ГЕОЭКОЛОГИЯ. ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ. ГИДРОГЕОЛОГИЯ. ГЕОКРИОЛОГИЯ, 2014, № 1, с. 37-48
УДК 550.40
ФОРМЫ НАХОЖДЕНИЯ МИКРОЭЛЕМЕНТОВ В ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЯХ ИВАНЬКОВСКОГО ВОДОХРАНИЛИЩА
© 2014 г. О. А. Липатникова*, Д. В. Гричук*, И. Л. Григорьева**, А. И. Хасанова*, Т. В. Шестакова*, А. Ю. Бычков*, С. М. Ильина***, В. В. Пухов*
* Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, геологический факультет, кафедра геохимии, Ленинские горы, Москва, 119992 Россия.
E-mail: lipatnikova_oa@mail.ru ** Институт водных проблем РАН, ул. Губкина, 3, Москва, 119333 Россия.
E-mail: Irina0103@yandex.ru *** Университет Поля Сабатье, лаборатория наук об окружающей среде Тулузы, авеню Эдуарда Белина, 14, Тулуза, 31400 Франция. E-mail: svetlana.ilina@get.obs-mip.fr
Поступила в редакцию 03.06.2012 г.
Микроэлементы в донных отложениях могут находиться в различных формах, но наибольший интерес представляют подвижные формы, как наиболее биодоступные. В работе проведено исследование форм нахождения микроэлементов в донных отложениях Иваньковского водохранилища по методике Тессье с аналитическим окончанием методом ИСП-МС. Показано, что у Mn, Ba и Cd преобладают обменные и связанные с карбонатами формы; Cu и Ni в основном связаны с органическим веществом, а у Zn, Pb и Co около 50% миграционноспособных форм связано с гидро-ксидами Fe и Mn. Выявлено влияние литологических особенностей и содержания органического вещества в осадке на распределение микроэлементов.
Ключевые слова: донные отложения, микроэлементы, подвижные формы, последовательные вытяжки, Иваньковское водохранилище.
ВВЕДЕНИЕ
Донные отложения (ДО) в условиях интенсивного антропогенного воздействия играют значительную роль во внутриводоемных процессах. ДО, обычно являющиеся депонирующей средой для токсичных микроэлементов, при изменении физико-химических условий в водоеме могут стать источником их вторичного поступления сначала в поровые воды, а затем и в поверхностные. Для оценки этих процессов большое значение имеет изучение распределения химических веществ в разнотипных осадках и определение миграци-онноспособных форм нахождения элементов.
Цель данной работы - определение форм нахождения микроэлементов в ДО методом последовательных экстракций и выявление зависимостей между этими формами нахождения и характеристикой ДО.
ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ
Объект исследования - Иваньковское водохранилище - один из основных источников во-
доснабжения Москвы, что предъявляет особые требования к качеству воды в нем.
Территория водосборного бассейна Иваньковского водохранилища расположена в центральной части Среднерусской возвышенности, в основном в Тверской области. Геоморфологические особенности затопленной территории определили довольно сложную конфигурацию водоема. По форме котловины, очертаниям и характеру берегов водохранилище подразделяется на три плёса: Иваньковский, Волжский и Шошинский. Основные морфометрические показатели плёсов представлены в табл. 1.
Мониторинг качества воды и состояния ДО Иваньковского водохранилища в течение многих лет проводится сотрудниками Института водных проблем РАН, в результате чего накоплен большой объем данных по валовым содержаниям тяжелых металлов (ТМ) в воде и твердой фазе ДО [1, 3, 4, 6 и др.]. Сведения о химическом составе поровых вод ДО Иваньковского водохранилища имеются в работах [3, 10], в которых отмечено значительное обогащение поровых вод металлами по сравнению с водой придонных горизонтов.
Таблица 1. Морфометрические характеристики плесов Иваньковского водохранилища [1]
Характеристика Название плеса
Иваньковский Волжский Шошинский
Длина, км 27 84 36
Наибольшая ширина, км 8.0 2.1 5.0
Средняя ширина, км 5.9 0.9 4.0
Островность, % 10.8 6.3 21.6
Площадь при НПУ, км2 141 74 112
% от площади водохранилища 43 23 34
Средняя глубина при НПУ, м 3.3 4.9 1.7
Коэффициент развития береговой линии 6.6 - 10.1
Объем при НПУ, км3 0.46 0.47 0.19
НПУ - нормальный подпорный уровень.
Из приведенных в этих работах данных следует, что содержания всех изученных микроэлементов, кроме Fe и Мп, не превышают ПДК вредных веществ для водоемов хозяйственно-питьевого водоснабжения. Повышенные концентрации Fe постоянно присутствуют в воде Иваньковского водохранилища, что связывают прежде всего со значительной заболоченностью водосбора [2, 3].
Сведения о формах нахождения ТМ в ДО более информативны для прогноза их миграции в сравнении с валовыми содержаниями. В последнее десятилетие формами нахождения ТМ в ДО Иваньковского водохранилища начали заниматься, как в ИВП РАН [3, 9, 10], так и на геологическом факультете МГУ им. М.В. Ломоносова [12]. В работе [3] отмечено, что содержание подвижных форм, которые могут обогащать поровые воды, весьма низкое (не выше 4% от валового содержания), и основная масса металлов, не связанная с органическим веществом и гидроксидами Fe и Мп, находится в кристаллической структуре алюмосиликатов. Согласно исследованиям Г.Ю. Толкачева [9, 10], доля миграционноспособных форм микроэлементов составляет обычно 10-25% от валового содержания и повышается до 50% для Fe, Zn и Сё (сильно различаясь по точкам опробования для Си и Сг). По данным Е.С. Шепелевой [12] наибольшее извлечение миграционноспособ-ных форм достигается вытяжкой 1%-ным раствором НС1, при этом в раствор переходит 20-40% РЬ, N1, Со, Fe; для Си, Zn, Мп степень извлечения составляет 70-90%. Ввиду небольшого числа точек опробования зависимость доли миграцион-носпособных форм от характеристик ДО не была выявлена.
К сожалению, из-за разных методик исследования сопоставить результаты предшествующих работ по распределению индивидуальных форм
ТМ не представляется возможным. Из обзора литературных источников, приведенных выше, можно сделать вывод, что к гидроксидной форме тяготеют Fe, Pb, Co и Zn, к органической - Cu и Ni, а Mn и Cd связаны преимущественно с глинистой фракцией осадков.
В целом распределение форм нахождения ТМ в ДО Иваньковского водохранилища, по-видимому, достаточно типично для пресноводных водоемов нечерноземной зоны России [7, 8].
ИСХОДНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
В работе использованы материалы геохимического опробования донных отложений, проведенного на Иваньковском водохранилище летом 2009 г. Пробы донных отложений отбирались дно-черпателем Паттерсона из слоя осадков 0-10 см на наблюдательных створах Иваньковской научно-исследовательской станции ИВП РАН (рис. 1), охватывающих разнообразие субаквальных ландшафтов водохранилища, с глубины водоема от 0.5 до 11.5 м. Всего было взято 13 проб.
Непосредственно после пробоотбора в береговой лаборатории были измерены рН осадка, влажность, а затем - содержание органического вещества и гранулометрический состав (табл. 2). Был изучен состав глинистых минералов, которые в донных отложениях представлены преимущественно каолинитом (39-60%), гидрослюдой (16-33%) и хлоритом (8-25%).
Из осадка были выделены и проанализированы поровые воды. Формы нахождения элементов в твердой фазе осадков определены методом последовательных селективных вытяжек по схеме Тес-сье [14]. Макрокомпоненты поровых вод анали-
Тверь
Перетрусовский зал.
Корчева
г13' 15 /^141
<¡0,
о.Клин
Омутнинский зал.
ср.
•11.
инць
Городня 4>
1б\
^ Мошковичский (зал.
ь Конаково
) Дубна
Л
о.Низовка |
■ 15 - точки отбора проб донных осадков
Рис. 1. Схема пробоотбора.
зировали стандартными химическими методами, микроэлементы в поровых водах и вытяжках -методом масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (ИСП-МС). Валовое содержание микроэлементов в осадках измерено методом атомно-эмиссионного спектрального анализа в Александровской опытно-методической экспедиции.
Для отжима поровых вод использовали лабораторный пресс фирмы Регкт-Е1шег и титановую пресс-форму (оригинальной конструкции сотрудников кафедры геохимии), давление отпрессовы-вания достигало 250 кг/см2 [5].
Использованная схема анализа по Тессье позволяет выделить следующие миграционноспо-собные формы металлов разной степени подвижности:
1) вытяжка ацетатно-аммонийным буфером (рН 4.8) - обменные катионы и специфически сорбированные формы, а также металлы, связанные с карбонатами;
2) вытяжка солянокислым гидроксиламином (рН 2) - связанные с аморфными гидроксидами Fe и Мп;
3) вытяжка 30%-ным раствором Н2О2 при рН 2 -связанные с органическим веществом.
В качестве аналитического окончания использовался метод ИСП-МС. Измерения проводились на одноколлекторном масс-спектрометре ELEMENT 2 фирмы Thermo Finnigan (кафедра геохимии МГУ).
Для определений необходим постоянный фон раствора, который создавался 3%-ной азотной кислотой. Выбор необходимой степени разбавления для анализа на ИСП-МС осуществляли после предварительного измерения реперных элементов (Zn, Pb, Cu) методом инверсионной вольтамперометрии (ИВАМ) с использованием прибора АКВ-07-МК с трехэлектродным датчиком. На основании полученных данных вытяжки ацетатно-аммонийным буфером и солянокислым гидроксиламином разбавляли в 1000 раз, а вытяжка перекисью водорода - в 100 раз. Растворы реактивов, которые использовались для экстрагирования микроэлементов, разбавляли аналогично.
Для учета интенсивности подачи пробы в нее добавлялся внутренний стандарт In с концентрацией 10 мкг/кг. Калибровочные растворы для определения концентраций приготовлены из 69-элементного стандарта фирмы "Merk" путем последовательного разбавления на аналитических весах Oxaus Analitical Plus AP 250D. Для разбавления использовалась дважды дистилли-
Таблица 2. Характеристика отобранных проб донных осадков Иваньковского водохранилища
№ пробы Место отбора Гранулометрическая характеристика Глубина водоема, м Влажность, % Содержание С орг, % рН осадка
3** Городня, левый Супесь легкая пылеватая 0.5 55 1.1 7.2
4* берег Городня, правый Песок полидисперсный мелкий 0.5 27 0.4 6.9
7** берег Плоски, русло Суглинок тяжелый пылеватый 9.5 337 5.6 7.0
8** Дубна Суглинок легкий пылеватый 7.0 163 2.4 7.2
9** Залив Доньховский Суглинок тяжелый пылеватый 3.0 450 10.7 6.8
10** Залив Омутнинский Глина пылеватая 3.5 506 9.0 6.9
11** Клинцы, русло Гли
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.