Тяжелые металлы в водных экосистемах как индикатор антропогенного воздействия



В природе тяжелые металлы (ТМ) находятся, в основном, в труднорастворимой и труднодоступной для растений форме. Однако, в результате антропогенного вмешательства, резко возрастает содержание ТМ в природных экосистемах — в воздухе, природных водах и почве. Одновременно изменяется и форма нахождения ТМ в природных средах — в составе относительно хорошо растворимых соединений, что позволяет им с легкостью вовлекаться в пищевые цепи [8].

Тяжелые металлы обладают высокой способностью к многообразным химическим, физико-химическим и биологическим реакциям. Многие из них имеют переменную валентность и участвуют в окислительно-восстановительных процессах. Тяжелые металлы и их соединения, как и другие химические соединения, способны перемещаться и перераспределяться в средах жизни, т. е. мигрировать [3].

В ряду тяжелых металлов одни крайне необходимы для жизнеобеспечения человека и других живых организмов и относятся к так называемым биогенным элементам. Другие вызывают противоположный эффект и, попадая в живой организм, приводят к его отравлению или гибели. Эти металлы относят к классу ксенобиотиков, то есть чуждых живому. Специалистами по охране окружающей среды среди металлов-токсикантов выделена приоритетная группа [5]. В нее входят кадмий, медь, мышьяк, никель, ртуть, свинец, цинк и хром как наиболее опасные для здоровья человека и животных. Из них ртуть, свинец и кадмий наиболее токсичны.

Город Сумгаит является вторым по величине промышленным городом Азербайджана. В нем сосредоточены предприятия химической, металлургической промышленности, предприятия оргсинтеза. В настоящее время в Сумгаите имеются приблизительно 3000 стационарных источников атмосферного загрязнения. Отходы этих предприятий содержат тяжелые металлы, органические соединения.

Особую озабоченность вызывают ртутные загрязнения завода по производству хлор-алкилина, различные хлорсодержащие соединения нефтехимических отраслей, фтороводород, содержащийся в выбросах алюминиевого производства, тяжелые металлы — свинец, цинк, кадмий в составе пыли сталелитейного производства и т. д.

Донные отложения вблизи Сумгаита содержат 1–2 г углеводородов, 0,5–1,0 г фенолов и 0,1- 0,6 г ртути на кг. С биологической точки зрения, эти области дна рассматриваются фактически мертвыми, воздействуя на осетра и другую рыбу, которая кормится фауной морского дна [1]. Несмотря на снижение производственных мощностей и сворачивание многих производств, накопленные в окружающей среде токсичные вещества продолжают воздействовать на здоровье населения Сумгаита.

Город Сумгаит находится в бассейне одноименной реки Сумгаитчай, имеющей несколько притоков — Гозлучай, Гуздучай, Чигилчай, Ченгичай и Кендачай. Сумгаитчай относится к «временным» рекам, так как в летний период из-за отсутствия атмосферных осадков практически полностью пересыхает. Ее длина составляет 198 км, площадь бассейна — 1751 км². Она на 90 % питается дождевыми водами [7]. Впадает непосредственно в Каспийское море недалеко от Сумгаита.

С целью экологического оценивания нами исследовано содержание тяжелых металлов — Cd(II), Hg(II), Pb(II) в морской воде и донных отложениях Каспийского моря вблизи Сумгаита, а также в пробах речной воды Сумгаитчая и всех его притоков методом ААС [2]. Исследования проводились на ААС ZEEnit 700 P.

Для исследования были взяты пробы промышленных и бытовых сточных вод, выбрасываемых в море, а также пробы морской воды и донных отложений вблизи Сумгаита. Результаты анализа проб промышленных и бытовых сточных вод представлены в таблице 1.

Таблица 1

Содержание тяжелых металлов впробах промышленных источных вод Сумгаита, мкг/л

Металлы	Пробы промышленных отходов	Пробы бытовых отходов	ПДК
Hg(II)	1,87±0,1	0,47±0,02	0,05
Cd(II)	2,5±0,15	2,64±0,15	0,01
Pb(II)	1,53±0,1	1,03±0,09	0,03

Пробы морской воды были взяты с помощью батометра с различной глубины. Наибольшее загрязнение наблюдалось в поверхностном слое. Результаты исследования представлены в таблице 2.

Таблица 2

Содержание тяжелых металлов впробах морской воды, взятых вблизи Сумгаита, мкг/л

Металлы	I проба	II проба	III проба	ПДК
Hg(II)	0,48	0,87	0,25	0,05
Cd(II)	0,22	<0,05	0.47	0,01
Pb(II)	0,18	0,07	0,3	0,03

Пробы донных отложений также были взяты с различной глубины (1 м, 2 м, 3 м). Наибольшее загрязнение наблюдалось на глубине 1 м, на границе вода-осадок. Загрязнение донных отложений нефтью четко прослеживается даже визуально. Результаты анализа проб донных отложений представлены в таблице 3.

Таблица 3

Содержание тяжелых металлов вдонных отложениях Каспийского моря вблизи Сумгаита, мг/кг

Металлы	I проба	II проба	III проба
Hg(II)	0,58	0,29	0,28
Cd(II)	1,08	1,79	1.43
Pb(II)	1,14	1,26	0,72

Как показали исследования, морская вода и донные отложения вблизи Сумгаита сильно загрязнены тяжелыми металлами, что крайне негативно влияет на уникальную фауну и флору Каспийского моря.

Как известно, Hg(II), Cd(II), и Pb(II) относятся к наиболее токсичным тяжелым металлам [5]. Они обладают способностью включаться в пищевые цепи. Некоторые водоросли, грибы и бактерии способны аккумулировать ртуть в клетках. Попав в организм, тяжёлые металлы чаще всего не подвергаются каким-либо существенным превращениям, как это происходит с органическими токсикантами, и, включившись в биохимический цикл, они крайне медленно покидают его [6].

В водных средах ртуть образует металлорганические соединения типа R-Hg-X и R-Hg-R, где R — метилили этил-радикал [3]. Что касается свинца, то он, при биометилировании, как и в случае со ртутью, в итоге образует тетраметилсвинец. Водные растения хорошо аккумулируют свинец, но по-разному. Иногда фитопланктон удерживает его с коэффициентом концентрирования до 105, как и ртуть. В организме человека свинец может накапливаться в скелете, замещая кальций.

Кадмий обычно проявляет меньшую токсичность по отношению к растениям в сравнении с метилртутью и сопоставим по токсичности со свинцом. Порог острой токсичности кадмия варьирует в пределах от 0,09 до 105 мкг/л для пресноводных рыб. Увеличение жесткости воды повышает степень защиты организма от отравления кадмием. Как и в случае со ртутью и другими тяжёлыми металлами, адсорбция ионов кадмия донными осадками сильно зависит от кислотности среды [4]. В нейтральных водных средах свободный ион кадмия практически нацело сорбируется частицами донных отложений.

С целью экологического мониторинга были взяты пробы воды из Сумгаитчая и всех его притоков. Пробы были взяты с разных участков и на различной глубине. Наибольше загрязнение наблюдалось в поверхностных слоях, на глубине до 0,5 м.

Объем всех взятых проб составлял 1 л. Исследования проводились на ААС ZEEnit 700 P. Во всех взятых пробах содержание Hg и Cd меньше норм ПДК. И только в пробе воды, взятой из Сумгаитчая, содержание свинца превышает установленные нормы ПДК. Результаты исследования представлены в таблице.

Таблица 4

Содержание тяжелых металлов (Hg(II), Cd(II) иPb(II)) впробах воды речной экосистемы Сумгаита, мкг/л

Реки	Hg(II) ПДК 0,05 мкг/л	Cd(II) ПДК 0,01 мкг/л	Pb(II) ПДК 0,03 мкг/л
Сумгаитчай	0,039	0,008	0,056
Гозлучай	0,035	0,007	0,021
Гуздучай	0,025	0,004	0,018
Чигилчай	0,032	0,006	0,009
Кендачай	0,039	0,009	0,023
Ченгичай	0,043	0,009	0,017

Как показали исследования ученых, наиболее высокое содержание металлов в поверхностном слое и меньше на границе раздела осадков-вода [8]. Следует также отметить, что концентрация металлов в осадке на много порядков выше, чем в воде. Было обнаружено, что загрязнения почти всех типов сконцентрированы в основном в поверхностной пленке толщиной 100–150 мкм.

Литература:

1. Болдырев В. Л Атомно-абсорбционное определение токсичных тяжёлых металлов в почвах и донных отложениях. — Мысль., 1991,129 с.
2. Бровко А. В., Тихомирова О. В. Использование атомно-абсорбционной спектрометрии для определения концентрации тяжелых металлов в объектах окружающей среды. Жур. Здоровье. Медицинская экология. Наука. 2016, с.171–176
3. Будников Г. К. Тяжелые металлы в экологическом мониторинге водных экосистем. Соровский образовательный журнал, 1998, № 5, с.23–29
4. Komarnicki G. J. K. Lead and cadmium in indoor air and the urban environment. // Environ. Pollut. — 2005. — V. 136. — P. 47–61.
5. Майстренко В. Н., Хамитов Р. З., Будников Г. К. Экологический мониторинг суперэкотоксикантов. М.: Химия, 1996. 320 с.
6. Мур Дж., Рамамурти С. Тяжелые металлы в природных водах. М.: Мир, 1987. 286 с.
7. Rustamov S. Q., Kaşkay R. M. Водные ресурсы Азербайджана// Baku, Элм, 1989, 181 с.
8. Соколов О. А. Экологическая безопасность и устойчивое развитие Книга 1 / О. А. Соколов В. А.. Черников Атлас распределения тяжелых металлов в объектах окружающей среды // — Пущино, ОНТИ ПНЦ РАН, 1999, 164 с.