Дипломная (вкр): Тяжелые металлы в донных отложениях

Лучше всего использовать природные популяции данного водоема: личинок водных насекомых (комаров, стрекоз, жуков, эфемерид), а так же ручейников, бентических ракообразных (водного ослика, бокоплавов, гаммарусов), отловленных на незагрязненных участках водного объекта. Наиболее массовыми видами зообентоса в большинстве озер, прудов, равнинных рек являются личинки водных насекомых - комаров (хирономиды). Личинки хирономид включены в перечень тест-объектов, рекомендуемых для разработки нормативов ПДК.

О наличии токсичности судят по проявлениям негативных эффектов, которые считаются показателями токсичности. Среди показателей токсичности выделяют общебиологические, биохимические, химические, биофизические и т.д. Показателем токсичности является тест-реакция, изменения которой регистрируют в ходе токсикологического эксперимента.

В результате биотестирования проб на основе регистрации показателей токсичности делают оценку токсичности по критериям, установленным для каждого биотеста. Результаты биотестирования опытной пробы с исследуемого участка сравнивают с контрольной - заведомо нетоксичной пробой и по разнице в контроле и в опыте судят о наличии токсичности. При этом эффекты воздействия делят на острые и хронические. Их обозначают как острое и хроническое токсическое действие или как острую и хроническую токсичность (ОТД и ХТД соответственно). Эти термины и используют для выражения результатов биотестирования.

Принцип биотестирования донных отложений заключается в одновременном проведении токсикологического эксперимента на пробе с исследуемого участка водного объекта (опытной) и пробе с фонового участка (контрольной) и последующем установлении различий между результатами.

В зависимости от постановленных задач биотестирование донных отложений проводят (Р 52.24.635-2002; Р 52.24.690-2006):

на материале пробы, не подвергавшейся какой-либо обработке (необработанной пробе) - для- анализа токсичности, обусловленной всей совокупностью присутствующих в пробе загрязняющих веществ и их метаболитов (общей токсичности);

на водной вытяжке донных отложений - для анализа токсичности водорастворимых загрязняющих веществ.

Оценка токсичности пробы является экспертной. Ее делают, используя результаты регистрации показателей острого и хронического токсического действия (соответственно ОТД и ХТД). Оценка проводится специалистом с учетом закономерностей реагирования, особенностей жизнедеятельности использованных тест-объектов.

При использовании набора биотестов общую оценку токсичности донных отложений выводят исходя из следующего принципа: если хотя бы в одном из биотестов проба донных отложений оказывала токсическое действие, её считают токсичной (результаты различных биотестов могут не совпадать вследствие различий в чувствительности тест-объектов к токсическому воздействию).

Оценку уровня токсического загрязнения донных отложений водного объекта в целом проводят на основе результатов биотестирования проб, отобранных на разных его участках. По наличию токсичности в различных пробах донных отложений судят о расположении участков накопления токсичных загрязняющих веществ в водном объекте, зонах влияния источников загрязнения.

Для оценки уровня токсического загрязнения донных отложений водного объекта рекомендуется использовать таблицу 8, разработанную на основе данных научных исследований.

Оценку уровня токсического загрязнения экосистемы водного объекта проводят на основе результатов биотестирования проб донных отложений, проб воды из придонных слоев и проб воды водной толщи. При этом в токсикологических экспериментах используют одни и те же биотесты (РД 52.24.566-94).

Таблица 5.21. Оценка уровня токсического загрязнения донных отложений водного объекта (РД 52.24.566-94)

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Донные отложения, образующиеся в результате отложения и седиментации взвешенного в воде неорганического и органического материала, играют значительную роль в формировании химического состава водоемов.

В зависимости от условий, сложившихся в водоеме, донные отложения могут служить либо источником поступления химических соединений из донных отложений в толщу воды, либо аккумулировать вещества в толще осадка, играя существенную роль в процессе самоочищения водного объекта.

К числу приоритетных загрязняющих веществ донных отложений относятся тяжелые металлы, отличающиеся максимальной аккумуляционной способностью и высокой токсичностью.

Разработка обоснованных критериев качества донных отложений по содержанию в них тяжелых металлов требует наличия методологии экспериментального и натурного изучения аккумуляции и выноса тяжелых металлов в донных отложениях.

Это, в свою очередь, приводит к необходимости рассмотрения поведения тяжелых металлов в различных элементах водных объектов, их подвижности в различных фазовых состояниях и формах, доступности и токсичности тяжелых металлов.

Основными геохимическими процессами определяющими миграционную активность тяжелых металлов в системе «донные отложения - поровые воды» являются процессы: растворения и осаждения; адсорбции и десорбции; комплексообразования тяжелых металлов на органическом веществе; ионного обмена; окислительно-восстановительные процессы.

Наиболее полно эти процессы могут быть учтены при использовании, в качестве прогнозных инструментов, методов термодинамического гидрогеохимического моделирования.

К основным факторами водной среды, определяющим содержание тяжелых металлов в поровой воде и донных отложениях могут быть отнесены: кислотно-щелочные и окислительно-восстановительные условия водных объектов; содержание общего азота,  фосфора, органических веществ, серы, оксидов металлов, органических соединений, общее солесодержание.

Кроме того, на распределение тяжелых металлов между фазами существенную роль играет гранулометрический состав отложений.

Анализ зарубежных и отечественных методов оценки загрязненности донных отложений показывает отсутствуют унифицированных подходов к оценке качества и загрязненности донных отложений, которые могли бы составить единую систему нормативов для включения их в стратегию охраны водных и биологических ресурсов.

Значительная часть тяжелых металлов переносится в водных объектах в виде взвешенных веществ.

Формирование донных отложений происходит, в основном, за счет седиментационных процессов. В ходе этих процессов загрязняющие примеси из водной массы адсорбируются и, осаждаясь, формируют донные отложения. Обратные процессы имеют место при взмучивании донных отложений, разрушении придонного стратифицированного слоя и последующей транспортировке мелкодисперсных взвесей водным потоком.

Интенсивность переноса - осаждения мелкодисперсных взвесей определяется скоростью потока, крупностью и удельным весом частиц, отношением, отношением, силами сцепления между частицами мелкодисперсной взвеси, гидродинамическими свойствами водоемов.

Процессы ремобилизации тяжелых металлов из донных отложений во многом лимитируются интенсивностью диффузионного выноса поровой воды из донных отложений.

Интенсивность диффузионного выноса определяется разностью концентраций, характеристиками порового пространства, свойствами тяжелых металлов, формой их нахождения в поровой воде в силу чего процессы комплексообразования существенно снижает диффузионную подвижность тяжелых металлов.

Оценка влияния основных факторов на распределение тяжелых металлов между жидкой и твердой фазами показала, что увеличение кислотности растворов (в подавляющем большинстве случаев) приводит к увеличению подвижности тяжелых металлов.

Изменение обстановки с окислительной на восстановительную, приводит к растворению оксидов железа и марганца, интенсифицирует переход в раствор тяжелых металлов, ранее адсорбированных этими оксидами. В тоже время, в анаэробных условиях интенсифицируются процессы снижения подвижности металлов, вследствие образования слаборастворимых сульфидов тяжелых металлов.

Органическое вещество, помимо того, что во многом определяет окислительно-восстановительные условия, являются прекрасным сорбентом.

Кроме того, органические вещества, взаимодействуя с ионами металлов в составе растворов, определяют формы нахождения элементов в природных водах и во многом контролируют процессы межфазового распределения и токсичности тяжелых металлов. Образование прочных органических комплексов существенно снижает подвижность и токсичность тяжелых металлов. В тоже время, высокое содержание фульвокислот приводит к увеличению растворимости металлов в результате комплексообразования.

Влияние азота и фосфора на распределение тяжелых металлов между донными отложениями и водной фазой следующее.

С одной стороны, эти элементы служат одной из основных причин эвтрофирования водоемов, что интенсифицирует переход в раствор железа, марганца и тяжелых металлов, десорбирующихся при восстановлении железа и марганца.

С другой стороны подвижность металлов связывается неорганическими прочными фосфатными комплексами.

Минерализация раствора влияет непосредственно на активность реагирующих ионов и приводит к увеличению содержания растворенных форм тяжелых металлов по мере повышения солености, что обусловлено образованием неорганических комплексных соединений тяжелых металлов.

Анализ зарубежных и отечественных методов оценки загрязненности донных отложений показывает отсутствуют унифицированных подходов к оценке качества и загрязненности донных отложений, которые могли бы составить единую систему нормативов для включения их в стратегию охраны водных и биологических ресурсов.

В связи с этим одной из весьма актуальных задач в области экологического нормирования является поиск подходов к установлению стандартов качества отложений.

Выполненные исследования являются надежной научно-методической основой разработанной Методологии экспериментального и натурного изучения процессов аккумуляции и выноса тяжелых металлов в донных отложениях водохранилищ и озер.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

2.      . Stone, A.T. Reactions of extracellular organic ligands with dissolved metal ions and mineral surfaces, In: J.F. Banfield, K.H. Nealson, ed. Geomicrobiology: Interactions between Microbes and Minerals, Washington, - D.C.: Mineralogical Society of America, -1997, -С. 309-344.

.        . Cornell, R.M., Schwertmann, U. The Iron Oxides: Structure, Properties, Reactions, Occurrence, and Uses, New York: VCH, 573 -С., 1996.

.        . Гаррелс, Р.М., Крайст, Ч.Л. Растворы, минералы, равновесия, 400 -С., М.: Мир, 1968.

.        . Крайнов С.Р., Швец В.М. Геохимия подземных вод хозяйственно-питьевого назначения. 237 -С., М.: Недра, 1987.

.        . Денисова, А.И. Донные отложения водохранилищ и их влияние на качество воды / А.И. Денисова, Е.П. Нахшина, Б.И. Новиков и др. - Киев: Наукова думка, - 1987. - 16с.

.        . Кузнецов, С.И. Микрофлора озер и ее геохимическая деятельность / С.И. Кузнецов. - Л.: Наука, 1970. - 440 с.

.        . Nissenbaum, A. Organic matter-metal interactions in recent sediments: the role of humic substances. / A. Nissenbaum, D.J. Swaine // Geochim. Cosmochim. Acta. - 1976 - 40с., N7.-P. 809-816.

.        . Линник, Л.П. Формы миграции металлов в пресных поверхностных водах / Л.П. Линник, Б.И. Набиванец. - Л.: Гидрометеоиздат, 1986. - 270 с. 

.        . Chapman, P. Ecotoxicology of metals in aquatic sediments: binding and release, bioavailability, risk assessment, and remediation / P. Chapman, F. Wang, C. Janssen et al. // Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences: - 1998. - V.55. -N.IO. - P.2221.

.        . Ершова, Е.Ю. Тяжелые металлы в ДО Куйбышевского водохранилища / Е.Ю. Ершова, Е.В. Венецианов, А.Г. Кочарян, Е.К. Вульфсо - Водные ресурсы, - 1996. -Т.23. -№1. - С.59-65.

.        . Delfino, J.J. Variation of manganese dissolved oxygen and related chemical parameters in the bottom waters of lake Mendota / J.J. Delfmo, G. F. Lee. // Wisconsin. - Water Res.-1971.-5 N12.-P. 1207-1217.

.        . Murray, J. W. The interaction of metal ions at the manganese dioxide-solution interface./ J. W. Murray // Geochim. Cosmochim. Acta. - 1975 - 39. - N 3. - P. 505-519.

.        . Коновалов, Г.С. Содержание и режим микроэлементов в воде и во взвешенных веществах в бассейне р. Волги / Г.С. Коновалов, А.А. Иванова - Гидрохим. Материалы, 1972.-T.53.-C.60-70.

.        . Озол, А.А. Раскрывая тайны геохимических процессов / А.А. Озол - Научный Татарстан, - 1998. - С. 20-26.

.        . Озол, А.А. Что таит в себе геохимический состав почв / А.А. Озол, Е.А. Беговатов, С.С. Мухарамова - Научный Татарстан, - 1999. - С.57-64.

.        . Нахшина, Е.П. Микроэлементы в водохранилищах Днепра / Е.П. Нахшина. - Киев: Наукова думка, - 1983. - 160 с.

.        . Красинцева, В.В. Процессы миграции и формы нахождения химических элементов в поровых водах донных отложений в Иваньковском водохранилище / В.В. Красинцева, Д.В. Гричук, Г.И. Романова, А.И. Кадукин - Геохимия, - 1982. - № 9. - С.1342-1354.

.        . Лубченко, И.Ю. Миграция элементов в речных водах / И.Ю. Лубченко, И.В. Белова - Литология и полезные ископаемые, - 1973. - № 2. - С. 23-29.

.        . Stortelder, P.B.M. Hazard assessment and monitoring of discharges to water: concepts and trends. / P.B.M. Stortelder, С van der Guchte // European Water Pollution Control. - 1995. -V.5.-N0.5.

.        . Ramamoorthy, S. Mercury soфtion and desorption characteristics of some Ottawa River sedimentd. / S. Ramamoorthy, B.R. Rust // Can. Joum. Earth. Sci. - 1976. - 13.- N 4. - P. 530-536.

.        . Исидоров, В.А. Введение в курс химической экотоксикологии / В.А. Исидоров. - СПб.: С-П. гос. ун-т, 1997. - 88с.

.        . Руководство по химическому анализу поверхностных вод суши. - Л.: Гидрометиздат, 1977.-541 с.

.        . Ревич, Б.А. Загрязнение окружающей среды и здоровье населения / Б.А. Ревич - М.: Изд. МНЭПУ, - 2001. - 265 с.

.        . Чудаева, В.А. Фазовое состояние элементов во взвесях некоторых рек бассейна Японского моря / В.А. Чудаева, В.В. Гордеев, Л.С. Фомин - Геохимия, - 1982. - № 4. - С. 585-596.

.        . Elderfield, H. Metal-organic associations in interstitial water of Narragansett bay sediments. / H. Elderfield - Amer. Jour. Sci., 1981. - 281. - N9. - P. 1184-1196.

.        . Гордеев, В.В. Формы металлов во взвеси Ганга-Брахмапутры / В.В. Гордеев, А.Ю. Митропольский, О.В. Туркина - Геохимия, - 1983. -№ 10. - С. 1461-1467.

.        . Sposito, G. Trace metals in contaminated waters // Environ. Sci. Technology. - 1981. - Vol. 15, № 4. - P. 396 - 403.

.        . Wood, J.M. Biological cycles for toxic elements in the environment // Science. - 1974. - Vol. 183. - P. 1049 - 1052.

.        . Plant, J.A. Raiswell R., Principles of environmental geochemistry // Applied environmental geochemistry / Ed. I. Thornton. - London: Academic Press, - 1983. - P. 1 - 39.

.        . Воронов, В. В. Мутагенные контаминанты окружающей среды / В. В. Воронов, Р. А. Сидоров // Вестник новых медицинских технологий. - 1999. - № 2. - Т. VI. - С. 134 -142.

.        . Plummer, L.N., Jones, B.F. Truesdell A.H., WATEQF-A FORTRAN IV version of WATEQ, A computer program for calculating chemical equilibrium of natural waters: U.S. Geological Survey Water- Resources Investigations Report 76-13, (Revised 1984), - 1976.-61 p.

.        . Ball, J.W., Nordstrom, D.K. User's manual for WATEQ4F, with revised thermodynamic data base and test cases for calculating speciation of major, trace, and redox elements in natural waters: U.S. Geological Survey Open-File Report 91,-1991.-183, 193 p.

.        . Wolery, T.J. EQ3/6, A software package for geochemical modeling of aqueous systems-Package overview and installation guide (ver. 7.0) UCRL-MA- 110662 pt 1: Lawrence Livermore National Laboratory, - 1992.-41 p.

.        . Bethke, C.M. The geochemist's workbench, version 2.0, A user's guide to Rxn, Act2, Tact, React, and Gtplot hydrogeology program: Urbana, Ill., University Illinois, - 1991.-218 p.

.        . Allison, J.D. Brown D.S., Novo-Gradac K.J., A geochemical assessment database and test cases for environmental systems, version 3.0, User's manual: U.S. Environmental Protection Agency Report EPA/600/3-91/-21, - 1991.- 82-83р.