Полиароматические углеводороды малых водоемов Томского района
- Авторы: Чуйкина Д.И.1, Король И.С.1, Мухортина Н.А.1, Колубаева Ю.В.1
-
Учреждения:
- Томский филиал Института нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука Сибирского отделения Российской академии наук
- Выпуск: Том 335, № 10 (2024)
- Страницы: 216-225
- Раздел: Статьи
- URL: https://journal-vniispk.ru/2500-1019/article/view/271046
- DOI: https://doi.org/10.18799/24131830/2024/10/4497
- ID: 271046
Цитировать
Полный текст
Аннотация
Актуальность. Оценка состояния природных вод включает в себя определение целого ряда физико-химических показателей, на основе которых разрабатываются различные индексы и классификации. Однако они не учитывают ряд загрязняющих веществ, оказывающих значительное влияние на состояние водоема, например, полиароматические углеводороды. В статье рассмотрены некоторые аспекты определения приоритетных загрязняющих веществ, к которым относятся полиароматические углеводороды, по критериям экологической опасности: токсичности, канцерогенности, распространенности, частоте встречаемости, источнику происхождения (антропогенному или природному). Учтены гидрохимические показатели, такие как рН, содержание растворенного кислорода, биологического потребления кислорода (БПК5), содержание ионов для определения качества вод. Проведена попытка оценить влияние полиароматических углеводородов на экологическое состояние водных объектов и учесть их вклад в изменение значений индекса загрязнения вод. Все эти данные показывают актуальность исследования.
Цель: установить состав полиароматических углеводородов в поверхностных водах малых водоемов Томского района для оценки антропогенной нагрузки и показать взаимосвязь с индексами качества природных вод.
Методы: экстракция, жидкостно-адсорбционная хроматография, высокоэффективная жидкостная хроматография, капиллярный электрофорез, амперометрия, титриметрия.
Результаты. Исследованы малые озера Томского района на содержание 13 полиароматических углеводородов. Идентификация проводилась методом высокоэффективной жидкостной хроматографии с флуориметрическим детектированием. Суммарное содержание полиароматических соединений в изученных пробах поверхностных вод изменяется от 0,37 до 0,54 мкг/л. В смеси полиароматических углеводородов в водных образцах отмечается повышенное содержание легких 2–3-ядерных полиаренов, обладающих лучшей растворимостью (нафталин, флуорен и фенантрен), а также бенз[а]антрацена. Содержание неорганических компонентов, представленных катионами и анионами, не превышает предельно-допустимых концентраций. Рассчитан индекс загрязненности воды; все озера относятся к умеренно загрязнённым, ближе к загрязненным. Показана зависимость коэффициента индекса загрязнения вод от содержания высокомолекулярных полиароматических углеводородов и соотношения высокомолекулярных к низкомолекулярным полиароматическим углеводородам. Показано, что чем выше значение коэффициента индекса загрязнения вод, тем выше доля трудноокисляемых компонентов в поверхностных водах.
Полный текст
Введение
Современные социально-экономические условия в России требуют более детального решения вопросов, связанных с изучением и контролем качества вод, подготовкой питьевых источников, обработкой и утилизацией осадков, образующихся при очистке вод, обнаружением аварийных загрязнений, идентификацией их источников и ликвидацией последствий. Поверхностные воды являются сложными многокомпонентными природными объектами, требующими многостороннего внимания. Нерациональное ведение сельского хозяйства и увеличение объема бытовых и промышленных стоков приводит к значительному росту количества биогенных и органических веществ, поступающих в водоемы, что ведет к увеличению трофического статуса водоемов, сокращению их биологического разнообразия и ухудшению качества воды. Дополнительной причиной эвтрофирования является поступление биогенов на территорию водосборов с атмосферным переносом [1]. Особую опасность таит в себе поступление в водные экосистемы токсических веществ. В последние годы наблюдается усиленное загрязнение водоемов тяжелыми металлами, фенолами, нефтепродуктами и другими токсикантами. Гидрогеологические показатели не могут дать полного представления о токсичности среды, они не учитывают синергетические, кумулятивные или антагонистические эффекты от одновременного присутствия многих загрязнителей и поэтому не могут служить надежной основой для прогнозирования экологических последствий загрязнения.
Содержание химических веществ в поверхностных водах зависит от гидрологических, геохимических, антропогенных факторов, а также сезонной изменчивости, поэтому они являются сложным объектом для исследований и любого вида оценок, особенно количественных. Классификация состояния природных вод основывается на определении целого ряда физико-химических показателей, включающих в себя температуру, рН, Еh, содержание ионов, тяжелых металлов, нефтяных компонентов и др. В России и странах ЕЭС для оценки качества природных вод используют различные индексы и классификации. Например, индекс загрязненности воды (ИЗВ), баварский индекс (СJ), канадский индекс (CCME WQI) и классификации «Единые критерии качества вод» (ЕККВ), «Удельный комбинаторный индекс загрязненности воды» (УКИЗВ) [2].
Однако они не учитывают содержание полиароматических углеводородов (ПАУ), которые являются канцерогенными соединениями и проявляют мутагенные и токсичные свойства. ПАУ сорбируются и консервируются в донных отложениях водоемов, что позволяет использовать их в качестве индикаторов для оценки антропогенного воздействия на природные водные объекты. В работах [3, 4] показано, что соотношения ПАУ могут использоваться не только как индикаторы источников поступления в водоем, но и как критерий качества водного объекта. Используя соотношение содержания тяжелых металлов и ПАУ в осадках можно оценить экологические риски [5]. Применение таких показателей, как рН, содержание растворенного кислорода, БПК5, содержание ионов, позволяет оценивать не только качество вод, но и трофический статус водоема [6]. Все эти данные показывают актуальность исследования.
Цель данной работы – установить состав ПАУ в поверхностных водах малых водоемов Томского района для оценки антропогенной нагрузки и показать взаимосвязь с индексами качества природных вод.
Объекты исследования
Для исследования были отобраны пробы поверхностных вод пяти малых водоемов Томского района [7], расположенных в 30-ти километровой зоне от г. Томска и используемых горожанами для мест активного отдыха и рыбной ловли (рис. 1).
Рис. 1. Схема точек отбора проб малых озер
Fig. 1. Diagram of sampling points of small lakes
Пруд «Савинское озеро» был сформирован плотиной-запрудой в 70-е гг. ХХ в. Имеет форму неправильного прямоугольника, вытянутого от плотины с северо-востока на юго-восток, ширина озера составляет около 230 м, длина до 1000 м. Общая площадь водного зеркала водоёма – 175000 м2. Наибольшие глубины южнее плотины зафиксированы на отметках 5–7 м, питание вешними водами с полей, 1,5–2 км восточнее посёлка Зональная Станция и в 2 км западнее деревни Трубачёво. Плотина через природную лощину является одной из дорог между пригородными садоводческими товариществами «Весна» (на севере) и «Красивый пруд» (на юге, восточный берег Савинского озера).
Федосеевское озеро – искусственный водоём (пруд), сформированный плотиной-запрудой, собирающей воды с окружающих лесных и сельско-огородных пространств в месте в юго-восточной части территории села Богашёво Томского района. Общая площадь водного зеркала водоёма составляет при минимальном заполнении засушливым летом 1320 м2, а при максимальном майском наполнении 2650 м2. Наибольшие глубины – около 2–2,5 м. Восточный обрывистый берег водоёма проходит по части границы природного заказника «Богашёвский кедровник».
Озеро Песчаное – природный уникальный водоём в сосновом лесу Тимирязевского бора (к юго-западу от с. Тимирязевское), Томский район. Озеро имеет почти идеально круглую форму, диаметром около 300 м, глубиной до 3,5 м, берега песчаные. Северо-восточный берег озера застроен домами, южный и юго-западный заболочен. Вода малопрозрачная желтого цвета. В последние годы озеро подвержено значительному высыханию и зарастанию ряской, и местные дачники ежегодно очищают его и поддерживают уровень водой из рядом находящейся скважины.
Озера Мальцево и Круглое находятся в поселке Самусь Томского района и входят в единую озерную систему, соединенную между собой протокой, приурочены к поверхности второй надпойменной террасы реки Томи, в рельефе располагаются каскадом. Оба озера имеют песчаное дно, вода в них насыщенного коричневого оттенка, питание озер – ручьи, берущие свое начало в торфяных болотах. Озеро Мальцево имеет круглую форму, диаметром около 800 м, максимальная глубина – 5 м, площадь водного зеркала около 280000 м2. Озеро Круглое небольшое, диаметр около 600 м, наибольшие глубины составляют 3,5–4 м, площадь водного зеркала около 230000 м2.
Материалы и методы исследования
Отбор проб воды проводили в августе 2022 г. с глубины 0,4–0,6 м от поверхности в стеклянную емкость с последующей консервацией н-гексаном. По требованиям аналитических испытаний было отобрано по три пробы с каждой точки отбора.
Определение содержания ПАУ в водном образце проводили в соответствии с действующей методикой государственного экологического контроля ПНД Ф 14.1:2:4.70-96. ПАУ выделяли трехкратной экстракцией н-гексаном из 1 литра пробы с последующей очисткой экстракта методом колоночной хроматографии на оксиде алюминия II ст. активности. Полученный экстракт упаривали до следовых количеств гексана, доводили объем пробы до 1 мл ацетонитрилом. Содержание ПАУ в воде определяли с использованием метода высокоэффективной жидкостной хроматографии на хроматографе Shimadzu LC-20 (Shimadzu, Япония) с одновременным диодноматричным и флуоресцентным детектированием, на обращенно-фазовой колонке 150*4,6 мм SupelcoSil LC-PAH, фаза C18, размер частиц 5 мкм. В качестве элюента использовали смесь ацетонитрила (1 сорт) и бидистиллированной воды. Хроматографирование проводили в градиентном режиме: ацетонитрил/вода=(50:50)–(100:0) первые 20 минут, 100 % ацетонитрила с 20-ой по 40-ю минуту анализа. Скорость потока растворителя составляла 1 мл/мин, объем пробы 20 мкл, рабочая температура колонки 40 °С. Время анализа в выбранных условиях 32 минуты. Спектры фиксировали в интервале 190–500 нм, с регистрацией сигнала на длине волны 254 нм для количественного определения изучаемых компонентов. В пробах поверхностных вод изученных озер были количественно определены в порядке выхода на хроматограммах следующие индивидуальные ПАУ: нафталин (Naphthalene), 2-метилнафталин (2-methylnaphthalene), флуорен (Fluorene), фенантрен (Phenanthrene), антрацен (Anthracene), флуорантен (Fluoranthene), пирен (Piren), бенз[а]антрацен (Benz[a]anthracene), хризен (Chrysene), бенз[b]-флуорантен (Benz[b]fluoranthene), бенз[k]флуоран-тен (Бенз[k]флуорантен), бенз[а]пирен (Benz[a]-pyrene), дибенз[a,h]антрацен (Dibenz[ah]anthracene).
В соответствии с методиками ПНД Ф 16.1:2:2.2:2.3.74-2012, ПНД Ф 14.1:2:4.167- 000, ПНД Ф 14.1:2:3:4.282-18, ПНД Ф 16.1:2:2.3:2.2.69-10 определены массовые концентрации ионного состава воды. Для капиллярного электрофореза образцы воды были подготовлены согласно требованиям работы на приборе «Капель-205» и отфильтрованы на мембранном ацетатно-целлюлозном фильтре пористостью 0,40 мкм (Владипор, Россия). Испытания проводили с использованием системы капельного электрофореза «Капель-205» (Люмэкс, Россия). Нижний порог обнаружения составил 0,004 мг/л.
Биологическое потребление кислорода определяли согласно НДП 10.1:2:3.131-2016 «Методика определения биохимического потребления кислорода после 5 дней инкубации (БПК5) в пробах питьевых, природных и сточных вод амперометрическим методом».
Все пробы были проанализированы не менее трех раз. В статье указаны средние значения.
Результаты и обсуждение
Изучаемые водоемы находятся в непосредственной близости от жилых массивов (г. Томск, п. Самусь, п. Богашево, с. Тимирязевское), в связи с чем испытывают влияние хозяйственной деятельности человека. Проведенные исследования водных образцов озер Мальцево, Круглое, Савинское, Федосеевское и Песчаное позволили оценить их текущее состояние по ряду гидрологических показателей. В момент отбора проб значения температурного показателя зафиксированы в интервале 18–21 °С, что является нормой для данного времени года. Величины рН озер Мальцево, Круглое, Савинское, Федосеевское и Песчаное находятся в диапазоне 6,8–7,2. Водные объекты характеризуются как пресноводные потоки. Показатель электропроводности Eh равен соответственно 0,26; 0,28; 0,34; 0,30; 0,14 мСм/см.
Изучение катионно-анионного состава поверхностных вод необходимо для оценки экологического состояния этих объектов, в том числе для возможности определения антропогенного загрязнения [8]. В работе [9] показано, что на химический состав воды оказывает влияние не только антропогенная нагрузка, но и изменения климатических условий.
Методом капиллярного электрофореза был определен ионный состав, включающий: основные катионы: Ca2+, Mg2+, Na+, K+, и анионы: Сl–, SO42–, NO3–, PO43–, F–. Результаты представлены в табл. 1.
Таблица 1. Ионный состав малых озер Томского района
Table 1. Ionic composition of small lakes in the Tomsk region
Озера/Lakes | Содержание, мг/л/Content, mg/l | ||||||||
SO42– | Cl– | PO43– | NO3– | F- | Na+ | К+ | Са2+ | Mg2+ | |
Мальцево/Maltsevo | 2,62 | 1,36 | <0,2 | <0,2 | <0,1 | 1,83 | 2,25 | 2,83 | 0,96 |
Круглое/Krugloe | 2,81 | 2,66 | <0,2 | <0,2 | <0,1 | 2,41 | 1,94 | 3,47 | 0,98 |
Савинское/Savinskoe | 3,91 | 14,98 | <0,2 | <0,2 | 0,21 | 10,23 | 2,52 | 36,76 | 7,00 |
Федосеевское/Fedoseevskoe | 2,91 | 2,51 | <0,2 | <0,2 | 0,20 | 6,13 | 1,22 | 52,19 | 9,48 |
Песчаное/Peschanoe | 0,56 | 0,43 | <0,2 | <0,2 | 0,38 | 6,78 | 0,13 | 16,35 | 5,11 |
ПДК/MPC | 100 | 300 | 3,5 | 45 | 1,5 | 200 | 200 | 180 | 50 |
Многолетними исследованиями ученых состава основных ионов (макрокомпонентов) в водных объектах показало, что их содержание в природных водах может изменяться в очень широком диапазоне от ультрапресных до рассолов. Таким образом показано, что на территориях Рдейского, Дарвинского заповедников в малых озерах среднее содержание Ca2+ находится в интервале 1,5–3,6 мг/л, Mg2+ 1,3–1,4 мг/л, Na+ 0,8–1,2 мг/л [10]. В работе [11] установлено, что химический состав вод малых озер, расположенных на территории нефтедобывающих районов, отличается повышенным содержанием ионов NО3– и PO43– (1,432 и 0,417 г/л соответственно). Именно повышенные концентрации в водных объектах соединений азота и фосфора, превышающие значения ПДК, указывают на загрязнение промышленными и бытовыми стоками.
Анализируя полученные данные, следует отметить, что концентрация биогенных ионов NО3– и PO43– в изученных озерах Томского района не превышает нормы предельно-допустимых концентраций 4,5 и 3,5 мг/л соответственно. Низкое содержание NO3– может быть связано с деятельностью природных микроорганизмов, в частности денитрифицирующих бактерий [11], содержание которых в воде и донных отложениях нами не анализировалось.
Результаты исследования указывают на удовлетворительное качество природных вод по показателям катионно-анионного состава. Содержание всех определённых катионов и анионов не превышает ПДК (табл. 1) [12].
Для оценки экологического состояния водных объектов важно учитывать содержание полиароматических углеводородов, которые характеризуются сочетанием токсичных и канцерогенных свойств при их широком распространении и различном происхождении (как природном, так и антропогенном). Авторами [13] показано, что значительной канцерогенной и мутагенной активностью обладают соединения с пятичленными кольцами, например бенз[а]пирен, бенз[b]флуорантен, бенз[k]флуорантен, дибенз[ah]антрацен. В литературе содержится информация о том, что 5–6 циклические ароматические соединения имеют техногенное происхождение, в то время как более легкие 3–4 циклические ПАУ образовались в результате биохимической трансформации органического сырья (гумуса или наземной высшей растительности) [14, 15]. К сожалению, в Российской Федерации отсутствует достаточная аналитическая база для разработки нормированных документов по предельно допустимым концентрациям полиароматических углеводородов.
В пробах поверхностных вод изученных озер были количественно определены приоритетные индивидуальные ПАУ, рассчитано их относительное содержание; результаты представлены в табл. 2.
Таблица 2. Среднее содержание ПАУ в поверхностных водах малых озер Томского района, (в числителе – абсолютное содержание, мкг/л; в знаменателе – относительное, %)
Table 2. Average content of polyaromatic hydrocarbons PAHs in the surface waters of small lakes in the Tomsk region (in the numerator – absolute content, µg/l; in the denominator – relative, %)
ПАУ/PAHs | Мальцево Maltsevo | Круглое Krugloe | Савинское Savinskoe | Федосеевское Fedoseevskoe | Песчаное Peschanoe |
Нафталин* Naphthalene | 0,04 10,26 | 0,04 9,20 | 0,02 4,51 | 0,02 4,18 | 0,03 8,42 |
2-метилнафталин 2-methylnaphthalene | 0,05 12,82 | 0,03 5,75 | 0,04 7,67 | 0,02 4,07 | 0,03 7,54 |
Флуорен Fluorene | 0,04 10,26 | 0,08 17,24 | 0,12 21,51 | 0,12 28,32 | 0,03 7,46 |
Фенантрен Phenanthrene | 0,09 21,79 | 0,08 17,24 | 0,06 11,84 | 0,03 7,72 | 0,10 26,84 |
Антрацен Anthracene | 0,00 0,00 | 0,00 0,00 | cледы (traces) 0,17 | 0,01 1,78 | cледы (traces) 0,27 |
Флуорантен Fluoranthene | 0,05 11,54 | 0,06 12,64 | 0,06 10,77 | 0,09 21,64 | 0,07 17,98 |
Пирен Piren | 0,02 3,85 | 0,02 4,60 | 0,01 1,95 | 0,02 5,02 | 0,03 7,31 |
Бенз[а]антрацен Benz[a]anthracene | 0,03 6,41 | 0,05 11,49 | 0,03 6,10 | 0,02 5,71 | 0,04 10,46 |
Хризен Chrysene | 0,02 5,13 | 0,03 6,90 | 0,02 3,26 | 0,02 4,69 | 0,03 6,97 |
Бенз[b]флуорантен Benz[b]fluoranthene | 0,03 6,41 | 0,01 2,30 | 0,04 7,91 | 0,01 1,78 | cледы (traces) 0,33 |
Бенз[k]флуорантен Benz[k]fluoranthene | 0,02 3,85 | 0,01 1,15 | 0,04 6,71 | 0,01 1,85 | cледы (traces) 0,16 |
Бенз[a]пирен** Benz[a]pyrene | 0,01 2,56 | 0,01 2,30 | 0,02 3,57 | 0,01 2,70 | 0,01 1,84 |
Дибенз[ah]антрацен Dibenz[ah]anthracene | 0,02 5,13 | 0,04 9,20 | 0,08 14,02 | 0,04 10,54 | 0,02 4,41 |
∑НМ/∑LMW | 0,22 | 0,22 | 0,25 | 0,19 | 0,19 |
∑ВМ/∑HMW | 0,18 | 0,22 | 0,29 | 0,23 | 0,18 |
∑ПАУ/∑PAHs | 0,40 | 0,44 | 0,54 | 0,42 | 0,37 |
Согласно рекомендациям СанПин 1.2.3685-21: *содержание нафталина в воде не должно превышать 10 мкг/л, ** бенз[а]пирена – 0,01 мкг/л.
Смесь приоритетных ПАУ водных образцов исследуемых водоемов наиболее обогащена такими соединениями, как флуорен, фенантрен и флуорантен. В целом в воде преобладают более легкие двух и трехядерные полиарены, обладающие лучшей растворимостью [13]. Для озер Федосеевское и Савинское установлено повышенное содержание флуорена до 0,12 мкг/л, флуорантена до 0,09 мкг/л и дибенз[ah]антрацена до 0,08 мкг/л.
Для всех изученных озер подтверждается закономерность о количественном преобладании флуорантена над пиреном за счет его лучшей растворимости в воде [13, 16].
Озеро Песчаное отличается минимальным суммарным содержанием ПАУ, однако для этого водоема характерно максимальное содержание фенантрена, происхождение которого может быть связано с пирогенными процессами хозяйственно-бытовой деятельности. Рекомендованное значение фоновой концентрации фенантрена 0,4 мг/л [13]. Кроме того, в этой же работе показано, что почвы способны генерировать фенантрен и хризен из погребенной в них биомассы.
Экологическое состояние водных объектов вызывает интерес во всем мире. В работах [17, 18] приведены данные о суммарном содержании ПАУ в городских водоемах Китая (оз. Донг – 0,013 мкг/л и оз. Тансюнь – 0,989 мкг/л), а в питьевых водах других городов Китая их концентрация находится в диапазоне от 0,004 до 0,231 мкг/л [19].
Антропогенное влияние распространяется не только на густонаселенные территории, но и на удаленные уникальные регионы, такие как архипелаг Шпицберген. В озере Стамме, расположенном на территории этого архипелага, установлено, что среднее суммарное содержание ПАУ находится в пределах 0,002–0,29 мкг/л, а в летне-осенний период увеличивается до 0,713 мкг/л [20]. В поверхностных водах озера Байкал концентрации ПАУ колеблются от 0,03 до 0,13 мкг/л [21].
Суммарное содержание ПАУ подвержено сезонным колебаниям [20], для изучаемых малых озер Томского района в поверхностных водах оно изменяется от 0,37 до 0,54 мкг/л. Нами показано, что в водных образцах, отобранных в августе 2022 г., количество ПАУ находится в интервале концентраций типичных для летнего сезона, вне зависимости от антропогенной нагрузки.
На основании гидрохимических показателей (рН, БПК5, содержание растворенного кислорода, макрокомпонентных ионов, фенола, нефтепродуктов и др.) предложены различные интегральные количественные индексы для определения качества воды, например: удельный комбинаторный индекс загрязненности воды (УКИЗВ); индекс качества воды (ИКВ), индекс загрязненности воды; индексы загрязненности рек металлами и токсичными веществами; индекс потенциального загрязнения воды; общесанитарные индексы качества воды; индекс токсичности и др. [22]. Оценка качества природных вод с использованием различных коэффициентов и индексов проводится во всем мире. Для оценки качества воды в Австралии используется индекс WSC [23], в Южной Индии благодаря индексу загрязнения подземных вод (PIG) и индексу качества воды (WQI) проводится пространственная оценка качества подземных вод [24].
В нашей работе мы использовали один из наиболее распространённых показателей в России: индекс загрязнения воды [25], для расчета которого использовали содержание растворенного кислорода, БПК5, ионно-катионный состав воды из табл. 3.
Таблица 3. Гидрохимические показатели малых озер Томского района, используемые для расчета индекса загрязненности воды (ИЗВ)
Table 3. Hydrochemical indicators of small lakes in the Tomsk region used to calculate water pollution index (WPI)
Показатель Index | Малые озера Томского района Small lakes of the Tomsk region | ||||
Мальцево Maltsevo | Круглое Krugloe | Савинское Savinskoe | Федосеевское Fedoseevskoe | Песчаное Peschanoe | |
БПК5 (мгО2/л)/BOD5 (mgО2/l) | 3,1 | 3,8 | 3,5 | 3,4 | 3,1 |
Раств. кислород (мг/л) DO (mg/l) | 7,3 | 7,3 | 8,1 | 7,8 | 7,5 |
Ca2+ (мг/л/mg/l) | 2,83 | 3,47 | 36,76 | 52,19 | 16,35 |
Mg2+ (мг/л/mg/l) | 0,96 | 0,98 | 7,00 | 9,48 | 5,11 |
Cl– (мг/л/mg/l) | 1,36 | 2,66 | 14,98 | 2,51 | 0,43 |
SO42– (мг/л/mg/l) | 2,62 | 2,81 | 3,91 | 2,91 | 0,56 |
ИЗВ/WPI | 1,74 | 1,86 | 2,00 | 1,95 | 1,80 |
Важно учитывать, что при расчете ИЗВ из всех используемых параметров наибольший вклад вносят в индекс экспериментально определенные значения растворенного кислорода и биологического потребления кислорода, определенное на 5 сутки. По значениям коэффициента ИЗВ для водных объектов рекомендовано классифицировать природные воды на шесть классов, представленных в табл. 4 [25].
Таблица 4. Характеристики интегральной оценки качества воды
Table 4. Characteristics of water quality integral assessment
Воды Water | Значения ИЗВ WPI values | Классы качества вод Water quality classes |
Очень чистые/Very clean | ≤0,2 | I |
Чистые/Clean | >0,2–1,0 | II |
Умеренно загрязненные Moderately polluted | 1,0–2,0 | III |
Загрязненные/Polluted | 2,0–4,0 | IV |
Грязные/Dirty | 4,0–6,0 | V |
Очень грязные/Very dirty | 6,0–10,0 | VI |
Чрезвычайно грязные/Extremely dirty | >10 | VII |
Показатель ИЗВ для малых озер Томского района изменяется от 1,74 до 2,0. В соответствии с табл. 4 изученные водоемы можно отнести к III классу умеренно загрязненных, ближе к загрязненным.
Следует отметить, что есть ряд потенциально опасных загрязняющих веществ, которые оказывают серьёзное токсикологическое воздействие на организм человека и природу, но не нормируются и не учитываются в различных коэффициентах и индексах, используемых для оценки качества воды. К таким веществам относят индивидуальные ПАУ. Показатель БПК5 используется для оценки содержания в воде растворенного органического вещества природного и антропогенного происхождения, которое наиболее легко окисляется. Полиароматические углеводороды, имеющие в своем составе более трех ароматических колец (флуорантен, пирен и другие), относятся к высокомолекулярным, являются основными представителями трудноокисляемой, растворенной органической компоненты и практически не учитываются при определении БПК5 [13, 25].
Поскольку высокомолекулярные ПАУ обладают более высоким токсикологическим воздействием на организм человека, чем низкомолекулярные [10, 15, 25], в нашей работе проведена попытка проследить их влияние на изменение значений ИЗВ. На рис. 2 представлена зависимость коэффициента ИЗВ от соотношения высокомолекулярных ПАУ к низкомолекулярным (ВМ/НМ).
Рис. 2. Соотношение ВМ/НМ к ИЗВ для малых озер Томского района
Fig. 2. VM/LM ratio to WPI for small lakes of the Tomsk region
Соотношение ВМ/НМ для поверхностных вод изучаемых озер Томского района находится в интервале 0,81–1,21. Значения ВМ/НМ>1 указывают на преобладание высокомолекулярных ПАУ с числом колец более 3 над низкомолекулярными. Известно, что высокомолекулярные ПАУ обладают большей стабильностью и медленной трансформацией, более способны к накоплению в природных объектах и дают возможность при систематическом наблюдении за этими соединениями выявить направленность процессов, происходящих при загрязнении водных объектов. Отношение ВМ/НМ ПАУ в водном образце может дать информацию, коррелирующую с коэффициентами оценки качества природных вод, как показано на рис. 2.
Проведенные исследования позволяют оценить текущее экологическое состояние малых озер Томского района с учетом вклада полиароматических углеводородов. Значения предельно допустимых концентраций ПАУ на территории РФ [25], в странах Европы и США [2] различаются из-за разных методологий проведения экологического мониторинга, а также имеющейся информации об уровне их канцерогенности и генотоксичности. Для всех исследованных малых озер Томского района содержание приоритетных ПАУ по нормируемым в РФ показателям находится ниже или на уровне установленного ПДК (для нафталина 10 мкг/л и для бенз[а]пирена 0,01 мкг/л). Исключение составляет озеро Савинское, в котором содержание бенз[а]пирена определено как 0,02 мкг/л и превышает ПДК в 2 раза. Содержание других полиароматических углеводородов в РФ, к сожалению, пока не регламентируется.
Для изучаемых малых водоемов рассчитано значение ИЗВ и показана его зависимость от соотношения ВМ/НМ ПАУ. По значениям коэффициента ИЗВ состояние изученных озер позволяет отнести их к категориям умеренно загрязненных или загрязненных. Предложенные показатели дают возможность рассматривать их как эффективные маркёры для дальнейшей оценки и сравнения состояния с другими водными экосистемами Томского района.
Использование ПАУ в поверхностных водах в сравнении с общепринятыми показателями качества воды представляет собой новый подход для экологического мониторинга, основанный на выявлении источников загрязнения и наблюдении связей между ними. Предложенный комплексный подход может оказаться эффективным для оценки экологического состояния озер и стать основой для дальнейших исследований.
Об авторах
Дарья Ивановна Чуйкина
Томский филиал Института нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука Сибирского отделения Российской академии наук
Автор, ответственный за переписку.
Email: dichuikina@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-5906-2148
кандидат химических наук, старший научный сотрудник лаборатории физико-химических исследований кернов и пластовых флюидов
Россия, ТомскИрина Степановна Король
Томский филиал Института нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука Сибирского отделения Российской академии наук
Email: irinakorol@yandex.ru
кандидат химических наук, старший научный сотрудник лаборатории физико-химических исследований кернов и пластовых флюидов
Россия, ТомскНаталья Андреевна Мухортина
Томский филиал Института нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука Сибирского отделения Российской академии наук
Email: volkovana@ipgg.sbras.ru
ORCID iD: 0000-0003-2625-8985
младший научный сотрудник лаборатории физико-химических исследований кернов и пластовых флюидов
Россия, ТомскЮлия Викторовна Колубаева
Томский филиал Института нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука Сибирского отделения Российской академии наук
Email: kolubaeva@inbox.ru
ORCID iD: 0000-0001-7934-5172
кандидат геолого-минералогических наук, научный сотрудник лаборатории гидрогеохимии и геоэкологии
Россия, ТомскСписок литературы
- Миграционные потоки биогенных элементов в геосистеме «водосбор – водный объект» в современных условиях / Е.А. Минакова, А.П. Шлычков, С.А. Кондратьев, В.З. Латыпова // Геоэкология. – 2022. – № 2. – С. 13–21. doi: 10.24412/1816-1863-2022-2-13-21
- Кимстач В.А. Классификации качества поверхностных вод в странах Европейского экономического содружества. – СПб.: Гидрометеоиздат, 1993. – 48 с.
- PAHs in the Fraser River basin: a critical appraisal of PAH ratios as indicators of PAH source and composition / M.B. Yunkera, R.W. Macdonaldb, R. Vingarzanc, R.H. Mitchelld, D. Goyettee, S. Sylvestre // Organic Geochemistry. – 2002. – Vol. 33 – Р. 489–515. doi: 10.1016/S0146-6380(02)00002-5
- Семенов М.Ю., Маринайте И.И., Жученко Н.А. Выявление источников и путей поступления полициклических ароматических углеводородов в поверхностные воды на основе данных химического мониторинга // Геоэкология. Инженерная геология. Гидрогеология. Геокриология. – 2017. – № 1. – С. 40–49.
- Tarnawski M., Baran A. Use of chemical indicators and bioassays in bottom sediment ecological risk assessment // Archives of Environmental Contamination and Toxicology. – 2018. – Vol. 74. – Р. 395-407. doi: 10.1007/s00244-018-0513-2
- Freshwater lakes in the Western Himalayan Region: an analysis of the present situation / Neha Kumari, Kushal Thakur, Rakesh Kumar, Sunil Kumar, Danish Mahajan, Bhavna Brar, Dixit Sharma, Amit Kumar Sharma // Water-Energy Nexus. – 2023. – Vol. 6. – P. 18–31. doi: 10.1016/j.wen.2023.06.002
- Иоганзен Б.Г., Попов М.А., Якубова А.И. Водоемы окрестностей города Томска. Из цикла работ по изучению биологической продуктивности водоемов Сибири // Труды Том. ун-та. – 1951. – Т. 115. – С. 121–190.
- Сагдеев М.А., Чигринева Н.А., Сальникова В.И. Определение содержания катионов и анионов в питьевой воде методом капиллярного электрофореза // Совр. науч. иссл. и инновации. – 2017. – № 3 (71). – C. 36–39.
- Schreider S., Sommaruga R., Psenner R. Changes in air temperature, but not in precipitation, determine long-term trends in water chemistry of high mountain lakes of the Alps with and without rock glacier influence // Science of The Total Environment. – 2023. – Vol. 905. – 167750. doi: 10.1016/j.scitotenv.2023.167750
- Томилина И.И., Гремячих В.А., Гребенюк Л.П. Эколого-токсикологический мониторинг озер северо-запада и центра европейской части России, расположенных на особо охраняемых территориях // Водные ресурсы. – 2014. – T. 41. – № 3. – C. 304–311. doi: 10.7868/S032105961403016X
- Агбалян Е.В., Шинкарук Е.В. Химический состав вод малых озер нефтегазодобывающих районов cевера Западной Сибири // Успехи современного естествознания. – 2019. – № 7. – С. 45–51. doi: 10.17513/use.37158
- Санитарные нормы и требования СанПиН 1.2.3685-21 «Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов среды обитания». – М.: Госсанэпидемнадзор России, 2021. – 469 с.
- Ровинский Ф.Я., Теплицкая Т.А., Алексеева Т.А. Фоновый мониторинг полициклоароматических углеводородов. – Л.: Гидрометеоиздат, 1988. – 233 с.
- Опекунов А.Ю., Митрофанова Е.С., Санни С. Полициклические ароматические углеводороды в донных отложениях рек и каналов С-Петербурга // Вестник С-Пб. универ. – 2015. – Сер. 7. – Вып. 4. – С. 98–109.
- Халиков И.С., Лукьянова Н.Н. Содержание полициклических ароматических углеводородов в донных отложениях озера Байкал по результатам мониторинга в 2017–2018 гг. // Международный научно-исследовательский журнал. – 2020. – № 6-2 (96). – С. 69–73. doi: 10.23670/IRJ.2020.96.6.050
- Sources, inputs and concentrations of petroleum hydrocarbons, polycyclic aromatic hydrocarbons, and other contaminants related to oil and gas activities in the arctic/ L.O. Reiersen, S. Wilson, Yu. Sychev, J. Pawlak, I. Utne // Arctic Monitoring and Assessment Programme. – Oslo: AMAP, 2007. – Ch. 4. – 87 p.
- Polycyclic aromatic hydrocarbons in the water bodies of Dong Lake and Tangxun Lake, China: spatial distribution, potential sources and risk assessment / Kuo Yao, Zhanling Xie, Lihao Zhi, Zefan Wang, Chengkai Qu // Water. – 2023. – Vol. 15 (13). – № 2416. doi: 10.3390/w15132416.
- The collaborative monitored natural attenuation (CMNA) of soil and groundwater pollution in large petrochemical enterprises: A case study / Q. Song, Z. Xue, H. Wu, Y. Zhai, T. Lu, X. Du, J. Zheng, H. Chen, R. Zuo // Environmental Research. – 2023. – Vol. 216. – Pt. 4. – 114816. doi: 10.1016/j.envres.2022.114816
- Zhang Y., Zhang L., Huang Z. Pollution of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in drinking water of China: Composition, distribution and influencing factors // Ecotoxicology and Environmental Safety. – 2019. – Vol. 177. – P. 108–116. doi: 10.1016/j.ecoenv.2019.03.119
- Пресноводные ресурсы западного Шпицбергена в современных условиях (многолетние исследования ААНИИ): монография / М.В. Третьяков, В.А. Брызгало, Е.В. Румянцева, К.В. Ромашова. – СПб: ААНИИ, 2021. – 201 с.
- Современный уровень нефтепродуктов в воде оз. Байкал и его притоков / А.Г. Горшков, И.И. Маринайте, Т.И. Земская, Т.В. Ходжер // Химия в интересах устойчивого развития. – 2010. – № 18. – С. 711–718.
- Зубарев В.А. Гидрохимические индексы оценки качества поверхностных вод // Региональные проблемы. – 2014. – Т. 17. – № 2. – С. 71–77.
- Water Sensitive Cities Index: a diagnostic tool to assess water sensitivity and guide management actions / B.C. Rogers, G. Dunn, K. Hammer, W. Novalia, F.J. de Haan, L. Brown, R.R. Brown, S. Lloyd, C. Urich, T.H.F. Wonga, C. Chesterfielda // Water. – Research 186. – 2020. – 116411. doi: 10.1016/j.watres.2020.116411
- Sunitha V., Muralidhara Reddy B. Geochemical characterization, deciphering groundwater quality using pollution index of groundwater (PIG), water quality index (WQI) and geographical information system (GIS) in hard rock aquifer, South India // Applied Water Science. – 2022. – Vol. 12. – № 41. doi: 10.1007/s13201-021-01527-w
- Оценка и нормирование качества природных вод: критерии, методы, существующие проблемы / сост. О.В. Гагарина. – Ижевск: Изд-во Удмуртского университета, 2012. – 199 с.
