Распределение тяжелых металлов в донных отложениях разнотипных озер Волжско-Камского заповедника

DOI: 10.24411/9999-010A-2019-10121

М.А. УНКОВСКАЯ

Волжско-Камский государственный природный биосферный заповедник, пос. Садовый; Казанский (Приволжский) федеральный университет, г. Казань, Россия

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЯХ РАЗНОТИПНЫХ ОЗЕР ВОЛЖСКО-КАМСКОГО ЗАПОВЕДНИКА

Введение

Донные отложения, представляющие собой сложную открытую физико-химическую систему, являются наиболее информативным объектом при геоэкологической оценке поверхностных вод. Они выступают в качестве природного сорбента, аккумулируя поступающие в водоем загрязняющие вещества, и в тоже время часто служат источником вторичного загрязнения. Изучая донные осадки, можно реконструировать историю развития озера, оценить интенсивность антропогенного воздействия и спрогнозировать развитие гидроэкосистемы.

Экологический мониторинг химического состава поверхностных вод Раифского участка Волжско-Камского заповедника осуществляется более 30 лет (Унковская и др, 2016), выявлен видовой состав фито-и зоопланктона. С 2016 г. начаты исследования донных отложений (Иванов и др, 2017; Шерышева, 2016).

Гидрологическая сеть участка представлена разнотипными озерами, связанных в единую систему малыми р.р. Сумка и Сер-Булак. Наиболее крупные водоёмы -проточные озера карстово-суффозионного происхождения (оз. Белое, Раифское, Ильинское) - находятся в долине р. Сумка. В бассейне р. Сер-Булак расположены проточные озера Линево и Карасиха. К системе двух рек относятся бессточные суффозионные озера (оз. Илантово Круглое, Моховое, Крутое, Шатуниха) и отдельная группа озер, расположенных в «окнах» торфяных болот (оз. Гнилое, Долгое). Площади озер составляют от 0,4 до 33 га, максимальные глубины - от 1,5 до 19,5 м.

Бассейн р. Сер-Булак практически полностью залесен, а водосборная площадь р. Сумка больше чем на половину занята сельскохозяйственными угодьями, где большое развитие получили эрозионные процессы, которые стали причиной деградации водоемов Раифы (Ермолаев, 2006). Взвешенные вещества, поступающие в озера при смыве почв, приводят к изменению морфометрических показателей и, в совокупности с другими химико-биологическими процессами, к заилению и изменению качества воды.

Анализ изменения морфометрических показателей озер заповедника и его охранный зоны показал, что наибольшее количество взвешенных частиц в период весеннего половодья принимает первое по течению реки Сумка оз. Белое. Для озер данной реки характерно минеральное заиление, вызванное бассейновой эрозией в верхнем течении водотока. Стратиграфические исследования донных отложений на оз. Раифское подтвердили современное влияние весеннего стока р. Сумка и особенности аллохтонного и автохтонного осадконакопления в водоеме. По оценке скорости осадконакопления в последующие сто лет прогнозируется сокращение средней глубины водоема не менее чем на 50 см и на участках профундали до 2 метров, при сохранении существующих темпов седиментации (Иванов и др., 2011). Кроме того, химический анализ показал постепенный рост содержания органических веществ в современных донных отложений, по сравнению с более древними, а также значительное накопление в их составе биогенных элементов. Изменение морфометрических показателей оз. Линево связано в большей степенью с заболачиванием, чем с заилением, что характерно и для бессточных водоемов.

© 2019 Унковская Мария Андреевна, mashaunkovskaya@mail.ru

Объекты и методы исследования

В летний период 2016 г. отбор проб донных отложений производился на системе постоянных мониторинговых станций в профундале и литорале озер Раифского участка заповедника и его охранной зоны. Для сравнительного исследования были выбраны проточные озера рр. Сумка и Сер-Булак (оз. Белое,оз. Раифское, оз.Линево и оз. Карасиха), бессточные - оз. Илантово, оз. Долгое.

Отбор образцов производился из поверхностных горизонтов (0-10 см) дночерпателем Петерсона по стандартным методикам (ГОСТ 17.1.5.01-80). Отобрано 19 поверхностных проб донных отложений. В проточных озерах были исследованы глубоководные точки и места впадения и выхода рек, в бессточных -профундаль и прибрежные зоны с макрофитами.

Анализы выполнены в лаборатории ИПЭН АН РТ по следующим методикам: водородный показатель - на рН-метре - 150 МИ согласно ГОСТ 26423-85; содержание органического вещества (ОВ) производилось методом определения изменения массы при прокаливании (ППП) (ГОСТ 26213-91); содержание валовых (кислоторастворимых) (РД 52.18.191-89) и подвижных (ацетатно-аммонийный буфер с рН=4.8) форм тяжелых металлов (ТМ) (Pb, Zn, Ni, Cd, Co, Cu,Cr, Mn, Fe) согласно РД 52.18.289-90. Конечное определение металлов в растворе выполнено атомно-абсорбционным методом на спектрофотометре «Analyst-400». Для оценки уровня содержания металлов в составе донных отложений озер проводили сравнение с региональными фоновыми концентрациями (Иванов, 2017).

Результаты и их обсуждение

Содержание ТМ в донных отложениях - один из наиболее объективных и надёжных показателей загрязнения водоёма. Концентрации ТМ изменялись в широком диапазоне (табл.). Вариабельность содержания подвижных форм тяжелых металлов в донных отложениях схожа с их валовыми концентрациями. Большой масштаб варьирования имеют такие элементы как: кобальт, медь, никель, цинк, хром и марганец. Наименьшим разбросом значений отличаются кадмий, железо и свинец. Концентрация элементов варьирует в зависимости от типов грунтов, наличия органического вещества и физико-химических свойств отложений.

По отношению к региональному фону валовое содержание ТМ в донных отложениях варьирует от 1,1 до 5,3, в среднем составляя 1,5. Данные величины обусловлены природными вариациями состава и свойств отложений и могут не оцениваться как наличие загрязнения. Так, например, относительное накопление отдельных металлов (Pb, Cu, Zn) в донных отложениях профундали оз. Линево и Карасиха обусловлено биогенным фактором. Отдельно следует выделить кадмий, валовое содержание и концентрации подвижных форм которого превышают региональный геохимический фон во всех исследуемых озерах. В данном случае необходимо провести более детальные геохимические исследования и проверить его антропогенный генезис. В отложениях глубоководной зоны всех исследуемых озер, сложенной тонкодисперсными илами, фиксировались участки дна с накоплением ТМ. Контрастная геохимическая аномалия по ряду металлов зафиксирована также на прибрежной станции на оз. Раифское.

Среднее содержание подвижных форм ТМ в донных отложениях озер превышает также региональные фоновые показатели, что может быть связано с кислой реакцией среды осадков, при которой большинство исследованных металлов активно вовлекается в миграционные потоки. ЗначениерН в донных отложениях озер Раифского участка заповедника изменяются от кислых до нейтральных. Нейтральная реакция среды водных грунтов (6,62-7,66) характерна для проточных озер в долине р. Сумка, кислая (3,33-5,77) для озер, подверженных заболачиванию, как проточных (оз. Линево),

так и бессточных (оз. Илантово). Среднее значение для озер заповедника составило 6 ед. рН.

Таблица. Вариационно-статистические показатели содержания валовых и подвижных форм ТМ в донных отложениях озер, мг/кг

Показатели* Cd Pb Co Cu Ni Zn Cr Mn Fe

Валовое содержание

M 0.7 11.7 7.3 22.3 27.6 52.0 15.9 472.2 14950.4

Me 0.5 11.3 8.3 18.5 28.6 50.4 11.9 389.7 16554.0

Min 0.2 1.8 1.3 2.2 4.1 6.0 2.2 96.0 2401.2

Мах 2.2 26.0 11.0 87.8 48.7 107.1 34.1 1157.8 32606.9

G 0.3 4.8 3.2 13.2 12.3 17.2 8.7 250.9 7075.7

Фон 0.41 14.7 7.9 23.2 35.6 61.5 23.9 393.3 20900

Подвижные формы

M 0.22 2.9 1.2 1.3 2.8 16.3 0.55 157.1 319.1

Me 0.16 2.9 0.5 1.1 2.0 10.5 0.52 149.6 324.72

Min 0.06 0.5 0.07 0.3 0.03 1.2 0.05 20.4 84.0

Мах 0.56 6.0 5.2 4.4 13.3 65.9 1.36 444.2 723.6

G 0.12 1.3 1.1 0.7 1.9 12.6 0.28 96.8 113.5

Фон 0.05 1.5 0.5 0.7 1.5 6.7 1.0 140 200

Примечание: *М-среднее арифметическое; Ме-медиана; Min, Мах-минимальное и максимальное значение; с-среднее квадратическое отклонение

Распределение органического вещества в донных отложениях зависит от морфометрических показателей озер и типов грунта. Минимальные показатели ОВ фиксировались в местах впадения рек в озера (оз. Раифское - впадение р. Сумка, оз. Карасиха - впадение р. Сер-Булак), где донные отложения представлены песками. Достаточное высокое содержание ОВ было отмечено в профундали оз. Карасиха, что связано с осаждением большого количества высшей водной растительности и поступлением болотных вод с р. Сер-Булак. Максимальные показатели отмечаются в заболачивающихся озерах как проточных, так и бессточных (оз. Линево, Илантово, Долгое).

От уровня содержания ОВ в грунтах напрямую зависит подвижность (доля от валового содержания) металлов в донных отложениях. Геохимический ряд металлов по убыванию подвижности (%) в составе отложений выглядит следующим образом: Mn (39) - Cd (33) - Zn (27) - Pb (25) - Co (15) - Ni (8) - Cu (7) - Cr (5) - Fe (3). Кадмий, кобальт, никель, цинк и марганец более подвижны в глинистых илах. Свинец и медь проявляют большую относительную подвижность в песчаных осадках в сравнении с илами и органическими отложениями. Хром в одинаковой степени подвижен в песчаных и илистых отложениях, но ввиду слабого сродства с органическим веществом обнаруживает очень низкую миграционную активность в торфянистых отложениях. В отношении железа можно наблюдать примерно равные значения относительной подвижности во всех типах отложений, не превышающую 2% от валового содержания металла.

Частные особенности распределения ТМ в донных отложениях в зависимости от гидрологических особенностей водосбора и физико-химических свойств грунтов

требует более детального изучения для оценки экологического состояния заповедных озер.

Автор выражает благодарность д.х.н. В.З. Латыповой, к.б.н. Д.В. Иванову, В.В. Маланину и другим сотрудникам лаборатории Института проблем экологии и недропользования АН РТ за помощь в обработке и анализе проб, за ценные советы и замечания.

Список литературы

Ермолаев О.П. Оценка интенсивности экзодинамических процессов в бассейне Раифского участка Волжско-Камского заповедника (на примере склоновой эрозии) // Особенности функционирования особо охраняемых природных территорий,

расположенных в густонаселенных районах. Казань, 2006. С. 51-60.

Иванов Д.В., Зиганшин И.И., Осмелкин Е.В. Оценка скорости осадконакопления в озерах Казани и Приказанья // Георесурсы. 2011. № 2. С. 46-48.

Иванов Д.В. Региональные фоновые концентрации загрязняющих веществ в системе мониторинга окружающей среды в Республике Татарстан // Мониторинг состояния и загрязнения

окружающей среды. Основные результаты и пути развития. Тез. докл. Всеросс. науч. конф.. М., 2017. С. 538-539.

Унковская Е.Н., Тарасов О.Ю. Гидрохимический режим водоёмов и водотоков Раифского участка Волжско-Камского заповедника и его охранной зоны // Тр. Волжско-Камск. гос. природного биосферного заповедника. Казань, 2016. Вып. 7. С. 9-40.

Шерышева Н.Г. Типы, гранулометрический состав и водно-физические свойства донных отложений водоемов Волжско-Камского заповедника // Тр. Волжско-Камск. гос. природного биосферного заповедника. Казань, 2016. Вып. 7. С. 41-55.