ГЕОХИМИЯ, 2015, № 3, с. 264-275
БИОГЕОХИМИЧЕСКАЯ ИНДИКАЦИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ (НА ПРИМЕРЕ ВЛИЯНИЯ КРУПНОГО МЕДЕПЛАВИЛЬНОГО КОМБИНАТА)
© 2015 г. Н. А. Гашкина*, Ю. Г. Таций*, В. Н. Удачин **, П. Г. Аминов**
*Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН 119991, Москва, ул. Косыгина, 19 e-mail: ngashkina@gmail.com **Институт минералогии Уральского отделения РАН 456317, Миасс, Ильменский заповедник Поступила в редакцию 25.02.2014 г. Принята к печати 23.04.2014 г.
Представлена характеристика обогащения различных сред (атмосферные осадки, почва, вода, донные отложения) элементами, входящими в состав атмосферных выбросов медеплавильного комбината, в приложении к озеру Серебры, находящемуся в зоне прямого и косвенного аэротехногенного воздействия. Проведена сравнительная оценка биоаккумуляции и биоконцентрации элементов в органах и тканях рыб озера Серебры по сравнению с рыбами в удаленном от горно-металлургических комплексов озере Селигер.
Ключевые слова: аэротехногенное загрязнение, халькофильные элементы, биоаккумуляция, биоконцентрация.
DOI: 10.7868/S0016752515030073
Южный Урал относится к регионам, в которых развитие промышленности нанесло громадный вред окружающей среде. В зоне действия горнопромышленных и металлургических предприятий образовались локальные техногенные геохимические аномалии, природные биогеохимические циклы в которых сильно изменены, и которые можно рассматривать в качестве природно-техногенных полигонов для изучения процессов вовлечения химических веществ в миграционные потоки.
Одним из экологически неблагополучных является район г. Карабаша Челябинской области, где с начала века происходит добыча и переработка медных руд. В результате проводимой с 2004 г. коренной реконструкции и модернизации комбината выбросы загрязняющих веществ в атмосферу снизились в десятки раз и в настоящее время составляют порядка 13500 тонн в год (из них 13200 т — 802). Однако ситуация продолжает вызывать беспокойство. Для сравнения, в Канаде, где основным источником эмиссии диоксида серы являются предприятия цветной металлургии, согласно (№ет1, 2005) в 1990 г. выбросы по всей стране составили 3259 т, а в 2000 г. — 2379 т, что в несколько раз меньше, чем от одного предприятия ЗАО "Ка-
рабашмедь" в 2012 г. Хотя в период 1972—1981 гг. выбросы предприятия по производству меди в Садбери (Канада) составляли: 802 — 1126000, Си — 669, РЬ - 204, Аз - 124 тонн в год (Бгееётап, 1995). Для сравнения, выбросы медеплавильного комбината в Карабаше в 1986-1987 гг. составляли более 163000 т в год, а за все время работы суммарные выбросы загрязняющих веществ достигли гигантских размеров — 14.5 млн т (Ревич, 2007).
В этих условия большой интерес представляют водоемы, не получающие сточные воды предприятий, в которых загрязнение осуществляется за счет атмосферного переноса. Техногенные соединения тяжелых металлов, выпадающие с пылью или с осадками на зеркала и водосборные площади озер активно участвуют в формировании химического состава поверхностных вод и донных отложений. Аэротехногенное загрязнение таких водоемов, а также их водосборов может происходить не только в результате прямого выпадения элементов, но и опосредованно, путем их выщелачивания кислотными атмосферными осадками.
В настоящей работе рассматривается техногенное влияние выбросов медеплавильного комбината на содержание элементов в атмосферных осад-
ках, почве, воде и донных отложениях оз. Сереб-ры, а также проведена оценка биоаккумуляции элементов в физиологических системах рыб. Озеро Серебры расположено в 5 км от комбината, прямо и опосредованно подвергается аэротехногенному влиянию и является одним из источников водоснабжения г. Карабаш. Биоаккумуляция элементов в органах и тканях рыб может служить индикатором загрязнения окружающей среды и более информативно отражать степень воздействия на организмы, нежели содержание элементов в воде (Moiseenko and Kudryavtseva, 2002). Хотя рыбы способны выводить токсиканты, тем не менее элементы накапливаются на протяжении всего жизненного цикла, а в процессе метаболизма идет изменение соотношения эссенциальных и неэссен-циальных элементов в различных органах и тканях рыб, что позволяет выявить приоритетные загрязнители и судить о возможной опасности для человека. Оценку биоаккумуляции элементов в рыбах оз. Серебры проводили в сравнении с биоаккумуляцией у рыб оз. Селигер, расположенного вдали от горно-металлургических комплексов.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Озеро Серебры находится в окрестностях г. Кара-баша в северной части восточного склона Южного Урала. Озеро пресное, проточное, подпружено в начале-середине прошлого века и около 100 лет используется для водоснабжения. Абсолютная высота зеркала озера 374 м над уровнем моря, его площадь 1.12 км2, объем 5.75 млн м3, максимальная глубина 8.5 м при средней 5.12 м (Дерягин, 2010). Основные гидрохимические показатели — рН 6.5—7.5, цветность 10—20о Pt—Co, минерализация менее 100 мг/л, коэффициент водообмена 0.45. Озеро лежит в южнотаежной части горнолесной зоны Урала и окружено мертвопокровным березняком техногенного происхождения. По количеству осадков район относится к зоне достаточного увлажнения со среднегодовой нормой 500 мм.
Озеро Селигер, расположенное в зоне южной тайги Европейской части России, имеет сходные природно-климатические и основные гидрохимические показатели (рН, минерализация, цветность), что определяет схожесть экзогенных условий биоаккумуляции. Озеро проточное. Отсутствие источников загрязнения позволяет использовать верховья озера (Березовский плес) в качестве фонового района.
Отбор проб воды и донных отложений проводили в сентябре 2012 г. (Селигер) и в августе 2012 и 2013 гг. (Серебры) вручную, фильтровали, измеряли рН и подкисляли HNO3. Отбор проб производили согласно ГОСТ Р 51592—2000. Колонку донных отложений на Серебрах отбирали в самом глубоком
месте озера, а на Селигере — в самом глубоком месте Березовского плеса. После отбора колонку разрезали на слои толщиной 1, 2, 5 или 10 см, упаковывали в полиэтиленовые пакеты и хранили при 4°C.
Рыба. В качестве биоиндикатора был выбран лещ (Abramis brama L.). Из каждого водоема обследовали по 5 особей, весом 300—500 г. Пробы органов и тканей отбирали у рыб близкого возрастного состава, с гонадами на III—IY стадиях зрелости в августе—сентябре, что позволяло минимизировать возрастные, половые и сезонные вариации содержания элементов в организме и обуславливает близкие эндогенные условия биоаккумуляции. На анализ отбирались жабры, печень, почки, мышцы и скелет. Подготовка проб осуществлялась методом мокрого разложения в концентрированной азотной кислоте с добавлением перекиси водорода.
Отбор дождевых осадков, рассматриваемых в качестве "фоновых", проводили в течение 2007— 2010 гг. на расстоянии 25—30 км от Карабаша (Уда-чин и др., 2010). Техногенные выпадения отбирали в августе 2013 г. на расстоянии примерно 2 км от точки выбросов при неблагоприятных метеорологических условиях. Всего было отобрано 3 пробы техногенных осадков: 1 — в период затяжных дождей, продолжительность отбора 2 суток; 2 — первые 20 минут ливня после продолжительной сухой погоды и 3 — через 30 минут после начала ливня. Продолжительность отбора проб 2 и 3—20 мин. Отбор проб проводили с использованием пластиковых дождесборников, при съеме которых замеряли рН. Сразу после отбора техногенные пробы подкисляли HNO3 и хранили при 4°C.
Отбор почв. Полевые и лабораторные исследования загрязненных металлами почв и почвенных образцов на водосборе оз. Серебры осуществляли в соответствии с нормативным документом (НД) (Методические указания..., 1981). Отбор проб почв во время полевых сезонов 2011—12 гг. проводили в соответствии с требованиями ГОСТ 17.4.3.01-83 и ГОСТ 17.4.4.02-84. Для оценки загрязнения за счет атмосферных выпадений использовали отбор поверхностных проб с интервала 0—10 см, при этом опробовали горизонты Ад (подстилка) и А.
Концентрации микроэлементов в пробах дождевой, озерной воды, донных отложениях и образцах тканей и органов рыб после соответствующей пробоподготовки определяли методом масс-спек-трометрии с индуктивно связанной плазмой (Х-7, Thermo Scientific, США).
Для дальнейшего рассмотрения были отобраны результаты по халькофильным и эссенциальным элементам с установленным токсикологическим порогом вредности. Статистическая обработка данных проведена с использованием пакета "Statisti-ca", версия 8, фирмы "StatSoft,Inc."
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ОБСУЖДЕНИЕ
Оценка биоаккумуляции элементов в органах и тканях рыб оз. Серебры как индикатора загрязнения окружающей среды является, в конечном счете, оценкой воздействия медеплавильного комбината на гидробионтов через цепочку выбросы-ат-мосферные осадки-почва-озеро (вода, донные отложения)-рыба.
Атмосферные осадки. Основным фактором техногенного воздействия на окружающую среду Ка-рабашской геотехногенной системы, как и всей территории Южного Урала, являются пылегазовые выбросы предприятий металлургического комплекса (аэральный тип техногенеза). Типоморф-ными для выбросов медеплавильных предприятий являются в основном элементы халькофильной группы.
Атмосферные осадки являются основными концентраторами и временной депонирующей средой для микропримесей, находящихся в составе аэрозолей выбросов металлургических предприятий, и в то же время, осадки являются основными фазами, с помощью которых осуществляется выведение аэрозолей из атмосферы и их поступление на подстилающую поверхность. Выбросы кислотообразующего диоксида серы и халькофильных металлов (РЬ, Zn, Сё, Си и др.) в виде тонкодисперсных аэрозолей обусловливают формирование "кислых дождей" с рН 3.5-3.8 и аномальными концентрациями металлов в растворимой и нерастворимой (твердофазной) форме.
Озеро Серебры расположено в 5 км к северу от источника выбросов и, в соответствии с розой ветров, в этом направлении переносится лишь 15% воздушных масс. Однако вследствие особенностей рельефа при неблагоприятных метеорологических условиях и образовании температурных инверсий большая часть выбросов ос
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.