УДК 504.45:504.064
ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ ПОДХОДОВ К НОРМИРОВАНИЮ КАЧЕСТВА ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ
© 2014 г. Н. Ю.Степанова1'2
'Казанский (Приволжский) федеральный университет, Казань 2Казанский национальный исследовательский технический университет, Казань
E-mail: step090660@yandex.ru
Представлен обзор существующих подходов для определения нормативов качества донных отложений: геохимического (фоновые значения), биотического, токсикологического, равновесного распределения, интегрального (сочетание физико-химических, биоиндикационных и токсикологических данных методом TRIAD). Даны краткие характеристики каждого метода, примеры их использования на водных объектах разных стран мира.
Ключевые слова: донные отложения, нормативы, макрозообентос, метод TRIAD.
ВВЕДЕНИЕ
Пристальное внимание, уделяемое в последние годы мониторингу донных отложений, связано с их ролью во внутриводоемном круговороте вещества и энергии, а также с тем, что они являются средой обитания бентосных организмов, продуктивность которых существенно влияет на многие звенья пищевой цепи, включая рыб, амфибий, рептилий, некоторых птиц и млекопитающих (McDonald et al., 2003). Донные отложения благодаря их способности аккумулировать многие органические и неорганические соединения представляют собой мощный фактор самоочищения водоема, но одновременно могут выступать источником его вторичного загрязнения. Многими исследователями (Chapman, 1990; Burton, 2002; McDonald et al., 2003; Baudo, 2008) отмечается значительное воздействие на экосистему химических компонентов, непосредственно связанных с донными отложениями, в том числе на высшие звенья трофической цепи. Такие эффекты отмечены даже при улучшении качества воды (Burton, 2002), поскольку многие химические соединения, связываясь с соединениями органического или неорганического происхождения, оседают и накапливаются на дне водоема в количествах, на несколько порядков превышающих их содержание в воде. В этой связи донные отложения могут стать фактором риска ремоби-лизации токсикантов при изменении гидрологического, окислительно-восстановительного режимов, проведении дноуглубительных и других работ на водном объекте. Вторичное загрязнение
водной среды возможно в результате процессов, приводящих к перераспределению загрязняющих веществ в составе донных отложений и нарушению баланса, сложившегося в системе вода-донный осадок, при этом оказывается неблагоприятное воздействие на плотность и разнообразие бентосного сообщества, определяющего эффективность процессов самоочищения.
Огромные финансовые ресурсы затрачиваются во всем мире для выемки загрязненных донных осадков с целью улучшения условий нереста рыб, оздоровления экосистемы в целом и для решения технических задач, связанных с улучшением условий судоходства, прокладывания трубопроводов по дну реки и т.д. Стоимость подобных работ, включая условия размещения и утилизации извлеченных осадков, может составлять миллионы долларов (US Environmental Protection Agency, 1998). Таким образом, определение уровня загрязнения донных отложений и соответственно необходимости их выемки и утилизации имеет не только экологическое, но и экономическое значение.
Недостатком российской системы мониторинга и управления водными ресурсами является отсутствие нормативов качества химического состава донных отложений. Несмотря на наличие ряда руководящих документов, применяемых в рамках Единой государственной системы мониторинга за состоянием окружающей природной среды (Методические..., 2002; 2013), характеристика химического состава донных отложений невозможна без оценочных критериев. Необходимость разработки подобных критериев подчеркивалась многими отечественными исследователями
(Анохина, 2004; Степанова и др., 2007; Галиулин и др., 2011; Галиулин, Галиулина, 2012; Михайлова, Исаченко-Боме, 2012).Указывая на правовой пробел в этой части российского водного законодательства, отмечается недопустимость использования ПДК, разработанных для почв, или нормативов, применяемых в других странах, для оценки качества донных отложений.
В этой связи целью данной работы стал обзор основных подходов к нормированию качества донных отложений, апробированных в разных странах и на различных водных объектах.
Геохимический подход
Если обратиться к истории данного вопроса, то следует отметить, что работа по установлению нормативов качества донных отложений (ДО) в разных странах ведется на протяжении последних 25 лет. Первыми критериями оценки качества ДО были фоновые концентрации или значения, полученные по данным эталонных участков (Persaud et al., 1993). Так, вплоть до 2006 г. в мониторинге ДО Фландрии (северная часть Бельгии) использовались показатели ДО, отобранных с 12 эталонных участков, характеризующихся большим биологическим разнообразием (Deckere et al., 2011). Такой подход часто используется и российскими исследователями, например на реках Туре и Пышма Тюменской области (Разработка..., 2005).Применение фона в качестве норматива оправдано в мониторинге озер (Зиганшин, 2005), где возможно установление до-индустриального уровня содержания металлов при отборе вертикальной колонки ДО.
В литературе (Иванов, Маланин, 2002; Шаги-дуллин, 2012) описывается применение фациаль-ного подхода для определения геохимического фона тяжелых металлов (ТМ) в озерных и речных осадках, который базируется на закономерностях литологического строения аллювия.
Подобный геохимический подход носит региональный характер, в этом его несомненное преимущество. Однако есть и существенные недостатки: 1) трудность в поиске эталонных, незагрязненных участков (слоев ДО), что особенно актуально для крупных водотоков и водохранилищ в связи с активным перемещением верхнего слоя донного наноса током воды; 2) полное игнорирование биотической составляющей экосистемы, которая и определяет "здоровье" водного объекта.
Биотический подход
Выявление предельных уровней негативного воздействия по данным биоиндикационных
исследований учитывает состояние биотической составляющей экосистемы. Примерами нормативов ДО, разработанных с использованием данных биомониторинга, могут служить следующие критерии: уровень содержания загрязняющих веществ в ДО, не вызывающий негативного эффекта на бентосные организмы (LEL - lowest effect level (Persaud et al., 1993), TEL- threshold effect level (Smith et al., 1996), ERL - effect range-low (Long, Morgan, 1991), MET -minimal effect threshold (Interim..., 1992)) и уровень загрязнения, выше которого наблюдается угнетение бентосных организмов (SEL - severe effect level (Persaud et al., 1993); PEL- probable effect level (Smith et al., 1996); ERM - effect range-median (Long, Morgan, 1991)).
Существенным ограничением данного подхода является отсутствие доступной единой базы данных систематического гидробиологического мониторинга и малый охват им речной сети в России. Наконец, биотический метод не применим для прогностической оценки опасности новых соединений.
Метод равновесного распределения
Метод равновесного распределения загрязняющего вещества EqP (equilibrium partitioning method) относится к "механистическому" (теоретическому) подходу (Baudo, 2008), в основе которого лежит теоретическое обоснование перераспределения химических соединений между твердой и водной фазами. Показана значительно большая корреляционная связь между токсичностью/биоаккумуляцией для бентосных организмов и содержанием химического вещества в связанной (поровой) воде по сравнению с самими донными отложениями (Di Toro et al., 1991; Van Der Kooij et al., 1991). Для практической реализации используются такие характеристики веществ как токсичность, способность к биоаккумуляции и распределению между взвешенными частицами, водой и донными отложениями и др. (Shea, 1988; Di Toro et al, 1991; Van Der Kooij et al, 1991; Booij, 1993; Technical., 1994; Wepener et al, 2000; Анохина, 2004; Lepper, 2005; Степанова и др., 2007; Xia, Wang, 2008).
Отмечается (Report., 1993), что метод равновесного распределения можно использовать только для неполярных гидрофобных соединений и некоторых металлов. В США он был развит для металлов в связанной воде (DiToro et al., 1990, 1991). Предложенная модель позволяет прогнозировать острую токсичность в отношении суммарного содержания некоторых металлов (Cd, Cu, Ni, Pb и Zn) в ДО при определении летучих сульфидов AVS (acid volatile sulphide).
Токсикологический подход
При разработке нормативов ДО широко используется классический токсикологический подход. На первом этапе определяется острая токсичность LC-EC50 по результатам кратковременной экспозиции на одном или нескольких тест-объектах. На следующем этапе устанавливается максимально недействующая концентрация токсиканта (NOEC) по результатам хронических экспериментов (рис. 1).
Хорошо известно, что результаты тестирования на одном тест-объекте не могут надежно предсказать эффект, проявляющийся на сложно организованных биологических системах, поэтому для установления "безопасного уровня" на эко-системном уровне необходимо тестирование на большом количестве тест-объектов (Persoone, 1992).
Значения коэффициента AF/ACR (application factor/acute-chronic ratio) могут варьировать в зависимости от имеющихся токсикологических данных и находятся в диапазоне от 10 до 1000. Верхнее значение (1000) применяют, когда тестирование в остром опыте проводилось на одном тест-организме, значение 100 используют, если тестирование в остром опыте проводилось на большом количестве организмов или хроническое тестирование на одном тест-объекте. Минимальное значение (10) используют в том случае, если имеется большое количество данных по хронической токсичности на большом количестве объектов.
Наиболее распространенные токсикологические методики, используемые при нормировании качества ДО, представлены в табл. 1.
Токсикологический принцип нормирования позволяет предсказать возможные негативные эффекты на максимально широком спектре тест-объектов, а также выявить наиболее чувствительные звенья водного биоценоза как потенциальные мишени воздействия исследуемого химического соединения. Прот
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.