HEAVY METALS POLLUTION ASSESMENT OF UNDERPOPULATED REGIONS USING THE EXAMPLE OF THE NORTH-WESTERN REGION OF RUSSIA

Full Text

В 2016 году исполнилось 53 года системе мониторинга загрязнения атмосферного воздуха в России. Постановлением Совета министров СССР от 30 сентября 1963 года Главному управлению гидрометеослужбы при Совете министров СССР было поручено «изучение химического состава (загрязне ния) атмосферы на территории Советского Союза» [2]. Вплоть до 1993 года происходило планомерное увеличение числа пунктов наблюдений. Развитие сети осуществлялось за счет организации наблюдений в городах с населением более 100 тыс. жителей. После 1993 года география сети сократилась. В настоящее 4 Экология человека 2018.03 Окружающая среда время концентрации тяжёлых металлов (ТМ) в атмосферном воздухе контролируются слабо. Начиная с 1980-х годов в европейских странах, а в последнее время и в России проводятся исследования содержания загрязняющих веществ во мхах, которые выявляют, что существует корреляция между атмосферным выпадением ТМ и их концентрацией в Sphagnum magellanicum и других видах мхов. В Европе создана программа наблюдений и оценки переноса загрязняющих воздух веществ (в том числе ТМ) - EMEP [21]. В России единая сеть мониторинга наблюдений концентраций ТМ во мхах отсутствует. Актуальность исследования обусловлена увеличивающейся ролью рекреационной отрасли в современной российской экономике и растущим спросом населения на рекреационные услуги. Кроме того, для эффективного мониторинга окружающей среды необходим поиск незагрязненных регионов, которые могут служить в качестве «контроля» для выявления фоновых уровней загрязняющих веществ, например ТМ [22]. В связи с этим наибольший интерес представляют малонаселённые территории, находящиеся вдали от промышленных центров. Примером такой территории может служить северо-западная часть Вологодской области, на которой расположены Вы-тегорское и Белоусовское водохранилища и ряд озёр, самое крупное из которых - Воже. Исследования уровня загрязнения оз. Воже тяжёлыми металлами показали, что контаминация водоемов происходит в основном за счет атмосферного переноса и выпадения токсикантов с осадками [6]. В ряду загрязняющих веществ чрезвычайно опасными для природы и человека являются ТМ, в первую очередь высокотоксичные халькофильные элементы (Cu, Zn, Cd, Ni, Pb и др.) [7, 15]. Их негативное влияние на человека проявляется не только в остром воздействии высоких концентраций, но и в отдаленных последствиях, связанных со способностью многих металлов накапливаться в организме [12, 14, 19]. В значительной степени это соотнесено с биологической активностью ТМ, геохимическими особенностями, способностью образовывать металлоорганические комплексы и мигрировать в воздушной и водной средах на значительные расстояния [5, 11, 17, 23]. Анализ загрязнения воздуха является наиболее трудной задачей. В настоящее время наиболее широко используемым его методом является снеговая и почвенная съемка [13]. Недостатки такого подхода связаны с тем, что на исследуемых территориях находятся разные типы почв, в которых присутствуют генетические горизонты, неодинаково поглощающие химические элементы, а содержание этих элементов в снеге даёт информацию лишь за зимний период. Конечным звеном круговорота техногенных элементов в ландшафте являются донные отложения (ДО) водоемов. Слои озёрных отложений дают информацию как о динамике климата, так и об изменении общей экологической обстановки региона и конкретного водоема под воздействием естественных и антропогенных факторов относительно недавнего прошлого, чего невозможно сделать в случае исследования почв. Малые озера распространены очень широко и в отличие от крупных озер являются менее устойчивыми системами, чутко реагирующими на колебания климата, поэтому их ДО особенно перспективны для палеоэкологических и палеоклиматических исследований [4]. С другой стороны, ДО могут служить источником вторичного загрязнения водоемов, что обусловливает необходимость их мониторинга. Состав слоев толщи ДО характеризует экологическую ситуацию на момент их формирования, а анализ содержания ТМ во мхах позволяет оценить выпадение ТМ из атмосферы за последние 2-3 года [7]. Уровни содержания ТМ в тканях рыб могут дать информацию о степени биодоступности металлов для гидробионтов и оценить их опасность для человека при потреблении рыбы. Цель работы - оценка загрязнения ТМ малонаселенной территории с использованием комплексного подхода. Данный подход включает ретроспективный анализ поступления ТМ путем определения уровней ТМ в керне ДО и мхе, а также оценку биодоступности металлов для гидробионтов по содержанию этих элементов в тканях рыб. Методы Исследовали ДО оз. Воже, мышцы рыб, выловленных в оз. Воже, Вытегорском и Белоусовском водохранилищах в системе Волго-Балтийского канала, а также мох Sphagnum magellanicum, собранный на болотах, расположенных вблизи этих водоёмов. Донные отложения отбирали с помощью штангового трубчатого дночерпателя. Колонка грунта представляла собой 90 см однородного мелкоалевритового ила, в основании которой (80-90 см) залегала беловатоголубоватая глина с высокой степенью карбонат-ности [8]. Затем керн делили на 9 слоев по 10 см. Органическое вещество (ОВ) определяли методом прокаливания при 600 оС [1], при этой температуре карбонат кальция не разлагается [20]. На верховых болотах Вологодской области было отобрано 8 проб сфагнового мха Sphagnum magellanicum, произрастающего преимущественно на высоких кочках, что полностью исключало возможное влияние грунтовых вод. Для анализа использовали верхний слой 5-10 см, соответствующий 2-3 годам прироста. Рыба (судак, лещ, окунь, плотва, густера) была отловлена с помощью сетей и невода (105 проб). В работе приведены данные только по плотве и судаку (27 проб). Для извлечения образца мышечной ткани вырезали 3 г скелетных мышц с левой стороны от спинного плавника до начала ребер вдоль тела. Все пробы отбирались в 2015 году. Образцы ДО, мышц рыб и мхов подвергали мокрому озолению с использованием 3 мл 65 % азотной кислоты (Merck ос. ч.) и 3 мл 30 % перекиси водорода (ос. ч.) в микровол 5 Окружающая среда Экология человека 2018.03 новой печи Speed Wave MWS-3 + . Концентрации Cd, Cu, Ni, Pb, Zn и редкоземельных элементов (РЗЭ) во всех подготовленных к анализу пробах определяли на приборе ISP MS DRC-e с использованием внутреннего стандарта In и внешних многоэлементных стандартов Perkin-Elmer. В табл. 1 приведены данные только по лантану как «наиболее типичному» РЗЭ. Таблица 1 Физико-химические характеристики керна донных отложений оз. Воже Толщина керна, см Параметр 10 20 30 40 50 60 70 80 90 ОВ, % 28,4 27,6 25,5 30,6 25,5 26,9 25,2 16,5 15,1 Ni, мкг/г 19,2 8,0 20,0 10,8 19,3 17,6 16,7 14,3 16,2 Cu, мкг/г 8,1 8,3 8,8 8,3 8,1 7,3 6,4 6,7 9,4 Zn, мкг/г 46,8 47,1 49,1 48 41,8 38,3 37,9 25,9 16,4 Cd, мкг/г 0,4 0,4 0,4 0,4 0,3 0,2 0,2 0,1 0,04 Pb, мкг/г 10,1 10,2 10,8 9,6 7,0 5,2 2,8 3,8 3,8 La, мкг/г 11,27 10,58 11,91 11,31 11,18 10,26 9,1 11,17 11,17 Сумма РЗЭ, мкг/г 52,2 52,5 55,8 55,7 55,4 50,2 40,8 35,9 57,2 Статистическая обработка данных проводилась стандартными методами c использованием лицензионного пакета компьютерных программ Statistica 6.1, серийный номер axxr606d152627fa. Результаты Результаты анализа керна представлены в табл. 1. Последовательность содержания ТМ в керне следующая: Zn > Ni > Pb > Cu > Cd. Наблюдается тесная связь между концентрациями Zn, Cd и в меньшей степени Pb с содержанием ОВ, причём Zn и Cd предпочтительно связаны с более крупными частицами, а Pb - с более мелкими (табл. 2). В табл. 3 приведены средние значения содержания ТМ во мхах Вологодской области. Во мхах последовательность содержания ТМ несколько отличается от таковой в ДО: Zn > Cu > Pb > Ni. Средние концентрации ТМ в мышцах рыб - полифага-альгофага плотвы и хищника-ихтиофага судака приведены в табл. 4. В мышцах рыб разных видов последовательность уровней содержания ТМ такая же, как и во мхах. Таблица 2 Корреляции между концентрациями тяжелых металлов, органическим веществом и гранулометрией в керне донных отложений оз. Воже по Пирсону Элемент OB > 0,1 мм 0,1-0,01 мм < 0,01мм Zn 0,9280 0,8216 0,8164 -0,9406 p = 0,000 p = 0,007 p = 0,007 p = 0,000 Cd 0,8656 0,6881 0,7607 - 0,8212 p = 0,003 p = 0,040 p = 0,017 p = 0,007 Pb 0,6650 0,7072 p = 0,051 p = 0,033 Таблица 3 Концентрации металлов во мхе Sphagnum magellanicum Вологодской области, мкг/г сухой массы Стати стический параметр Элемент Ni Cu Zn Cd Pb М 0,862 5,746 19,546 0,089 2,358 Ме 0,598 3,523 15,671 0,083 1,875 Примечание. M - среднее арифметическое, Me - медиана. Таблица 4 Средние концентрации тяжелых металлов в мышцах рыб, выловленных в оз. Воже, Белоусовском и Вытегорском водохранилищах, мкг/г сырого веса Элемент M Me m Max SD Судак (12 экз.) Ni 0,01 0,00 0,007 0,07 0,02 Cu 0,20 0,19 0,03 0,44 0,10 Zn 4,56 4,65 0,40 7,57 1,40 Cd 0,001 0,001 0,0006 0,006 0,002 Pb 0,04 0,02 0,02 0,26 0,07 Плотва (15 экз.) Ni 0,01 0,00 0,006 0,08 0,02 Cu 0,17 0,15 0,02 0,37 0,08 Zn 4,00 3,79 0,51 9,38 1,99 Cd 0,001 0,0005 0,0003 0,003 0,001 Pb 0,02 0,02 0,006 0,08 0,02 Примечание. M - среднее арифметическое, Me - медиана, m - ошибка среднего, SD - среднеквадратичное отклонение. Обсуждение результатов Геохронологические данные (см. табл. 1) показывают, что поступление ТМ на исследуемую территорию происходило довольно равномерно. Современное содержание концентраций ТМ во мхах Sphagnum magellanicum Вологодской области незначительно (см. табл. 3). Биоаккумуляция металлов в мышцах рыб (см. табл. 4) также чрезвычайно низкая. Для крупного (площадь 418 км2) и мелководного (средняя глубина 1,4 м) оз. Воже характерен процесс многократного переотложения наносов (трансседиментация), который приводит к осреднению физико-химических показателей во времени (по толщине керна) и пространстве. Поэтому хронологическую датировку слоёв керна не проводили. Однако, поскольку средний темп осадконакопления в озёрах гумидной зоны составляет около 0,1 мм/ год [18], слой керна 10 см соответствует 1 000 лет. К сожалению, в настоящем исследовании мы смогли проаналилизировать только керн с «разрешением» 10 см. В дальнейшем мы увеличим разрешение, работая с кернами минимум 2 см. Концентрации Ni и Cu практически не изменялись в течение примерно 9 000 лет, в то время как содержание Pb и Zn росло. Общепринятыми геохимическими индикаторами для классификации и определения условий формирования геологических объектов служат РЗЭ. Состав и содержание РЗЭ дают представление о специфике 6 Экология человека 2018.03 Окружающая среда накопления и источниках поступления вещества в ДО озер [10]. Вертикальное распределение РЗЭ в керне оз. Воже характеризуется равномерностью, соотношение концентрации La в верхнем (10 см) горизонте и концентрации La в нижнем (90 см) равно 1,00, т. е. источник этих элементов был одним и тем же на протяжении многих лет. Для ^ это соотношение равно 0,9, что также свидетельствует в пользу этого тезиса. Исходя из принятой градации со ссылкой на спорово-пыльцевой анализ керна в оз. Лача, находящемся рядом и связанным с оз. Воже гидрологически, мы установили что максимальная концентрация ОВ приходится на слой 30-40 см, соответствующий времени 4 000-4 500 лет назад, т. е. суббореальному периоду потепления, после которого начался период субатлантический - похолодание. Увеличение концентрации ОВ в поверхностных слоях 0-5 см всего озера вновь говорит о временном глобальном потеплении (с 1976 года), что способствует большей зарастаемости озера макрофитами, а на водосборной территории - разнообразию растительных формаций средней тайги. Флуктуирующий характер концентрации ОВ тесно связан с историей развития растительности и климата территории [16]. Широкое распространение, морфологические и физиологические свойства мхов, их способность переносить неблагоприятные условия среды позволяют использовать эти растения в качестве биоиндикаторов [9, 17]. Мхи не имеют корневой системы, и, следовательно, вклад других источников, кроме атмосферных выпадений, в большинстве случаев ограничен. Концентрации ТМ в анализируемых пробах мха попадают в интервал низких концентраций ТМ во мхах по Европейской шкале [21]. Следовательно, за последние годы атмосферное загрязнение в исследуемой местности незначительно. Необходимо отметить, что ДО являются интегральными накопителями загрязняющих веществ, выпадающих как непосредственно на зеркало водоёмов, так и на их водосбор. Поэтому концентрации металлов, выявленные нами в грунтах, выше, чем в сфагнуме. Первые характеризуют осреднённые показатели для всей площади водосбора оз. Воже (5 870 км2) в сочетании с активным перемешиванием в водоёме (трансседиментация) за многолетний период, а во мхах - концентрации ТМ свежевыпавших атмосферных осадков на ограниченную площадь произрастания (примерно 0,2 м2). Использование рыб для индикации загрязнения вод металлами позволяет установить пролонгированные эффекты малых доз загрязнения, дать оценку эко-токсикологическим последствиям образования природно-техногенных гидрогеохимических провинций. Для оценки токсичности ТМ, поступающих в водоемы, в качестве индикаторов используют различные виды рыб. Металлы аккумулируются в организме рыб в количествах, во много раз превышающих их содержание в воде, что приводит к снижению продуктивности водоемов и к потенциальной опасности для человека [14]. Опасность для человека оценивается путём сравнения концентраций ТМ в мышцах рыб с установленными ПДК для пищевых продуктов. Концентрации ТМ в мышцах рыб, отловленных из водоёмов, расположенных на исследуемой территории, не превышают норм СанПиН, установленных для рыбных пищевых продуктов [3]. Таким образом, наше исследование, проведенное с использованием комплексного подхода, основанного на анализе кернов донных отложений водоёмов, образцов мха и рыб, показало, что территория северо-запада России - малонаселённая часть Вологодской области является экологически чистой в отношении тяжелых металлов. Следовательно, данная территория может использоваться в целях рекреации и как референтная, «контрольная» зона для целей мониторинга окружающей среды. Авторы выражают признательность Д. А. Филиппову за предоставление образцов мха.

About the authors

M V Gapeeva

I. D. Papanin Institute of the Biology of Inland Waters, Russian Academy of Sciences

Email: gmv@ibiw.yaroslavl.ru
Borok, Yaroslavskaya oblast

V V Zakonnov

I. D. Papanin Institute of the Biology of Inland Waters, Russian Academy of Sciences

Borok, Yaroslavskaya oblast

R A Lozhkina

I. D. Papanin Institute of the Biology of Inland Waters, Russian Academy of Sciences

Borok, Yaroslavskaya oblast

D F Pavlov

I. D. Papanin Institute of the Biology of Inland Waters, Russian Academy of Sciences

Borok, Yaroslavskaya oblast

M Ya Borisov

Vologda branch of the Federal State Budget Scientific Institute "L. S. Berg State Science-Research Institute of Lake and River Fisheries"

Vologda , Russia

References

Supplementary files