Биогеохимические особенности распределения халькофильных элементов (Hg, Cd, Pb, As) в водоемах Севера европейской части России

138 Pages·2015·3.678 MB·Russian

by  Даувальтер В. А., Кашулин Н. А.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО РЫБОЛОВСТВУ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
"МУРМАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ"

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ
ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ПРОМЫШЛЕННОЙ ЭКОЛОГИИ СЕВЕРА
КОЛЬСКОГО НАУЧНОГО ЦЕНТРА РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

В. А. Даувальтер, Н. А. Кашулин

БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ
ХАЛЬКОФИЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ (Hg, Cd, Pb, As) В ВОДОЕМАХ
СЕВЕРА ЕВРОПЕЙСКОЙ ЧАСТИ РОССИИ
Допущено Ученым советом университета
в качестве учебного пособия
по дисциплинам "Геохимия окружающей среды", "Гидрогеология",
"Геоэкология" для студентов направления
022000.62 "Экология и природопользование"

Мурманск
Издательство МГТУ
2015
УДК 551 (924.16)
ББК 26.222.6 (я73)
Д 21
Рецензенты:
Институт проблем промышленной экологии Севера КНЦ РАН
(О. И. Вандыш, канд. биол. наук, ученый секретарь Института);
Н. Е. Раткин, д-р географ. наук

Д 21 Даувальтер, В. А. Биогеохимические особенности распределения халькофильных
элементов (Hg, Cd, Pb, As) в водоемах Севера европейской части России : учеб. пособие
по дисциплинам "Геохимия окружающей среды", "Гидрогеология", "Геоэкология" для
студентов направления 022000.62 "Экология и природопользование" / В. А. Даувальтер,
Н. А. Кашулин. – Мурманск : Изд-во МГТУ, 2015. – 136 с. : ил.

ISBN 978-5-86185-836-6

В пособии описаны биогеохимические особенности распределения халькофиль-
ных элементов (Hg, Cd, Pb, As) в водоемах Севера европейской части России. Дано
описание халькофильных элементов в окружающей среде: источники поступления,
свойства, значение для биосферы. Заостряется внимание на глобальности загрязнения
звеньев окружающей среды этими элементами в последние десятилетия. Представлены
результаты исследований содержания и поведения халькофильных элементов в воде,
донных отложениях и органах и тканях сигов (Coregonus lavaretus) водоемов различ-
ных регионов Севера европейской части России.
Предназначено для студентов направления 022000.62 "Экология и природополь-
зование".
Ил. – 48, табл. – 33, список лит. – 51 название.
The manual describes the features of biogeochemical distribution of chalcophile ele-
ments (Hg, Cd, Pb, As) in the reservoirs of the North European part of Russia. A description
of chalcophile elements in the environment is given: sources of influx, properties, significance
for the biosphere. The global nature of pollution by these elements of the environment in the
last decade is emphasized. The results of research of content and behavior of chalcophile ele-
ments in water, sediments and organs and tissues of whitefish (Coregonus lavaretus) in reser-
voirs of different regions of the North European part of Russia are presented.
The manual is designed for students of the specialization 022000.62 "Ecology and Na-
ture Management".
УДК 551 (924.16)
ББК 26.222.6 (я73)

© Мурманский государственный
технический университет, 2015
© Институт проблем промышленной
экологии Севера КНЦ РАН, 2015
© В. А. Даувальтер, Н. А. Кашулин, 2015
ISBD 978-5-86185-836-6
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ ......................................................................................................... 4
ГЛАВА 1. ХАЛЬКОФИЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
В ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЕ ............................................................................ 8
ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ...................................................... 39
ГЛАВА 3. СОДЕРЖАНИЕ ХАЛЬКОФИЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
В ВОДНЫХ ЭКОСИСТЕМАХ СЕВЕРА
ЕВРОПЕЙСКОЙ ЧАСТИ РОССИИ ........................................................... 42
3.1. ЦЕНТРАЛЬНАЯ ЧАСТЬ МУРМАНСКОЙ ОБЛАСТИ
(ВКЛЮЧАЯ ОЗ. ИМАНДРА) ................................................................................ 42
3.2. РАЙОН ПЛАТИНОМЕТАЛЛЬНОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ
ФЕДОРОВО-ПАНСКОГО МАССИВА.................................................................... 46
3.3. ВЛИЯНИЕ СТОКОВ ГОРНОРУДНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ
НА СОДЕРЖАНИЕ ХАЛЬКОФИЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В ОЗЕРЕ УМБОЗЕРО ............. 57
3.4. ВЛИЯНИЕ ВЫБРОСОВ И СТОКОВ КОМБИНАТА "ПЕЧЕНГАНИКЕЛЬ"
НА СОДЕРЖАНИЕ ХАЛЬКОФИЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
В ВОДНЫХ ЭКОСИСТЕМАХ ................................................................................ 76
3.5. СОДЕРЖАНИЕ ХАЛЬКОФИЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
В ВОДОЕМАХ В ЗОНЕ ВЛИЯНИЯ КОВДОРСКОГО ГОКА .................................... 89
3.6. СОДЕРЖАНИЕ ХАЛЬКОФИЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
В ВОДОЕМАХ ВОДОСБОРА РЕКИ ПОНОЙ ........................................................... 93
3.7. СОДЕРЖАНИЕ ХАЛЬКОФИЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
В ВОДОЕМАХ ПОЛУОСТРОВА РЫБАЧИЙ И ВОДОСБОРА РЕКИ УРА .................... 95
3.8. СОДЕРЖАНИЕ ХАЛЬКОФИЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
В ВОДОЕМАХ ВОДОСБОРА РЕКИ ПЕЧОРЫ ......................................................... 97
3.9. СОДЕРЖАНИЕ ХАЛЬКОФИЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
В ВОДОЕМАХ КАРЕЛЬСКОГО ПЕРЕШЕЙКА ..................................................... 117
3.10. СОДЕРЖАНИЕ ХАЛЬКОФИЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
В ВОДОЕМАХ РЕСПУБЛИКИ КАРЕЛИЯ ............................................................ 119
3.11. СОДЕРЖАНИЕ ХАЛЬКОФИЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
В ВОДОЕМАХ ВАЛДАЙСКОЙ ВОЗВЫШЕННОСТИ ............................................. 121
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ............................................................................................. 123
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ........................................................................... 131
ВВЕДЕНИЕ
Проблема изменения природного круговорота элементов под влиянием
антропогенного воздействия является одной из важнейших в современных
вопросах охраны окружающей среды и экологии. Преобразования химиче-
ского состава поверхностных слоев земной коры в последнее время проис-
ходят в масштабах, сравнимых с геологическими процессами. Под влиянием
техногенных факторов протекают химические реакции, которые изменяют
природные геохимические циклы элементов. Уже в 1934 г. А. Е. Ферсман
отмечал стремительный рост использования элементов (примерно в 100 раз
за 15–30 лет до обозначенного года), который в последующие годы только
нарастал. Отвалы горных пород и хвостохранилищ, шахтные и карьерные
воды, стоки, отходы и атмосферные выбросы обогатительных и металлурги-
ческих предприятий являются источниками техногенной миграции ряда эле-
ментов, токсичных в повышенных концентрациях для живых организмов.
Как известно, водоемы служат коллекторами всех видов загрязнения.
Донные отложения накапливают сведения о потоках элементов в биосфере
в историческом срезе. Они являются важным источником информации
о прошлых климатических, геохимических, экологических условиях,
существующих на водосборе и в самом водоеме, позволяют оценить со-
временное экологическое состояние воздушной и водной сред.
Элементы в донных отложениях представлены в различных формах:
в нерастворимых продуктах химического выветривания горных пород
и минералов (связанные в кристаллических решетках первичных минералов);
5

адсорбированных на поверхности окислов и гидроокислов Fe и Mn, глини-
стых минералов, органического материала; связанных с аутигенными
сульфидами, карбонатами, фосфатами и т. д. Результаты исследований
форм нахождения металлов в донных отложениях озер отражены авторами
[Даувальтер, 2000]. По итогам этих исследований было установлено, что
при повышении валовых концентраций тяжелых металлов в поверхност-
ном слое загрязненных донных отложений увеличивается доля их подвиж-
ных соединений. В данном учебном пособии рассматриваются только ва-
ловые содержания халькофильных элементов, но, основываясь на выводах
предыдущих исследований, можно предположить, что с ростом валовых
концентраций увеличивается и доля подвижных, легко усваиваемых гид-
робионтами форм халькофильных элементов, что повышает опасность их
негативного влияния на экосистему озера в целом. Это предположение
требует дополнительных исследований распределения форм нахождения
халькофильных элементов в толще донных отложений. Определение со-
держания халькофильных элементов в различных формах затруднено также
из-за их низких концентраций в донных отложениях.
Цель исследований – установление геохимических особенностей рас-
пределения радионуклидов и халькофильных элементов (Hg, Cd, Pb, As)
и разработка научных основ прогноза их содержания в водоемах Европей-
ского Севера России.
Исследования направлены на решение следующих важных природо-
охранных задач:
1. Разработка методических и методологических подходов исследова-
ния содержания и распределения радионуклидов и халькофильных элемен-
тов (Hg, As, Cd, Pb) в постоянно взаимодействующей системе вода – дон-
ные отложения – ихтиофауна.
2. Установление особенностей распределения радионуклидов и халько-
фильных элементов в водоемах Европейского Севера России (в воде, донных
отложениях, рыбе), связанных как с геохимическим составом коренных и чет-
вертичных пород и почв водосборов, так и с долговременным воздействием
на природные системы локальных и удаленных источников загрязнения.
3. Определение природных фоновых и современных уровней и изме-
нение содержания радионуклидов и халькофильных элементов в воде, дон-
ных отложениях и рыбе водоемов Севера европейской части России, а также
их изменений в донных отложениях в течение последнего столетия.
6

4. Разработка научных основ прогноза содержания радионуклидов
и халькофильных элементов в воде, донных отложениях и рыбе водоемов
Севера европейской части России с учетом современного и прошлого со-
стояния водных экосистем по результатам исследований колонок донных
отложений.
Таким образом, вода, донные отложения и рыба водоемов Севера
европейской части России рассматриваются как информационная система,
отражающая биогеохимический круговорот элементов и качество поверх-
ностных вод. Эта информационная система и будет являться основой для
прогноза содержания радионуклидов и халькофильных элементов в вод-
ных экосистемах Севера европейской части России.
Объектами исследований являются вода, донные отложения и рыбы
водоемов и водотоков Севера европейской части России, расположенных
как вблизи локальных источников загрязнения, так и на различном удале-
нии от них, в том числе и в относительно чистых, "незагрязненных" районах.
Негативным следствием освоения природно-сырьевых ресурсов Севе-
ра европейской части России и развития крупнейших предприятий по до-
быче и переработке минерального сырья является большой объем загряз-
няющих веществ, поступающих в водные объекты территории, что
приводит к формированию геохимических аномалий вблизи участков про-
ведения горных работ, складирования и переработки минерального сырья.
Деятельность предприятий горнопромышленного комплекса привела
к возникновению техногенно обусловленых процессов миграции химиче-
ских элементов, среди которых наиболее важными являются: 1) поступле-
ние элементов в составе сточных вод; 2) воздушный перенос вещества;
3) вынос элементов от массивов минеральных отходов поверхностным
и подземным стоком.
Исследования, ранее выполненные в Институте проблем промышлен-
ной экологии Севера Кольского научного центра (ИППЭС КНЦ), позволили
определить уровни содержания и основные закономерности распределения
элементов, являющихся приоритетными загрязняющими веществами для
Мурманской области, – Ni, Cu, Co, Zn. Исследованию распределения и ми-
грации халькофильных элементов (Hg, Cd, Pb, As) и радионуклидов уделя-
лось недостаточное внимание. В первую очередь это связано с очень
малым содержанием этих элементов в воде, донных отложениях и рыбе
и сложностью их определения в этих средах. Имеются лишь отрывочные
7

данные по содержанию халькофильных элементов (Hg, Cd, Pb, As) и радио-
нуклидов в воде и донных отложениях, полученные при работе над сов-
местными международными научными проектами. Аналитическая база
ИППЭС КНЦ РАН не позволяла производить измерение содержания халь-
кофильных элементов (Hg, Cd, Pb, As) с достаточно низким пределом зна-
чений, а для определения радионуклидов нет оборудования. В настоящее
время в КНЦ РАН создан центр коллективного пользования, и Институт
приобрел оборудование для определения содержания халькофильных эле-
ментов в достаточно низких концентрациях. Таким образом, появилась ре-
альная возможность приступить к исследованию содержания халькофильных
элементов и радионуклидов в водных системах с достаточной детальностью
для изучения вопросов, связанных с миграцией этих элементов в окружающей
среде, и решения природоохранных задач.
Практическое значение. Результаты исследований могут быть ис-
пользованы в первую очередь для оценки экологического состояния прес-
новодных экосистем Кольского Севера, главным образом, включающей:
1) прогноз содержания радионуклидов и халькофильных элементов
в водоемах Севера европейской части России;
2) определение санитарного состояния водоемов и их пригодности для
снабжения питьевой водой;
3) планирование и реализацию природоохранных мероприятий на тер-
ритории Мурманской области;
4) проведение комплексных исследований по оценке вклада различ-
ных производств в поступление радионуклидов и загрязняющих элемен-
тов, в том числе халькофильных элементов, в поверхностные воды;
5) создание сети мониторинга загрязнения водных экосистем Мурман-
ской области;
6) определение экологического состояния водоемов с точки зрения их
пригодности к промышленному рыбоводству.
8

ГЛАВА 1. ХАЛЬКОФИЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
В ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЕ
Европейский Север России, в том числе Мурманская область, обладает
уникальными минерально-сырьевыми ресурсами. На территории Мурман-
ской области находятся крупнейшие в стране горнодобывающие, горно-
перерабатывающие и горно-металлургические предприятия, ежегодно
извлекающие на поверхность земли миллионы тонн горных пород, выбрасы-
вающие в атмосферу и сбрасывающие в водоемы и водотоки тысячи тонн
загрязняющих веществ, в том числе высокотоксичных соединений метал-
лов и органических загрязнителей.
Среди загрязняющих веществ чрезвычайно опасными для природы
и человека являются тяжелые металлы, в первую очередь высокотоксич-
ные халькофильные элементы (Hg, Cd, Pb, As), способные мигрировать
в воздушной и водной средах на значительные расстояния благодаря своим
внутренним и внешним геохимическим особенностям (например, относи-
тельно низкой температурой плавления, большой способностью образовы-
вать металлорганические комплексы и т. д.). Эти элементы в последние
десятилетия приобрели статус глобальных загрязняющих элементов.
Несмотря на большое количество источников загрязнения халькофильными
элементами в мире, в том числе и на Севере европейской части России,
очень мало информации по содержанию этих загрязняющих веществ
в окружающей среде, и в водных системах в частности. В первую очередь
это связано с очень малым содержанием этих элементов в воде, донных
отложениях и гидробионтах и сложностью их определения в этих средах.
В глобальном переносе элементов, в том числе и халькофильных,
находящихся в газовой фазе или в составе аэрозолей, важнейшую роль иг-
рает циркуляция атмосферы (рис. 1). Арктический фронт является зоной
эффективного перемешивания и выпадения аэрозоля. Из Северной Атлан-
тики циклоны перемещаются в арктическую зону преимущественно на се-
веро-восток. В северной полярной области возможен перенос атмосферных
аэрозолей на расстояния до 10 тыс. км за 5–10 сут.
9

Рис. 1. Циркуляция атмосферы:
1 – положение циклонических центров; 2 – положение антициклинальных центров;
3 – схема теплых течений воздушных масс (Морецкий, 1976)
Глобальные выбросы в атмосферу халькофильных элементов умень-
шились 1.5–4 раза с 1983 по 1995 гг. (рис. 2). В глобальном масштабе глав-
ным источником выбросов тяжелых металлов продолжает оставаться ста-
ционарное сжигание ископаемого топлива, в том числе и халькофильных
элементов, например, 66 % поступлений Hg в атмосферу составило сжига-
ние угля в 1995 г. (рис. 3). Этот источник по-прежнему доминирует, не-
смотря на снижение в 2 раза выбросов тяжелых металлов при сжигании
угля в 1990-е годы (по сравнению с 1980-ми) благодаря внедрению новых
технологий, в первую очередь в Северной Америке и Западной Европе.
Использование этилированного, неэтилированного и малоэтилированного
бензина продолжает быть главным источником атмосферных выбросов Pb,
составляя 74 % общих выбросов в 1995 г. Интересно, что главным источ-
ником выбросов Ni (до 90 %) является сжигание нефти и мазута, а V – по-
чти 100 %. Выбросы Ni и V за счет сжигания нефти с начала 1980-х до се-
редины 1990-х гг. выросли в 2–3 раза, потому что большинство
10

электростанций, сжигающих нефть и мазут, не оборудовано фильтрами
для удаления частиц, содержащих Ni и V, а производство электроэнергии с
использованием нефти и мазута за это время увеличилось в 2 раза.

Рис. 2. Изменение глобальных выбросов в атмосферу тяжелых металлов
из главных антропогенных источников в 1995 г.
по сравнению с 1983 г. [Pacyna, Pacyna, 2001]

Рис. 3. Антропогенные источники поступления халькофильных элементов в атмосферу
(выбросы в тоннах) [Pacyna, Pacyna, 2001]
Другим главным источником поступления тяжелых металлов в атмо-
сферу является производство цветных металлов – это 73 % поступления Cd,
69 % As (рис. 3), 72 % Zn, 70 % Cu (1995 г.). Поступление этих тяжелых