Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Содержание и пространственно-временное распределение фталатов в компонентах водных экосистем Верхней Оби

ВАК РФ 25.00.27, Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Автореферат диссертации по теме "Содержание и пространственно-временное распределение фталатов в компонентах водных экосистем Верхней Оби"

На правах рукописи

си

Усков Тимур Николаевич

СОДЕРЖАНИЕ И ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ФТАЛАТОВ В КОМПОНЕНТАХ ВОДНЫХ ЭКОСИСТЕМ ВЕРХНЕЙ ОБИ

25.00.27 - гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 9 ФЬВ 2015

005559312

Барнаул-2015

005559312

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институт водных и экологических проблем Сибирского отделения Российской академии наук (ИВЭП СО РАН)

Научный Папина Татьяна Савельевна,

руководитель: доктор химических наук

Официальные Савичев Олег Геннадьевич,

оппоненты: доктор географических наук, профессор, Федеральное

государственное автономное образовательное учреждение высшего образования Национальный исследовательский Томский политехнический университет, профессор кафедры гидрогеологии, инженерной геологии и гидрогеоэкологии (г. Томск)

Ведущая организация:

Коковкин Василий Васильевич,

кандидат химических наук, доцент, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт неорганической химии им. А. В. Николаева СО РАН, старший научный сотрудник лаборатории химии комплексных соединений (г. Новосибирск)

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Байкальский институт природопользования Сибирского отделения Российской академии наук (г. Улан-Удэ)

Защита состоится 2 апреля 2015 года в 15:00 на заседании диссертационного совета Д 003.008.01 при ФГБУН Институт водных и экологических проблем СО РАН по адресу: 656038 г. Барнаул, ул. Молодежная, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБУН Институт водных и экологических проблем СО РАН и на сайте www.iwep.ru

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, подписанные и заверенные печатью организации, просим высылать по адресу: 656038 г. Барнаул, ул. Молодежная, 1, Диссертационный совет. Тел./факс: +7(3852) 24-03-96, электронный адрес института: iwep@iwep.ru

Автореферат разослан «01 » февраля 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат географических наук, доцент

Рыбкина И.Д.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Загрязнение поверхностных вод является актуальной и многоплановой проблемой, несмотря на различные акты и инициативы, разработанные и принятые в последнее время с целью снижения вредных выбросов от хозяйственной деятельности человека. В последние десятилетия не прекращаются исследования по изучению токсического действия таких органических ксенобиотиков, как фталаты на живые организмы, а также их поведения в условиях окружающей среды. Фталаты (диалкиловые и алкилариловые эфиры орто-фталевой кислоты) относятся к промышленной химии и широко используются в народном хозяйстве. Ежегодное производство фталатов находится на уровне нескольких миллионов тонн, и половину этого количества занимает ди(2-этилгексил)фталат (ДЭГФ), который используется в качестве пластификатора. В условиях окружающей среды фталаты могут накапливаться в отдельных составляющих экосистем (почвы, донные отложения, гидробионты) до уровней, опасных для живых организмов. Фталаты относятся к типу веществ, разрушающих эндокринную систему млекопитающих (endocrine disrupting compounds, EDC), т.к. способны имитировать действие некоторых гормонов внутренней секреции. Следует отметить, что продукты распада фталатов в условиях окружающей среды, а также их метаболиты (образующиеся при попадании в живые организмы) проявляют большее токсическое действие, чем исходное вещество. При этом хроническое токсическое действие фталатов на человека до сих пор изучено слабо.

В зарубежной практике экологического мониторинга фталаты включены в списки приоритетных загрязнителей, подлежащих обязательному контролю, и входят в государственные программы по изучению действия различных классов веществ на человека и окружающую среду. В российской практике фталаты не включены в программы государственного экологического мониторинга, хотя содержание некоторых фталатов регламентируется в природных объектах (например, ДЭГФ относится к веществам первого класса опасности). При этом исследования содержания фталатов в объектах окружающей среды в России весьма немногочисленны (Барам и др., 2000; Азарова, 2003; Русских и др., 2012).

Исходя из того, что загрязнение окружающей среды фталатами носит комплексный характер, а в природных условиях они способны аккумулироваться в различных компонентах экосистем, то обоснование включения данных веществ в систему гидрохимического мониторинга Росгидромета является весьма актуальной и востребованной в настоящее время задачей.

Цель работы - оценка уровней содержания фталатов и изучение их пространственно-временного распределения в водных экосистемах Верхней Оби для обоснования схем регионального гидрохимического мониторинга этих веществ.

Задачи работы:

1. Определить уровни содержания фталатов в компонентах водных экосистем р. Обь (в районе г. Барнаула) и Новосибирского водохранилища, а также в снежном покрове в пределах их водоохранных зон.

2. Выявить пространственно-временные закономерности распределения фталатов в экосистемах исследуемых объектов и оценить влияние зарегулированное™ стока на данные закономерности.

3. На примере Верхней Оби предложить структурные схемы регионального мониторинга содержания фталатов в речных экосистемах для включения их в существующую систему гидрохимического мониторинга Росгидромета.

Объектами исследования являются компоненты водных экосистем р. Обь (в районе г. Барнаула) и Новосибирского водохранилища (вода, донные отложения, гидробионты (рыба)), а также снежный покров в пределах водоохранных зон.

Предмет исследования - уровни содержания и закономерности пространственно-временного распределения фталатов в компонентах водных экосистем р. Обь (в районе г. Барнаула) и Новосибирского водохранилища.

Научная новизна работы.

Впервые исследованы уровни содержания фталатов в водных экосистемах р. Обь (в районе г. Барнаула) и Новосибирского водохранилища. Выявлены пространственно-временные закономерности загрязнения воды и донных отложений исследованных объектов при естественном и зарегулированном стоке. Показано, что снежный покров пойменной части реки может вносить существенный вклад в загрязнение воды. Впервые исследованы уровни содержания фталатов в рыбе Верхней Оби и рассчитаны коэффициенты их биоаккумуляции. С учетом природно-климатических особенностей региона предложены структурные схемы регионального мониторинга содержания фталатов в водных экосистемах для их включения в работу мониторинговой сети Росгидромета.

Практическая значимость работы. Результаты работы могут быть использованы при разработке природоохранных мероприятий в водоохранных зонах р. Обь и Новосибирского водохранилища, а также при расширении и совершенствовании схем экомониторинга органических ксенобиотиков.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Загрязнение фталатами воды и донных отложений р.Обь на исследуемом участке носит сезонный характер: максимальные концентрации наблюдаются в период весеннего половодья и в период осенних дождевых паводков, минимальные — в летне-осеннюю и зимнюю межени. Основной вклад в загрязнение вносили ДБФ и ДЭГФ.

2. Возрастание содержания фталатов в ряду «вода — донные отложения - рыба» указывает на существование условий их накопления в водных экосистемах Верхней Оби. При этом максимальные значения

коэффициентов биоаккумуляции этих ксенобиотиков в исследованных образцах рыбы не превышали установленные в ЕС уровни для веществ, склонных к биоаккумуляции.

3. Установлено, что в условиях зарегулированное™ стока концентрации фталатов в воде водохранилища в летне-осеннюю межень снижаются в результате существенного возрастания его самоочищающей способности. В то время как в период весеннего половодья при низких скоростях самоочищения концентрации фталатов увеличиваются за счет значительного смыва с водосборной площади (поступление с водосбора почти в 4 раза выше вклада речного стока).

4. Снежный покров является дополнительным источником загрязнения фталатами поверхностных вод р. Обь. В зимний период происходит их накопление в снеге до уровней, превышающих нормативы для поверхностных вод.

5. Предложены научно обоснованные схемы регионального мониторинга фталатов в компонентах водных экосистем р. Обь (в районе г. Барнаула) и Новосибирского водохранилища.

Апробация работы. Основные результаты работы были доложены на: Международной научной конференции по аналитической химии и экологии (Алматы, 2010), Научно-практической конференции с международным участием «Питьевая вода в XXI веке» (Иркутск, 2013), Молодежной научной электронной заочной конференции «Экология и безопасность жизнедеятельности» в рамках «Студенческого научного форума 2013», XIV Конференции молодых ученых ИВЭП СО РАН «Шаг в науку» (Барнаул, 2014).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ, из них 3 статьи в рецензированных журналах, рекомендованных ВАК.

Фактический материал и личный вклад автора. В основу работы положены результаты натурных исследований р. Обь и Новосибирского водохранилища (включая Бердский залив) в 2009-2014 гг. Всего было отобрано и проанализировано 416 проб, из них 318 - воды, 60 - донных отложений, 18 -снега и 20 образцов рыбы.

Личный вклад автора состоит в отборе, обработке и анализе проб, а также в обработке и анализе полученных результатов. Разработка плана исследований и подготовка публикаций выполнены совместно с научным руководителем.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов и списка литературы. Материал диссертации изложен на 174 страницах текста, содержит 41 рисунок и 30 таблиц. В списке цитируемой литературы 240 наименований.

Благодарности: Автор выражает особую благодарность научному руководителю д.х.н. Папиной Т.С. за идею работы и постоянную помощь и моральную поддержку в процессе ее выполнения; к.х.н., с.н.с. ЭйрихС.С. за помощь при обсуждении результатов и редактировании текста работы; к.г.н., н.с. Малыгиной Н.С. за критический взгляд и помощь в оформлении; м.н.с.

Дрюпиной Е.Ю. за помощь в оформлении и знание государственных стандартов; всем сотрудникам Химико-аналитического центра ИВЭП СО РАН за постоянную поддержку и ценные замечания. Также автор выражает благодарности сотрудникам Лаборатории водной экологии ИВЭП СО РАН к.б.н., н.с. Котовщикову A.B., к.б.н., н.с. Ковешникову М.И., и ведущему инженеру Власову С.О. за помощь при отборе и обработке проб.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность работы, сформулированы задачи, указаны научная новизна и личный вклад автора, отмечена практическая значимость работы.

В главе 1 «Обзор литературы» описаны основные физико-химические свойства диалкиловых и алкилариловых эфиров орто-фталевой кислоты (фталатов) и методы их определения в объектах окружающей среды. Проведен обзор литературы по изучению содержания фталатов в атмосферных осадках, природных водах, донных отложениях и гидробионтах. Приведены возможные процессы распада фталатов в условиях окружающей среды и их токсичность для гидробионтов и человека. Рассмотрены вопросы организации экологического мониторинга фталатов в мире, обоснована важность его проведения государственными контролирующими службами в России.

В главе 2 «Объекты и методы исследования» дана физико-географическая характеристика региона исследования, приведены карта-схемы отбора проб, описаны методики отбора и анализа проб.

Отбор проб проводился на участке р. Обь в районе г. Барнаула (рис. 1) и на Новосибирском водохранилище (рис. 2). Пробы воды отбирали батометром Молчанова; пробы донных отложений (ДО) - дночерпателем Петерсена на глубину до 10 см. Воду отбирали в бутыли из темного стекла, емкостью 1 л, с прокладкой из промытой хлористым метиленом (ХМ) фольги под крышку (в двух параллелях) и хранили охлажденными до анализа не более суток. В случае невозможности обработки в течение суток - консервировали формальдегидом до концентрации 1 % об. и хранили не более недели при температуре +4 °С. Пробы ДО отбирали в железные банки и хранили до анализа в алюминиевой фольге при температуре -20 °С.

Отбор проб снега проводили согласно РД 52.04.186-89. Пробы снега отбирали на всю глубину его залегания на момент максимального снегозапаса (начало марта). Для отбора использовали стальную предварительно отмытую растворителями трубу с площадью основания 0,03 м2. Снег отбирали методом конверта по квадрату со стороной 2 м (составная проба из 5 отдельных проб). С одной точки отбирали две составных пробы, которые затем смешивали и получали объем усредненной пробы, достаточный для получения 2 л талой воды. Пробы снега транспортировали в пакетах из химически инертного полиэтилена и хранили при температуре -20 "С.

Новоалтайск

П«к- Затон

ф ОН - точки отбора проб снега; \2 - створы отбора проб воды и ДО, • 3 - точка отбора проб воды и ДО:

■ 6 - ОГОЛОВКИ

выпусков КОС.

Рис. 1. Карта-схема отбора проб снега, воды и донных отложений на р. Обь в

районе г. Барнаула

Образцы рыбы приобретали у местных рыболовов, имеющих лицензию на вылов. Вся рыба была заморожена не позднее, чем через сутки после вылова. Пробы мышечной ткани и полостного жира хранили в алюминиевой фольге при температуре -20 °С.

Обработка и анализ проб.

Для обработки и анализа проб были взяты за основу методики Американского природоохранного агентства (ЕРА 3510, 3546, 3610, 8270). Пробы воды экстрагировали по методу ЕРА 3510 хлористым метиленом (3 раза по 60 мл), экстракты упаривали досуха, остаток растворяли в гексане и анализировали по методу ЕРА 8270.

плотина ГЭС

Борозое

/

10?

юзое •,

~ 7 .

\ Обь

/® НОВОСИБИРСК Бердский залив

„••БердоК \ 'СоснсвхачД8Б Искитим «Ч8А

Быстровка

Спирине.

■■•"А?)» Чингисы »Малетиио

створы о - точки • города • - поселки

Камень на- Об**..

Рис. 2. Карта-схема отбора проб воды и ДО на Новосибирском водохранилище

7

Пробы донных отложений и мышечной ткани рыбы экстрагировали смесью ацетон : хлористый метилен (1 : 1) по методу ЕРА 3546 (микроволновая экстракция), экстракты очищали по методу ЕРА 3610 (на колонке с оксидом алюминия) и далее анализировали по методу ЕРА 8270. Все использованные реактивы имели квалификацию не ниже «х. ч.» и при необходимости проходили дополнительную очистку. Все растворители имели квалификацию «ос. ч.» и дополнительно очищались перегонкой на роторном испарителе.

Анализ экстрактов проводили на газовом хроматографе фирмы Agilent, GC 6890N, MSD 5975С. Хроматографическая колонка - HP-5MS (фаза: 5 % фенилметилсилоксан, длина 30 м, внутренний диаметр 250 мкм, толщина НЖФ 0,25 мкм). Газ носитель - гелий, марки А (чистота 99,999 %).

По результатам предварительного анализа натурных данных и с учетом объемов поступления в окружающую среду в качестве исследуемых веществ были выбраны следующие шесть фталатов: диметилфталат (ДМФ), диэтилфталат (ДЭФ), диизобутилфталат (ДиБФ), дибутилфталат (ДБФ), бензилбутилфталат (ББФ) и ди(2-этилгексил)фталат (ДЭГФ).

Для фталатов определяющим параметром при установлении пределов обнаружения является лабораторный фон. Поэтому, предел обнаружения метода был принят равным За разброса среднего значения лабораторного фона, где с -стандартное отклонение холостых лабораторных опытов (п=8) (табл. 1).

Таблица 1

Объект исследования ДМФ ДЭФ ДиБФ ДБФ ББФ ДЭГФ

Природная и снеговая вода 0,32 0,48 0,51 0,57 0,17 0,73

Донные отложения и рыба 0,88 0,97 1,0 1,95 1,6 2,2

Правильность определения фталатов подтверждена методом добавок; учет загрязнения проб при отборе, транспортировке и пробоподготовке проводили с помощью лабораторных и полевых холостых опытов.

Глава 3. Загрязнение фталатами компонентов водных экосистем р. Обь (в районе г. Барнаула) и Новосибирского водохранилища.

За исследуемый период в пробах воды, отобранных в р. Обь в районе г. Барнаула и в Новосибирском водохранилище, были обнаружены все 6 изучаемых фталатов. Частота случаев определения убывала в ряду: ДБФ = ДЭГФ > ДиБФ > ДЭФ > ББФ > ДМФ. При этом ДБФ и ДЭГФ были обнаружены в 90% проб воды и ДО.

Загрязнение фталатами р. Обь (в районе г. Барнаула).

Рекогносцировочные исследования содержания фталатов в воде и донных отложениях были проведены в 2009 г. на основных створах сети мониторинга (рис.1: т.1, 4, 10). В 2011 г. список створов был расширен для оценки уровней содержания данных веществ на отдельных участках реки и выявления вероятных источников их поступления в реку в пределах города. Высокие концентрации фталатов в 2011г. (рис. 3) связаны с совокупным

влиянием возросшей локальной антропогенной нагрузки в пределах водоохранной зоны реки и значительным смывом с территории с ливневыми осадками.

Сентябрь 2011 г. Август 2011 г. Октябрь 2009 г. Июнь 2009 г.

120 100 о 80 « 60 12 40 I

20 1 0

Номер створа/точки

Рис. 3. Суммарное содержание фталатов в пробах воды р. Обь в 2009 г. и 2011 г. (здесь и далее на рис. 4-7 нумерация точек отбора согласно рис. 1)

Снижение концентраций фталатов в летний период объясняется высокой скоростью разложения данных веществ бактериопланктоном. В пробах воды в зимний период основной вклад в общее загрязнение фталатами вносили ДБФ и ДЭГФ, содержание остальных фталатов было, в большинстве случаев, ниже предела обнаружения. Относительно высокие концентрации фталатов в точках 3, 8 и 10 в 2013 г. (рис. 4) обусловлены влиянием точечных и диффузных источников загрязнения, расположенных на изучаемой территории, и особыми метеоусловиями данного года (большой снегозапас, раннее снеготаяние).

5 50

I 40

£ зо.

I 20

о 10

гЬ ¡4н

1

х

®_

"ЙЙ

3

10

4 5 6 8 9

Место отбора

□ Март 2011 г. Ш Март 2012 г. Ш Март 2013 г. □ Февраль 2014 г.

Рис. 4. Суммарное содержание фталатов в воде р. Обь в зимнюю межень (х -пробы не отбирались) в 2011-2014 гг.

Уровни содержания фталатов в пробах ДО в 2009 г. и 2011 г. приведены на рисунке 5. Относительно низкие их концентрации в летнее время (ниже

безопасного уровня 100 мкг/кг, принятого в Европе (New Dutch List, 2009)) связаны, прежде всего, с высокой бактериальной активностью, способствующей биодеградации фталатов в донных отложениях.

Рис. 5. Суммарное содержание фталатов в пробах ДО р. Обь в 2009 г. и 2011 г.

В составных пробах мышечной ткани и полостного жира рыб, выловленных на участке реки от г. Барнаула до г. Камень-на-Оби, ДЭГФ был обнаружен во всех пробах, ББФ - в одной пробе. Значимая корреляция (г = 0,69) наблюдалась между содержанием ДЭГФ и коэффициентом Фультона (коэффициентом упитанности рыбы - С?) и слабая корреляция (г = 0,34) между содержанием ДЭГФ и возрастом рыбы. Значимая корреляция между коэффициентом Фультона и содержанием ДЭГФ объясняется тем, что питание -основной путь поступления фталатов в организм рыбы. Рассчитанные коэффициенты биоаккумуляции ДЭГФ для исследованных видов рыб представлены в таблице 2.

Таблица 2

Показатель Щука (Esox lucius) Окунь (Регса fluviatilis) Лещ (Abramis brama) Плотва (Ruti/us rutilus)

Коэффициент биоаккумуляции * 3.3-65.5 30,0 20.7-30.0 26,5 11,3 - 133 73,0 54.0-60.8 57,6

^числитель - интервал варьирования, знаменатель - среднее значение.

При расчете использовали интервалы концентраций ДЭГФ для каждого вида рыбы, и среднее содержание ДЭГФ в воде в летний период. Значения коэффициентов биоаккумуляции для всех видов рыб не превышали установленный Европейским Союзом уровень для веществ, склонных к биоаккумуляции, равный 2000. Так как фталаты вследствие метаболизма выводятся из организма в течение короткого промежутка времени (от недели до

месяца), то рыба является индикатором текущего уровня загрязнения водного объекта.

Интегральные пробы снега, отражающие поступление фталатов из атмосферы на территорию водосборного бассейна за зимний период, отбирали в пойме Оби (район г. Барнаула) на момент максимального снегозапаса (в течение 3 лет с 2012 по 2014 гг.) (рис. 6).

400

350

ОС -2 се 300

х =Г 05 о ш »X 250 200

е- о 150

X си го 100

=Г -— 50

X о 0

Й—*

□ 2011-2012

□ 2012-2013

J 2013-2014

IV V VI VII VIII IX

Точка отбора

Рис. 6. Суммарное содержание фталатов в интегральных пробах снега, отобранных в пойме Оби в районе г. Барнаула (2012-2014 гг.)

Основной вклад в суммарное загрязнение снега фталатами вносили ДЭГФ и ДБФ, содержание остальных было на уровне предела обнаружения. Максимальные содержания фталатов наблюдались в 2013 г., при этом самые высокие концентрации были отмечены в пробах, отобранных ниже моста через реку Обь, по которому проходит автомагистраль федерального значения и железная дорога (точка V).

Наиболее интенсивно процесс загрязнения снежного покрова в пойме реки происходит по дорожным выемкам, которые в данном случае выступают в качестве ложбин стока городских воздушных масс. Точка V находится возле такой дорожной выемки, по которой проходят железнодорожная и автомобильная магистрали. Точка II также находится рядом с дорожной выемкой, проходящей от трассы, через садоводство, к реке. Для оценки пространственного распределения загрязнения снежного покрова "городскими" аэрозолями в 2014 г. пробы снега были отобраны по поперечному сечению реки в контрольных точках II, III и V (рис. 7).

В точках II и III наблюдается снижение концентраций фталатов от левого берега к правому, что подтверждает наше предположение о загрязнении снежного покрова пойменной части реки при ночном стоке городского воздуха в пойму. А в точке V высокая концентрация фталатов в середине обусловлена совокупным влиянием воздушного стока загрязняющих веществ с обоих берегов и мощным локальным загрязнением от транспорта, проходящего через мост.

(

Рис. 7. Суммарное содержание фталатов в пробах снега, отобранных в русле реки в контрольных точках отбора (2014 год)

Загрязнение фталатами Новосибирского водохранилища.

Оценку уровня загрязнения фталатами вод Новосибирского водохранилища проводили в 2009-2010 гг. по всей акватории, в 2011-2012 гг. - в Бердском заливе и замыкающем створе водохранилища перед плотиной. В 2010 г. высокие концентрации фталатов (выше безопасного уровня) наблюдались в период весеннего половодья, что связано с поступлением данных веществ с водосборной площади с талыми водами (рис. 8). Низкие концентрации отмечались в летне-осеннюю межень, что объясняется высокой самоочищающей способностью поверхностных вод в данный период. Повышение концентрации фталатов, связанное с локальным антропогенным загрязнением, выявлено в сентябре 2010 г. в нижней части водохранилища.

Сентябрь

Рис. 8. Суммарное содержание фталатов в воде Новосибирского водохранилища в 2010 г. (здесь и на рис. 9 нумерация точек согласно рис. 2) Для оценки вклада основных источников поступления фталатов (речной сток через входной створ и смыв с водосборной площади) и процессов их разложения (в первую очередь биодеградации) был рассчитан сток фталатов на различных участках Новосибирского водохранилища за период водообмена в

разные сезоны 2010 г. (табл. 3). В июне во время второй волны половодья вклад смыва с водосборной площади водохранилища очень высокий (почти в 4 раза выше вклада речного стока), а низкие скорости самоочищения приводят к увеличению концентрации фталатов вдоль водохранилища. В августе месяце при максимальной самоочищающей способности и существенном снижении поступления фталатов с водосборной площади (сток из водохранилища в 3 раза ниже стока через входной створ) концентрации фталатов в водохранилище снижаются.

Таблица 3

Средняя концентрация и сток фталатов во входном створе (речной сток) и на различных участках Новосибирского водохранилища за период водообмена

Участок водохранилища Объем воды, млн. м3 Концентрация фталатов, мкг/л Масса фталатов, тонн

Июнь

Нижний (1) 6221,907 206 1284,139

Средний (II) 1422,260 152 216,980

Верхний (III) 273.037 76,4 20,855

Всего 1521,974

Речной сток* 14876 | 29,1 433,035

Август

Нижний (I) 6226,848 6,04 37,610

Средний (II) 1423,389 12,8 18,234

Верхний (III) 273,254 17,0 4,656

Всего 60,500

Речной сток | 9790 | 20,6 201,672

* - речной сток во входном створе за период водообмена

Сезонных закономерностей изменения содержания фталатов в донных отложениях выявлено не было. Высокие концентрации фталатов отмечались в каждом изучаемом гидрологическом периоде на разных участках водохранилища (рис. 9а), что связано как с неравномерным осадконакоплением, так и с перераспределением донных осадков в течение периода открытой воды. За весь период наблюдения самые высокие концентрации фталатов (ДБФ и ДЭГФ), достигающие опасных уровней, были зафиксированы в 2012 г. в ДО Бердского залива (рис. 96), водосборная площадь которого подвержена интенсивному антропогенному загрязнению.

В пробах мышечной ткани леща (.Abramis brama) и щуки (Esox lucins), выловленных в Новосибирском водохранилище в 2012-2013 гг., были обнаружены ББФ и ДЭГФ. Максимальное содержание ДЭГФ, равное 1443 мкг/кг, определено в пробе леща. Значения коэффициентов биоаккумуляции (КБА) ДЭГФ для разных видов рыб Новосибирского водохранилища составили: для щуки (Esox 1ucius) 3,08,0 (среднее - 5,5), для леща (Abramis brama) 10,6-106 (среднее - 41,0). Значения

КБА для проб исследованной рыбы Новосибирского водохранилища (также как и для рыб Оби) не превышали установленный Европейским Союзом уровень для веществ, склонных к биоаккумуляции.

*<°400 .

т

оЗБО -

Езоо-

и

± 250-

5.100

ар

»

!<

= 1: = г т

Л, И - X 5 Ц-Д. Й Цг р

4750 •5500 ' 2000 . 1750

1500_

750250 0

:

"Т

—Ж ГШ) лт Ж

1 3 4 5, 6 Номер створа/точки [2] Июнь ЕВ Август ^Сентябрь

8А

ИЗ Июль

8Ь

ЁАвгуст

ВОктябрь

а) б)

Рис. 9. Суммарное содержание фталатов в пробах ДО Новосибирского водохранилища (а) в 2010 г. и Бердского залива (б) в 2012 г.

Глава 4. Экологический мониторинг фталатов в компонентах водных экосистем на примере р. Обь (в районе г. Барнаула) и Новосибирского водохранилища.

В настоящее время в практике российского экомониторинга контроль содержания фталатов в водных объектах отсутствует. Согласно нашим исследованиям содержание фталатов в воде р. Обь может достигать величин, превышающих установленные нормы ПДК как для вод рыбохозяйственного, так и коммунально-бытового водопользования (табл. 4).

Таблица 4

Объект Дата отбора ДБФ ДЭГФ

пдкрх (1 мкг/л) пдкк.6 (8 мкг/л)

р. Обь (в районе г. Барнаула) Июнь 2009 г. 9 ПДК <пдк

Август 2011 г. 14 ПДК 3 ПДК

Сентябрь 2011 г. 60 ПДК 9 ПДК

Октябрь 2009 г. 85 ПДК 4 ПДК

Новосибирское водохранилище Июнь 2010 г. 179 ПДК 2 ПДК

Август 2010 г. 7 ПДК <пдк

Сентябрь 2010 г. 25 ПДК 10 ПДК

Бердский залив Июль 2012 г. 40 ПДК 19 ПДК

Август 2012 г. 11 ПДК 21 ПДК

Октябрь 2012 г. <пдк <пдк

Сравнение полученных данных показывает, что средние содержания фталатов в различных компонентах водных экосистем р. Обь в районе г. Барнаула и Новосибирского водохранилища имеют тенденцию к накоплению (рис. 10), при этом максимальные значения наблюдались в Новосибирском водохранилище. Более широкий диапазон варьирования концентраций фталатов в компонентах экосистем Новосибирского водохранилища по сравнению с р. Обь определяется ярко выраженной разнонаправленностью процессов, регулирующих баланс фталатов: поступление с большой площади водосбора и высокая скорость самоочищения за счет зарегулированное™ стока.

1600 --------

- максимум

.— 1400

X

с; 1200

1000

2

-. 800

к

ч

и 600

ГО

о. t- 400

X

<и -г 200

X

о 0

2£

——

д

ф 1

Снег Вода

Донные Щукз отложе- ¡tspx {Abram s ния iucius) brama)

1400 -1200 _

1000800 . 600400200. 0 .

- среднее (±й)

Т

■ минимум

Вода

Донные Лещ отложе-(ДЬпзт/5 кия bramo)

а) б)

Рис. 10. Концентрации фталатов в компонентах водных экосистем р. Обь в районе г. Барнаула (а) и Новосибирского водохранилища (б)

Исходя из полученных закономерностей пространственно-временного распределения фталатов в водных экосистемах Верхней Оби, были предложены принципиальные схемы их мониторинга в поверхностных водах и сопряженных компонентах водных экосистем (донных отложениях, гидробионтах, снежном покрове поймы). Для примера, на рисунке 11 приведена структурная схема мониторинга фталатов в воде и донных отложениях Верхней Оби (аналогичные схемы были разработаны для всех других составляющих водных экосистем).

Дополнительно были обоснованы карта-схемы пунктов отбора проб воды и ДО по развернутой (для идентификации источников загрязнения) и сокращенной (для оценки текущего уровня загрязнения) программам мониторинга р. Обь (в районе г. Барнаула) и Новосибирского водохранилища. Карта-схема мониторинга р. Обь (в районе г. Барнаула) включает створы, которые учитывают влияние города на различных участках реки, а также влияние р. Барнаулка, которая подвержена высокой антропогенной нагрузке в черте города (рис.12). Схема мониторинга Новосибирского водохранилища охватывает все основные притоки, а также включает створы наблюдения, находящиеся в разных его частях (рис.13). Разработанные схемы могут быть использованы в сети мониторинга Росгидромет.

Рис. 11. Структурная схема мониторинга фталатов в воде и донных отложениях р. Обь (в районе г. Барнаула)

Рис. 12. Карта-схема мониторинга фталатов в поверхностных водах и донных отложениях р. Обь в районе г. Барнаула.

плотина ГЭС Ленинское

^ЛердаЬ. \ 'Соснозка\\ Искитим®ч

® -

Каменьиа-Оби "

Юбь

9 НОВОСИБИРСК ^Г^ бердсний залив

/У □ - створы и точки мониторинга * системы Росгидромет

а проб мы

створы и точки отбора проб сокращенной программы мониторинга

- створы и тонки о----с... ои----

инга

- - , _ I г< I ЧАЛ гл п м

развернутой программы МОНИТОРУ""

-Обь

Рис. 13. Карта-схема мониторинга фталатов в поверхностных водах и донных отложениях Новосибирского водохранилища.

выводы

1. За исследуемый период загрязнение фталатами воды и донных отложений р. Обь и Новосибирского водохранилища изменялось в зависимости от гидрологического сезона - максимальные значения были отмечены в период весеннего половодья и осенних дождевых паводков (до 179 ПДКрх и 85 ПДКрх, соответственно), а минимальные - в периоды летне-осенней и зимней меженей. Основной вклад в загрязнение вносили ДБФ и ДЭГФ, как самые широко используемые представители данного класса соединений.

2. Возрастание содержания фталатов в ряду «вода - донные отложения - рыба» указывает на существование условий их накопления в водных экосистемах Верхней Оби. В составных пробах мышечной ткани и полостного жира изучаемых видов рыб были обнаружены только ББФ и ДЭГФ. Установлена значимая положительная корреляция между коэффициентом Фультона и содержанием ДЭГФ. Значения коэффициентов биоаккумуляции ДЭГФ не превышали установленные Европейским Союзом уровни для веществ, склонных к биоаккумуляции.

3. Сравнение уровней загрязнения фталатами компонентов водных экосистем р. Обь (в районе г. Барнаула) и Новосибирского водохранилища показало, что зарегулированность стока играет положительную роль: за счет увеличения самоочищающей способности водохранилища происходит снижение концентрации фталатов в воде в летне-осеннюю межень. В период весеннего половодья при низких скоростях самоочищения концентрации фталатов в водохранилище увеличиваются за счет значительного смыва с водосборной площади (поступление с водосбора почти в 4 раза выше вклада речного стока).

4. Содержание фталатов в пробах снега, отобранных в створах р. Обь в районе г. Барнаула, за исследуемый период достигало 47 ПДКрх (ДБФ) и 39 ПДКк_6 (ДЭГФ). Большинство превышений норм ПДК выявлено на участке ниже моста через реку, что связано с их поступлением от автомагистрали федерального значения и железной дороги.

5. На основе проведенных натурных экспериментов предложены научно обоснованные схемы регионального мониторинга фталатов в водных экосистемах Верхней Оби (на примере р. Обь в районе г. Барнаула и Новосибирского водохранилища). Данные схемы (в сокращенном виде и в развернутом) могут быть использованы в сети мониторинга Росгидромета для контроля и идентификации возможных источников локального загрязнения.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в журналах, рекомендованных ВАК:

1. Консервативные загрязняющие вещества в воде Новосибирского водохранилища / А. Н. Эйрих, Т. Г. Серых, Е. Ю. Дрюпина, Т. Н. Усков // Мир науки, культуры, образования. 2012. №6 (37). С. 533-535 (раздел «Экология»),

2. Усков, Т. Н. Содержание фталатов в воде Новосибирского водохранилища в разные гидрологические периоды / Т. Н. Усков // Вода: химия и экология. 2013. №3. С. 100-105.

3. Усков, Т. Н. Уровни загрязнения фталатами воды и донных отложений Новосибирского водохранилища / Т. Н. Усков // Мир науки, культуры, образования. 2014. №1 (44). С. 400-403 (раздел «Экология»).

Прочие публикации:

4. Усков, Т. Н. Определение фталатов в объектах окружающей среды газохроматографическими методами / Т. Н. Усков // Тезисы Четвертой Всеукраинской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Химические проблемы сегодня» / Редколлегия: О.М. Шендрик (вед. ред.) и др. - Донецк: «Ноулидж», 2010. - С. 70.

5. Усков, Т. Н. Фталаты в поверхностных водах и донных отложениях р. Обь (в районе г. Барнаула) / Т. Н. Усков // Материалы международной научной конференции по аналитической химии и экологии / Под ред. М.К. Наурызбаева. - Алматы: Изд-во КазНУ, 2010. - С. 93-97.

6. Усков, Т. Н. Загрязнения поверхностных вод фталатами на примере верхнего течения р. Обь и Новосибирского водохранилища / Т. Н. Усков // Современные наукоемкие технологии. 2013. №8-2. С. 340.

7. Усков, Т.Н. Содержание фталатов в воде и донных отложениях р. Обь (в районе г. Барнаула) в разные гидрологические периоды / Т. Н. Усков // Питьевая вода в XXI веке. Матер, науч.-практ. конф. с межд. уч. (Иркутск, 23-28 сентября 2013 г.). - Иркутск: Изд-во Института географии им. В.Б. Сочавы СО РАН, 2013.-С. 90.

8. Усков, Т. Н. Загрязнение фталатами снежного покрова поймы р. О в районе г. Барнаула / Т. Н. Усков // Шаг в науку: сборник тезисов X. конференции молодых ученых ИВЭП СО РАН / ИВЭП СО РАН, ред. В. Букатый. - Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2014. - С. 67-74.

Подписано в печать 30.01.2015 Печать трафаретная Усл. печ. л. - 1. Формат 60x90/16 Тираж: 100 экз. Заказ №23 Типография ООО «АРБАТ» 656038, г. Барнаул, пр. Ленина, 52 (3852) 380-806, 366-580, 253-050 www.arbat-it.ru / www.printaltai.ru