Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Закономерности распределения концентраций тяжелых металлов в донных отложениях в условиях загрязнения и закисления озер

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Автореферат диссертации по теме "Закономерности распределения концентраций тяжелых металлов в донных отложениях в условиях загрязнения и закисления озер"

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ОЗЕРОВЕДЕНИЯ

ДАУВАЛЬТЕР ВЛАДИМИР АНДРЕЕВИЧ

На правах рукописи УДК 550.4 (471.21)

ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИЙ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЯХ В УСЛОВИЯХ ЗАГРЯЗНЕНИЯ И ЗАКИСЛЕНИЯ ОЗЕР (НА ПРИМЕРЕ КОЛЬСКОГО СЕВЕРА)

специальность - 11.00.11 - охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

САНКТ - ПЕТЕРБУРГ - 1994

Работа выполнена в Институте проблем промышленной экологии Севера Кольского научного центра РАН.

Научный руководитель: доктор биологических наук Т.И. Моисеенко

Официальные оппоненты: доктор географических наук, профессор Ю.И. Ляхин

кандидат географических наук Л.В. Сергеева

Ведущее учреждение: Государственный научно-исследовательский институт озерного и речного рыбного хозяйства (Г'осНИОРХ)

Защита состоится 994 г. в час. на заседании

специализированного Совета Д.200.10.01 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора наук при Институте Озероведения РАН, по адресу: 196 199, Санкт-Петербург, ул. Севастьянова, 9.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института Озероведения РАН

/О . ОК^у,

Автореферат разослан 1994 г,

Ученый секретарь специализированного совета к.б.н.

Белова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Проблема загрязнения поверхностных вод тяжелыми металлами (ТМ) приобретает все большую актуальность вследствие их токсичности, способности длительное время функционировать в экосистемах и аккумулироваться в живых организмах. Кольский полуостров интенсивно загрязняется ТМ. Здесь сосредоточены мощные металлургические предприятия: комбинаты "Печенганикель" и "Североникель", перерабатывающие высокосернистые медно-никелевые руды Норильского горно-обогатительного комбината, атакже Олене-горский ГОК, производящий железный концентрат. Сотни тонн ТМ поступают со стоками и атмосферными выбросами горно-промышленного комплекса. Наряду с загрязнением ТМ, происходит закисление территорий водосборов и озер. Это приводит к повышению мобильности ТМ в экосистеме и увеличению токсичности и биоаккумуляции. Экологическое действие ТМ и кислотообразующих соединений, таким образом, тесно взаимосвязано. Значительная часть ТМ, выпадающих на территорию водосборов, связывается и захороняется в донных отложениях озер. Поэтому их содержание в седиментах характеризует суммарную нагрузку, позволяет определить источники загрязнения и установить исторические тренды, т.е. является индикатором мониторинга. В то же время, содержание ТМ в донных отложениях озер Кольского полуострова оставалось практически неизученным. В связи с этим особую актуальность приобретают вопросы, связанные с познанием закономерностей аккумуляции и распределения ТМ в донных отложениях озер в условиях антропогенных нагрузок. Оценка экологической опасности токсичных ТМ для экосистем озер необходима при планировании и реализации природоохранных мероприятий.

Цель работа заключается в выявлении закономерностей распределения ТМ в донных отложениях озер под воздействием антропогенного загрязнения водоемов, определение экологической опасности, создаваемой ТМ, для водных экосистем.

Задачи исследований:

1. Изучить природные факторы формирования качества поверхностных вод Кольского полуострова и установить источники антропогенного поступления ТМ в водоемы и степень их влияния.

2. Определить фоновые концентрации ТМ для донных отложений озер

3

Кольского Севера.

3. Исследовать аккумуляцию ТМ в седиментах во временном интервале на основе определения вертикального распределения их концентраций как отражения истории естественных нагрузок на водосборы озер.

4. Установить зависимость содержания ТМ в воде исследуемых озер от их концентраций в поверхностных слоях донных отложений.

5. Изучить закономерности территориального распределения концентраций ТМ в поверхностных слоях донных отложений озер, установить зависимости их концентраций с удалением от источника загрязнения.

6. Определить уровень загрязнения донных отложений озер ТМ и подсчитать количественные значения индекса экологического риска, создаваемого ТМ в донных отложениях для водных экосистем.

Для исследования оценки экологического состояния водоемов выбрали следующие ТМ: N1, Си, Со, 2.п, РЬ, С<) и Н$. Эти элементы являются одними из основных загрязняющих веществ на Кольском Севере, вследствие наличия мощных предприятий горно-металлургического комплекса, урбанизации и разветвленной сети автомобильных и железных дорог. Также определялись концентрации Ре, Мп и А|, играющих важную роль в процессах адсорбции ТМ.

Личный вклад автора. В основу работы положены исследования автора, проводившиеся в 1989-1994 г.г. и обобщенные в ряде статей и отчётов. Научные разработки, определившие структуру и основные положения диссертации, а также проведение первичной обработки и химических анализов проб донных отложений, выполнены автором самостоятельно.

Теоретическое значение и научная новизна. На основе исследований донных отложений более ста озер Северной Феноскандии установлены закономерности территориального и вертикального распределения ТМ в зависимости от вида и удаленности антропогенных источников загрязнения. Определены фоновые концентрации ТМ в седиментах озер Кольского региона. Установлено распределение концентраций ТМ в толщах донных отложений на фоне восстановленной истории антропогенных нагрузок на водосборы озер. Выявлено влияние закис-ления озер на содержания ТМ в донных отложениях. Получена зависимость распределения концентраций ТМ в поверхностных слоях донных отложений озер с расстоянием от источников загрязнения. Определены критерии оценки коэф-

фициента (Ct) и степени загрязнения (CJ донных отложений озер ТМ и рассчитаны их количественные значения для исследуемых озер. Установлены критерии оценки токсичности ТМ на основе количественного определения значений индекса экологического риска (RI). создаваемого ТМ в донных отложениях для гидробионтов. Рекомендован ряд показателей для оценки экологического состояния пресноводных экосистем Севера.

На защиту выносятся: 1. Закономерности накопления ТМ в современных донных отложениях озер территорий Субарктики, подверженных влиянию атмосферных выбросов и стоков предприятий цветной металлургии.

2. Определение влияния закисления озер на концентрации металлов в донных отложениях.

3. Адаптированная применительно к региональным условиям Кольского Севера методика определения индекса экологического риска Хокансона (RI) для оценки качества поверхностных вод.

Практическая значимость. Результаты исследований были использованы для:

1) проведения экологической экспертизы я принятия согласованных природоохранных решений по снижению выбросов металлургическими комбинатами;

2) экологического обоснования необходимости реконструкции металлургических комбинатов "Печенганикель" (1991) и "Североникель" (1992). Они вошли в отчеты совместной российско-норвежской экспертной группы проблем загрязнения поверхностных вод приграничных территорий между Россией и Норвегией, подготовленных для Министерств Экологии России и Норвегии.

Публикации и апробации работы. По материалам диссертации опубликовано 14 печатных работ.

Материалы диссертации доложены на ряде Всесоюзных и региональных научных конференций: "Проблемы охраны окружающей среды Севера" Всесоюзной научной конференции молодых ученых и специалистов (Мурманск, 1990), "Актуальные проблемы биологии и рациональное природопользование" Республиканской конференции молодых ученых и специалистов (Петрозаводск, 1990), "Проблемы изучения рационального использования и охраны природных ресурсов Белого моря" V Региональной конференции (Петрозаводск, 1992), а также на международных симпозиумах: "Symposium on the State of the Environment and Environmental Monitoring in Northern Fennoscandia and the Kola Peninsula" (Rovaniemi,

Finland, 1992), "International Symposium on the Ecological Effects of Arctic Airborne Contaminants" (Reykjavik, Iceland, 1993).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения, списка литературы и приложения, содержит 34 таблицы и 44 рисунка. Список литературы включает 272 названия (146 иностранных). Текст работы изложен на 121 странице. Общий объем работы- 200 страниц.

ГЛАВА I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

Донные отложения озер формируются в результате сложного взаимодействия разнообразных факторов: климатических, гидрологических, механических, физических, химических, биологических и других, протекающих во времени как на водосборной площади, так и в самом озере. Ландшафтные условия всегда оказывают определяющее влияние на характер и интенсивность этих процессов. Зависимость химического состава донных отложений от геохимических особенностей выявлена на примере горного и северо-таежиого ландшафтов Кольского полуострова (Сергеева, 1974). В результате этих исследований были установлены геохимические особенности различных ландшафтов, которые определяются зональными (природно-климатическими) и азональными (характером рельефа и почвообразутощих пород) факторами.

Возросшая антропогенная нагрузка на озера оказывает влияние на изменение химического состава донных отложений. Влияние загрязняющих веществ, поступающих в водоемы, на содержание микроэлементов в донных отложениях озер освещены как в отечественной (Белоконь, Нахшина. 1990; Денисова и др., 1987; Нахшина, 1983, 1985; Нахшина и др., 1985; Нахшина, Белоконь, 1990; Новиков, 1985; Петрова, 1988,1990; Петрова, Свиридов, 1988; Семенович, 1966, 1973; Сергеева, 1989; Россолимо, 1977; и др.), так и зарубежной литературе (Baron et al., 1986; Campbell et al., 1985; Charles & Norton, 1986; Coker et al., 1979; Davis et al., 1986; Dillon & Smith, 1984; Förstner, 1977, 1982a, 1982b; Förstner & Wittmann, 1979; Hâkanson, 1980; Hâkanson & Jansson, 1983; Norton, 1983, 1989; и ДР-).

Но для озер холодной гумидной зоны, к которой относится территория Кольского Севера, с интенсивным загрязнением выбросами металлургического комплекса, до настоящего времени эти работы отсутствовали.

ГЛАВА П. ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЯХ ОЗЕР.

На территории Кольского полуострова И.И. Великорецкой (1974) были выделены тундровый, лесотундровый, северотаежный и горный ландшафты. Геохимические различия этих ландшафтов выражаются в характере мобилизации и переноса веществ и определяются зональными (климатическими) и азональными (характер рельефа и почвообразующих пород) факторами (Сергеева, 1974).

Геологическое строение на большей части территории сложено гранито-гней-совыми формациями, обладающими повышенной устойчивостью к химическому выветриванию. Основные, ультраосновные и щелочные породы имеют меньшее распространение. Четвертичные породы, имеющие широкое распространение на исследуемой территории, за исключением вершин гор и прибрежных скал, представлены континентальными ледниковыми отложениями (моренными, флювиогляциальными и озерно-ледниковыми), относящимися ко времени последнего оледенения. Широко распространены наиболее молодые торфяно-болотные отложения, в меньшей степени- озерные и аллювиальные. Различным типам пород Кольского полуострова свойственны специфические ассоциации рассеянных элементов (Добровольский, 1962, 1963, 1964, 1966, 1972).

Почвы области относятся к подтипу илювиально-гумусовых подзолов. В условиях хорошего дренажа развиваются очень маломощные иллювиально-железистые подзолы с невысоким содержанием гумуса. При увеличении увлажнения мощность почв (торфяно-болотных до 1-1.5 м) и содержание органического вещества возрастает.

Питание озер и рек в большей степени определяется атмосферными осадками, 75% годового стока приходится на весеннее половодье и летне-осенний дождевой паводок. Аккумуляция атмосферных выпадений в снежном покрове происходит в течение длительной полярной зимы, и в период весеннего половодья они быстро поступают в водосборные бассейны по еще промерзшей почве.

Формирование поверхностного стока в условиях избыточного увлажнения обуславливает низкую минерализацию и олиготрофный характер озер, т.к. коренные породы мало выщелачиваются, четвертичные отложения сильно перемыты, почвенный покров тонок. Ионный состав вод гидрокарбонатно-кальциево-натриевый. _

Ветер в большинстве районов носит муссонный характер. Зимой в период наибольшей интенсивности циклонов над Норвежским и Баренцевым морями преобладают южные и юго-западные ветры; летом, когда увеличивается повторяемость антициклонов, заметно преобладание восточных румбов.

По природным условиям северная часть Кольского полуострова характеризуется низкими скоростями осадконакопления. По мере продвижения на юг от зоны тундры к лесотундре и тайге с увеличением интенсивности выветривания горных пород и биопродуктивности озер они возрастают.

Функционирование горно-промышленного комплекса оказывает влияние на загрязнение озер ТМ, взвешенными веществами, минеральными солями и др., часть озер занята под хвостохранилшца. Одновременно территории озерных водосборов Кольского Севера интенсивно загрязняются воздушным путем. Выбросы соединений N. Р способны вызывать закисление малых озер и рек, кислотные осадки способствуют вымыванию металлов в водоемы. С пылеватыми выбросами разносятся токсичные ТМ.

ГЛАВА Ш. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Объектами исследований являлись донные отложения озер Кольского полуострова и приграничных территорий Норвегии и Финляндии. Исследования, главным образом, проводились в рамках Российско- Норвежского и Российско-Финляндского сотрудничества по охране окружающей среды. В период с 1989 по 1993 гт. произведен отбор проб донных отложений в 127 озерах и станциях крупных озер. В зависимости от геологических условий формирования поверхностных вод, типа геохимического ландшафта и интенсивности антропогенной нагрузки на водосборы озер были выделены следующие районы:

1. Водосбор озера Куэтсъярви, наиболее подверженный влиянию выбросов комбината "Печенгакикель".

2. Озера к югу от комбината "Печенганикель".

3. Озера к востоку и северо-востоку от комбината "Печенганикель".

4. Западная часть верхнего течения реки Пасвик.

5. Восточная часть верхнего течения реки Пасвик.

6. Водосбор реки Лотта в приграничном Российско-Финляндском районе.

7. Восточная и северо-восточная части Лапландии, Финляндия.

8. Водосбор озера Имандра, подверженный влиянию выбросов комбината "Североникель".

Общая схема районов опробования показана на рис. 1.

Исследование седиментов весьма актуально для территорий горнопромышленной индустрии, где существуют аномальное распределение металлов вследствие геохимических и антропогенных влияний. Для оценки истории регионального загрязнения комбинатом "Печенганикель" мы использовали стандартную палеолимнодогическую методику. Эти исследования позволяют раскрыть условия формирования толщ донньгх отложений в озерах, реконструировать во времени изменения их химического состава.

Важным принципом в условиях антропогенной нагрузки на водоем является отбор проб донных отложений в самых глубоких частях озер, в зонах максимальной аккумуляции, в которых происходит непрерывная седиментация тончайших частиц, являющихся активными адсорбентами ТМ, и образование ила. При отборе проб соблюдалась ненарушенность отобранных колонок седиментов.

Колонки седиментов были послойно разделены на слои по 1 см. Как правило, отбирались образцы из верхнего поверхностного слоя (0-1 см), характеризующего современную нагрузку ТМ на озеро, и из глубокой части колонки (обычно между 20 и 30 см), отражающей природные, фоновые концентрации, т.к. эти слои образовались более 200 лет тому назад, т.е. до начала индустриального освоения северных регионов. В нескольких озерах производился отбор образцов в верхних 10 см колонки для изучения истории осаконакопления. Колонки из озер Дальватн и Дурвагн (Норвегия) были отрбраны для оценки истории загрязнения ТМ приграничной территории между Россией и Норвегией.

Определение влажности и потерь при прокаливании, как косвенного показателя содержания органического вещества, и концентраций химических элементов (Ni, Си, Со, Zn, Cd, РЬ, Hg, Mn, Fe, Ca, Mg, Na, K, Al) проводились в лабораториях Института проблем промышленной экологии Севера (ИПЭС) Кольского научного центра Российской Академии Наук, Апатиты, Россия и Норвежского Института Водных Исследований (NIVA), Осло, Норвегия. Валовые концентрации металлов (в мкг/г сухого веса) определялись методом атомной абсорбции.

Определение концентраций металлов в донных отложениях озер Дурватн и Дальватн проводилась по методу Нортона (Rognerud, Norton, Dauvalter, 1993), в

Рис. 1. Схема районов отбора проб донных отложений в исследуемых озерах.

лаборатории Университета штата Мэн, США. Датирование донных отложений озер Дальватн и Дурватн осуществлялось радиометрическим методом в Ливерпульском Университете, Великобритания на основе хронологии г10РЬ, с использованием моделей CRS и CIC (Appleby et al., 1986).

Всего выполнено 5701 элемента-определений.

Для выявления интенсивности загрязнения озер использовались значения коэффициента (С,) и степени (Cd) загрязнения донных отложений ТМ, вычисленные по методике, предложенной Хокансоном (Hákanson, 1980). Данные показатели определяются как отношение концентраций ТМ в поверхностных слоях к содержанию в более глубоких слоях, сформированных в доиндустриальный период. Это Ьтношение представляет собой Cf, а сумма всех Сг Cd. Использовалась следующая классификация: Cf' < 1 - низкий коэффициент загрязнения, свидетельствующий о незначительном загрязнении седиментов изучаемым элементом; 1 <Cf'< 3- умеренный; 3 < С,' < 6- значительный; С,' > 6- очень высокий коэффициент загрязнения. При характеристике степени загрязнения, придерживались классификации, предложенной Хокансоном (Hikanson, 1980): C¿<7- низкая степень загрязнения; 1 <,Ct< 14- умеренная; 14sCj<28- значительная; С,,й:28-высокая степень, свидетельствующая о серьезном антропогенном загрязнении.

Для выявления потенциального экологического риска, создаваемого загрязняющими ТМ для гидробионтов, определялись значения коэффициента токсичности (Тг'), учитывающего токсичность каждого ТМ и биопродуктивность озера (BPI). Значения Тг' были получены с позиции хорошо известного факта, что экологическое воздействие вещества пропорционально превышению его концентраций над природными фоновыми значениями. Коэффициент токсичности (Тг') для отдельных ТМ определялся следующим образом: для Hg- 90x5/BPI; Cd-30xvT"/VbpT; Co- 8х/Г7/ВРГ~; Pb- 5г/5~Л/ВРТ~; Ni- 3xvTVbpT; Cu-3xvTVbpT ; Zn- lxv/5 VBPi . Потенциальный экологический риск (Er') данного ТМ подсчитывался как прозведение Тг* и Cf. Использовалась следующая классификация ЕН, исходя из нормативного значения ВР1=5.0: Ег*<20- низкий потенциальный экологический риск; 20 £ Ег1 < 40- умеренный; 40 S Ег1 < 80- значительный; 80^ Ег"< 160- высокий; Er'i 160- очень высокий потенциальный экологический риск. Значения индекса экологического риска (RI) определялись как сумма Er1 для отдельных металлов. Использовалась следующая классификация

RI: Rl<150- низкий экологический риск'; 150 < RI < 300- умеренный; 300 < RI < 600- значительный; RI > 600- высокий экологический риск.

Статистическая обработка результатов исследований производилась с использованием программ Staigraphics (version 3.0) на персональном компьютере IBM PC/AT. Подсчитывались значения коэффициентов корреляции и регрессионные зависимости между содержаниями органического материала и ТМ в поверхностных седиментах и расстоянием от комбината" Печенганикель". Для определения достоверности значений использовался критерий Фишера (F).

ГЛАВА IV. ФОНОВЫЕ КОНЦЕНТРАЦИИ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЯХ ОЗЕР

Для оценки антропогенных изменений донных отложений в первую очередь необходимо установление фоновых показателей содержания ТМ в седиментах озер Кольского Севера. Фоновые концентрации ТМ в донных отложениях озер варьируют в различных районах (табл. 1), что отражает разнообразие геохимии коренных и четвертичных пород и почв, геохимических особенностей ландшафтов и лимнологических характеристик озер. Максимальные фоновые содержания (С,1) Ni, Си, Со, Cd отмечены в седиментах озер индустриальных районов, на территории которых находятся медно-никелевые залежи; Zn, Pb и Hg- в Норвежских озерах. Финляндские озера имеют минимальные значения С„\

Фоновые концентрации Ni, Си, Со, Zn в седиментах озер исследуемой территории сходны с таковыми для Скандинавских озер (Myllymmaa & Murtoniemi, 1986; H&kanson, 1980); Pb- сходны с таковыми в седиментах озер северо-востока Финляндии и северной Норвегии (Rognerud & Fjeld, 1993). Фоновые концентрации Hg в отложениях исследуемых озер находятся в соответствии со всеми вышеописанными исследованиями и меньше в 2 раза определений Хокансона.

Полученные нами фоновые содержания ТМ в седиментах (табл. 2) являются основой для определении индекса экологического риска.

ГЛАВА V. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ МЕТАЛЛОВ В ТОЛЩАХ ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ КАК ОТРАЖЕНИЕ АНТРОПОГЕННЫХ НАГРУЗОК ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ И КИСЛОТНЫХ СОЕДИНЕНИЙ НА ВОДОСБОРЫ ОЗЕР.

Исследование распределения ТМ в толще донных отложений позволяет вос-

Таблица 1. Средние фоновые концентрации ТМ (мкг/г сухого веса), влажность %) и потери при прокаливании (ППП, %) в донных отложениях озер отдельных районов (п- выборка).

Район п XV ППП № Си Со Сй РЬ НЕ

1 20 83 19 49 58 17 100 0.94 7 0.044

2 ' 15 88 26 22 18 14 94 0.97 6 0.031

3 7 83 18 41 39 9 133 <0.50 4 -

4 14 - 23 29 101 16 213 0.41. 15 0.071

5 20 - 24 31 88 24 144 0.42 4 0.090

6 20 91 31 32 29 12 76 1.63 4 -

7 15 90 40 26 22 9 59 0.51 8 -

8 9 59 13 55 42 28 147 0.80 5 -

Таблица 2. Средние фоновые концентрации (X) ТМ (в мкг/г сухого веса), стандартные отклонения (а„) и доиндустриальные значения (С„') в донных отложениях Скандинавских и исследованных автором озер.

Элементы Земная кора (Виноградов, 1962) --

Скандинавские

озера (Н4кагвоп, 1980)

С 1

г

Исследованные автором озера (п=120)

X

С'

№ оо и-1 49.7 20.5 75 34.5 .23.6 -60

Си 47 28.7 12.5 50 45.3 39.6 85

Со 18 18.5 10.9 30 15.6 13.0 30

гп 83 110.6 55.3 175 108.2 79.6 190

са 0.13 0.58 0.41 1.00 0.83 0.80 1.60

РЬ 16 34.9 32.9 70 6.7 8.0 15

НЕ 0.08 0.120 О.ИО 0.250 0.073 0.044 0.120

X

о

а

становить историю формирования осадков озер. На основе нами установленных фоновых содержаний различных элементов стало возможным дать оценку изменениям их поступления в течение длительного периода времени. При этом, важным моментом являлось определение интенсивности осадконакопления.

В двух озерах (Дальватн и Дурватн) определялись возраст седиментов и интенсивность седиментации. Последняя была постоянна за весь период образования седиментов, за исключением события площадного смыва в озере Дальватн, датируемое 1916 годом. Это позволяет предположить, что изменения в интенсивности аккумуляции ТМ за последние 50-60 лет могут быть связаны, главным образом, с изменениями выпадений ТМ в составе атмосферных осадков.

Интенсивность аккумуляции С(1 в озерах была постоянна за рассматриваемый отрезок времени. Интенсивность аккумуляции Си и Со возросла с начала 20 века (соответственно в 2 и 2.5 раза). Аккумуляции № увеличилась в три раза с конца 19 века, а максимум приходится на поверхностные слои отложений. Увеличение аккумуляции РЬ началось в начале 19 века, значительно раньше развития индустриальной деятельности в этом регионе, что, наиболее вероятно, вызвано глобальным загрязнением РЬ атмосферы Северного полушария.

В толщах осадков пяти озер, находящихся на различном удалении от комбината "Печенганикель", исследовалось вертикальное распределение ТМ. Выявлено, что в озере Шуониярви, к югу от Никеля, обнаруживается слабое воздействие комбината с начала его деятельности. Озера Рюссянъярви и Степановичъяр-ви, находящиеся близко к комбинату по направлению господствующих ветров, имеют концентрации N1, Си и Со в верхних слоях седиментов значительно выше, чем фоновые значения, что свидетельствует о влиянии атмосферных выбросов на аккумуляцию этих ТМ. По мере удаления от источников загрязнения концентрации ТМ в верхних слоях значительно уменьшаются, и разница между содержаниями в верхних и нижних слоях становится менее значима.

Варьирующие концентрации Ре вызваны во многих колонках подповерхностным или поверхностным обогащением, связанным с процессами диагенеза седиментов. Закисдение почв приводит к увеличению миграции соединений Ие с площади водосбора и повышеннию концентраций Ре в седиментах озер.

Установлено уменьшение концентраций Си, СМ, А1 и Хп в поверхностных слоях седиментов закисленных озер, удаленных от источников загрязнения ТМ бо-

лее, чем на 100 км. Это связано со снижением интенсивности седиментации ТМ за счет уменьшения адсорбционной способности осаждающихся частиц, а также развитием десорбционных процессов металлов в условиях кислой среды из уже осажденного материала. Не обнаружено прямой зависимости между аккумуляцией соединений РЬ в седиментах и развитием процессов закисления озер.

Отмечено уменьшение содержания органического материала в поверхностных слоях седиментов закисленных озер, что может происходить вследствие либо снижения биологической активности в водоеме, либо увеличения потока минеральных частиц с территории водосбора в результате развития эрозионных процессов и закисления почв.

Таким образом, исследования закономерностей вертикального изменения концентраций показали, что интенсивность аккумуляции металлов в седиментах озер вблизи металлургических предприятий увеличилась с начала их деятельности. В отдаленных районах в условиях нагрузки кислотообразующих веществ происходит переход ТМ из донных отложений в водную толщу.

ГЛАВА VI. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ПОВЕРХНОСТНОМ СЛОЕ ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ ОЗЕР

Для оценки масштаба и распространения выявленных процессов повышенной интенсивности аккумуляции ТМ на территории Кольского Севера были изучены содержания ТМ в поверхностных слоях донных отложений озер. Пылевые выбросы в атмосферу металлургических комбинатов и стоки плавильных цехов, шламоотвалов, хвостохранилищ и рудников являются главными источниками повышенных концентраций N1, Си, Со, Сё и (в 10-380 раз больше фоновых значений) в поверхностных слоях седиментов на расстоянии до 40 км (рис. 2 а-в). Также интенсивно загрязняется этими элементами стоками и атмосферными выбросами комбината "Североникель" самое большое озеро Кольского полуострова- Имандра. Интенсивность загрязнения озера снижается по направлению на юг. Озера на Российской стороне, в основном, хорошо буферированы ({^пеги <3, Ыопоп, ОаиуаНег, 1993), что благоприятствует аккумуляции данных элементов в осадках (Н&капзоп & Дагаздп, 1983). Превалирующие юго-западные ветры распределяют шлейф загрязнения, главным образом, в северо-восточном направлении от комбината "Печенганикель", оставляя седименты в озерах на расстох-

Рис. 2. Распределение концентраций (в мкг/г сухого веса) (а), N1 (б), Си(в) и РЬ (г) в поверхностных слоях донных отложений озер, подверженных влиянию выбросов комбината "Печенганикель".

нии более 20 км к югу от Никеля почти не загрязненными. Выпадения этих элементов в составе атмосферных осадков низкие в северной Скандинавии. Здесь отмечается лишь слабая степень влияния выбросов комбината на содержание ТМ в поверхностных слоях седиментов.

Концентрации N1, Си, Со, С<1 и Н$ в поверхностных слоях седиментов озер в 50-км зоне комбината "Печенганикель" имеют тесную положительную корреляционную связь между собой (г=0.42-0.87, п=67, р<0.0004), что говорит о едином антропогенном источнике их поступления и сходных путях и формах их миграции в окружающей среде.

Получены следующие зависимости типа СМе=аЬь концентраций N1, Си, Со, Сс1 и ^ в поверхностных седиментах (мкг/г) от расстояния (Ь, км) в 50-км зоне от комбината "Печенганикель": С№=18799 х (п= 67, г=-0.85, Рр=173.14); ССи=5161 х Ь1,88, (п— 67, г=-0.76, Р?=87.78); ССо=93.45 х I/0 574, (п= 67, г=-0.30, Рр=6.37); Сс<,=5.15 х Ь<705, (п= 67, г=-0.67, Рр=52.25); Сн,=0.559 х (п= 67, г=-0.50, Рр=21.48).

Отмечены следующие зависимости между содержаниями N1 и Си в воде исследуемых озер (мкг/л) и в поверхностных слоях донных отложений (мкг/г): №„д.=2.45 +0.0375х№д <> , п=81, г=0.92, Р„=432.7, Рт=4.0; Си»щ,.=4.81+0.00388хСид.о, п=81, г=0.45, Рр=87.78, Рт=4.0.

Расчетные значения критерия Фишера (Рр) во всех зависимостях значительно больше табличного значения Рт=4.0, что говорит об адекватности полученных уравнений и достоверности связи в системе: ТМ в воде <—> ТМ в донных отложениях. Значения Рр в уравнениях для №, Си, Сс1 и Нв больше Рт более чем в 4 раза, следовательно полученные зависимости могут бьггь использованы для прогнозирования концентраций этих металлов в седиментах по мере удаления от источника загрязнения и в воде на основе определения их содержания в донных отложениях.

Накопление РЬ в седиментах более значительно на Норвежской территории, что свидетельствует о том, что комбинат "Печенганикель" не является очевидным источником повышенных концентраций РЬ в поверхностных слоях седиментов, а их поступление а озера происходит, в основном, вследствие использо-

вания этилированного бензина в качестве автомобильного топлива (рис. 2т).

Выявлена высокая корреляция между содержаниями Ъп и РЬ (г=0.65, л=67, р<0.001), что'связано со схожим поведением 7л и РЬ в водных экосистемах (Линник, Набиванец, 1986). Отмечена положительная зависимость концентраций РЬ в поверхностных слоях седиментов с расстоянием от комбината "Печен-ганикель" (г=0.54), что говорит о другом распределении- увеличении концентраций РЬ по мере удаления от источника загрязнения..

Таким образом, функционирование металлургических предприятий привело к загрязнению ТМ поверхностных слоев донных отложений. Область влияния ограничивается 40-км зоной. Важным моментом является оценка экологической опасности, создаваемой повышенными концентрациями ТМ в седиментах.

ГЛАВА VII. СТЕПЕНЬ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ И ИНДЕКС ЭКОЛОГИЧЕСКОГО РИСКА

Высокие значения степени загрязнения Сл (табл. 3) имеют озера индустриальных (1 и 8) районов. В Монче-губе озера Имандра значение Сл равно 491.6. Наибольший вклад в эти высокие значения оказывают С,"' и С,0". Остальные металлы в этих районах имеют умеренные значения С(. Озера к востоку и северо-востоку от комбината "Печенганикель" и норвежские озера обладают умеренными значениями Сл, и наибольший вклад в эти значения оказывает РЬ. Территория к югу от комбината "Печенганикель" имеет среднее значение Са, находящееся на границе между низким и умеренным. Низкие значения С4 имеют озера водосбора р. Лотта и финляндские озера.

Высокие значения С,, отмечены на расстоянии до 10 км от источников загрязнения, значительные значения- до 15 км, а умеренные- до 40 км. Озера, расположенные по превалирующему направлению господствующих ветров (к северо-западу от комбината), имеют большие значения С„.

Деятельность комбината "Печенганикель" оказывает негативное влияние на 1 пресноводные экосистемы на расстоянии до 40 км, что хорошо согласуется с исследованиями содержания ТМ в поверхностных водах (Моисеенко, 1991).

ТМ в осадках озер территорий, наиболее подверженных влиянию выбросов металлургических комбинатов (озеро Имандра и водосбор оз. Куэтсъярви), составляют высокий потенциальный экологический риск для экосистем озер (табл.

Таблица 3. Средние значения коэффициента (С,) и степени загрязнения (Са) поверхностных (0-1 см) седиментоа изучаемых озер по отдельным районам.

Район

С,

N1 Си Со гп са РЬ нв

1 29.9 13.0 2.7 1.0 1.6 1.6 2.4 52.1

2 1.6 0.8 0.6 0.6 1.2 1.3 0.5 6.5

3 1.5 1.0 1.1 1.4 0.5 2.4 0.3 8.3

4 1.1 1.1 1.0 0.8 0.4 2.7 1.0 8.0

5 1.4 1.2 1.2 0.7 0.4 2.7 1.1 8.7

б 0.5 0.3 0.3 0.4 1.7 0.3 0.2 3.6

0.4 0.3 0.2 0.4 0.8 2.0 1.0 5.0

8 4-7.0 7.0 1.7 1.0 1.2 1.9 1.8 61.7

Таблица 4. Средние значения коэффициента (Ег) и индекса риска (И) для изучаемых озер по отдельным районам.

Район Ег М

.N1 Си Со 2п С<1 РЬ Н?

1 104 46 26 2 63 10 315 573

2 5 3 6 1 43 8 61 127

3 4 3 10 1 17 10 30 75

4 4 4 10 1 14 16 125 174

5 5 4 11 ! 14 16 144 195

6 2 2 3 1 66 2 24 98

*7 2 1 2 1 28 13 147 194

8 114 20 15 1 40 и 213 415

4). Наибольший вклад в это значение оказывают и №. Норвежские и финляндские озера имеют умеренные значения М. Озера к югу, востоку и северо-востоку от комбината "Печенганикель" и водосбора р. Лотта имеют низкие значения И.

несмотря на умеренные и низкие значения коэффициента загрязнения в исследуемых озерах, составляет по классификации Хокансона (Щкатоп, 1980) очень высокий, высокий и значительный потенциальный экологический риск для пресноводных экосистем, вследствие высокого значения токсичного коэффициента. После на втором месте по значениям фактора риска в индустриальных районах стоит № благодаря очень высоким значениям коэффициента загрязнения. На территориях, удаленных от металлургических комбинатов, Сс1 составляет значительный экологический риск в озерах, опять же как и Щ, вследствие высокого значения токсичного коэффициента. В последующих исследованиях ТМ в седиментах озер особое внимание необходимо уделять высокотоксичным ТМ, таким как Н^ и С<1.

Очень высокие значения индекса риска М отмечены для озер, находящихся на расстоянии до 10 км от источников загрязнения, значительные значения - до 15 км и умеренные значения - до 40 км. Таким образом, можно полагать, что деятельность комбината "Печенганикель" представляет экологический риск для водных экосистем на расстоянии до 40 км.

Значения Сй и Я1 имеют тесную положительную корреляционную связь с частотой встречаемости патологий малотычинковых сигов (Кашулин, 1994). Наибольшие значения коэффициента корреляции (г=0.91) установлены между значениями Сл и М и процентом рыб с патологиями почек (рис. 3).

ВЫВОДЫ:

1. Максимальные фоновые содержания (С„') N1, Си, Со, Сс1 выявлены в седиментах озер, на территории которых находятся медно-никелевые залежи; 2п, РЬ и Ь^- в Норвежских озерах. Финляндские озера имеют минимальные значения С„' для всех металлов, за исключением РЬ.

2. Увеличение интенсивности аккумуляции №, Си, Со совпадает по времени с деятельностью комбината "Печенганикель*. Повышение интенсивности аккумуляции РЬ произошло в начале 19 века, значительно раньше развития

Рис. 3. Значения степени загрязнения С4 (а) и индекса экологического риска И (б) и частота встречаемости (в % от общей численности) патологий некоторых органов у малотычинковых сигов (Кашулин, 1994) в озерах: Куэтсъярви (1), Бернеаатн (2), Ваггатемватн (3) и Кочеявр (4).

индустриальной деятельности в этом регионе, и, вероятно, вызвано глобальным загрязнением РЬ атмосферы Северного полушария.

3. Закисление вызывает уменьшение концентраций Си, С(1, А1 и 2п в поверхностных слоях седиментов озер, удаленных от источников загрязнения ТМ более, чем на 100 км. Эта тенденция обусловлена снижением интенсивности аккумуляции металлов вследствие уменьшения адсорбционной способности седимен-

* тационного материала, а также десорбцией или растворением соединений металлов из уже осажденного материала.

4. Содержание органического материала в донных отложениях закисленных озер уменьшается по направлению к поверхности, что происходит вследствие снижения биологической активности в водоеме.

5. Промышленные выбросы Си, Со, С<1 и в атмосферу и стоки от плавильных цехов, шламоотвалов и рудников являются главными источниками повышенных концентраций, наблюдаемых для этих элементов в поверхностных слоях седиментов в радиусе до 40 км от источника загрязнения. Главным источником загрязнения донных отложений РЬ является использование этилированного бензина в качестве автомобильного топлива.

6. Высокие значения степени загрязнения (С^) имеют озера индустриальных районов. Наибольший вклад в эти высокие значения оказывают N1 и Си. Озера к востоку и северо-востоку от комбината "Печенганикель" и норвежские озера обладают умеренными значениями Сй, и наибольший вклад в эти значения оказывает РЬ. Низкие значения Са имеют озера водосбора р. Лотта и финляндские озера.

7. Деятельность металлургических комбинатов представляет очень высокий экологический риск ддя водных экосистем на расстоянии до 10 км, в которых наблюдается, по исследованиям ихтиологов ИПЭС, 100%-я встречаемость патологий почек у сиговых рыб; значительный риск- на расстоянии до 15 км (60%-я встречаемость патологий); умеренный риск- до 40 км (20%-я встречаемость патологий). Нё и № составляют высокий потенциальный экологический риск' для пресноводных экосистем на территориях, подверженных влиянию выбросов комбинатов, а на территориях, удаленных от-комбинатов- значительный риск составляют Щ и Сд.

8. Для оценки экологического состояния пресноводных экосистем Севера ин-

формативными являются следующие количественные показатели: СЛ - степень загрязнения донных отложений и Я1 - индекс риска. Основой для их определения является установление фоновых концентраций ТМ в донных отложениях озер- С„'. Эти показатели могут быть использованы для: 1) определения санитарного состояния водоемов и пригодности их для снабжения питьевой водой; 2) планирования и реализации природоохранных мероприятий на территории Кольского Севера; 3) проведения комплексных исследований по оценке вклада различны* производств в поступление ТМ в поверхностные воды; 4) создания сети мониторинга водных экосистем за степенью их загрязнения ТМ и кислотообразующими соединениями; 5) определения экологического состояния водоемов с точки зрения их пригодности к промышленному рыбоводству; 6) оценки стоимости водных объектов при их приватизации, в зависимости от экологического риска, создаваемого ТМ, накопленными в осадках.

По материалам диссертация опубликованы следующие работы:

1. ДаувальтерВ.А., ЯковлевВ.А. Современные процессы формирования донных отложений в озере Имандра и влияние их на водные организмы// Проблемы охраны окружающей среды Севера: Тез. докл. Всесоюз. научн. конф. молод, учен, и специал., Мурманск, 21-24 февр. 1990 г.- Мурманск, 1990.- С. 51-52.

2. Даувальтер В.А., Яковлев В.А. Накопление тяжелых металлов в донных отложениях и организмах зообентоса озера Имандра// Актуальные проблемы биологии и рациональное природопользование: Тез. докл. Республ. конф. молод, учен., специал. истуд., Петрозаводск, 20-22нояб. 1990г.-Петрозаводск, 1990,- С. 24-26.

3. Даувальтер В.А., Яковлев В.А. Формирование донных отложений в озере Имандра в зоне влияния загрязнения ПО "Апатит"// Актуальные проблемы биологии и рациональное природопользование: Тез. докл. Республ. конф. молод, учен., специал.истуд., Петрозаводск, 20-22нояб. 1990г.-Петрозаводск, 1990.- С. 26-27.

4. Даувальтер В.А. Концентрации тяжелых металлов в поверхностных донных отложениях озер бассейна Белого моря в пределах Кольского полуострова// Проблемы изучения, рациональное использование и охрана природных ресурсов Белого моря: Тез. докл. V регион, конф., Петрозаводск, 20-22 сент. 1992 г.-

Петрозаводск, 1992.- С. 62-63.

5. Дауаальтер В.А. Концентрации тяжелых металлов в донных отложениях озер Кольского полуострова как индикатор загрязнения водных экосистем// Проблемы химического и биологического мониторинга экологического состояния водных объектов Кольского Севера.- Апатиты, 1993.

6. Тгааеп, T. S., T. Moiseenko, V. Dauvalter, S. Rognerud, A. Henriksen & L. Kudravseva. Acidification of surface waters, nickel and copper in water and lake sediments in the Russian-Norwegian border areas. Working Group for Water and Environmental Problems under the Norwegian-Soviet Environmental Protection Commission. Oslo and Apatity, November, 1991,- 20 p.

7. Dauvalter, V. Concentrations of heavy metals in superficial lake sediments of Pechenga district, Murmansk region, Russia.- Vatten, 1992.- 48 (2).- 141-145 p.

8. Dauvalter, V. Airborne contamination of lake sediments by heavy metals on the Kola peninsula, Russia// International Symposium on the Ecological Effects of Arctic Airborne Contaminants, Reykjavik. Iceland, 4-8 October 1993.- Reykjavik, 1993.- 37 p.

9. Rognerud, S., Norton, S.A. & Dauvalter, V. Heavy metal pollution in lake sediments in border areas between Russia and Norway. - NIVA- Report 522/ 93, Oslo, 1993.- 18 p.

10. Rognerud, S. & Dauvalter, V. Heavy metal concentrations in lake sediments in the border areas of Norway and Russia. In: Svelle, M. & Kaiabin, G.V. (Eds.). Water pollution in the border areas of Norway and Russia. Summary report 1989-1992 by the Expert Group on Water Pollution Problems, Vadso, 1993.

11. Загрязнение поверхностных вод в приграничных районах Норвегии и России: Препр./ Ред. М. Свэлле и Г. Калабин.-.Апатиты, 1994,- 48 с.

12. Dauvalter, V. Heavy metals in lake sediments of the Kola peninsula, Russia.- Sci. Tot. Envir., 1994 (in press).

13. Moiseenko, T.I., Kudryavtseva, L.P., Rodyushkin, I.V., Dauvalter, V.A., Lukin, A..A. 8c Kashulin, N.A. Airborne contaminants by heavy metals and aluminium in the freshwater ecosystems of the Kola subarctic region (Russia). Sci. Tot. Environ., 1994 (in press).

14. Dauvalter, V. Heavy metals in sediments. In: Pasvik River Watercourse, Barents Region: Pollution impacts and Ecological Responses. INEP-NIVA-Report, Oslo-Apatity, 1994.- 19-21 pp.