CC BY
54
УДК 504.45.054-034 Г.А. Леонова
ИГМ СО РАН, Новосибирск
БИОФИЛЬТРУЮЩАЯ СИСТЕМА ВОДНЫХ РАСТЕНИЙ ЛИТОРАЛИ НА ПУТИ МИГРАЦИИ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ
Огромное функциональное значение в литоральной зоне водоемов имеет пояс прибрежно-водных гигрофитов и погруженных макрофитов, которые представляют своеобразный растительный фильтр на пути антропогенных поллютантов, мигрирующих с суши. Прибрежно-водные растения аккумулируют биогенные элементы и органические вещества, ионы различных химических элементов, а также задерживают приносимые с водосбора взвеси путем образования органоминеральных скоплений на листьях, стеблях и водных придаточных корнях [3].
Пояс прибрежно-водных гигрофитов (рогоз широколистный Typha latifolia, тростник южный Pragmites australis, водолюб болотный Eleocharis palustris и др.) заполняет периферийные участки водоемов сплошным покровом, активно встраивается в биогеохимические процессы
перераспределения химических элементов, задерживая часть биогенов и
загрязняющих веществ, поступающих в экосистему с прилегающей территории. Практически все поллютанты (тяжелые металлы,
короткоживущие изотопы), проходя через биофильтр прибрежной экосистемы, осаждаются или сорбируются [2, 3].
Техногенно-трансформированные водные экосистемы. Достаточно полно изучено влияние водной растительности на процессы
перераспределения металлов в районах действия горно-обогатительных и металлургических предприятий (Бортникова и др., 2003; Елпатьевский и др., 2000; Хожина, Храмов,1999; Хожина и др., 2001; Богуш, 2004). Показано, что поглощение металлов макрофитами в хвостохранилищах затопленного типа (техногенные озера) происходит настолько активно, что их концентрация в сухом веществе исследуемых растений существенно превышает содержание в иловых растворах и свободных водах, а по некоторым металлам -приближается к таковой в твердом веществе донного осадка, особенно в подземной части растений. Таким образом, пояс прибрежно-водных гигрофитов и истинно водных растений (макрофитов) может рассматриваться как своеобразный биогеохимический барьер на пути миграции металлов с дренажными и инфильтрационными водами [2].
Однако трансформация форм нахождения металлов при их проникновении в растения несет негативные последствия. Водная растительность интенсивно поглощает металлы, которые находятся в поровых (иловых) и свободных водах техногенных озер в подвижных формах, и, следовательно, легкодоступных для растений. При отмирании растений верхний детритовый слой донных отложений обогащается подвижными формами металлов, которые могут стать источниками вторичного загрязнения придонного слоя воды и соответственно бентосных организмов токсичными элементами [1].
Автором данной публикации изучена концентрационная функция прибрежно-водных гигрофитов и погруженных макрофитов в шламонакопителях Селенгинского целлюлозно-картонного комбината (СЦКК), в которые по пульпопроводам подаются технологические шламы сульфатцеллюлозного производства и шлам-лигнин с очистных сооружений СЦКК после химической очистки сточных вод [5,6]. Подобно хвостохранилищам затопленного типа, детально изученных в работах, цитируемых выше, шламонакопители сульфатцеллюлозных производств по сути своей также представляют собой своеобразные техногенные озера.
Твердые отходы, поступающие в шламонакопители, являются основными концентраторами тяжелых металлов сульфатцеллюлозных производств. В технологический цикл СЦКК металлы поступают с сырьем и химическими реактивами, и в конечном итоге, пройдя всю технологическую цепочку варки небеленой целлюлозы, накапливаются в твердых отходах в количествах, значительно превышающих технолого-геохимический фон (табл. 1).
Таблица 1. Концентрирование металлов в твердых отходах Селенгинского
ЦКК
Элемент Фон (древесина) Твердые отходы, мг/кг сухой массы
шламлигнин активный ил технологический шлам отходы каустизации
Hg н / о 0.008 0.0008 0.015 0.01
Cd 0.014 0.15 0.27 1.7 1.8
Pb 0.07 3.3 1.7 12.8 7.5
Cu 0.7 31 33 94 44
Zn 8 61 87 202 192
Mn 48 259 445 1224 1900
Fe 28 4630 9383 5997 9800
Al 37 41673 25606 106493 9000
Sr 16 48 63 196 450
Примечание: анализы проведены в Институте геохимии СО РАН атомно-
эмиссионным анализом (аналитики - А.И. Кузнецова, Н.Л. Чумакова); ^ - методом ААС, «холодный пар» (аналитик - Л. Д. Андрулайтис); то же в табл. 2.
Складирование отходов сульфатцеллюлозных предприятий в шламонакопителях приводит к загрязнению поверхностных и грунтовых вод, почв, атмосферы, что, в конечном итоге, практически всегда проявляется в накоплении целого ряда химических элементов в биообъектах. Для оценки негативного воздействия отходов СЦКК в течение трех лет проводили отбор типичных («сквозных») для данной местности растений (рогоз широколистный Typha latifolia, водолюб болотный Eleocharis palustris), образующих бордюрный пояс вокруг шламонакопителей. В качестве фоновых концентраций металлов в органах выбранных видов растений приняты значения, полученные автором для идентичных видов из района Выдрино-Танхой (Леонова, 2003), в которых диапазон концентраций микроэлементов не выходит за пределы регионального фона для растений Восточной Сибири [4].
Согласно результатам многолетних исследований [5,6] показано, что тяжелые металлы не накапливаются в водных растениях, несмотря на довольно высокие содержания их в технологических шламах, поступающих в шламонакопители СЦКК. Концентрации Cd, РЬ, Си, 7п, Мп в органах растений шламонакопителей не превышают фоновых значений для растений из района Выдрино-Танхой (табл. 2).
Таблица 2. Среднее содержание (Х ± х005) и интервал содержаний (знаменатель) в прибрежно-водных растениях шламонакопителя СЦКК, мг/кг
сухой массы
Элемент Корни (п) Стебли (п) Листья (п) Соцветия (п) Фон
Рогоз широколистный (Typha latifoUa)
Pb 2.13 ± 0.72 (5) 0.3 - 4.2 0.58 ± 0.18 (5) 0.1 - 1.0 0.37 ± 0.09 (5) 0.1 - 0.6 0.15 ± 0.04 (4) 0.1 - 0.3. 0.1 -9.6
Cd 0.67 (1) 0.14 (1) 0.19 (1) 0.11 (1) 0.05 - 0.2
Cu 5.3 ± 1.2 (5) 3.0 - 8.4 2.7 ± 0.7 (5) 1.0 - 4.5 2.2 ± 0.7 (5) 1.1 - 4.3 3.8 ± 1.4 (4) 0.6 - 7.2 2. 8 і 3 4
Zn 10.6 - 21.3 (2) 5.8 - 15.2 (2) 5.2 - 11.8 (2) 12.1-19.9 (2) 13 - 34
Mn 30.4 ± 8.8 (3) 15.2 - 45.7 18.6 ± 1.7 (3) 15.2 - 20.3 60.9 ± 23.5 (3) 32.3 - 107.6 3 3 1 .4 9.
Mo 0.56 ± 0.23 (4) 0.15 - 1.2 0.31 ± 0.11 (4) 0.10 - 0.61 0.86 ± 0.58 (4) 0.11 - 2.58 0.42 ± 0.15 (3) 0.18 - 0.72 0.14 - 0.61
B 10.1 ± 2.2 (4) 4.6 - 15.2 7.6 ± 3.8 (4) 2.0 - 18.3 10.9 ± 4.4 (4) 3.2 - 23.6 9.7 ± 2.2 (3) 6.1 - 13.9 .0 9. 1 .8 4.
Водолюб болотный (Eleocharis palustris)
Pb 0.94 ± 0.3 (5) 0.1 - 1.8 0.51 ± 0.21 (5) 0.1 - 1.25 0.34 ± 0.13 (3) 0.1 - 0.56 0.41 ± 0.03 (5) 0.1 - 0.92 .9 4. 1 .4 0.
Cd 0.22 (1) 0.06 (1) 0.12 (1) 0.17 (1) 0.05 - 0.2
Cu 4.3 ± 1.0 (5) 1.4 - 7.4 2.7 ± 0.4 (5) 1.2 - 3.7 2.7 ± 0.5 (3) 1.8 - 3.7 3.2 ± 1.2 (5) 0.9 - 7.9 5 - 30
Zn 41.9 (1) 21.3 (1) - 34.3 (1) 12 - 47
Mn 62.8 ± 25.8 (4) 27.9 - 139.7 31.3 ± 3.6 (4) 25.1 - 37.6 37.2 ± 10.7 (3) 18.6 - 55.9 16.1 ± 4.3 (4) 9.3 - 27.3 5 - 48
Mo 0.59 ± 0.11 (4) 0.28 - 0.84 0.41 ± 0.06 (4) 0.25 - 0.5 0.36 ± 0.18 (3) 0.18 - 0.74 0.27 ± 0.04 (4) 0.18 - 0.37 0. 2 ! 2. 3
B 12.9 ± 5.1 (4) 5.6 - 27.9 8.7 ± 5.1 (4) 1.2 - 25.1 8.6 ± 5.1 (3) 1.8 - 18.6 9.5 ± 3.1 (4) 4.6 - 18.5 2 - 10
Примечание: (Х ± хо.о5) - среднее и ошибка среднего; п - количество усредненных
проб.
Это обстоятельство можно объяснить тем, что в отличие от хвостохранилищ сульфидсодержащих отходов обогащения барит-полиметалических руд, поровые воды которых характеризуются низкими значениями рН, например, 4.5-6.1 в хвостохранилище Талмовские пески [2], места складирования отходов сульфатцеллюлозных предприятий представляют собой своеобразные щелочные аквалъные ландшафты. Воды шламоотстойников СЦКК, как правило, имеют рН 9-10, что обусловлено поступлением технологических шламов из цеха каустизации щелоков и регенерации извести (ЦКРИ), где белый щелок, необходимый для варки целлюлозы, получают в результате каустизации зеленого щелока известью.
Наряду с «техногенными озерами» автором были исследованы и некоторые природные водоемы, подвергающиеся значительному техногенному воздействию. В Алтайском крае примером таких техногенно-трансформированных водоемов может служить оз. Горькое (водоем-преемник коммунально-бытовых стоков г. Рубцовска) и Денисов пруд (г. Змениногорск), на котором до 1972 г. стояла фабрика по обогащению свинцово-цинковой руды. Водная растительность этих водоемов и по настоящее время играет роль своеобразного биофильтра, аккумулируя повышенные относительно фона концентрации отдельных тяжелых металлов (табл. 3).
Таблица 3. Содержание тяжелых металлов (мкг/г сухой массы) в прибрежноводных гигрофитах и макрофитах из водоемов урбанизированных
территорий
Водоем ив Сё РЬ Си 2п Сг N1 Со Бе Мп
Гигрофиты (Рогоз широколистный T. latifolia, * надземная часть, ** - корни)
Оз. Горькое *0.077 *0.11 0.021 0.22 2.5 2.3 3.0 4.3 26 38 4.0 9.6 0.33 3.1 < 0.5 < 0.5 133 3650 203 125
Гидрофиты плавающие (многокоренник обыкновенный Spirodela polyrrhizd)
Оз. Горькое 0.12 0.77 8.5 14.0 175 21.0 5.8 2.0 4570 405
Гидрофиты погруженные ( рдест гребенчатый Potdmogeton ресЫпаШ )
Денисов пруд 0.1 0.18 6.0 3.3 29 8.7 3.4 0.9 1700 1080
Гидрофиты погруженные (рдест блестящий Potdmogeton 1исет)
р. Ромашка 0.091 0.88 7.2 32.8 368 26.5 19 7.9 8840 2710
усл.-фон. 0.013 0.31 2.0 12.3 40 9.0 6.1 3.4 2450 2230
Интервалы концентраций металлов в водных растениях незагрязненных водоемов
Фоновые водоемы 0.022± 0.001 0.1- 0.5 5.8± 0.5 8.0± 0.2 25.1 ± 0.7 7-13 6.6± 0.2 1.1± 0.09 535.5± 24.1 412± 38
Примечание: анализы проведены в АЦ ОИГГиМ СО РАН методом ААС (аналитики -Н.В. Андросова, В.Н. Ильина); ^ - методом ААС, «холодный пар» (аналитик - Ж.О. Бадмаева).
Незагрязненные водные экосистемы. Согласно многочисленным литературным источникам (Киприянова и др., 1995; Микрякова, 1998; Куриленко, Осмоловская, 2006 и др.), сформировалось мнение, что водная растительность, произрастающая в условиях природных (незагрязненных) водоемов, проявляет себя в качестве биофильтрующей системы не так
контрастно, как в природно-нарушенных условиях (техногенные озера и водоемы урбанизированных территорий). Это вполне объяснимо, поскольку концентрации металлов в воде и донных отложениях незагрязненных водоемов значительно ниже по сравнению с таковыми в техногенно-трансформированных. Наши многолетние исследования не противоречат этому утверждению (табл. 4).
Таблица 4. Содержания тяжелых металлов (мкг/г сухой массы) в погруженных макрофитах (преимущественно рдестах Potamogeton ¿р.) из
водоемов Восточной и Западной Сибири
Водоем ив Сё РЬ Си 2п Сг N1 Со Аб Бе Мп
Озера разных ландшафтных зон Алтайского края (1998 г.)
1 0.007 0.6 0.7 2.8 5.1 3.9 2.3 1.1 <1 1091 115
2 0.008 0.02 2.4 4.9 14 7.1 3.6 1.5 2.2 2073 678
3 0.008 0.05 0.7 2.8 15 4.7 2.8 0.8 2.4 1642 253
4 0.038 0.04 3.8 4.4 25 3.4 3.9 2.3 - 8800 815
5 0.022 0.008 1.3 2.5 7 3.8 2.4 1.0 1.5 1319 155
Озера Пуровского района Ямало-Ненецкого автономного округа (2000 г.)
6 0.05 0.6 12 3 170 - 4 11 - 1200 1205
7 0.04 0.03 0.1 3.8 21 6.5 6 1.6 - 960 160
8 0.4 0.11 0.12 3.8 81 - 7.3 7.6 - 2900 458
Озера Томской и Новосиби эской областей (2003 г.)
9 0.011 0.07 2.3 0.4 8.4 7.9 0.5 0.9 - 770 1321
10 0.011 0.04 5.6 0.8 9.4 8.6 0.8 - 2.14 910 2013
Водохранилища Сибири
11 0.007± 0.001 - 2.3 ± 0.4 13.4 ± 1.9 26.6 ± 2.1 11.2 ± 1.8 5.2 ± 0.8 2.3 ± 0.5 - 1373 ±175 798 ± 115
12 0.01 - 12.1 10 23 15 10 1.1 - 806 613
13 0.009+ 0.001 0.1 + 0.02 2.5 + 0.3 5.8 + 1.0 24.9 + 2.3 7.4 + 2.9 4.7 + 1.4 1.7 + 0.5 2.7 + 0.7 2884.5+ 951.5 506.8 + 19.5
Средняя Обь 0.022 0.26 3.2 7.8 45 9.0 5.0 1.7 <1 2500 549
Нижняя. Томь 0.079 0.39 3.7 6.0 56 6.0 6.6 4.5 5.3 1976 250
Интервалы концентраций металлов в водных растениях незагрязненных водоемов
Фоновые водоемы 0.022± 0.001 1 0.1-0.5 5.8± 0.5 8.0± 0.2 25.1 ± 0.7 7 -1 3 3 6.6± 0.2 1.1± 0.09 4 - 535.5± 24 412± 38 5
Горькое (Алтайский край); 6 - безымянное озеро (с.ш. 65 04 907, в.д.78 14 638); 7 -
8 9
безымянное озеро (г. Новый Уренгой); - озеро (г. Ямбург); - оз. Кирек Томской области; 10 - оз. Белое Новосибирской области; 11- Иркутское -; 12 - Братское -; 13 - Новосибирское
водохранилища.
Таким образом, в целом водная растительность - это мощный аккумулятор металлов, который извлекает их из воды и донных осадков.
1. Богуш, А.А. Поведение металлов (Zn, Cd, Pb, Cu, Ba, Fe) в техногенных потоках: диссертация на соиск. учён. степ. канд. г.-м. наук / А.А. Богуш. - Новосибирск, 2004. - 167 с.
2. Бортникова, С.Б. Техногенные озера (формирование, развитие и влияние на окружающую среду) / С.Б. Бортникова, О.Л. Гаськова, А.А. Айриянц / Новосибирск: Изд-во Со РАН Филиал «ГЕО», 2003. - 120 с.
3. Дикиёва, Д. Химический состав макрофитов и факторы, определяющие концентрацию минеральных веществ в водных растениях / Д. Дикиёва, И.А. Петрова // Гидрологические процессы в водоемах. - Л.:Наука, 1983. - С. 107-213.
4. Ковалевский, А.Л. Биогеохимия растений / А.Л. Ковалевский. - Новосибирск: Наука, Сиб. отд-ние, 1991. - 294 с.
5. Леонова, Г.А. Технолого-геохимические циклы миграции тяжелых металлов в
системе Селегинский целлюлозно-картонный комбинат - сточные воды - биота:
диссертация на соиск. учён. степ. канд. г.-м. наук / Г.А. Леонова. - Иркутск, 1992. - 193 с.
6. Леонова, Г.А. Технолого-геохимические циклы и баланс тяжелых металлов в сульфатцеллюлозном производстве / Г.А. Леонова // Геоэкология. - 1996. - №1. - С. 98-ЮЗ.
© Г.А. Леонова, 2007
