Миграционные процессы тяжелых металлов и нефтепродуктов в системе "почвенный покров - поверхностные воды" на урбанизированной территории

В экологическом аспекте из обширного перечня вредных веществ, загрязняющих почвенные и водные экосистемы, распространенными являются тяжелые металлы (ТМ) и нефтепродукты (НП). Тяжелые металлы относятся к классу консервативных загрязняющих веществ, которые не разлагаются в воде, а только изменяют форму своего существования. Нефтепродукты в водоемах могут находиться в различных миграционных формах: растворенной, эмульгированной, сорбированной на взвешенных частицах и донных отложениях, в виде пленки на поверхности воды. В результате протекания в водоеме процессов испарения, сорбции, биохимического и химического окисления нефтепродукты претерпевают различные превращения. При трансформации нефтепродуктов в экосистемах могут образовываться стойкие к микробиологическому расщеплению более токсичные соединения, вызывающие вторичное загрязнение.

Почвенные экосистемы являются емким акцептором для тяжелых металлов и нефтепродуктов, что обуславливает их аккумуляцию в почвенном покрове. Под воздействием различных факторов в почве происходит постоянная миграция попадающих в нее веществ и перенос их на большие расстояния. В природных экосистемах интенсивность и направление миграций ТМ зависят как от особенностей ионов, формы, в которой присутствует элемент, его химических свойств (внутренние факторы), так и от физико-химических и биологических условий миграций (щелочно-кислотные, окислительно-восстановительные условия, водный режим, температура, давление, влияние жизнедеятельности растений и других организмов) [1–5].

Для проведения оценки экологического состояния почвы и водных экосистем Куйбышевского водохранилища на урбанизированной территории г. Ульяновска является актуальным исследование влияния различных факторов на процессы аккумуляции и миграции тяжелых металлов и нефтепродуктов в системе почвенный покров – поверхностные воды [6–11].

Цель настоящей работы – исследование сезонной динамики содержания и влияния физикохимических факторов на миграционную способность тяжелых металлов и нефтепродуктов в системе почвенный покров – поверхностные воды.

Объекты и методы исследования

Исследования проводились в период 2009–2014 гг. на базе аккредитованной научноисследовательской лаборатории физико-химического анализа ФГБОУ ВПО «Ульяновский государственный технический университет».

Опробование поверхностных вод и почвы (берегового грунта) проводили в районах автотранспортных развязок и мостовых переходов через Куйбышевское водохранилище на территории г. Ульяновска. В объектах исследования определялся приоритетный ряд тяжелых металлов (Zn, Cu, Ni, Cd, Pb). Сезонный отбор проб воды и почвы выполняли согласно нормативным документам ГОСТ Р 51592-2000, ГОСТ 17.1.5.01-80, ПНД Ф 12.1:2:2.2:2.3.2-03.

Определение валового содержания и подвижных форм ТМ в пробах воды и почвы проводили методом атомно-абсорбционной спектроскопии. Анализ выполнялся на атомноабсорбционных спектрометрах «Спектр-5-3» и «Квант Z» согласно методикам ПНД Ф 16.1:2.2:2.3:3.36-02, ГОСТ Р 51309-99. Общее содержание НП в объектах исследования определяли методом ИК-спектроскопии на анализаторе нефтепродуктов АН-2 по методикам ПНД Ф 16.1:2.2.22-98, ПНД Ф 14.1:2.5-95.

Определение физико-химических показателей (рН, Eh) проводили потенциометрическим методом на иономере ИПЛ 301 по методике ПНД Ф 14.1:2:3:4.121-97. Карбонатную жесткость определяли титриметрическим методом согласно ГОСТ 52407-2005.

Статистическая обработка экспериментальных данных осуществлена программами «Microsoft Excel», STATISTIKA 6.1.

Результаты и их обсуждение

К числу приоритетных загрязняющих веществ почвенного покрова (берегового грунта) и поверхностных вод Куйбышевского водохранилища относятся тяжелые металлы (Zn, Cu, Ni, Cd, Pb), отличающиеся максимальной аккумуляционной способностью и высокой токсичностью. При исследовании сезонной динамики установлено, что максимальное содержание ТМ в верхнем слое берегового грунта наблюдается в весенний период (после снеготаяния), где превышение предельно допустимых концентраций (ПДК) подвижных форм для цинка составило 3,5 ПДК; меди – 10 ПДК; никеля – 3 ПДК; свинца – 2,5 ПДК; кадмия – 1,1 ПДК.

В осенний период (октябрь – ноябрь) происходит снижение содержания ТМ в береговом грунте водохранилища до фоновых значений и возрастание их содержания в воде (относительно летнего периода), что можно объяснить миграционными процессами подвижных форм ТМ с дождевыми осадками и грунтовыми водами из почвенного покрова (берегового грунта) в поверхностные воды Куйбышевского водохранилища.

Возможность миграции ТМ в системе почвенный покров – поверхностные воды также подтверждаются данными исследований сезонной динамики содержания металлов и их форм в воде. Установлено, что максимальное содержание ТМ в пробах воды наблюдается в весенний период во время весеннего паводка, где происходит перенос подвижных форм ТМ с талыми водами из берегового грунта в водоем.

Весенний период (апрель – май) исследования характеризуется значениями рН=6,75 (слабокислые условия) для берегового грунта и рН=7,35 (близко к нейтральным условиям) для воды, преобладанием окислительных условий (Eh=+240 мВ) в водной экосистеме водохранилища, когда наблюдается повышенное содержание растворенного кислорода (9,95 мг/л), и высокими значениями минерализации воды.

Влияние данных факторов на миграцию ТМ из берегового грунта в воду можно отследить с помощью однофакторного дисперсионного анализа [12].

Выявлена высокая корреляционная зависимость значений рН и содержания подвижных форм исследуемых металлов (исключение составляет никель) в береговом грунте (г=0,80). Для никеля эта зависимость носит весьма заметный характер (г=0,95). Данные корреляционные зависимости представлены на рис. 1, 2.

В природной воде, являющейся сложным раствором, рН зависит не от диссоциации собственно воды, а главным образом от соотношения количества угольной кислоты и ионов НСО₃ ^– , СО 3^2– и в меньшей степени – остальных ионов. Отсюда следует, что помимо влияния рН на аккумуляцию и миграцию ТМ в водных экосистемах, следует рассматривать влияние гидрокарбонат-ионов природной воды. Последние характеризуют карбонатную жесткость воды.

Рис. 1. Корреляционная зависимость содержания подвижных форм цинка, меди, свинца, кадмия от рН берегового грунта

Рис. 2. Корреляционная зависимость содержания подвижных форм никеля от рН берегового грунта

Рассмотрены присутствующие в водохранилище доминирующие формы металлов, в которых основными лигандами могут выступать ионы ОН ^– , НСО₃ ^– и фульвокислотные остатки. Для всех исследуемых тяжелых металлов характерна низкая устойчивость гидрокарбонатных комплексов в сравнении комплексов с фульвокислотами и гидроксокомплексами [6, 13–14].

Содержание и миграционные процессы НП в водной экосистеме определяются сезонностью, содержанием взвешенных частиц в толще слоя воды и гидрологическим режимом водохранилища. Установлено, что максимальное содержание НП в воде (до 0,068 мг/л) наблюдается в весенний период. Накопление НП в донных отложениях (до 265 мг/кг) происходит в летне-осенний период. Таким образом, осенний период характеризуется низким значением индекса загрязненности воды (ИЗВ=3,45) и является наиболее благоприятным для протекания процессов самоочищения водных объектов от тяжелых металлов и нефтепродуктов при комплексном влиянии исследуемых факторов.

Заключение

Впервые для региона проведено комплексное исследование пространственно-временного распределения тяжелых металлов и нефтепродуктов в почвенных и водных экосистемах (на примере Куйбышевского водохранилища Ульяновской области).

С применением статистических методов анализа установлено влияние физико-химических факторов на миграционные процессы тяжелых металлов (Zn, Cu, Ni, Cd, Pb) в экосистеме почвенный покров – поверхностные воды.