При экологической оценке гидроэкосистем наиболее информативным объектом изучения являются донные отложения (ДО), аккумулирующие загрязнения на протяжении длительного периода. Степень накопления загрязняющих веществ, в частности тяжелых металлов, во многом определяется дисперсностью ДО. При уменьшении размера фракций увеличивается удельная площадь поверхности частиц и, соответственно, сорбция металлов на поверхности материала взвеси. В суглинках и глинах по сравнению с песками наблюдается многократное превышение концентраций металлов, в связи с чем, оценка уровня загрязненности ДО и почв должна проводиться с учетом их гранулометрического состава.
На сегодняшний день в Российской Федерации отсутствуют предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ для ДО поверхностных водотоков и водоемов. ПДК, установленные для почв (ГН 2.1.7.2041-06), не учитывают специфику их состава. Ориентировочно допустимые концентрации (ОДК) (ГН 2.1.7.2511-09), разработанные с учетом физико-химических свойств почв (гранулометрического состава, рН), позволяют оценить загрязнение только Pb, Cu, Ni, Zn, Cd и As.
В данной работе предложен способ оценки загрязнения ДО тяжелыми металлами с учетом гранулометрического состава образцов.
Материалы и методы. Работа выполнена в лаборатории экотоксикологии Тобольской комплексной научной станции УрО РАН (аттестат аккредитации № РОСС RU.0001.516420). Изучен физико-химический состав 63 образцов ДО реки Иртыш, отобранных в пределах Тобольского и Уватского районов Тюменской области. Определено валовое содержание химических элементов (Al, Fe, Mn, Pb, Cr, Zn, Ni, Cu, Co и As) методом атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно связанной плазмой. Установлен гранулометрический состав образцов при использовании метода Рутковского.
Результаты исследования и их обсуждение. Выявлена неоднородность исследуемых образцов ДО по гранулометрическому составу – содержание песка в отдельных пробах колебалось от 27 до 100 %, глины – от 0 до 15 %, ила – от 0 до 63 %.
Установлены сильные и средней силы корреляции между валовым содержанием металлов в ДО и показателями гранулометрического состава грунта (таблица). Корреляции металлов с процентным содержанием песка в пробах имели отрицательный характер (r2), с содержанием глины – положительный (r2). С показателями глины наблюдались более тесные связи. В суглинках илистых по сравнению с песчаными образцами выявлено превышение концентраций металлов в 3-6 раз.
Зависимость содержания металлов в донных отложениях реки Иртыш от процентного содержания глины и песка
|
Уравнение множественной регрессии |
r1 |
r2 |
R |
R2 |
А |
|
[Al]=3490.58+1704.23[clay]-34.67[sand] |
0.81 |
-0.70 |
0.81 |
0.65 |
52 % |
|
[Fe]=11735.36+1128.13[clay]-99.57[sand] |
0.79 |
-0.75 |
0.80 |
0.65 |
35 % |
|
[Mn]=28.85+40.78[clay]-0.06[sand] |
0.71 |
-0.59 |
0.71 |
0.50 |
38 % |
|
[Pb]=52.41+4.98[clay]-0.47[sand] |
0.81 |
-0.77 |
0.83 |
0.68 |
36 % |
|
[Cr]=25.92+1.32[clay]-0.19[sand] |
0.69 |
-0.68 |
0.72 |
0.51 |
47 % |
|
[Zn]=20.82+2[clay]-0.17[sand] |
0.76 |
-0.72 |
0.77 |
0.60 |
38 % |
|
[Ni]=9.73+0.7[clay]-0.0563[sand] |
0.61 |
-0.57 |
0.62 |
0.38 |
47 % |
|
[Cu]=5.92+0.83[clay] -0.055 [sand] |
0.81 |
-0.75 |
0.82 |
0.67 |
47 % |
|
[Co]=4.88+0.38[clay]-0.0387[sand] |
0.82 |
-0.79 |
0.84 |
0.71 |
29 % |
|
[As]=3.41+0.17[clay]-0.0236[sand] |
0.68 |
-0.67 |
0.71 |
0.50 |
42 % |
Примечание. clay – от 0 до 15 %, sand – от 27 до 100 %.
Построены уравнения множественной регрессии, отражающие математическую зависимость концентрации металла от двух предикторов – доли песка (sand) и глины (сlay) в образце ДО (таблица). На основе данных уравнений, определив процентное содержание гранулометрических фракций в ДО, можно предсказать наиболее вероятные значения концентрации металла в анализируемом образце. Наибольшие величины индекса множественной корреляции (R>0,80) и коэффициента детерминации (R2>0,65) получены для Co, Pb, Cu, Al, Fe. При использовании F-критерия Фишера установлено, что все коэффициенты детерминации статистически значимы и уравнения регрессии статистически надежны. Средняя ошибка аппроксимации (А), отражающая величину отклонений фактических значений концентрации металла от теоретических значений, рассчитанных по уравнению регрессии, составила от 29 до 52 %.
Предложен способ оценки загрязнения ДО тяжелыми металлами. На основе анализа ДО водных объектов, не подверженных антропогенному загрязнению, устанавливается математическая зависимость между концентрацией металла и процентным содержанием песка и глины, описываемая уравнением регрессии, определяется средняя ошибка аппроксимации. В анализируемом образце ДО оценивается фактическое содержание металла. На основе данных о гранулометрическом составе образца ДО и ранее построенного уравнения регрессии рассчитывается теоретическое значение концентрации металла. В случае, когда разница между фактическим и теоретическим значением превышает среднюю ошибку аппроксимации, делается вывод о загрязнении водного объекта тяжелым металлом.