ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА, 2015, том 34, № 6, с. 12-21
ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
УДК 535.71
ПРОБЛЕМЫ ХИМИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ. КРИТЕРИИ ОТНЕСЕНИЯ ХИМИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ К КАТЕГОРИИ ОПАСНЫХ ДЛЯ ВОДНЫХ ЭКОСИСТЕМ
© 2015 г. Ю. И. Скурлатов1*, Е. В. Вичутинская1, Н. И. Зайцева1, Е. В. Штамм2, В. О. Швыдкий2, А. В. Блошенко1
Институт химической физики им. Н.Н. Семенова Российской академии наук, Москва 2Институт биохимической физики им. Н.М. Эмануэля Российской академии наук, Москва *Е-таИ: YSkurlatov@gmail.com Поступила в редакцию 31.10.2014
Проведен анализ факторов, оказывающих наибольшее негативное влияние на состояние водных экосистем. Обоснована роль процессов с участием промежуточных продуктов восстановления кислорода в формировании биологической полноценности природной водной среды и роль водорастворимых соединений восстановленной серы в формировании токсических свойств последней. Предложены интегральные показатели качества воды поверхностных водных объектов. Разработаны критерии отнесения химических веществ к категории "экологически опасных", поступление которых в поверхностные водные объекты должно быть исключено или должно подлежать строгому контролю.
Ключевые слова: водные объекты, качество водной среды, интегральные показатели, опасные химические вещества, соединения восстановленной серы.
Б01: 10.7868/80207401X15060084
Поверхностные водные объекты являются не только важнейшим компонентом окружающей среды, но и природным ресурсом, играющим важную роль в жизнеобеспечении населения питьевой водой и в экономике страны. На фоне спада промышленного и сельскохозяйственного производств, происходящего в последние десятилетия в России, отсутствие позитивных изменений качества природных вод, находящее отражение в снижении биоразнообразия, истощении водных биоресурсов, ухудшении потребительских свойств воды, свидетельствует о низкой эффективности системы контроля качества воды и проводимых мероприятий по защите водных объектов от негативных антропогенных воздействий.
По нашему убеждению, неблагополучная ситуация с качеством поверхностных вод связана с тем обстоятельством, что в действующем законодательстве в недостаточной мере учитываются особенности функционирования водных экосистем. В действующем природоохранном законодательстве качество воды в водных объектах России контролируется преимущественно путем сравнения концентраций химических веществ, регистрируемых в воде, с нормативными значе-
ниями предельно-допустимых концентраций (ПДК) для воды водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользова-1)
ния [1, 2]. Согласно [2], постоянно пополняемый перечень нормируемых химических веществ в питьевой воде включает 1356 наименований.
Если природную воду рассматривать не как объект водопользования, а как среду обитания водных организмов, требования к качеству воды должны "диктоваться" ее обитателями — гидро-бионтами. При этом экологическое благополучие водного объекта [3] ("биологическая полноценность" водной среды [4]) соответствует состоянию, обеспечивающему нормальное развитие и воспроизводство основных звеньев экологической системы водного объекта.
Казалось бы, адекватную оценку качества воды как среды обитания призваны обеспечить
1) Под ПДК имеется в виду "максимальная концентрация вещества в воде, которая при поступлении в организм в течение всей жизни не должна оказывать прямого или опосредованного влияния на здоровье населения в настоящем и последующем поколениях, в том числе в отдаленные сроки жизни, а также не ухудшать гигиенические условия водопользования".
нормативы, разработанные для водных объектов рыбохозяйственного значения [5]. Однако и в этом случае приоритет отдается "химическим" показателям, а перечень вредных веществ, для которых разработаны рыбохозяйственные нормативы ПДК, также превышает 1000 наименований.
Столь широкий перечень нормируемых веществ исключает возможность оперативного контроля качества воды по всем веществам, вынуждает водоохранные организации сокращать перечень контролируемых "химических" показателей. При этом в отсутствие объективных (биологических) критериев качества воды в числе выбранных показателей могут оказаться малосущественные, тогда как показатели, реально значимые для здоровья человека и водной экосистемы, — оставаться вне контроля. Тем более что наряду с известными токсикантами, представленными в перечнях ПДК, в воде возможно присутствие неизвестных токсичных веществ, поступающих в объекты окружающей среды из контролируемых и скрытых источников загрязнения, а также веществ, значения ПДК которых ниже предела их обнаружения доступными методами аналитического 2)
контроля.
Возникает тупиковая ситуация: с одной стороны, практически невозможно проконтролировать в воде весь перечень нормируемых веществ, а с другой — практически любой выборочный контроль не будет исчерпывающим, чтобы гарантировать безопасность воды для здоровья человека или для водных организмов. В этой ситуации, как указывается в [6], "требуются принципиально новые подходы к оценке качества питьевых вод, основанные на применении интегральных методов тестирования". Остается добавить, что новые подходы требуются и для оценки качества воды поверхностных водных объектов.
Цель настоящей работы — рассмотрение ключевых химико-биологических процессов, формирующих качество водной среды как среды обитания водных организмов. Ниже в обобщенном виде представлены основные результаты исследований, проводимых авторами данной работы в области экологической химии водной среды, начиная с 80-х годов прошлого столетия и имеющих отношение к решению проблем химической безопасности водных объектов и природоохранного нормирования качества поверхностных вод [7—10].
2) Согласно официальной статистике (http://www.cas.org/), в мире ежегодно синтезируется более 1.5 млн новых соединений — по 15 тыс. ежедневно и по разным оценкам на фоне примерно 1 млн веществ биогенного происхождения в окружающую среду поступило от 10 до 40 млн ксенобиотиков.
КИНЕТИЧЕСКИЙ ПОДХОД КАК МЕТОДИЧЕСКАЯ ОСНОВА ВОДООХРАННОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ
В основе предлагаемого нами подхода к оценке качества воды лежит представление о природной водной среде как о гетерофазной химико-биологической системе открытого типа, в которой наряду с совокупностью химических и биохимических процессов постоянно протекают процессы массопереноса как в толще воды (диффузия, течения, перемешивание, разбавление, конвективные потоки и т.д.), так и на следующих границах раздела фаз: "вода—атмосфера", "вода—донные отложения", "вода—гидробионты", "вода—взвешенные частицы" [11].
В "норме" (при отсутствии значимых источников загрязнения водной среды) экосистема сбалансирована таким образом, что в ней происходит саморегуляция содержания минеральных и органических форм биогенных веществ в пределах, обеспечивающих биологическую полноценность водной среды, устойчивость к воздействию внешних факторов. Для оценки устойчивости водной экосистемы к внешним воздействиям в виде загрязнения водной среды химическими веществами, будь то участники биологического круговорота или ксенобиотики, нами предложен кинетический подход, учитывающий скорость внутриводоемных химико-биологических процессов.
Ключевую роль в аэробной водной среде играют процессы с участием молекулярного кислорода: выделение О2 при фотосинтезе и поглощение его в процессах дыхания (минерализации органических веществ). В "норме" скорости процессов фотосинтеза и минерализации органических веществ равны друг другу — продукционно-деструк-ционные процессы сбалансированы. При этом скорость образования О2 пропорциональна биомассе автотрофов, поглощающих из воды минеральные биогенные вещества, скорость потребления О2 пропорциональна биомассе гетеротрофов, минерализующих органические вещества. Таким образом, скорость выделения (поглощения) О2 в процессах фотосинтеза (минерализации) может служить количественной характеристикой динамики внутриводоемного круговорота биогенных веществ.
В условиях химико-биологического равновесия (равенства скоростей продукционно-де-струкционных процессов) концентрации растворенных в воде биогенных веществ определяются соотношением биомасс автотрофных и гетеротрофных организмов и не зависят от их общей биомассы. Относительно медленные (квази-) изменения концентраций биогенных веществ в водной среде происходят по мере сезонных изменений соотношения биомасс автотрофов и гетеротрофов.
В действующей системе контроля качества воды широко используется такой показатель, как "биологическое потребление кислорода" (БПК) — уменьшение концентрации растворенного кислорода в замкнутом объеме пробы воды в темно-вых условиях. В рамках кинетического подхода в качестве характеристики скорости биологического круговорота веществ важна начальная скорость потребления кислорода — БПК = (Д[О2]/Л) ^ 0. В отсутствие информации о зависимости Д[О2] от t нормируемый показатель БПК5 (Д[О2] за 5 сут) не может быть ни характеристикой скорости потребления кислорода в анализируемой пробе воды, ни характеристикой общего содержания в отобранной пробе воды органических веществ, участвующих в биологическом круговороте (БПКполн).
Показатель БПКполн относится к условиям изоляции водного объекта (или его части) в течение длительного времени, достаточного для полной минерализации всех органических веществ, участвующих в химико-биологических процессах. Это условия, когда водная экосистема переходит из открытого состояния к квазизамкнутому. Такие условия возникают при ледоставе (прекращается массообмен с атмосферой) либо в придонных слоях воды, насыщенных органическим веществом, в отсутствие массообмена с насыщенными О2 слоями воды. Кинетической характеристикой процесса при этом служит время полупревращения О2 в анализируемой пробе воды при естественной температуре.
В случае залпового сброса биогенных веществ (в предположении равномерного распределения их в толще воды), по прошествии периода нестационарности, продолжительность которого зависит от исходной концентрации поступивших биогенов, экосис
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.