Содержание и распределение металлов в донных отложениях восточной части финского залива
Автор: Фокин Денис Петрович, Фрумин Григорий Тевелевич
Журнал: Общество. Среда. Развитие (Terra Humana) @terra-humana
Рубрика: Глобальный экологический кризис: мифы и реальность
Статья в выпуске: 1 (18), 2011 года.
Бесплатный доступ
Рентгеноспектральным флуоресцентным методом с применением рентгеновского спектрометра СПАРК-1М определено содержание двенадцати металлов в донных отложениях восточной части Финского залива. Выявлены статистически значимые зависимости между содержанием металлов в донных отложениях и кларками металлов в почвах.
Донные отложения, кларки, металлы, трофическая цепь, финский залив
Короткий адрес: https://sciup.org/14042570
IDR: 14042570
Текст научной статьи Содержание и распределение металлов в донных отложениях восточной части финского залива
Terra Humana
Финский залив расположен в восточной части Балтийского моря и омывает берега Финляндии, России и Эстонии. Длина – 390 км, ширина у входа – 70 км. Глубина от 100 м у входа в залив до 5 м и менее в восточной части (т.н. Невская губа). Площадь Финского залива – 29,5 тысяч км2. Финский залив мелководен. Средняя глубина – 38 м, максимальная глубина – 115 м, глубина Невской губы – от 2,5 до 6 м. Восточная часть Финского залива – часть залива от устья реки Невы до острова Гогланд. Площадь водного зеркала – 12,5 тыс. км2, объем водной массы – 276 км2.
В восточной части Финского залива выделяется ряд районов, различающихся своими специфическими чертами гидролого-гидрохимического и гидробиологического режимов: a) Невская губа – от устья р. Невы на востоке до комплекса защитных сооружений Санкт-Петербурга от наводнений (КЗС); b) мелководный район – от Невской губы до разреза мыс Шепелевский – мыс Флотский; c) глубоководный район – от Шепелевского разреза до о. Гогланд; d) Лужская и Копорская губы; e) Выборгский залив [12]. С другой стороны, по литологогеохимическим признакам Шепелевский район (плес) входит в состав Невского эстуария, а глубоководный Сескарский район выделяется в самостоятельный седиментационный бассейн, отделяющийся от Го-гландского плеса межостровным районом с пологорасчлененным рельефом [11].
Основными источниками поступления загрязняющих веществ в восточную часть Финского залива являются: р. Нева, атмосферный перенос загрязняющих веществ на акваторию, выпуски воды с очистных сооружений Санкт-Петербурга и диффузное поступление с прибрежных территорий, а также подводный перемыв донных отложений.
Донные осадки с экологической точки зрения давно привлекают внимание иссле- дователей, т.к. они являются в отличие от природных вод и, тем более, атмосферы, депонирующей средой. Это кроме эффекта накопления приводит и к возможности протекания медленных реакций по образованию новых химических соединений, токсичные свойства которых иногда могут быть более высокими, чем у первичных природных соединений. Металлы в природной среде, а особенно в донных отложениях, находятся в непрерывном процессе миграции, которая может осуществляться как в механической форме (вместе со слагающими частями осадка), так и в растворенной и коллоидальной форме, причем при этом происходит непрерывный обмен между гидросферой и литосферой через одну из известнейших геохимических барьерных зон «дно–вода». Металлы, являясь составной частью донных грунтов, попадают в организмы бентосов, далее – рыб и по трофическим цепям – в пищу человека и могут накапливаться в костях и тканях. В то же время для донных осадков отсутствует само понятие «предельные допустимые концентрации», что связано с санитарнотоксикологической сущностью данного показателя. Это существенно затрудняет понимание смысла термина «загрязнение», т.к. фоновые концентрации тяжелых металлов, во-первых, определяются гранулометрическим составом донных отложений, а, во-вторых, металлогенической специализацией региона. Именно поэтому тяжелые металлы в донных отложениях долгое время не являлись предметом изучения организаций Росгидромета, хотя в природных водах они определялись длительное время. Положение изменилось с развитием одного из направлений экологических исследований – геоэкологического мониторинга, в составе которого мониторинг геохимии донных отложений играет одну из ведущих ролей. Эти работы сосредоточились преимущественно в организациях

Рис. 1. Расположение станций пробоотбора.
в рамках геологической отрасли, которые уже располагали сформировавшимися методическими подходами к решению этой проблемы. Конкретно в российской части Финского залива изучение тяжелых металлов практически началось с постановкой здесь морских геолого-съемочных работ, включивший в свой состав в начале 90-х гг. блок геоэкологических исследований, который в свою очередь в конце 90-х гг. трансформировался в требование составления геоэкологических карт соответствующего масштаба. Закончившееся к концу 90-х гг. сплошное картирование морского дна, а также осознание экологических проблем, связанных с влиянием на экосистему Финского залива мегаполиса Санкт-Петербурга, хозяйственное освоение дна акватории привели к организации здесь наряду с традиционным мониторингом, проводимым организациями Росгидромета, Государственного мониторинга геологической среды, частью которого является и изучение распределения металлов в донных отложениях и оценка его временно-пространственных трендов.
Мнения о степени загрязнения донных осадков в регионе характеризуются широким разбросом: от утверждения об их полном техногенном преобразовании до уверенности в их нормальном состоянии [11]. Одной из наиболее полных работ, пос- вященных проблеме осадкообразования в восточной части Финского залива, является монография Н.В. Логвиненко [6], в которой, однако, вопросы геохимии практически не рассматривались.
Цель нашего исследования заключалась в оценке содержания и распределения двенадцати металлов (стронций, свинец, мышьяк, цинк, медь, никель, кобальт, хром, ванадий, барий, марганец, свинец) в донных отложениях восточной части Финского залива. Были отобраны и проанализированы пробы донных осадков с использованием рентгеновского спектрометра СПАРК-1М. Станции отбора проб приведены на рис. 1. Вся обследованная территория была условно разделена на три седиментационных бассейна: Шепелевский аккумуляционный район, Сескарский аккумуляционный район и Глубоководный аккумуляционный район. Отбор и анализ проб проводили в период с 2001 по 2009 гг. Весь процесс пробоподготовки и анализа проб был проведен в лаборатории морской геоэкологии ФГУНПП «Севморгео».
Математико-статистическая обработка результатов анализов включала вычисление статистических параметров содержания металлов в донных отложениях (среднее арифметическое, среднеквадратичное отклонение, доверительный интервал, коэффициент вариации CV, стандартная
Cреда обитания
ошибка, критерий Фишера) [8]. Кларки концентрации (КК) рассчитывались как отношение среднего содержания металла в донных отложениях к условному мировому кларку почв [2; 4] (табл. 1). Кларки концентрации характеризуют местные геохимические особенности донных отложений. Аналогичный анализ был проведен для каждого из вышеуказанных аккумуляционных районов.
Для оценки тесноты связи между переменными была использована шкала Чед-дока [7]. Согласно этой шкале для слабой тесноты связи значение коэффициента корреляции варьирует в интервале 0,1–0,3, для умеренной тесноты связи – 0,3–0,5, для заметной тесноты связи – 0,5–0,7, для высокой тесноты связи – 0,7–0,9 и для весьма высокой тесноты связи – 0,9–0,99.
Результаты проведенных анализов позволили выявить статистически значимые зависимости между содержанием металлов в донных отложениях восточной части Финского залива и кларками металлов в почве (табл. 2 и рис. 2).

lg[кларк]
Рис. 2. Зависимость содержания металлов в донных отложениях восточной части Финского залива от кларков металлов в почвах
Согласно шкале Чеддока, теснота связи между переменными [Me] и [кларк] весьма высокая, т.к. во всех рассмотренных случаях коэффициент корреляции r > 0,9. Более того, все модели адекватны (FP > FT) и могут быть использованы для предсказания содержания в донных отложениях тех металлов, данные для которых не были использованы при построении моделей, так как FP > 4FT. Статистически значимое
Таблица 1
Среднее содержание металлов в донных отложениях восточной части Финского залива и кларки металлов в почве (для всей обследованной территории)
Металл |
Zn |
N |
[Me], мг/кг |
[кларк], мг/кг |
CV |
КК |
Ванадий |
23 |
229 |
90 (86–94) |
100 |
0,38 |
0,90 |
Хром |
24 |
229 |
99 (95–103) |
150 |
0,36 |
0,66 |
Марганец |
25 |
171 |
741 (659–823) |
850 |
0,73 |
0,87 |
Железо |
26 |
210 |
35034 (32514–37554) |
38000 |
0,52 |
0,92 |
Кобальт |
27 |
221 |
25 (23–27) |
8 |
0,72 |
3,13 |
Никель |
28 |
217 |
39 (37–41) |
40 |
0,41 |
0,98 |
Медь |
29 |
222 |
114 (106–122) |
20 |
0,53 |
5,70 |
Цинк |
30 |
227 |
162 (152–172) |
50 |
0,50 |
3,24 |
Мышьяк |
33 |
220 |
43 (41–45) |
5,5 |
0,28 |
7,82 |
Стронций |
38 |
183 |
180 (168–192) |
300 |
0,44 |
0,60 |
Барий |
56 |
120 |
769 (703–835) |
500 |
0,46 |
1,54 |
Свинец |
82 |
187 |
43 (39–47) |
10 |
0,60 |
4,30 |
Примечание . Zn – порядковый номер химического элемента в периодической системе элементов Д.И. Менделеева, N – количество анализов, [Me] – содержание металла.
Terra Humana
Таблица 2
Количественные соотношения между содержанием металлов в донных отложениях восточной части Финского залива и кларками металлов в почве
Район |
Модель |
r |
FP/FT |
Шепелевский аккумуляционный район (модель I) |
lg[Me] = 0,772 + 0,755∙lg[кларк] |
0,940 |
15,6 |
Сескарский аккумуляционный район (модель II) |
lg[Me] = 0,729 + 0,789∙lg[кларк] |
0,944 |
16,8 |
Глубоководный аккумуляционный район (модель III) |
lg[Me] = 0,687 + 0,830∙lg[кларк] |
0,916 |
10,8 |
Все районы (модель IV) |
lg[Me] = 0,739 + 0,753∙lg[кларк] |
0,943 |
16,5 |
уравнение может быть использовано для прогнозирования лишь в том случае, если величина его F-критерия будет не менее чем в 4 раза превосходить табличное значение для уровня значимости 95% [3].
Для оценки точности прогнозирования была использована модель IV. Подставляя в эту модель величину кларка ртути в почвах (0,02 мг/кг), было рассчитано содержание этого элемента в донных отложениях восточной части Финского залива, оказавшееся равным 0,288 мг/кг. Это прогнозируемое значение не выходит за рамки доверительного интервала, рассчитанного нами по данным, приведенным в работе [11] – 0,368 (0,225–0,527) мг/кг. Кларк кадмия в почвах 0,5 мг/кг. При подстановке этой величины в модель IV прогнозируемое значение содержания кадмия в восточной части Финского залива будет равно 3,3 мг/кг. По данным вышеприведенной работы – 1,8 (1,2–2,4) мг/кг.
Для оценки уровня загрязненности почв использовали суммарный показатель загрязнения ZC, рассчитываемый по следующей формуле
ZC = ∑ ([Me] / ОДК0 – 1), где [Me] – средняя концентрация металла, мг/кг; ОДК0 – ориентировочно допустимая концентрация, ниже которой донные отложения рассматриваются как чистые [10]. Результаты расчетов представлены в табл. 3.
Таблица 3 Содержание металлов и сравнительная оценка уровней загрязненности донных отложений восточной части Финского залива
Металл |
ОДК 0 , мг/кг |
аккумуляционный район, мг/кг |
||
Шепе-левский |
Сескар-ский |
Глубоководный |
||
Медь |
35 |
125 |
101 |
109 |
Никель |
35 |
46 |
42 |
42 |
Свинец |
85 |
55 |
48 |
40 |
Цинк |
140 |
184 |
196 |
180 |
Мышьяк |
29 |
43 |
44 |
44 |
Хром |
140 |
131 |
107 |
94 |
Кадмий |
1,2 |
3,5* |
3,1* |
2,7* |
Z C |
5,2 |
3,9 |
3,5 |
* Примечание . Данные прогноза.
Как следует из данных, приведенных в табл. 3, по уровням загрязненности металлами донные отложения восточной части Финского залива ранжируются следующим образом:
Шепелевский аккумуляционный район (ZC = 5,2) > Сескарский аккумуляционный район (ZC = 3,9) > Глубоководный аккумуляционный район (ZC = 3,5) . Таким образом, по мере удаления от Невской губы уровни загрязненности металлами донных отложений уменьшаются. В наибольшей степени донные отложения всех исследованных районов загрязнены медью и кадмием.
Общая картина распределения химических элементов в различных оболочках Земли (литосфере, гидросфере, атмосфере, живом веществе, взятом как единое целое) определяется характером геохимической среды и свойствами самих химических элементов.
Одна из основных закономерностей в глобальном распределении химических элементов на Земле впервые была выявлена в 1914 г. Г. Оддо, показавшим, что хи- мические элементы с четными порядковыми номерами преобладают в земной коре и образуют 86,5% ее общей массы [1]. В дальнейшем (1915–1928 гг.) обнаруженная Г. Оддо закономерность была проверена и детализирована В. Гаркинсом, показавшим, в частности, что правило, описанное Г. Оддо, справедливо и для метеоритов, где элементы с четными порядковыми номерами составляют до 97,7% общей массы этих космических тел [1]. В настоящее время зависимость между среднегалактическим распространением химических элементов и их порядковым номером носит название правила Оддо-Гаркинса: среднегалактическая распространенность химических элементов с четными порядковыми номерами всегда более высокая, чем распространенность соседних химических элементов с нечетными порядковыми номерами. Необходимо также указать, что кривая кларков химических элементов является функцией порядкового номера эле-

23 24 25 26 27 28 29 30
Рис. 3. Распределение металлов в донных отложениях восточной части Финского залива и правило Оддо-Гаркинса.
Cреда обитания
ментов (Zn) в таблице Д.И. Менделеева: с увеличением порядкового номера элемента наблюдается убывание его кларка [9]. Отмеченные закономерности установлены для литосферы Земли и галактики в целом. В то же время в опубликованных работах отсутствуют данные о том, насколь- ко эти принципы применимы к донным отложениям.
Проведенный анализ показывает, что распределение металлов в донных отложениях восточной части Финского залива полностью соответствует правилу Оддо-Гаркинса (рис. 3).
Список литературы Содержание и распределение металлов в донных отложениях восточной части финского залива
- Вернадский В.И. Очерки геохимии. -М.: Наука, 1983. -423 с.
- Виноградов А.П. Геохимия редких и рассеянных элементов в почвах. -М.: АН СССР, 1957. -238 с.
- Дрейпер Н., Смит Г. Прикладной регрессионный анализ/Пер. с англ. -М.: Статистика, 1973. -392 с.
- Кист А.А. Феноменология биогеохимии и бионеорганической химии. -Ташкент: Изд. «ФАН» Узбекской ССР, 1987. -С.53.
- Ландау М.А. Молекулярные механизмы действия физиологически активных соединений. -М.: Наука, 1981. -C. 164-165.
- Логвиненко Н.В., Барков Л.С., Усенков С.М. Литология и литодинамика современных осадков восточной части Финского залива. -Л.: ЛГУ, 1988. -146 с.
- Макарова Н.В., Трофимец В.Я. Статистика в Excel/Уч. пос. -М.: Финансы и статистика, 2002. -252 с.
- Малинин В.Н. Статистические методы анализа гидрометеорологической информации/Учебник. -СПб.: РГГМУ, 2008. -408 c.
- Никаноров А.М. Правило Оддо-Гаркинса и распространенность химических элементов в пресноводных экосистемах//ДАН. Том 426. -2009, № 1. -С. 110-114.
- Нормы и критерии оценки загрязненности донных отложений в водных объектах Санкт-Петербурга. (Утверждены Главным государственным санитарным врачом по Санкт-Петербургу 17.06.1996 и Комитетом по охране окружающей среды и природных ресурсов Санкт-Петербурга и Ленинградской области 22.07.1996). -Интернет-ресурс. Режим доступа: http://bestpravo.ru/piter/data22/tex53465.htm
- Спиридонов М.А., Рыбалко А.Е. Литолого-геохимическая характеристика донных осадков/Финский залив в условиях антропогенного воздействия/Отв. ред. В.А. Румянцев, В.Г. Драбкова. -СПб.: ИНОЗ РАН, Северо-Балтийский морской фонд. 1999. -С. 67-106.
- Pitkanen H. Eutrophication of the Finnish coastal waters: Origin, fate and effects of riverine nutrient fluxes. -Helsinki: National Board of Waters and the Environment, Finland, 1994. -P. 45.
- Спиридонов М.А., Рыбалко А.Е. Литолого-геохимическая характеристика донных осадков/Финский залив в условиях антропогенного воздействия/Отв. ред. В.А. Румянцев, В.Г. Драбкова. -СПб.: ИНОЗ РАН, Северо-Балтийский морской фонд. 1999. -С. 67-106.
- Pitkanen H. Eutrophication of the Finnish coastal waters: Origin, fate and effects of riverine nutrient fluxes. -Helsinki: National Board of Waters and the Environment, Finland, 1994. -P. 45.