Экологически допустимые концентрации металлов в  озерах Казахстана

глобальный экологический кризис:

мифы и реальность

УДК 504.4.054 ББК 20.18

г.т. фрумин, Ю.в. Крашановская

экологически допустимые концентрации металлов

в озерах казахстана

Рассмотрены основные недостатки федеральных рыбохозяйственных предельно допустимых концентраций веществ. Представлены результаты расчетов тремя методами экологически допустимых концентраций (ЭДК) металлов в восьми озерах Казахстана. Выявлены статистически значимые соотношения между величинами ЭДК и их кларками в земной коре.

Ключевые слова:

кларки металлов в земной коре, металлы, озера Казахстана, предельно допустимые концентрации (ПДК), экологически допустимые концентрации.

В настоящее время система ПДК подвергается справедливой и аргументированной критике, и наметилась тенденция к оценке состояния водных объектов с позиций сохранения структуры и функциональных особенностей гидроэкосистемы, а не с точки зрения потребностей конкретного природопользователя, т.к. «необходимо научиться прогнозировать отклик экосистемы в целом на совокупное внешнее воздействие, а не какого-либо ресурсного звена, обусловливающего практический интерес потребителя» [4, с. 60-70].

Систематизация основных аргументированных претензий к действующей системе ПДК сводится к следующему [1, с. 4151; 2, с. 707-713; 3, с. 27-29; 8, с. 5-9; 10, с. 45-46; 12, с. 45-53; 13, с. 107-111].

- Концентрация веществ в воде не отражает токсикологическую нагрузку на экосистему, так как не учитывает процессы аккумуляции веществ в биологических объектах и донных отложениях. Так, в воде, содержащей 0,004 млн долей ДДТ на 1 л в конце пищевой цепи, после планктона и рыб, на 1 кг веса бакланов приходится уже 26,4 млн долей ДДТ. Иными словами, вне поля зрения системы ПДК оказываются такие процессы, как аккумуляция загрязняющих веществ различными водными организмами, например водорослями, с последующим высвобождением их во время массового (например, сезонного) от-

мирания. В этих случаях возможны высокие концентрации загрязняющих веществ на тех участках водных объектов, где сброс сточных вод нормировался, и концентрации загрязняющих веществ были в пределах нормы.

- Федеральные ПДК не учитывают специфику функционирования водных экосистем в различных природно-климатических зонах (широтная и вертикальная зональность) и биогеохимических провинциях (естественные геохимические аномалии с различным уровнем содержания природных соединений), а значит, и их токсикорезистентность. Так, разные биогеохимические провинции (и отдельные водоемы) отличаются друг от друга по содержанию в поверхностных водах свинца в 2000 раз, никеля - в 1350, цинка - в 500, меди - в 10000, хрома - в 17000 раз. Неучет этого влияет на величины ПДК, рекомендуемые в масштабах всего государства и неприемлемые для регионов с низким фоновым содержанием данного элемента. Как правило, не исследуется региональная специфика самоочищающей способности экосистем, применяются единые ПДК для экосистем в различных климатических и биогеоценотических условиях. В некоторых регионах страны природный фон концентраций ряда химических веществ, например металлов, весьма высок и превышает ПДК в несколько раз.

- Не учитываются эффекты синергизма, антагонизма, суммации. В частности, принцип суммирования (при многокомпонентном сбросе), используемый в расчетах токсикологической нагрузки веществами одного лимитирующего показателя вредности (ЛПВ), некорректен для сублетальных концентраций загрязняющих веществ. Количественное содержание многокомпонентной смеси ниже ПДК для каждого отдельного вещества еще не свидетельствует о ее безопасности для водного биоценоза. Смесь загрязняющих веществ может давать сложный токсический эффект, который нельзя свести к сумме действия составных частей смеси.

- При обосновании ПДК не учитывается разный трофический статус экосистем, сезонные особенности природных факторов, на фоне которых проявляется токсичность загрязняющих веществ. Действие токсикантов на водные организмы существенно зависит от таких показателей как температура, содержание кислорода, рН, общая жесткость и т. д.

- Процессы трансформации загрязняющих веществ в водных экосистемах включают целый ряд стадий, причем нередко промежуточные продукты превращений оказываются более токсичными, чем исходные загрязняющие вещества.

- Формирование таблиц ПДК не поспевает за поступлением новых загрязняющих веществ в водные объекты. Очевидно, что темпы синтеза новых веществ несоизмеримы с темпами нормирования их воздействия. Это ставит под сомнение репрезентативное обеспечение оценки состояния и качества среды только на основе системы ПДК.

Перечисленные, а также некоторые другие недостатки, не отвергают необходимость оценки состояния водных объектов по ПДК, но свидетельствуют о необходимости разработки новых подходов. Каждый водный объект представляет собой единую экосистему, поэтому задачу охраны вод надо решать с научно-обоснованных экологических позиций. Иными словами, обобщая представленный материал, мы неизбежно приходим к выводу об экологической целесообразности регионального регламентирования антропогенной токсикологической нагрузки на водные экосистемы.

В июле 1985 г. Верховный Совет СССР после рассмотрения вопроса об охране природы в нашей стране принял постановление, в котором, в частности, Государственному комитету СССР по гидро-

метеорологии и другим министерствам и ведомствам было поручено провести в 1986-1990 гг. комплекс научных исследований с целью перевода всей системы государственного контроля загрязнения окружающей среды на экологическую основу. Было предложено разработать принципиально новый подход к нормированию антропогенных воздействий, основанный на экологическом нормировании техногенных загрязнений различных элементов географической оболочки.

Проблема экологического нормирования обсуждается в специальной литературе достаточно давно, и к настоящему времени разработаны методологические основы обоснования предельно допустимых экологических нагрузок. Тем не менее, во многих публикациях продолжают преобладать общие рассуждения и отсутствуют конструктивные предложения, которые можно было бы использовать при экологическом нормировании. Возникает впечатление, что количество предложенных подходов к решению этой проблемы равно количеству занимающихся ею ученых. Можно предположить, что в конечном итоге все же будет создана общая теория, которая объединит все подходы и взгляды на механизм функционирования экосистем и позволит учесть эти механизмы при экологическом нормировании антропогенного воздействия. Следует, однако, признать, что запросы практики требуют незамедлительного перехода от общих рассуждений о необходимости экологического нормирования к созданию научно обоснованных методов расчета допустимых экологических нагрузок на пресноводные, морские и иные экосистемы.

Экологическое нормирование призвано ограничить антропогенные воздействия рамками экологических возможностей и нацелено на оптимизацию взаимодействия человека с природой, на оптимизацию использования возобновляемых природных ресурсов.

В общем виде экологическое нормирование предусматривает:

- учет при оценке последствий антропогенного воздействия множественности путей загрязнения и самоочищения элементов биосферы;

- поиск «критических» звеньев биосферы и факторов воздействия;

- развитие подходов к нормированию воздействий с учетом их влияния на природные экосистемы.

Таблица 1 153

географические координаты и морфометрические характеристики

Озеро географические координаты Площадь озера, км2 Средняя глубина, м максимальная глубина, м

Копа 53°15' с.ш., 69°44' в.д. 13,80 2,6 3,50

Боровое 53°04' с.ш., 70°17' в.д. 10,00 3,2 4,00

Большое Чебачье 59°20' с.ш., 78°56' в.д. 21,61 8,3 31,60

Малое Чебачье 53°17' с. ш., 69°87' в.д. 19,80 6,3 10,93

Щучье 52°59' с.ш., 70°13' в.д 19,60 18,5 31,00

Майбалык 53°15' с.ш., 70°13' в.д 21,00 1,4 2,00

Зеренда 52°54' с.ш., 69°09' в.д. 10,00 4,8 8,50

Султан Кельды 50°29' с.ш. 69°30' в.д. 36,10 1,8 2,50

Основным критерием при определении допустимой антропогенной нагрузки является отсутствие снижения продуктивности, стабильности и разнообразия экосистемы. Гибель отдельных организмов в этом случае не представляется критической.

В связи с изложенным, цель данного исследования заключалась в оценке экологически допустимых концентраций металлов (ЭДК) в некоторых озерах Казахстана.

материалы и методы исследования

В работе были рассмотрены восемь озер Казахстана, географические координаты и характеристики которых приведены в табл. 1.

Первичные данные для анализа были заимствованы из ежегодников химической лаборатории государственного предприятия «Центр гидрометеорологического мониторинга» РГП Казгидромет, входящего в состав Министерства экологии и охраны окружающей среды Республики Казахстан. Для установления экологически допустимых концентраций (ЭДК) металлов были использованы три варианта расчетов:

ЭДК! = Сср + 2а (см. [11]) (1);

ЭДК2 = ВК + 1,5(ВК - НК) (см. [6]) (2); ЭДК3 = Сср(1 + а/СсР) (см. [7]) (3),

где ССР - средняя концентрация металла за рассматриваемый период, а - средне-квадратическое отклонение, ВК - верхняя квартиль распределения, НК - нижняя квартиль распределения.

Обоснование подхода С.А. Патина к экологическому нормированию сводится к следующему. Один из распространенных подходов к определению критических точек основан на предположении, что критерием нормального состояния экосистемы является нормальный закон распределения ее переменных [11].

В соответствии с основными положениями биогеохимии и геохимической экологии, организмы и биоценозы эволюционно адаптировались к химическим факторам среды. Из этого следует, что существующие в настоящее время средние концентрации металлов в Мировом океане оптимальны для его биотического населения, а крайние пределы отражают соответственно критические уровни недостаточного (если элемент необходим для жизнедеятельности) или избыточного (если элемент токсичен) содержания металлов в морской воде. Последний уровень является естественной, эволюционно обусловленной границей зоны максимально допустимого содержания металла для всего населения Мирового океана.

На основании изложенного С.А. Пати-ным был разработан биогеохимический подход к нормированию ПДК тех химических элементов, которые являются одновременно и естественными микрокомпонентами состава воды и распространенными антропогенными примесями в морских экосистемах. Каждый из таких компонентов среды должен иметь свой биологически допустимый (толерантный) для гидробионтов диапазон концентраций в воде, в пределах которого организмы, их сообщества и популяции располагают возможностями оптимальной реализации своих физиологических, экологических и других функций. Границы диапазонов концентраций каждого элемента устанавливают для океанических и морских условий, так как пределы колебаний и причины изменчивости содержания металлов в пелагиали океана и в морских бассейнах различны. Количественная оценка верхнего биогеохимического порога экологической толерантности (ЭДК1) проводится по формуле (1).

В отличие от рыбохозяйственных ПДК, устанавливаемых, в основном, по токсико-

логическому признаку вредности на уровне организмов и популяций, биогеохимические ПДК (ЭДК) определяются даже не для отдельных видов и популяций, а для всей биоты морей и океанов с точки зрения устойчивости основных структурных и функциональных характеристик биоценозов, то есть на более высоком экосистем-ном уровне.

Согласно Д.Г. Замолодчикову, современные статистические методы предоставляют возможность при достаточно большом наборе данных определить значения «выпадающие» из данного распределения. Верхнюю границу «выпадающих» значений, рассматриваемую как экологически допустимый уровень (ЭДК2), можно найти по уравнению (2).

Верхняя граница «выпа дающих» значений рассматривается как экологически допустимый уровень для тех факторов, с возрастанием значений которых связано ухудшение экологического состояния.

Отличительной чертой рассмотренного подхода к экологическому нормированию допустимых уровней нагрузок на экосистемы является то, что анализу подвергается воздействие антропогенных факторов на реальные экосистемы, причем основой для такого анализа служат интегративные характеристики экосистем - экологические модификации. Согласно Д.Г. Замолодчикову, взаимодействие различных внешних факторов может существенно изменить картину влияния, однако в оценку ЭДК по данному бассейну входит сложившийся в нем характер взаимодействия факторов, что приводит к существенному различию ЭДК по одному фактору в разных бассейнах.

Согласно В.Н. Маркину и Е.В. Горбачевой [7], при проведении природоохранных мероприятий важно сохранить водный объект в состоянии, близком к естественному, с соответствующей способностью к самоочищению. Очевидно, что естественное состояние водного объекта сохранится в случае изменения концентрации конкретного вещества в воде в пределах естественного среднемноголетнего диапазона изменения концентраций, т.е. в случае изменения концентраций в пределах наиболее вероятного диапазона для естественных условий. В этом случае расчет ЭДК3 проводится по формуле (3).

Для последующих расчетов были использованы средние значения ЭДКС из трех величин - ЭДК1, ЭДК2 и ЭДК3.

Наряду с изложенным, представлялось интересным выявить связь между величинами ЭДКС и кларками металлов в земной коре. Средние содержания (кларки) химических элементов в земной коре были заимствованы из [9, с .30] (табл. 2).

Результаты и их обсуждение

Результаты расчетов величин ЭДК1. ЭДК2, ЭДК3 и их средних значений (ЭДКС) приведены в табл. 3.

При математико-статистической обработке данных, приведенных в таблицах 3 и 4, были выявлены статистически значимые зависимости между величинами ЭДКС и кларками металлов в земной коре (табл. 4).

Как следует из приведенных статистических характеристик, все аналитические уравнения адекватны > FT) и могут быть использованы для предсказания величин ЭДУС для тех металлов,

Среднее содержание (кларки) химических элементов в земной коре

Таблица 2

Элементы Порядковый номер кларк, % масс.

Ртуть 80 7,240-6

Кадмий 48 1,740-5

Молибден 42 1,240-4

Мышьяк 33 1,840-4

Свинец 82 1,340-3

Кобальт 27 2,340-3

Медь 29 5,340-3

Цинк 30 6,840-3

Никель 28 7,040-3

Хром 24 9,340-3

Марганец 25 9,040-2

Железо 26 5,33

Алюминий 13 8,07

Таблица 3

Величины экологически допустимых концентраций химических элементов в озерах

Казахстана, мкг/дм3

ЭДК Ре Си гп Сг овш н? А1 са РЬ АЭ Со Мп N1 Мо

Озеро Копа

ЭДК1 532 6,4 13,5 4,3 0,06 373 2,1 4,7 3,0 1,6 147 4,5 3,8

ЭДК2 600 5,0 12,0 2,5 0,05 542 0,2 5,0 2,7 2,0 175 2,9 3,5

ЭДК3 381 4,1 9,0 2,5 0,04 271 1,2 3,3 2,2 1,2 105 3,0 2,7

ЭДКс 504 5,2 11,5 3,1 0,05 395 1,2 4,3 2,6 1,6 142 3,5 3,3

Озеро Боровое

ЭДК1 379 7,2 11,5 3,0 0,04 326 2,7 4,5 2,5 3,7 73 4,4 4,7

ЭДК2 350 5,0 11,0 0,0 0,04 403 0,4 6,1 1,5 2,4 107 2,1 3,5

ЭДК3 274 4,4 7,5 1,6 0,03 226 1,5 3,1 1,7 2,2 51 2,9 3,3

ЭДКС 334 5,5 10,0 1,5 0,04 318 1,5 4,6 1,9 2,8 77 3,1 3,8

Озеро Большое Чебачье

ЭДК1 432 7,3 11,8 4,2 0,03 285 1,6 2,7 3,5 1,0 69 4,1 6,7

ЭДК2 369 4,6 11,8 4,1 0,04 325 0,3 2,6 4,9 1,0 93 4,2 6,7

ЭДК3 283 4,5 8,1 2,6 0,03 203 1,0 1,9 2,5 0,6 46 2,9 4,9

ЭДКс 361 5,5 10,6 3,6 0,03 271 1,0 2,4 3,6 0,9 69 3,7 6,1

Озеро Малое Чебачье

ЭДК1 313 6,7 10,6 6,0 0,04 387 0,99 3,3 7,9 3,6 102 3,5 6,8

ЭДК2 150 4,1 9,1 3,6 0,06 563 0,19 4,3 12,1 2,5 88 3,0 8,2

ЭДК3 228 4,4 6,9 3,6 0,03 278 0,57 2,3 5,4 2,4 67 2,5 4,8

ЭДКС 230 5,1 8,9 4,4 0,04 409 0,58 3,3 8,5 2,8 86 3,0 6,6

Озеро Щучье

ЭДК1 566 6,7 10,1 6,1 0,04 304 0,97 7,7 3,9 5,7 79 8,7 12,9

ЭДК2 361 5,0 9,5 2,5 0,04 425 0,41 4,2 2,9 1,1 90 2,9 15,8

ЭДК3 370 4,2 7,1 3,5 0,03 216 0,61 4,8 2,9 3,2 54 5,5 9,2

ЭДКс 432 5,3 8,9 4,0 0,04 315 0,66 5,6 3,2 3,3 74 5,7 12,6

Озеро Майбалык

ЭДК1 406 5,0 7,9 5,9 0,05 - - - - - - - -

ЭДК2 371 4,8 6,4 2,5 0,06 - - - - - - - -

ЭДК3 278 3,4 5,4 3,5 0,03 - - - - - - - -

ЭДКС 352 4,4 6,6 4,0 0,05 - - - - - - - -

Озеро Зеренда

ЭДК1 252 13,6 16,8 7,1 0,04 337 0,26 3,5 6,0 1,3 92 6,9 9,4

ЭДК2 150 11,2 18,1 6,5 0,06 346 0,15 1,8 5,5 1,3 70 3,4 9,8

ЭДК3 175 8,9 11,4 4,8 0,03 249 0,19 2,3 4,4 0,9 59 4,5 6,5

ЭДКс 192 11,2 15,4 6,1 0,04 311 0,20 2,5 5,3 1,2 74 4,9 8,6

Озеро Султан Кельды

ЭДК1 603 5,9 16,4 8,6 0,06 439 0,25 7,4 8,9 2,9 179 15,4 8,0

ЭДК2 443 7,8 13,1 6,2 0,07 388 0,22 11,0 5,3 1,6 124 7,8 10,6

ЭДК3 406 4,2 10,8 5,3 0,05 307 0,18 5,5 5,7 1,8 115 9,9 5,6

ЭДКС 484 6,0 13,4 6,7 0,06 378 0,22 8,0 6,6 2,1 139 11,0 8,1

156 Таблица 4

Аналитические зависимости между ЭДкС и ларками металлов в земной коре

Озеро Аналитическое выражение Статистические характеристики

Копа 1п[ЭДКС] = 4,954 + 0,55Нп[кларк] N = 13; г = 0,921; г2 = 0,848; ау(х) = 1,03; Fp/FT = 12,9

Боровое 1п[ЭДКС] = 4,642 + 0,5184п[кларк] N = 13; г = 0,904; г2 = 0,818; ау(х) = 1,08; Fp/FT = 10,4

Большое Чебанье 1п[ЭДКС] = 4,650 + 0,5264п[кларк] N = 13; г = 0,894; г2 = 0,799; ау(х) = 1,16; Fp/FT = 9,2

Малое Чебанье 1п[ЭДКС] = 4,749 + 0,5154п[кларк] N = 13; г = 0,898; г2 = 0,807; ау(х) = 1,11; Fp/FT = 9,7

Щучье 1п[ЭДКС] = 4,896 + 0,5264п[кларк] N = 13; г = 0,913; г2 = 0,833; ау(х) = 1,04; Fp/FT = 11,6

Майба-лык 1п[ЭДКС] = 4,806 + 0,6544п[кларк] N = 5; г = 0,997; г2 = 0,993; ау(х) = 0,30; Fp/FT = 57,6

Зеренда 1п[ЭДКС] = 4,796 + 0,5364п[кларк] N = 13; г = 0,902; г2 = 0,814; ау(х) = 1,13; Fp/FT = 10,2

Султан Кельды 1п[ЭДКС] = 5,258 + 0,5604п[кларк] N = 13; г = 0,922; г2 = 0,850; ау(х) = 1,04; Fp/FT = 13,1

Примечание. N - количество металлов, использованных при построении регрессионного уравнения, г - коэффициент корреляции (теснота связи между переменными), г2 - коэффициент детерминации (объяснимая доля разброса), Fp - расчетное значение критерия Фишера, FТ -табличное значение критерия Фишера при уровне значимости 95%.

кларки которых не были использованы незначительная вариабельность угловых

при выявлении регрессионных уравне- коэффициентов (от 0,515 до 0,560 для

ний, так как Fp / FT > 4 [5]. При анализе всех рассмотренных озер, кроме озера

таблицы 4 обращает на себя внимание Майбалык).

Список литературы:

[1] Абакумов В.А., Сущеня Л.М. Гидробиологический мониторинг пресных вод и пути его совершенствования // Экологические модификации и критерии экологического нормирования. Тр. Межд. симпозиума. - Л.: Гидрометеоиздат, 1991. - С. 41-51.

[2] Волков И.В., Заличева И.Н., Ганина В.С., Ильмаст Т.Б., Каймина Н.В., Мовчан Г.В., Шустова Н.К. О принципах регламентирования антропогенной нагрузки на водные экосистемы // Водные ресурсы. - 1993, т. 20. - С. 707-713.

[3] Воробейчик Е.Л., Садыков О.Ф., Фарафонтов М.Г. Экологическое нормирование техногенных загрязнений наземных экосистем. - Екатеринбург: УИФ «Наука», 1994.- С. 27-29.

[4] Дмитриев В.В. Экологическое нормирование состояния и антропогенных воздействий на природные экосистемы // Вестник Санкт-Петербургского университета. Сер. 7. - 1994, вып. 2 (№4). -С. 60-70.

[5] Дрейпер Н., Смит Г. Прикладной регрессионный анализ. - М.: Статистика, 1973. - 392 с.

[6] Замолодчиков Д.Г. Оценка экологически допустимых уровней антропогенного воздействия на пресноводные экосистемы // Проблемы экологического мониторинга и моделирования экосистем. Т. XV. - СПб.: Гидрометеоиздат, 1993. - С. 214-233.

[7] Маркин В.Н., Горбачева Е.В. Оценка допустимой биогенной нагрузки на речные системы со стороны водосборной площади. - Интернет-ресурс. Режим доступа: http://msuee.ru/kmirz/Htmls4/Markin/ DopBioNagr.htm

[8] Никаноров А.М., Тарасов М.Н., Трунов Н.М., Клименко О.А., Матвеева Н.П. Проблема нормирования качества поверхностных вод и натурное экологическое моделирование // Экологическое нормирование и моделирование антропогенного воздействия на водные экосистемы: сб. научн. тр. Вып. 1. - Л.: Гидрометеоиздат, 1988. - С. 5-9.

[9] Овчинников Л.Н. Прикладная геохимия. - М.: Недра, 1990. - 248 с.

[10] Опекунов А.Ю. Экологическое нормирование. - СПб.: ВНИИОкеангеология. - 2001. - С. 45-46.

[11] Патин С.А. Влияние загрязнения на биологические ресурсы и продуктивность Мирового океана. -М.: Пищевая промышленность, 1979. - 304 с.

[12] Фрумин Г.Т. Оценка состояния водных объектов и экологическое нормирование. - СПб.: Синтез, 1998. - С. 45-53.

[13] Фрумин Г.Т. Экологическая химия и экологическая токсикология / Учеб. пос. - СПб.: РГГМУ, 2002. -С. 2-4.