосные организмы, как группа, являются наилучшими индикаторами токсичности донных отложений из-за их прямого контакта с твердыми частицами осадка и из-за высокой чувствительности жизненных циклов многих видов (Chironomus, Tubifex, Hyalella, Gammarus, Hexagenid) к токсичности осадка. Их близкий контакт с донными отложениями, промежуточными и поверхностными слоями воды за длительные периоды жизненного цикла данных видов увеличивает вероятность проявления неблагоприятных эффектов в присутствии загрязнённых осадков.