Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Пути поступления, миграция и накопление стойких органических загрязнителей в компонентах пресноводной среды архипелага Шпицберген

ВАК РФ 25.00.27, Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Автореферат диссертации по теме "Пути поступления, миграция и накопление стойких органических загрязнителей в компонентах пресноводной среды архипелага Шпицберген"

На правах рукописи

Лалетин Николай Александрович

ПУТИ ПОСТУПЛЕНИЯ, МИГРАЦИЯ И НАКОПЛЕНИЕ СТОЙКИХ ОРГАНИЧЕСКИХ ЗАГРЯЗНИТЕЛЕЙ В КОМПОНЕНТАХ ПРЕСНОВОДНОЙ СРЕДЫ АРХИПЕЛАГА

ШПИЦБЕРГЕН

25.00.27 - Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

г і моя 2013

Санкт-Петербург 2013 005539025

005539025

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном учреждении «Арктический и антарктический научно-исследовательский институт» (ФГБУ «ААНИИ»)

Научный руководитель: Большиянов Дмитрий Юрьевич доктор

географических наук, ведущий научный сотрудник ААНИИ

Официальные оппоненты: Бабкин Алексей Владимирович доктор

географических наук, профессор Российского государственного

гидрометеорологического университета

Игнатьева Наталья Викторовна кандидат географических наук, зав. лабораторией гидрохимии Института озероведения РАН

Ведущая организация: Федеральное государственное

бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального

образования «Санкт-Петербургский государственный университет»

Защита состоится «12» декабря 2013 г. в 15:30 на заседании Диссертационного совета Д 212.197.02 при Российском государственном гидрометеорологическом университете по адресу: 195196, г. Санкт-Петербург, Малоохтинский пр., д. 98., факс: (812) 633-01-82, e-mail: vnv@rshu.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РГГМУ, по адресу: 195196, г. Санкт-Петербург, Малоохтинский пр., д. 98

Автореферат разослан «12» ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Воробьев

Владимир Николаевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Стойкие органические загрязнители (СОЗ) - группа загрязняющих веществ с токсическими свойствами, склонностью к накоплению в объектах окружающей среды (биоаккумуляции и биомагнификации), устойчивостью к разложению и способностью к переносам на большие расстояния.

Являясь объектом трансграничного переноса, СОЗ попадают в экосистемы Арктики, где происходит их трансформация и накопление. В связи с этим одной из важнейших задач является установление основных закономерностей их поведения, прежде всего, в абиотических компонентах природной среды Арктики, и в первую очередь - в пресноводной среде как в основной среде миграции и накопления загрязнителей. Знание об объемах переносимых на дальние расстояния поллютантов может помочь при установлении региональных нормативов их содержания, а также при проведении дальнейших гидрохимических и экологических исследований водных объектов Арктики.

В целом, знание об источниках, путях распределения и областях накопления загрязняющих веществ в водных объектах архипелага Шпицберген помогут сформировать основу для создания в будущем моделей распространения загрязнения в водной среде арктического региона и адаптировать эти модели к реальным условиям.

Цель работы - установить закономерности распределения СОЗ в пресноводных объектах и донных отложениях, выявить основные пути и источники их поступления в компоненты пресноводной среды долины озера Биенда-стемме (арх. Шпицберген).

Для достижения названной цели поставлены следующие задачи:

1 - сбор и анализ данных о загрязнении водных объектов арх. Шпицберген, исследование динамики и особенностей загрязнения;

2 - проведение гидрохимических исследований и анализ полученных ранее гидрохимических характеристик изучаемых водных объектов;

3 - изучение компонентного и изомерного состава СОЗ, присутствующих в исследуемых компонентах водной среды;

4 - проведение гидрологических исследований изучаемых водных объектов, сбор и анализ данных метеорологических наблюдений;

5 - выявление многолетних закономерностей поступления и

распределения СОЗ в водных объектах арх. Шпицберген за период 2002-2012 гг.

Настоящая работа выполнялась в рамках НИР 4.3.5 Росгидромета «Оценка состояния, тенденций и динамики изменений загрязнения окружающей среды в местах хозяйственной деятельности российских предприятий на архипелаге Шпицберген (пос. Баренцбург и сопредельные территории)».

Научная новизна заключается в том, что благодаря проведенным исследованиям:

1 - выявлены качественные и количественные закономерности распределения загрязняющих веществ в снежном покрове, пресной воде и пресноводных донных отложениях исследуемых объектов;

2 - выявлены зависимости характера и особенностей распределения СОЗ в водных объектах от гидрологических, гидрохимических и метеорологических параметров;

3 - получены уникальные данные о состоянии и характере загрязненности компонентов водной среды фоновых районов архипелага Шпицберген;

4 - изучен и описан вклад трансграничного переноса в загрязнение изучаемых природных объектов.

Научная и практическая значимость работы. Основанные на анализе оригинальных данных результаты работы представляют интерес с точки зрения изучения гидрохимического и геоэкологического режимов водных объектов арх. Шпицберген. Полученные результаты в будущем могут быть использованы для комплексного изучения водной среды арх. Шпицберген, для расчета и обоснования введения региональных нормативов ПДК, для расчета чувствительности и устойчивости арктических пресноводных экосистем, а также могут послужить основой для разработки моделей загрязнения водных объектов в условиях Арктики.

Защищаемые положения

1. Объемы стойких органических загрязнителей, поступивих в долину оз. Биенда-стемме с атмосферными осадками и аэрозолями за 2002-2012 гг., составили: 0.112 мг ПХБ, 0.054 мг полихлорбензолов, 0.036 мг ГХЦГ и 0.054 мг ДЦТ.

2. Предложено эмпирическое уравнение, позволяющее рассчитывать отношение начальных и конечных концентраций отдельных групп СОЗ:

^^рй / \¥р„ = 18 [(Ал х Ц, + ... + Д]5 х ку5)/5] х 2 х ку) х п

3. Объемы СОЗ, накопленных в донных отложениях оз. Биенда-стемме составили: 95.27 г ПХБ, 3.76 г полихлорбензолов, 7.49 г ГХЦГ и 7.77 г ДДТ. Выявлены основные закономерности пространственного их распределения в донных отложениях. Показано, что на загрязнение донных отложений основное влияние оказывают воды ручьев, берущих начало у ледника Вардеборг.

4. Предложен эмпирически обоснованный подход к оценке содержания СОЗ в пресноводной среде на основании данных о содержании СОЗ в атмосферных осадках и аэрозолях, выражающийся в составлении балансового уравнения. Установлено, что содержание СОЗ в водах и донных отложениях оз. Биенда-стемме напрямую зависит от их содержания в атмосферных аэрозолях и твердых частицах в снежном покрове.

Публикации. Опубликовано 7 работ по теме исследования, в том числе 2 в изданиях, реферируемых ВАК. Частично результаты исследования вошли в разделы монографии «Состояние и тенденции изменения загрязнения окружающей среды в местах хозяйственной деятельности российских предприятий на архипелаге Шпицберген (пос. Баренцбург и сопредельные территории) за период 2002-2010 годов», опубликованной в 2012 г. (автор включен в список авторов данной монографии).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных и всероссийских конференциях: на IX международной научной конференции «Комплексные исследования природы архипелага Шпицберген» (Мурманск, 12-14 ноября 2009 г.); X Международной конференции «Природа шельфов и архипелагов европейской Арктики» (Мурманск, 27-30 октября 2010 г.); конференции молодых специалистов «50 лет НПО «Тайфун» (24-26 ноября 2010 г., г. Обнинск); Ежегодной Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы экологии и природопользования» (Москва, 21-22 апреля 2011 г.); конференции «Глобальные климатические процессы и их влияние на экосистемы арктических и субарктических регионов» (Мурманск, 9-11 ноября 2011 г.).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы — 117 страниц. Текст работы сопровождается 21 рисунком и 38

таблицами. Список литературы содержит 125 источников, в том числе 110 иностранных.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Объектом исследования - озеро Биенда-стемме (о. Западный Шпицберген), водосборный бассейн озера, питающие его ручьи, а также ручей Васстак, вытекающий из озера. Площадь зеркала озера 0.130 км2, площадь водосборного бассейна - 5.2 км2, максимальный объем 516 тыс. м3, максимальная глубина -12.8 м, средняя - 4.2 м.

Исходными материалами послужили результаты химико-аналитических исследований проб компонентов пресноводной среды, отобранных в ходе экспедиционных работ СЗФ ФГБУ «НПО «Тайфун» в период с 2002 по 2012 гг.; данные гидрологических наблюдений на озерном посту на оз. Биенда-стемме за 2005-2012 гг.; данные метеорологических наблюдений на ЗГМО «Баренцбург» за 2005-2012 гг., а также положения и выводы, содержащиеся в статьях и научных трудах зарубежных исследователей в области геоэкологии: Bailey R., Gregor D., Li Y.F., Mackay D., McKay N., Sunling G., Wania F., и др.;

В качестве приоритетных загрязняющих веществ в данной работе рассмотрены наиболее распространенные СОЗ: ДДТ и его метаболиты ДДЕ и ДЦД, a-, ß- и у-изомеры ГХЦГ, гекса- и пентахлорбензол, а также группа приоритетных конгенеров полихлорбифенилов. Рассматриваемые соединения являются одними из первых хлорорганических соединений, получивших широчайшее распространение в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства благодаря своим химическим свойствам.

Основные источники поступления стойких оргаиичсских загрязнителей в компоненты пресноводной среды долины оз. Биенда-стемме. В начале 80-х годов было установлено, что СОЗ получили глобальное распространение благодаря переносу с атмосферными течениями и потоками, и возможность этого переноса определяется давлением паров каждого отдельного соединения. В настоящее время это доказанный факт, и разработанные модели показывают, что атмосферный перенос является основным путем распространения СОЗ.

Атмосферные осадки являются одним из основных путей выведения СОЗ, находящихся в атмосферном воздухе. В процессе

выпадения атмосферные осадки сорбируют атмосферные аэрозоли, содержащие СОЗ, а также поллютангы, находящиеся а воздухе в газообразном состоянии.

С целью оценить объемы СОЗ, переносимых в долину оз. Биенда-стемме с трансграничным воздушным переносом, на основании данных о количестве выпавших осадков, содержании твердых частиц в снежном покрове, содержании СОЗ в атмосферных аэрозолях и концентрациях СОЗ в талом снеге были рассчитаны объемы полшотантов, выпавших на территорию водосборного бассейна озера как за весь период исследований, так и за периоды между проведением наблюдений. В результате проведенных расчетов были получены объемы СОЗ, которые подвергаются трансформации, мигрируют и накапливаются в различных компонентах пресноводной среды исследуемого оз. Биенда-стемме (рис. 1).

0,040 0.030

о,ого 0,010

2005- 2006- 2007- 2008- 2009- 2010- 70112006 2007 2008 2009 2010 2011 2012

0,020 0,015 0,010 0,005 0,000

ГХЦГ

! ■■■ ■■■ ЕЖ ИМИ МИН. ...............

2005- 2006- 2007- 200S- 2009- 2010- 20112006 2007 200S 2009 2010 2011 2012

0,025 0,020 0,015 0,010 0,005 0,000

20052006

20062007

2007

2008

2008 2000

20092010

20102011

20112012

0,030 0,020 0,010 0,000

ДДТ <м

1в т т

2005

2006

2006 2007

2007 2003

200S 2009

20092010

20102011

20112012

Ш атм.аэрозоли Ш атм.осадки

Рисунок 1 - Объем поступления ПХБ, ДДТ, ГХЦГ и хлорбензолов с атмосферными аэрозолями и атмосферными осадками (мг/м2)

Миграция СОЗ в компонентах пресноводной среды. В

данной работе была принята следующая схема миграции стойких органических загрязнителей в компонентах пресноводной среды

исследуемой территории: ледник —>■ снежный покров (как сезонный, так и постоянный) —» ручьи (временные/сезонные водотоки) —> озеро Биенда-стемме —> ручей Васстак —» залив Грёнфьорд (приемный водоем).

Оз. Биенда-стемме расположено в межгорной котловине на западном берегу зал. Грёнфьорд, в 2.7 км от берега, на высоте 85.1 м над у.м. Уровенный режим характеризуется подъемом (восстановлением) уровня в период снеготаяния (в течение первой декады июня) и постепенным падением его в зимний период (начиная с третьей декады сентября). Подъем уровня осуществляется за счет таяния снежного покрова в весенне-летний период. Максимальная высота поднятия уровня определена нивелировкой по характеру деятельности высоких вод на отметке 85.5 м. Свободный ото льда период колеблется от 55 до 68 дней.

Озеро Биенда-стемме является, по сути, приемным водоемом для СОЗ, поступающих на территорию его водосборного бассейна, при этом представляет собой важную «проходную» среду преобразования и перераспределения загрязняющих веществ. Так, время нахождения загрязнителей в водах озера значительно выше, чем время прохождения ими ручья Васстак и ручьев, питающих озеро. В этот период происходит частичная трансформация компонентного состава стойких органических загрязнителей, а также перераспределение их между средами (вода <-» водные взвеси <-» атмосферный воздух).

Концентрации основных групп стойких органических загрязнителей в водах озера колеблются в относительно узких пределах, что позволяет работать со средними и медианными значениями, исследуя их межгодовую и межсезонную изменчивость: ПХБ - от 0.05 до 5.13 нг/л (среднее 0.98 нг/л); ДДТ - от 0.0 до 0.89 нг/л (среднее 0.21 нг/л); ГХЦГ - от 0.0 до 1.1 нг/л (среднее 0.20 нг/л); ХБ - от 0.0 до 0.51 нг/л (среднее 0.06 нг/л).

В целом, наибольшие концентрации стойких органических загрязнителей приурочены к местам впадения в озеро питающих его ручьев (2 ручья, берущих начало с ледника Вардеборг и 1 ручей, берущий начало с ледника Веринг), опробованных в ходе осенней экспедиции 2012 г. На рисунке 2 представлена карта-схема озера с нанесенными точками отбора проб и гистограммами, отражающими концентрации основных групп СОЗ в водных взвесях опробованных ручьев, а также во взвесях озера Биенда-стемме. Эти три ручья, не пересыхающие в летнее время, и имеющие постоянный сток в теплое

время года, являются основными источниками питания озера Биенда-стемме в летний период. Большая часть талых вод, поступающих с водосборного бассейна озера, также проходит по руслам данных ручьев.

8арй»ерГ

зЛ

У м*

щ

л

< ^ „ ХЕ Г<Ц, ......

ЯЛА«. 8ер«№! « В» .

Рисунок 2 - Концентрации основных групп СОЗ в водных взвесях ручьев, питающих оз. Биенда-стемме, а также во взвесях озера

Ручей Васстак, берущий начало из оз. Биенда-стемме, был обследован в сентябре 2011 года: была отобрана серия проб водных взвесей для определения содержания в них основных групп СОЗ с попутным измерением расходов воды и основных гидрохимических параметров вод ручья. Именно взвеси, сорбируя на своей поверхности молекулы поллютантов, осуществляют их миграцию в водном потоке, а также осаждение и накопление в морских и пресноводных донных отложениях.

На рисунке 3 приведены графики, отражающие изменение концентраций исследуемых СОЗ во взвешенных в воде частицах от истока к устью ручья Васстак. Очевидно, что для всех изучаемых групп СОЗ наблюдается схожий характер изменения их концентраций в водных взвесях. Накопление СОЗ во взвесях происходит по мере увеличения числа впадающих притоков, с которыми растет водосборная площадь ручья. Максимум концентраций всех соединений за исключением ГХЦГ наблюдается на замыкающем створе, расположенном в полукилометре от устья ручья. Для отображения характера переноса ЗВ по течению ручья графики

дополнены линиями трендов, наглядно показывающими направленность изучаемых процессов.

ПХБ. нг/мг вззеси

~

озеро 3,17 2,30 1,82 1,09 0,56

расстояние от устья, км

ГХЦГ, иг/мг взвеси

Нг = 0,73

А

......

озеро

0,40 0,30 0,20 0,10 0,00

0,04 0,03 0,02 0,01 0,00

ДДТ, нг/мг взвеси

........

о

В2 = 0,77^,

озеро 3,17

2,30

1,82 1,09

0,56

расстояние от устья, км

ХБ, нг/мг ВЗВеСИ

8* = 0,82,

"о

0,28 0,21 0,14 0,07 0,00

0,012 0,009 0,006 0,003 0,000

3,17 2,80 1,82 1,09 0,5

расстояние от устья, км

озеро 3,17 2,80 1,82 1,09

0,56

расстояние от устья, км

Рисунок 3 - СОЗ в водных взвесях оз. Биенда-стемме и р. Васстак с нанесенными линиями трендов их изменения от истока к устью

Среди других факторов, потенциально влияющих на характер миграции СОЗ, следует отметить гидрохимические параметры: удельную электропроводность и величину водородного показателя рН. Удельная электропроводность, являющаяся характеристикой солености воды возрастает по мере продвижения от озера к устью ручья Васстак, тогда как величина рН, наоборот, уменьшается.

Эмпирические закономерности миграции СОЗ в составе водных взвесей. Полученные данные химико-аналитических, гидрологических и гидрохимических исследований позволяют рассчитать некоторые количественные закономерности миграции СОЗ в водных взвесях ручья Васстак.

В данные расчеты были включены полициклические ароматические углеводороды, т.к. по своим свойствам и поведению в компонентах пресноводной среды они близки хлорорганическим соединениям и пестицидам.

Составлена достаточно сложная схема расчета, включающая в

себя несколько этапов. Для всех групп исследуемых соединений рассчитаны коэффициенты корреляции, характеризующие изменения их суммарного содержания в зависимости от изменения гидрохимических (рН, ЕЬ, УЭП) и гидрологических параметров (площадь водосборного бассейна и расстояние от устья). Полученные коэффициенты умножены на соотношение конечного и начального значений соответствующего параметра (для тех параметров, изменение величин которых носит обратный характер, был произведен обратный расчет: отношение начального значения к конечному).

Полученные произведения для всех параметров (всего 5 произведений для каждой группы СОЗ) были просуммированы, и было рассчитано среднее значение. Среднее значение было прологарифмировано по десятичному основанию и умножено на сумму произведений. Полученное в итоге значение сравнивалось с отношением конечной и начальной концентрации суммы отдельной группы СОЗ. В итоге для всех групп СОЗ был выведен эмпирический коэффициент п, который максимально сближал сравниваемые величины - 1/1.6.

Формула расчета выглядит следующим образом:

wpi2 / \Vpii = 1§ [(Л], X ку, + ... + Д,5 х М/5] х Б х кц) X П, где:

- конечная концентрация суммарного содержания ¡-го компонента в водных взвесях, нг/мг;

\Урц - начальная концентрация суммарного содержания ¿-го компонента в водных взвесях, нг/мг;

Д, - изменение ] -го параметра по течению ручья, рассчитываемое как отношение начального к конечному значению, или наоборот;

ку - коэффициент корреляции, характеризующий изменения суммарного содержания ¡-го компонента в зависимости от изменения >го параметра, принятые за постоянную величину.

На рисунке 4 приведены расчетные и фактические данные изменения концентраций отдельных групп СОЗ во взвесях ручья Васстак в зависимости от изменения гидрохимических и гидрологических параметров. Также на диаграмме отображены 10%-ные погрешности каждой величины, что помогает наглядно сравнивать данные.

Как видно из приведенной диаграммы, для всех исследуемых групп СОЗ, кроме ГХЦГ, расчетные данные практически совпадают с

фактически наблюденными. Это говорит о том, что, несмотря на сложность и, на первый взгляд, неочевидность расчетов, они верны, и данная формула может быть положена в основу расчетам закономерностей миграции СОЗ во взвешенных частицах пресноводных водотоков архипелага Шпицберген, сравнимых с ручьем Васстак по своим гидрологическим и гидрометрическим характеристикам.

В будущем, при проведении подобных исследований эмпирический коэффициент п будет уточняться, а при наборе большего объема данных,

различия между

расчетными и

фактически наблюденными величинами будут уменьшаться. Для этого требуется

мониторинга на арх.

— расчетные данные

— фактические данные

ПХБ ДДТ ГХЦГ ПАУ ХБ

Рисунок 4 - Расчетные и фактические данные изменения концентраций отдельных групп СОЗ во взвесях ручья Васстак

программы

расширение существующей Шпицберген.

Таким образом, зная концентрации и компонентный состав стойких органических загрязнителей во взвешенных частицах вод ручья Васстак в его истоке, можно с достаточно высокой точностью рассчитать их концентрации при впадении в залив Грёнфьорд. Полученные закономерности позволят в будущем разработать модель миграции СОЗ в водных объектах архипелага Шпицберген, а позже -всего арктического региона.

Аккумуляция СОЗ в донных отложениях оз. Биенда-стеммс. Среди всех исследуемых компонентов пресноводной среды озерные донные отложения являются основным аккумулятором загрязняющих веществ, для которых характерно накопление во взвесях и аэрозолях. Согласно классификации почв и грунтов по гранулометрическому составу, донные отложения оз. Биенда-стемме относятся к мелким пескам с включениями гравия и щебня (диаметр частиц 10-200 мм). Преобладающая фракция - тонкие пески (0.05-0.10 мм) и крупная пыль

(0.01-0.05 мм).

Исследования на озерах Шпицбергена показали, что для водных объектов, схожих по своим характеристикам с оз. Биенда-стемме, скорости осадконакопления составляют 1.16 мм/год, средние объемы осадконакопления - 0.38 г/см2 в год. Используя эти величины, был рассчитан объем накопленных донных отложений с 1952 по 2012 гг., составивший 22.8 г/см2, или 228 кг/м2. Таким образом, объем накопленных за этот период осадков для всей акватории озера составил 29 640 т. В таблице 1 приведены расчетные данные об объемах СОЗ, содержащихся в толще донных отложений оз. Биенда-стемме, полученные по медианным значениям концентраций соответствующих соединений за период 2002-2012 гг.

Характеристикой

Таблица 1 - Объемы СОЗ, распределения стойких

содержащихся в донных органических загрязнителей в отложениях оз. Биенда-стемме донных отложениях служит

пространственное изменение компонентного состава

отдельных групп СОЗ. Изменение компонентного состава отражается в уменьшении доли изначального химического продукта,

являющегося объектом хозяйственной деятельности, и в увеличении доли метаболитов и изомеров данного соединения в общей сумме. Так для ГХЦГ соотношение у-изомера к сумме а- и Р-изомеров говорит о давности загрязнения и удаленности источника загрязнения. Аналогичные соотношения применимы и к ДЦТ, и к полихлорбензолам. Для ПХБ характеристикой изменения изначального состава смеси является уменьшение доли менее хлорированных конгенеров.

В целом, по мере удаления от источника загрязнения или источника поступления СОЗ в пресноводную среду наблюдаются следующие закономерности:

• уменьшение доли у-ГХЦГ в общей сумме изомеров;

• уменьшение доли метаболитов 2,4 и 4,4-ДДТ по отношению к сумме метаболитов ДДД и ДДЕ в общей сумме метаболитов;

»уменьшение доли гексахлорбензола по отношению к пентахлорбензолу в общей сумме;

Соединение Содержание, г

Сумма ХБ 3.76

Сумма ГХЦГ 7.49

Сумма ДДТ 7.77

Сумма ПХБ 95.27

• уменьшение доли ди-, три- и тетрахлорбифенилов в общей сумме ПХБ.

На рисунке 5 приведены карты-схемы, отражающие описанные выше соотношения, характеризующие изменение компонентного состава отдельных групп СОЗ в донных отложениях озера Биенда-стемме по данным за 2002-2012 гг. Для наглядности на схемах нанесены изобаты, а также отмечены места впадения ручьев, питающих озеро и исток ручья Васстак.

м

;

\

12. 9

:

О 1.25 1.50 1.75

у-ГХЦГ / ( а-ГХЦГ + р-ГХЦГ)

: ШёШш

0.25 0.50 0.75

ЗДЦТ/(£ДЦЕ + £ДДЦ)

<; з 0

0 8.5 18.0 26.0

% содержания три- и тетрахлорбифенилов

0 2.3 4.6 7.0

Гексахлорбензол / Пентахлорбєнзол

Рисунок 5 - Соотношения, характеризующие изменения компонентного состава СОЗ в донных отложениях оз. Биенда-стемме Закономерности распределения СОЗ в компонентах пресноводной среды. Схема поступления и распределения СОЗ в компонентах природной среды долины оз. Биенда-стемме, принятая за

рассмотрение в данной работе, состоит из следующих элементов:

• Поступление СОЗ с атмосферными осадками (с учетом содержания взвесей в выпадающем снеге);

• Поступление СОЗ в составе атмосферных аэрозолей;

• Содержание СОЗ в водах озера в растворенной форме;

• Содержание СОЗ во взвешенных частицах в водах озера;

• Содержание СОЗ в донных отложениях озера (с учетом скорости осадконакопления).

Эта простая схема позволяет, оперируя имеющимися данными натурных гидрологических и метеорологических наблюдений, а также полученными данными об объемах содержания отдельных групп стойких органических загрязнителей в компонентах пресноводной среды долины озера Биенда-стемме, составить некоторое уравнение баланса, отражающее распределение СОЗ, поступивших с трансграничным переносом, в исследуемых средах (вода, водные взвеси, донные отложения).

За расчетный период при проведении калькуляций был принят промежуток между датами проведения летне-осенних пробоотборных работ в районе озера Биенда-стемме. Площадь водосборного бассейна озера Биенда-стемме была принята за 4.6 км2. Скорость осадконакопления в озере была принята за 380 мг/м2 в год, площадь зеркала озера -130 ООО м2. Данные о концентрации взвешенных частиц в водах озера Биенда-стемме были получены в результате химико-аналитических исследований проб вод.

Балансовые уравнения были составлены для расчетных периодов с 2005 по 2012 гг., так как именно за этот период имеются достоверные данные метеорологических и гидрологических наблюдений, позволяющие проводить расчеты объемов содержащихся в природной среде отдельных групп стойких органических загрязнителей.

В общем виде данное балансовое уравнение можно представить следующим образом:

(Ps + Pw + Ар) х S, = (Wp + Wd) х Wv + Bs ±D где:

Ps - объем СОЗ, поступивших с выпавшим снегом ,мг/м2;

Pw - объем СОЗ, поступивших с выпавшими жидкими атмосферными осадками, мг/м2;

Ар - объем СОЗ, выпавших в составе атмосферных аэрозолей,

мг/м2;

St - площадь водосборного бассейна оз. Биенда-стемме, м2; Wp - СОЗ, содержащиеся во взвешенных в воде озера частицах,

мг/л;

Wd - СОЗ, содержащиеся в водах озера в растворенной форме,

мг/л;

Wv - объем озера, л;

Bs - объем СОЗ, содержащихся в донных отложениях, мг; D - разница, характеризующая «невязку» балансового уравнения.

Некоторые из элементов данного балансового уравнения рассчитывается по отдельной формуле. Ниже приведены выражения, по которым были рассчитаны объемы содержания отдельных групп СОЗ в различных компонентах природной среды.

• Ps = R х (Csi + Cspi х Csp), где:

R - объем выпавших за расчетный период осадков, л/м2; Csi - концентрация i-ro соединения в талом снеге, нг/л; Cspi — концентрация i-ro соединения в твердых частицах, содержащихся в снеге, нг/мг;

Csp— концентрация взвешенных частиц в снеге, мг/л.

. Pw = R х Cwi, где:

R - объем выпавших за расчетный период осадков, л/м2; Cwi - концентрация i-ro соединения в грунтовых водах, нг/л

. Ар = Vp х Cpi х Т, где:

Vp - скорость осаждения частиц, м/с;

Cpi - концентрация i-ro соединения в атмосферных аэрозолях в пересчете на объем воздуха нг/м3;

Т - длительность расчетного периода, с

• Wp = CpixCsm,TOe:

Cpi - концентрация i-ro соединения во взвешенных частицах,

14

нг/мг;

С5т - концентрация взвешенных частиц в водах озера, мг/л • В5 = См х У5 х вь где:

Сьз! - концентрация ¡-го соединения в донных отложениях, нг/мг У5 - скорость осадконакопления, г/м2 в год Бь - площадь зеркала озера, м2

Таким образом, зная концентрации стойких органических загрязнителей во всех исследуемых компонентах пресноводной среды, можно составить уравнения баланса для каждого расчетного периода. Если представить данное выражение в виде уравнения вычитания, то полученная разница между левой и правой частями уравнения (Б) будет являться своеобразным поправочным коэффициентом, учитывающим все факторы, не принимавшиеся во внимание при составлении уравнения. К ним можно отнести, помимо перечисленных выше, погрешности измерения, погрешности при отборе проб, такие как, например, недавно выпавшие атмосферные осадки, резкие изменения атмосферного давления, сильный ветер и т.п. По мере накопления большего объема данных, данный коэффициент будет уточняться и претерпевать все меньшие и меньшие изменения от года к году. В таблице 2 приведены средние значения левой и правой частей уравнения, а также приведена разница между ними (как отношение левой части уравнения к правой).

Таблица 2 - Средние значения положительной и отрицательной частей балансового уравнения за 2005-2012 гг. и разница между ними_

Группа СОЗ СОЗ, выпавшие с атмосферными осадками и аэрозолями, г СОЗ в водах и донных отложениях оз. Биенда-стемме, г Разница

£ПХБ 64.51 59.59 1.083

£ХБ 30.87 30.97 0.997

ХГХЦГ 20.58 19.15 1.075

ЗДДТ 30.89 28.01 1.103

Как видно из приведенных данных, разница между положительной и отрицательной составляющими балансового уравнения в большинстве случаев положительная, и не превышает 10% в абсолютном выражении для каждой отдельно взятой группы СОЗ. Отрицательная разница между двумя частями уравнения может говорить как раз о влиянии каких-либо неучтенных факторов.

Распределение СОЗ между различными компонентами пресноводной среды, характеризуется тем, что большая часть исследуемых загрязняющих веществ входит в состав водных взвесей (твердых частиц). Объем содержащихся в них СОЗ составляет более 90% от суммы СОЗ, содержащихся в воде, донных отложениях и взвесях. Этот факт обусловлен исключительно природой самих хлорорганических соединений: в силу низкой растворимости в воде, они тяготеют к сорбции твердыми частицами, и в ничтожно малых объемах представлены в растворенной или газообразной форме.

Так, для атмосферного воздуха и атмосферных осадков содержание СОЗ в твердых частицах в большинстве случаев превышает 75%, чаще находясь в пределах 90-95%. Для компонентов пресноводной среды наблюдаются те же закономерности: объемы содержания СОЗ в водных взвесях составляют больше 90%, а в большинстве случаев - больше 95% от общего объема СОЗ, содержащихся в озере Биенда-стемме.

Миграция СОЗ в компонентах пресноводной среды долины оз. Биенда-стемме определяется изменением компонентного состава каждой отдельной группы СОЗ. Решающее значение имеет изменение относительного содержания в общей сумме начального поллютанта, трансформация которого приводит к образованию метаболитов и изомеров.

Для полихлорбензолов и изомеров ГХЦГ характерно увеличение относительного содержания начального продукта (гексахлорбензола и у-ГХЦГ соответственно) в следующем порядке: снежный покров —> воды озера —> водные взвеси —» донные отложения.

В отношении ДДТ и ПХБ наблюдаются обратные закономерности: наибольшие содержания неизмененных полшотантов характерны для атмосферных аэрозолей, твердых частиц в снежном покрове и для самого снега. Тогда как в пресноводной среде возрастание доли трансформированных СОЗ происходит в следующем порядке: воды озера —► водные взвеси —> донные отложения.

Таким образом, можно сказать, что, несмотря на общие черты количественных изменений и закономерностей распределения СОЗ в компонентах пресноводной среды, качественные изменения по мере перемещения из одной среды в другую определяются природой самого загрязнителя и зависят от физико-химических свойств каждого отдельного соединения. Общие черты отмечены для полихлорбензолов и изомеров ГХЦГ, а также для метаболитов ДДТ и конгенеров ПХБ.

ВЫВОДЫ

Анализ результатов химико-аналитических исследований проб за 2002-2012 гг., исследования, выполненные за 2009-2012 гг., а также собранные в ходе проведения исследования литературные данные, позволяют сделать следующие выводы:

1. Выявлены основные пути поступления и описаны процессы, способствующие переносу стойких органических загрязнителей в исследуемый район (о. Западный Шпицберген). Основным процессом, отвечающим за перенос СОЗ, является трансграничный воздушный перенос, и особенно выделяется поступление СОЗ с атмосферными аэрозолями, содержащими большую часть поллютантов. Процесс трансграничного переноса не имеет какой-либо ярко выраженной динамики, и определяется климатическими характеристиками всего арктического региона и микроклиматическими характеристиками района проведения исследований.

2. Рассчитаны объемы стойких органических загрязнителей, поступающих в долину оз. Биенда-стемме с атмосферными осадками и аэрозолями. Получены сезонные, годовые и общие за весь период наблюдений значения. Так, за весь период наблюдений 2002-2012 гг. на 1 м2 водосборного бассейна оз. Биенда-стемме выпало 0.112 мг ПХБ, 0.054 мг полихлорбензолов, 0.036 мг ГХЦГ и 0.054 мг ДДТ. Знание этих объемов является ключевым в изучении всех процессов распределения, миграции и накопления СОЗ в компонентах пресноводной среды исследуемого района. Использованный в работе метод расчета достаточно универсален и может быть использован при проведении аналогичных исследований в арктических широтах.

3. Описаны изменения концентраций отдельных групп СОЗ в водах оз. Биенда-стемме, показана динамика изменений во времени, а также в пределах акватории озера. В целом, наибольшие концентрации

стойких органических загрязнителей приурочены к местам впадения в озеро питающих его ручьев, а также в району истока ручья Васстак. Это говорит о том, что основная масса СОЗ поступает в воды озера именно из ручьев, несущих талые воды с ледников и снежников.

4. На примере исследований проб вод ручья Васстак показано, что СОЗ, попадающие в пресноводную среду, мигрируют в составе взвешенных в воде частиц, и процесс их миграции зависит от гидрометрических, гидрологических и гидрохимических характеристик водотока. Предложено эмпирическое уравнение, позволяющее рассчитывать отношение начальных и конечных концентраций отдельных групп СОЗ в зависимости от перечисленных параметров.

5. На основании литературных данных и результатов химико-аналитических исследований проб донных отложений за 2002-2012 гг. рассчитаны объемы СОЗ, накопленных в донных отложениях оз. Биенда-стемме, а также выявлены основные закономерности пространственного распределения поллютантов в донных отложениях. Получены следующие величины объемов СОЗ, содержащихся во всей толще донных отложений оз. Биенда-стемме: 95.27 г ПХБ, 3.76 г полихлорбензолов, 7.49 г ГХЦГ и 7.77 г ДДТ. Показано, что на загрязнение донных отложений основное влияние оказывают воды ручьев, берущих начало у ледника Вардеборг.

6. Подробно рассмотрены закономерности распределения СОЗ в компонентах пресноводной среды. Установлено, что основной средой миграции и накопления СОЗ являются аэрозоли и водные взвеси, содержащие, в среднем, более 90% объемов всех СОЗ. Также описаны механизмы изменения компонентного состава отдельных групп стойких органических загрязнителей по мере их миграции в пресноводной среде изучаемого объекта. Общие черты трансформации характерны для полихлорбензолов и ГХЦГ, а также - для ДДТ и ПХБ.

7. Предложен эмпирически обоснованный подход к оценке содержания СОЗ в пресноводной среде (суммарно в воде, водных взвесях и донных отложениях озера) на основании данных о содержании СОЗ в атмосферных осадках и аэрозолях, выражающийся в составлении балансового уравнения. Установлено, что содержание СОЗ в водах и донных отложениях оз. Биенда-стемме напрямую зависит от их содержания в атмосферных аэрозолях и твердых частицах в снежном покрове. Погрешность расчета по данному методу составляет до ±10%, что позволяет рассматривать его к дальнейшему

совершенствованию и развитию. Позже данный принцип, на котором основан описанный расчет, может быть заложен в основу методики оценки загрязненности малоизученных и труднодоступных водоемов Арктики.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

Статьи в изданиях из списка, рекомендованного ВАК:

1. Лалетин H.A., Болыпиянов Д.Ю., Граевский А.П. Гидрохимическая характеристика и особенности состава вод озера Биенда-стемме (о. Западный Шпицберген) // Вода. Химия и экология. 2012.-№ 7.-с. 18-22.

2. Лалетин H.A. Миграция стойких органических загрязнителей в пресноводных объектах о. Западный Шпицберген (оз. Биенда-стемме и руч. Васстак) // Вода. Химия и экология. 2013. - № 2. - с. 109-114.

Монографии:

3. Демин Б.Н., Граевский А.П., Власов C.B., Демешкин A.C., Крылов С.С., Лалетин H.A. Состояние и тенденции изменения загрязнения окружающей среды в местах хозяйственной деятельности российских предприятий на архипелаге Шпицберген (пос. Баренцбург и сопредельные территории) за период 2002-2010 годов // Санкт-Петербург: ФГБНУ «НПО «Тайфун», 2011. - 315 е.: ил.

Прочие публикации:

4. Демин Б.Н., Демешкин A.C., Граевский А.П., Лалетин H.A. Состояние загрязненности природной среды пос. Баренцбург и сопредельных территорий хлорорганическими соединениями // Материалы IIV Всероссийской школы по морской биологии и IX международной научной конференции «Комплексные исследования природы архипелага Шпицберген» (Мурманск, 12-14 ноября 2009 г.). М.: ГЕОС, 2009.

5. Демин Б.Н., Демешкин A.C., Лалетин H.A. Особенности динамики загрязнения снежного покрова и почв в районе пос. Баренцбург (арх. Шпицберген) полихлорированными бифенилами по результатам исследований 2007-2009 гг. // Материалы международной

19

научной конференции (Мурманск, 27-30 октября 2010 г.). Выпуск 10. -М.: ГЕОС, 2010.

6. Лалетин H.A. Особенности загрязнения снежного покрова полихлорированными бифенилами (ПХБ) в районе пос. Баренцбург (арх. Шпицберген) по результатам исследований 2009-2010 гг.// Тезисы докладов конференции молодых специалистов «50 лет НПО «Тайфун» 24-26 ноября 2010 г., г. Обнинск, ГУ НПО «Тайфун»». Обнинск: ООО «Принт-Сервис», 2010.

7. Граевский А.П., Лалетин H.A. Комплексный мониторинг загрязнения озера Биенда-стеммев (о. Западный Шпицберген) стойкими органическими загрязнителями // «Актуальные проблемы экологии и природопользования» Сборник научных трудов. Выпуск 13.-М.: РУДН, 2011-4. 1 - с. 412-418.

8. Демин Б.Н., Демешкин A.C., Лалетин H.A. Закономерности формирования полей концентрации загрязняющих веществ в различных природных средах архипелага Шпицберген // Тез. докл. Междунар. науч. конф.. (г. Мурманск, 9-11 ноября 2011 г.) - Апатиты: Изд-во Кольского научного центра РАН, 2011. - с. 36-38.

Автор выражает глубокую признательность за оказанную помощь и консультации всем сотрудникам отдела экологического мониторинга СЗФ ФГБУ «НПО «Тайфун».

Подписано в печать 11.11.2013 Формат 60x90/16 Бумага офсетная. Усл. печ. л. 1,5 Тираж 100 экз. Заказ 560

Отпечатано в типографии «Адмирал» 199178, Санкт-Петербург, В.О., 7-я линия, д. 84 А

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата географических наук, Лалетин, Николай Александрович, Санкт-Петербург

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ «АРКТИЧЕСКИЙ И АНТАРКТИЧЕСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ»

ПУТИ ПОСТУПЛЕНИЯ, МИГРАЦИЯ И НАКОПЛЕНИЕ СТОЙКИХ ОРГАНИЧЕСКИХ ЗАГРЯЗНИТЕЛЕЙ В КОМПОНЕНТАХ ПРЕСНОВОДНОЙ СРЕДЫ АРХИПЕЛАГА ШПИЦБЕРГЕН

25.00.27 «Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия» Диссертация на соискание степени кандидата географических наук

/

Г\ < *) ГИ / С 7 Ъ О >

Лалетин Николай Александрович

Научный руководитель: доктор географических наук Болыпиянов Дмитрий Юрьевич

Санкт-Петербург 2013

Введение 3

1. Общая физико-географическая характеристика арх. Шпицберген 8

1.1. Геологическая и геоботаническая характеристика 9

1.2. Климатические и метеорологические условия 18

1.3. Гидрологическая характеристика изучаемых объектов 25

1.3.1. Озеро Биенда-стемме 25

1.3.2. Ручей Васстак 30

2. Общая характеристика стойких органических загрязнителей 36

2.1. Химические и токсикологические свойства ДДТ и его метаболитов 42

2.2. Химические и токсикологические свойства ГХЦГ и его изомеров 45

2.3. Химические и токсикологические свойства хлорбензолов 48

2.4. Химические и токсикологические свойства конгенеров ПХБ 50

3. Пути поступления СОЗ в компоненты пресноводной среды архипелага Шпицберген 53

3.1. Трансграничный перенос СОЗ в Арктику 53

3.2. Атмосферные осадки и аэрозоли (по данным 2002-2011 гг.) 59

3.3. Объемы поступления СОЗ с атмосферными осадками и аэрозолями 66

4. Миграция СОЗ в компонентах пресноводной среды 71

4.1. Воды озера Биенда-стемме 72

4.2. Воды ручья Васстак 78

5. Аккумуляция СОЗ в донных отложениях озера Биенда-стемме 86

6. Закономерности распределения СОЗ в компонентах водной среды 94 Заключение 104 Список использованной литературы 106

Актуальность темы. Начиная с середины XX века и до настоящего времени в окружающую среду поступают токсичные вещества, чуждые природе - ксенобиотики, среди которых одними из наиболее опасных являются стойкие органические загрязнители (СОЗ). Это группа загрязняющих веществ, в которую входят соединения с токсическими свойствами, склонностью к накоплению в объектах окружающей среды, выраженной биоаккумуляцией в живых организмах и в трофических цепях (биомагнификацией), устойчивостью к разложению и способностью к трансграничным переносам на большие расстояния. В связи с этим и именно потому, согласно Стокгольмской конвенции1, они признаны опасностью глобального масштаба для здоровья населения и состояния природной среды.

Являясь объектом трансграничного переноса, СОЗ попадают в экосистемы Арктики, где происходит их трансформация и накопление. Перемещаясь в абиотических средах, СОЗ впоследствии попадают в живые организмы, оказывая негативное воздействие на представителей арктической фауны, находящихся на верхних уровнях морской трофической цепи, а также на хищных птиц. В связи с этим одной из важнейших задач является установление основных закономерностей поведения различных загрязняющих веществ антропогенного происхождения, прежде всего в абиотических компонентах природной среды Арктики, и в первую очередь - в водной среде как в основной среде миграции и накопления загрязнителей.

Помимо этого, повышенное внимание зарубежных исследователей обращено на выявление вклада трансграничного переноса в общее загрязнение арктических областей, причем этот процесс не так широко освещен в российских исследованиях. Знание об объемах переносимых на дальние расстояния поллютантов может помочь при установлении региональных нормативов их содержания в компонентах природной среды арктического региона, а также при проведении дальнейших гидрохимических и экологических исследований водных объектов арктического региона.

В целом, знание об источниках, путях распределения и областях накопления загрязняющих веществ в водных объектах архипелага Шпицберген помогут сформировать основу для создания в будущем моделей распространения загрязнения в водной среде арктического региона и адаптировать эти модели к реальным условиям.

22-23 мая 2001 г. более 90 стран и Европейский Союз одобрили и подписали текст Стокгольмской конвенции по запрещению и ликвидации стойких органических загрязнителей, а 115 стран, в том числе и Российская Федерация, подписали Заключительный акт Конвенции.

Настоящая работа выполнялась в рамках НИР 4.3.5 Росгидромета «Оценка состояния, тенденций и динамики изменений загрязнения окружающей среды в местах хозяйственной деятельности российских предприятий на архипелаге Шпицберген (пос. Баренцбург и сопредельные территории)».

Цель работы. Целью данной работы является установление закономерностей распределения СОЗ в пресноводных объектах и донных отложениях, и выявление основных путей и источников их поступления в компоненты пресноводной среды долины озера Биенда-стемме (арх. Шпицберген).

Задачи работы. Для достижения названной цели поставлены следующие задачи:

• сбор и анализ данных о загрязнении водных объектов арх. Шпицберген за 20022012 гг., исследование динамики и особенностей загрязнения;

• проведение гидрохимических исследований и анализ полученных ранее гидрохимических характеристик изучаемых водных объектов;

изучение компонентного и изомерного состава СОЗ, присутствующих в исследуемых компонентах водной среды;

проведение гидрологических исследований изучаемых водных объектов, сбор и анализ данных метеорологических наблюдений;

выявление многолетних закономерностей поступления и распределения СОЗ в водных объектах арх. Шпицберген за период 2002-2012 гг.

Личный вклад автора. В основу диссертации положен фактический материал, полученный в результате систематизации, обработки и анализа данных, полученных в ходе проведения экспедиционных работ СЗФ ФГБУ «НПО «Тайфун» в течение 10 лет (с 2002 по 2012 гг.), из которых 4 проходили при непосредственном участии автора. Автором лично проведен комплекс гидрологических, гидрохимических и снегомерных исследований изучаемого объекта, а также серия пробоотборных работ.

Методика исследования. Работа базируется на использовании следующих методов: экспедиционных полевых исследований, эмпирического и статистического анализа данных, сравнительно-географического, картографического, геоинформационного моделирования и др. Их совместное применение дало возможность выработать особую форму комплексного системного подхода, устанавливающего взаимосвязи и закономерности распределения и накопления СОЗ в компонентах пресноводной среды арх. Шпицберген.

Объектом исследования выступает озеро Биенда-стемме (о. Западный Шпицберген), включающая в себя водосборный бассейн озера, питающие его ручьи, а также ручей Васстак, вытекающий из озера.

Предметом исследования являются стойкие органические загрязнители (СОЗ), специфика их распределения и накопления, изменение количественных и качественных характеристик их содержания в компонентах природной среды в зависимости от гидрологических, гидрохимических и метеорологических особенностей исследуемых объектов.

Исходными материалами послужили три группы источников:

• результаты химико-аналитических исследований проб компонентов природной среды, отобранных в ходе экспедиционных работ СЗФ ФГБУ «НПО «Тайфун» в период с 2002 по 2012 гг.;

• данные гидрологических наблюдений на озерном посту на оз. Биенда-стемме за 2005-2012 гг., а также данные метеорологических наблюдений на ЗГМО «Баренцбург» за 2005-2012 гг.;

• положения и выводы, содержащиеся в статьях и научных трудах зарубежных исследователей в области геоэкологии: Bailey R., Gregor D., Li Y.F., Mackay D., McKay N., Sunling G., Wania F., и др.

Научная новизна заключается в том, что благодаря проведенным исследованиям:

• выявлены качественные и количественные закономерности распределения загрязняющих веществ в снежном покрове, пресной воде и пресноводных донных отложениях исследуемых объектов;

• выявлены зависимости характера и особенностей распределения СОЗ в водных объектах от гидрологических, гидрохимических и метеорологических параметров;

• получены уникальные данные о состоянии и характере загрязненности компонентов водной среды фоновых районов архипелага Шпицберген;

• изучен и описан вклад трансграничного переноса в загрязнение изучаемых природных объектов.

Научное и прикладное значение. Основанные на анализе оригинальных данных результаты работы представляют интерес с точки зрения изучения гидрохимического и геоэкологического режимов водных объектов арх. Шпицберген. Полученные результаты в будущем могут быть использованы для комплексного изучения водной среды арх. Шпицберген, для расчета и обоснования введения региональных нормативов ПДК, для расчета чувствительности и устойчивости арктических пресноводных экосистем, а также могут послужить основой для разработки моделей загрязнения водных объектов в условиях Арктики.

Защищаемые положения:

• Объемы стойких органических загрязнителей, поступивих в долину оз. Биенда-стемме с атмосферными осадками и аэрозолями за 2002-2012 гг., составили: 0.112 мг ПХБ, 0.054 мг полихлорбензолов, 0.036 мг ГХЦГ и 0.054 мг ДЦТ.

• Предложено эмпирическое уравнение, позволяющее рассчитывать отношение начальных и конечных концентраций отдельных групп СОЗ:

/ = ^ [(Ал х ку, + ... + Д,5 х ки5)/5] х 2 (А] х к„) х п

• Объемы СОЗ, накопленных в донных отложениях оз. Биенда-стемме составили: 95.27 г ПХБ, 3.76 г полихлорбензолов, 7.49 г ГХЦГ и 7.77 г ДДТ. Выявлены основные закономерности пространственного их распределения в донных отложениях. Показано, что на загрязнение донных отложений основное влияние оказывают воды ручьев, берущих начало у ледника Вардеборг.

• Предложен эмпирически обоснованный подход к оценке содержания СОЗ в пресноводной среде (суммарно в воде, водных взвесях и донных отложениях озера) на основании данных о содержании СОЗ в атмосферных осадках и аэрозолях, выражающийся в составлении балансового уравнения. Установлено, что содержание СОЗ в водах и донных отложениях оз. Биенда-стемме напрямую зависит от их содержания в атмосферных аэрозолях и твердых частицах в снежном покрове.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных и всероссийских конференциях: на IX международной научной конференции «Комплексные исследования природы архипелага Шпицберген» (Мурманск, 12-14 ноября 2009 г.); X Международной конференции «Природа шельфов и архипелагов европейской Арктики» (Мурманск, 27-30 октября 2010 г.); конференции молодых специалистов «50 лет НПО «Тайфун» (24-26 ноября 2010 г., г. Обнинск); Ежегодной Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы экологии и природопользования» (Москва, 21-22 апреля 2011 г.); конференции «Глобальные климатические процессы и их влияние на экосистемы арктических и субарктических регионов» (Мурманск, 9-11 ноября 2011 г.).

Публикации и структура работы. Всего опубликовано 7 работ по теме исследования, в том числе 2 в изданиях, реферируемых ВАК. Частично результаты исследования вошли в разделы монографии «Состояние и тенденции изменения загрязнения окружающей среды в местах хозяйственной деятельности российских предприятий на архипелаге Шпицберген (пос. Баренцбург и сопредельные территории) за

период 2002-2010 годов», опубликованной в 2012 г. (автор включен в список авторов данной монографии).

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы - 117 страниц. Текст работы сопровождается 21 рисунком и 38 таблицами. Список литературы содержит 125 наименований.

Настоящая работа выполнена в Арктическом и антарктическом научно-исследовательском институте (Санкт-Петербург). На всем протяжении исследований автору сопутствовало благожелательное отношение, за что автор приносит глубокую благодарность сотрудникам секции гидрологии, географии и геоэкологии. Кроме того, за творческую поддержку, наставничество и практическую помощь при проведении химико-аналитических исследований выражаем признательность специалистам Отдела экологического мониторинга Граевскому А.П., Власову C.B., Герцеву В.А. и сотрудникам химико-аналитической лаборатории СЗФ ФГБУ «НПО «Тайфун».

Архипелаг Шпицберген (рис. 1.1), находящийся за полярным кругом в Северном Ледовитом Океане, ограничен 74 и 81 градусами с.ш., а также 10 и 35 градусами в.д. Общая площадь составляет 61020 км2. Из общей площади 60625 км2 занимает суша и 395 км2 (то есть 0.6%) - реки и озера [98].

Основные острова:

• Западный Шпицберген (37673 км2);

• Северо-восточная Земля (14443 км2);

• Эдж (остров) (5074 км2);

• Баренца(1288км2);

• Белый остров (682 км2);

• Земля Принца Карла (615 км2);

•у

• Земля Короля Карла (191 км );

• Медвежий остров (178 км2) 43.3% территории

архипелага находится на высоте от 0 до 299 м, 37.6% - от 300 до 599 м, 14.7% - от 600 до 899м, и только 4.4% территории лежит выше отметки 900м [98].

Остров Западный

Шпицберген является

крупнейшим островом, входящим в состав архипелага Шпицберген, его площадь составляет 37673 км2 [98]. Крайняя северная точка острова - мыс Ферлегенхукен (80° 04' с.ш.-16° 00' в.д.), южная - мыс Сернесет (76° 34' с.ш.-16° 41' в.д.), западная - мыс Квальрюгпюнтен (79° 30' с.ш.-10° 30' в.д.), восточная - мыс Пайер (78° 50' с.ш.-21° 33' в.д.). Общая протяженность острова с севера на юг составляет около 389 км, с запада на восток - 231 км. Остров омывается водами Баренцева, Гренландского, Норвежского морей и Северного Ледовитого океана. Максимальная абсолютная отметка острова Западный Шпицберген и всего архипелага, гора Ньютон, составляет 1713м над уровнем моря [98].

Рисунок 1.1- Архипелаг Шпицберген

1.1. Геологическая геоморфологическая, геокриологическая, гляциологическая и

геоботаническая характеристика

Архипелаг Шпицберген в целом представляет собой крайний северо-западный выступ материковых структур Евразии и является своего рода уникальным естественным обнажением: здесь на дневную поверхность выходят кристаллические и складчатые породы фундамента и покровные осадочные комплексы. В геологическом строении архипелага принимают участие в разной степени метаморфизованные вулканогенно-осадочные и интрузивные комплексы докембрия и нижнего палеозоя, представленные гранитами, кристаллическими сланцами, гнейсам, мигматитами, филлитами, мраморами и метавулканитами. Их перекрывают осадочные толщи среднего-верхнего палеозоя, мезозоя и палеогена, представленные красноцветными терригенными толщами, угленосными, карбонатными и кремнисто-карбонатными отложениями и песчаниками, и вмещающие позднемезозойскую трапповую формацию. Завершают разрез полифациальные образования четвертичного возраста [3].

На Шпицбергене отмечены землетрясения силой 4-5 баллов. Сейсмологи допускают возможность максимальных землетрясений до 6-7 баллов. Архипелаг испытывает вертикальное поднятие земной коры со скоростью около 5 мм в год. Благодаря этому образовались морские террасы высотой до 100 и более метров. Некогда Шпицберген был ареной сильной вулканической деятельности. На севере имеются два потухших вулкана, в районе которых действуют горячие источники и фумаролы [3].

Остров Западный Шпицберген представляет собой среднегорную страну с абсолютными отметками рельефа около 800-1300 метров. Рельеф острова Западный Шпицберген приближен к альпийскому типу. Он характеризуется значительной расчлененностью земной поверхности, обусловленной тектоническим строением, чередованием сложной системы хребтов и платообразных возвышенностей, к которым приурочены ледники, глубоко врезанными долинами и острыми вершинами гор. Здесь сосредоточены почти все «тысячники» архипелага - 57 вершин, поднимающихся на 1000 и более метров. Горы носят на себе глубокие следы воздействия ледников, водной эрозии и выветривания. Вследствие широкого распространения процессов денудации подножия многих из них окаймлены мощными конусами осыпей и усеяны обломочным материалом. На ряде участков вдоль берегов острова Западный Шпицберген на высоте 20-30 м над уровнем моря отмечаются прибрежные равнины - стрендфлеты, ширина которых достигает до 10 и более километров. На западном побережье прибрежная равнина образует почти непрерывную низменную полосу, протянувшуюся на многие десятки

километров. Обширные равнины расположены вдоль Лифдефьорда, Вудфьорда и Вейдефьорда. Прибрежные равнины сложены галечником, реже - крупно- и разнозернистыми песками. Многие участки прибрежных равнин заболочены. Для северозападной части острова Западный Шпицберген характерны остроконечные вершины и узкие гребни хребтов, разделенных глубокими продольными и поперечными долинами. Во многие долины спускаются ледники, большинство из них берет начало на ледниковых плато Исаксена и Хольтедаля. На севере этой части острова расположена обширная равнина Рейнсдерфлюа со множеством болот и небольших озер. В северо-восточной час�