116
Химия
Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2010, № 1, с. 116-121
УДК 543.31
ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ: АНАЛИЗ И ИДЕНТИФИКАЦИОННЫЕ ПРИЗНАКИ ПРИРОДНЫХ ПИТЬЕВЫХ ВОД
© 2010 г. Е.В. Шляпунова, Г.М. Сергеев
Нижегородский госуниверситет им. Н.И. Лобачевского
Поступила в редакцию 06.06.2009
Систематизированы результаты аналитического контроля токсичных и биогенных ионов в 17-ти бутилированных природных питьевых водах Европейской части России и Кавказского региона. Найдены идентификационные признаки природных вод, позволяющие достоверно устанавливать соответствие бутилированной воды минеральному источнику.
Ключевые слова: природные питьевые воды, анализ, идентификационные признаки, экологический мониторинг.
Авторами настоящей работы опубликованы [1-8] результаты систематического мониторинга (2006-2008 гг.) анионного и катионного состава около 20 бутилированных столовых и минеральных питьевых вод различных природных источников Европейской части России и Кавказского региона. Методами ионной хроматографии, проточно-инжекционного титрования и экстракционной редокс-фотометрии определено содержание 19 нормируемых катионов и анио-
нов. Среди них: Ы, К, КИ4+, Са2+, М§2+, 8г2+, Ва2+, Г, СГ, НСО3-, I-, Вг-, Вг03-, 8е032-,
2 _
N02, N03", 804 ", НР04~, представляющие собой основные или примесные ионы, находящиеся на разных полюсах токсичности или биологической активности [9-11].
Вместе с тем, полученные нами в последнее время и опубликованные данные экологического мониторинга надлежащим образом ранее не обсуждались. Поэтому цель настоящего исследования - обобщение результатов аналитического контроля экотоксикантов и биогенов в популярных природных питьевых водах. Кроме этого -нахождение идентификационных признаков природных вод, позволяющих достоверно устанавливать соответствие бутилированной воды минеральному источнику.
Введение в проблему и постановка задачи
Контроль содержания ионных форм токсичных и биогенных компонентов в природных водах имеет важное значение для охраны окружающей среды. Экологический мониторинг необходим, поскольку усиливаются антропогенные нагрузки и повышаются эксплуатационные характеристики известных месторождений,
2-
что приводит к ухудшению качества природных питьевых вод [12-14]. Важным является установление общих закономерностей распределения микрокомпонентов в зависимости от содержания матричных ионов, а также динамики изменения концентраций токсичных соединений и биогенных веществ в подземных питьевых водах различных месторождений [15].
Актуальность решения таких задач обусловлена, с одной стороны, экологическими проблемами водных ресурсов, с другой - вопросами соответствия торговых марок питьевых вод заявленному производителем образцу. Последнее объясняется тем, что в России используют более 300 наименований различных по составу и лечебным свойствам бутилированных минеральных вод. Однако их качество не всегда удовлетворяет требованиям соответствующих нормативных документов [9-11], а некоторые бутилированные воды представляют собой имитацию природной воды.
Условия, способствующие формированию химического состава вод, распределены согласно широтной и вертикальной зональности [15]. Такие процессы являются вероятностно-детерминированными, ограниченными определенным числом геохимических ситуаций, а следовательно, они прогнозируемы.
Для идентификации природных вод, относящихся к определенному геохимическому типу, можно использовать принцип соподчинен-ности характерных признаков с применением выборочного коэффициента ранговой корреляции Спирмена (Я) [16]:
К = 1 -----г-
п3 — п
где = х, - у,, для двух идентификационных признаков, расположенных в определенной последовательности (в порядке убывания или возрастания качества); п - объем выборки. Между признаками существует значимая ранговая корреляционная связь, если |Л| > Кт. Критическая точка (Кт) рассчитывается по уравнению:
Кт = кт (а, /)
1 - Я2
п - 2
здесь кт (а, /) - критическая точка двухсторонней области распределения Стьюдента (табличная величина); а - уровень значимости (0.95); / = п - 2.
Двумя качественными идентификационными признаками могут являться, например, среднее содержание макрокомпонента (компонентов), «задающего» примесный состав природных вод, и «отвечающая» данной гидрогеологической ситуации концентрация токсичного или биогенного иона.
Выявление региональной специфики химического состава вод и установление особенностей естественного функционирования минеральных источников по характерным показателям является важной задачей аналитической химии.
Результаты вещественного анализа природных питьевых вод. Экологическая ситуация
Классификация геохимических типов исследованных нами вод приведена ниже.
Группа гидрокарбонатных магниево-кальциевых вод имеет преобладающий ионный состав ИС03"-Са2+-М§2+.Чаще всего это грунтовые воды платформенных геологических структур с интенсивным водообменом, находящиеся как в Европейской части, так и в южных регионах России. К ним относятся, в частности, природные воды «Дивеевская», «Сарова» (Нижегородская обл.); «Я» (Владимирская обл.); «Святой источник» (Кострома); «Ледяная жемчужина» и «Архыз» (Кавказский регион).
Группа хлоридно-сульфатных гидрокарбонатных натриевых вод (ИС03"-8042"-С1"-Ыа+ (М§2+)), относящихся к напорным глубинным водам горноскладчатых образований с активным водообменом по зонам разломов и тектонических нарушений. В их число входят природные питьевые воды Кавказского региона: «Нарзан», «Кисловодская целебная», «Новотерская целебная», «Славяновская», «Нагутская 26», «Ессентуки № 2», «Ессентуки № 4» и «Ессентуки № 17».
В малочисленную группу хлоридно-суль-фатных гидрокарбонатных магниево-кальциевых вод (НС03"-8042"-СГ-Са2+-М§2+(№+)) входят природные воды «Ессентуки № 20», «Ки-словодская курортная» и «Ветлужская».
На изменение качества вод оказывают влияние природный, техногенный и смешанный факторы. Если ограничиться неорганическими анионами, а также катионами щелочных, щелочноземельных элементов и аммония, то природный фактор определяет качество воды по содержанию Б", Б04 ", Ы , Бг , Ва ; смешанный фактор с приоритетом природного - по жесткости (Са2+ и М§2+), минерализации, №+ и К+; смешанный фактор с приоритетом техногенного - по С1", Вг", N0/, N0/, ИР042" и ИИ/. Техногенный фактор определяет качество воды, в том числе по Вг03" (как результат обработки озоном природной воды, содержащей бромид-ионы).
Макро- и микрокомпонентный состав некоторых популярных природных столовых и минеральных вод, содержащих нормируемые анионы и катионы, приведен в табл. 1, 2. Полученные данные представляют результаты контроля (3/год) в период 2006-2008 гг. не менее трех партий воды одного наименования (каждая из 3-х образцов) и экспертизы трех проб каждого образца.
Кроме компонентов, указанных в табл. 1 и 2, Вг03"-ионы обнаружены (мг/л) в природной во-
"3
де «Святой источник»: (4-15)• 10 в зависимости от завода-изготовителя и времени выпуска), а также в водах «Аква Минерале» (5-9)х х 10"3 и «Бон Аква» (< 5 10"4 - 4 10"3).
В большинстве вод содержание Вг"-ионов меньше ПДК (0.2 мг/л), концентрация нитритов не превышает 0.2 мг/л. Выполняются нормативы качества по селену и иоду: для питьевых (столовых) вод - 0.1 мг/л I" и 0.1-0.01 мг/л Бе; минеральных лечебных - до 5 мг/л I" и 0.05 мг/л Бе. Концентрации ионов Ы+, NH4+, Бг2+ и Ва2+ меньше пределов обнаружения (соответственно
0.01; 0.05; 2.0 и 6.0 мг/л).
Полученные данные свидетельствуют о том, что содержание токсичных фторид-, нитрат-, нитрит-, бромид-ионов, а также нормируемых катионов щелочных, щелочноземельных элементов и аммония не превосходит предельных значений и удовлетворяет требованиям соответствующих документов. Вместе с тем установлено, что не для всех питьевых вод выполняется требование международного стандарта качества (в России не принят) по бромат-ионам (менее
0.01 мг/л [17]), которые образуются при обеззараживании воды озоном.
Таблица 1
Результаты анализа макрокомпонентного состава (средние значения, мг/л) некоторых
питьевых вод
Питьевые воды | НС03- | С1- | 8042- Ыа+ | К+ | Мя2+ | Са2+
Геохимический тип вод: НС03--304 -СГ-Ыа+(Мй2+)
Ессентуки № 17 5700±300 1700±70 90±5 2900±140 4.5±0.2 27±3 54±5
Ессентуки № 4 4400±200 1600±60 56±3 2300±100 3.5±0.2 17±2 45±4
Нагутская 26 3200±200 670±30 160±8 1400±70 3.5±0.2 8±1 24±3
Ессентуки № 2 1800±100 690±30 1110±60 670±30 13.0±0.6 17±2 92±8
Кисловодская целебная 1600±80 40±2 1700±80 440±20 6.0±0.4 124±10 150±15
Новотерская целебная 1550±80 510±25 1100±50 850±40 27±1 25±2 155±10
Нарзан 1500±80 210±10 320±15 140±6 2.5±0.2 50±5 275±14
Славяновская 1300±70 150±8 600±30 630±30 12.0±0.6 17±2 180±10
Геохимический тип вод: НС03--8042--СГ-Са2+-1^2+(Ма+)
Ессентуки № 20 450±50 120±6 120±6 145±7 2.3±0.2 12±1 92±8
Кисловодская курортная 380±40 3.0±0.2 150±8 3.4±0.2 0.60±0.06 16±2 84±7
Ветлужская 110±12 1200±50 1200±60 300±15 < 0.05 17±2 18±3
Геохимический тип вод: НС03--Са2+-]^2+
Святой источник 360±40 69±3 20±1 4.0±0.3 0.50±0.05 31±3 100±8
Я 280±30 1.9±0.2 2.4±0.3 1.4±0.1 0.64±0.06 18±2 50±5
Ледяная жемчужина 250±30 4.0±0.3 9.0±0.5 9.9±0.5 0.76±0.08 8±1 26±3
Архыз 210±20 4.0±0.3 6.0±0.4 10.4±0.5 0.70±0.06 12±1 27±3
Сарова 190±20 6.0±0.4 21±1 1.5±0.2 0.50±0.05 18±2 35±3
Дивеевская 180±20 0.90±0.09 0.80±0.12 0.68±0.06 0.20±0.02 12±1 12±2
Таблица 2
Результаты анализа микрокомпонентного состава (средние значения, мг/л) некоторых
питьевых вод
Питьевые воды Ы03- Г- НРО42- 8е032- I-
Геохимический тип вод: НСО --8042--С1--Ыа+(Мя2+)
Ессентуки № 17 1.0±0.25 2.3±0.1 < 0.06 (3.3±0.2)-10-2 1.3±0.1
Ессентуки № 4 1.2±0.3 2.3±0.1 2.0±0.2 (4.8±0.2)-10-2 1.0±0.07
Нагутская 26 1.3±0.3 2.4±0.1 < 0.06 (4.6±0.3)-10-2 0.38±0.02
Ессентуки № 2 3.0±0.3 2.0±0.1 2.0±0.3 (4.4±0.4)-10-2 0.31±0.02
Кисловодская целебная 16.0±0.6 1.5±0.2 < 0.06 (3.0±0.6)-10-4 0.090±0.007
Новотерская целебная 10.0±0.4 1.9±0.2 < 0.06 (2.3±0.2)-10-2 0.21±0.01
Нарзан 2.8±0.3 0.9±0.1 < 0.06 (6.3±0.9)-10-3 0.17±0.01
Славяновская 4.4±0.6 1.7±0.1 3.0±0.3 (2.5±0.2)-10-2 0.29±0.02
Геохимический тип вод: НС03--8042--СГ-Са2+-Мй2+(Ыа+)
Ессентуки № 20 1.3±0.3 1.4±0.2 0.30±0.06 (4.3±0.3)-10-2 (7.2±0.7)-10-4
Кисловодская курортная 1.0±0.2 0.23±0.03 0.30±0.06 (6.5±0.6)-10-4 (1.5±0.2)-10-4
Ветлужская 12.0±0.6 2.1±0.2 < 0.06 (7.6±0.9)-10-3 (1.0±0.2)10-4
Геохимический тип вод: НС03--Са2+-Мд2+
Святой источник < 0.2 0.40±0.05 < 0.06 (3.0±0.4)-10-4 (4.2±0.5)-10-4
Я 2.0±0.3 0.23±0.03 < 0.06 (3.8±0.5)-10-4 (2.1±0.3)10-4
Ледяная жемчужина 1.3±0.3 0.30±0.03 0.20±0.05 (3.6±0.3)-10-4 (7.9±0.8)-10-4
Архыз 1.5±0.3 0.30±0.04 < 0.06 (1.6±0.3)-10-3 (2.6±0.4)-10-4
Сарова < 0.2 0.40±0.05 < 0.06 (5.0±0.9)-10-4 (2.5±0.3)-10-4
Дивеевская < 0.2 0.20±0.03 0.35±0.07 (1.6±0.3)-10-4 (2.2±0.3)-10-4
Особенности анионного и катионного состава природных питьевых вод
Фторид-ионы. Воды, содержащие катионы №+ и К+, в основном, всегда недонасыщены фторидами. Они способны активно их накапливать. Увеличение минерализации таких вод приводит к возрастанию содержания Б"-ионов. Вместе с тем, для большинства вод наблюдает-
ся лишь приближение концентраций фторид-ионов к состоянию химического равновесия по отношению к минералу флюориту (фториду кальция; ПР = 410"11) (рис. 1). В связи с различной растворимостью фторидов кальция (магния) и катионов щелочных металлов переход анионов Б" из пород в подземные воды, а также их концентрация зависят от величины отношения с(Ыа++К+)/с(Са2++М§2+). Чем больше указанное
с(Г).
мг/л
8
Рис. 1. Взаимосвязь концентраций (с) фторид-ионов и катионов кальция для природных питьевых вод различных геохимических типов по отношению к расчетной зависимости.
Геохимический тип вод: (•) НС03-8042--СГ-Ма+(]^2+): «Нарзан», «Кисловодская целебная», «Новотерская целебная», «Славяновская», «Нагутская 26», «Ессентуки № 2», «Ессентуки № 4», «Ессентуки № 17»; (▲) НС03-8042-СГ-Са2+-]^2+(Ыа+): «Ессентуки № 20», «Ветлужская»; (■) НС03-Са2+-]^2+(Ма+): «Дивеевская», «Сарова», «Я», «Святой источник», «Ледяная жемчужина», «Архыз»
с(¥1, мг/л 3 ■
10 20 30 40 50 с(№++К+)
с(Са2++М§2+)
Рис. 2. Насыщение природных вод фторид-ионами (А) и влияние на растворимость СаР2 и ]^Г2 больших содержаний Са2+ и ]^2+ (Б).
Геохимический тип вод: (•) НС03--8042-СГ-Ыа+(]^2+) и НС03--8042-СГ-Са2+-]^2+(Ма+) «Нарзан», «Ессентуки № 20», «Кисловодская целебная», «Славяновская», «Новотерская целебная», «Ессентуки № 2», «Ветлужская», «Ессентуки № 17», «Ессентуки № 4», «Нагутская 26»; (▲) НС03--Са2+-]^2+: «Я», «Святой источник», «Дивеев-ская», «Сарова», «Архыз», «Ледяная жемчужина»
отношение для природных вод «содового» типа, тем больше фторид-ионов при прочих равных условиях они содержат (рис. 2).
Для гидрокарбонатных магниево-кальциевых вод при существенном избытке (от 120 до 400-кратного) катионов Са2+ и М§2+ по отношению к фторид-ионам (0.2-0.4 мг/л), на растворимость осадков СаБ2 и М§Б2 оказывают влияние
одноименные ионы. Среди гидрокарбонатных натриевых вод минимальным содержанием фторид-ионов отличается «Нарзан»: 0.9±0.1 мг/л.
Нитрат-ионы. Поскольку нитраты основных катионов природных вод не образуют осадков, наблюдается симбатность изменения концентрации нитрат-ионов с увеличением общего
содержания растворимых солей для вод с минерализацией больше 2 г/л. Кроме минерализации вод, концентрация нитратов определяется и другими причинами. Среди них заметное место отводится процессам денитрофикации и нитрато-редукции (N03" ^ N02" ^ NH4+), изменяющим миграционные формы и концентрации азота.
Диапазон изменения концентраций нитрат-ионов для большинства исследованных природных питьевых вод составляет 1-4 мг/л. Максимальное содержание нитратов (не превышающее ПДК) установлено в минеральной воде «Кисловодская целебная» (16.0±0.6 мг/л).
Взаимосвязь содержания фторид- и нитрат-ионов с некоторыми характеристиками макро-компонентного состава природных питьевых вод представлена в табл. 3.
Селенит- и иодид-ионы. Присутствие значительных количеств 8е(^) в водах с повышенной концентрацией сульфатов можно объяснить окислением серосодержащих минералов. Относительно стабильные селенит-ионы, которым отвечает большая величина редокс-потенциала по сравнению с аналогичной формой серы, не полностью окисляются в гидротермальных условиях формирования подземных вод. Поэтому селен может находиться в восстановленной форме в присутствии окисленной формы серы. Кроме этого, причиной повышенной концентрации селена в Кавказских минеральных водах является близость залегания водоносных горизонтов и нефтегазоносных геологических структур, обогащенных серой.
Взаимосвязь содержания иодид-ионов и катионов №+ имеет место для хлоридно-суль-
фатных гидрокарбонатных натриевых, а также магниево-кальциевых вод. Концентрация иоди-дов в Кавказских минеральных водах зависит от особенностей геохимических условий формирования состава подземных вод данного месторождения. Принимая во внимание средние значения результатов анализа и погрешности определения иодид-ионов в различных партиях одинаковой торговой марки бутилированных минеральных вод, представляется возможной идентификация некоторых из них, в том числе «Ки-словодской целебной», «Нарзан», «Нагутс-кой 26».
Соподчиненность характерных признаков вод - взаимосвязь содержаний макрокомпонентов (5042" и №+) и примесных биогенов (8е(^) и I") показана в табл. 4.
Катионы щелочных и щелочноземельных элементов. Природные воды Кавказского региона отличаются повышенной концентрацией ионов №+ (140-3000 мг/л); отношение
с(№+)/с(К+) находится в диапазоне 30-640. Указанные признаки наиболее характерны для минеральных вод «Ессентуки № 17» и «Нагут-ская 26» (соответственно 2900±140 и 1400± ±70 мг №+/л). В бутилированных природных водах «Нарзан» и «Славяновская» по сравнению с другими водами этого же региона отмечено высокое содержание ионов Са2+: 275±14 и 180±10 мг/л. Максимальным значением отношения с(Са2+)/с(М§2+) характеризуется вода «Славяновская» (11±1).
По содержанию ионов №+ и К+ ни одна из бутилированных природных столовых вод не удовлетворяет критериям качества для вод
Таблица 3
Фторидный и нитратный факторы природных питьевых вод
Геохимический тип природных вод Диапазон содержаний (мг/л) К (К)
с(ш + + К + ) с(С а 2+ + ]^2+) Г-
НС03--8042-СГ-Ыа+(Мя2+) НС0з-3042-С1-Са2+-Мя2+ (Ыа+) 0.5-45 1-2.4 1 (0)
Минерализация Ш3-
2000-4000 3-16 1 (0)
Таблица 4
Селеновый и иодный факторы природных питьевых вод
Геохимический тип природных вод Диапазон содержаний (мг/л) К (К)
$042- 8е(1У)
НС03-3042-С1-Ыа+(Мя2+) НС03-Са2+-Мя2+ 1-1100 2-10-4-510-2 1 (0.1)
НС03--8042--С1--Ыа+(Мя2+) НС03-3042-СГ-Са2+-Мя2+(Ыа+) Ыа+ I-
140-3000 1 10-4-1.3 1 (0)
«высшей категории» (соответственно 20 и 2-20 мг/л). Для большинства питьевых вод не соблюдается оптимальное отношение концентраций ионов Ca2+ и Mg2+ (60 и 30 мг/л).
Таким образом, основным итогом выполненной работы является описание эколого-гидрогео-химического состояния некоторых источников популярных природных питьевых вод Европейской части России и Кавказского региона.
Выводы
1. Установлены особенности анионного и катионного состава некоторых природных питьевых вод различных регионов России.
2. Представлена оценка соподчиненности характерных признаков природных вод, устанавливающая новые взаимосвязи между гидрогеохимическими характеристиками подземных источников и их составом.
3. Показано, что содержание F", NO3", I"-ионов и Se(IV), а также отношение концентраций Na+/K+ (Ca2+/Mg2+) являются специфическими для некоторых источников природной питьевой воды. Указанные ионы служат химическими маркерами соответствия бутилирован-ных питьевых вод заявленному производителем типу и наименованию воды.
Список литературы
1. Сергеев Г.М., Шляпунова Е.В. Редокс экстракционно-фотометрическое определение иодидов в минеральных водах // Завод. лаб. диагност. матер. 2007. Т. 73. № 6. С. 15-17.
2. Шляпунова Е.В., Тихоненков А.В., Сергеев Г.М. Проточно-инжекционное кондуктометриче-ское определение карбонатной щелочности питьевых вод // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2007. Т. 50. № 10. С. 66-68.
3. Шляпунова Е.В., Сергеев Г.М. Анализ минеральных вод методом анионной хроматографии // Сорбционные и хроматографические процессы. 2007. Т. 7. Вып. 3. С. 527-533.
4. Шляпунова Е.В., Сергеева В.П., Сергеев Г.М. Высокочувствительное редокс-фотометрическое оп-
ределение селенит- и иодид-ионов в минеральных водах // Журн. аналит. химии. 2008. Т. 63. № 3. С. 242-246.
5. Шляпунова Е.В., Сергеев Г.М. Анионная хроматография и редокс-фотометрия в анализе питьевых вод // Журн. прикладной химии. 2008. Т. 81. Вып. 5. С. 730-735.
6. Шляпунова Е.В., Сергеев Г.М. Применение анионита «ANIEKS-N» для ионохроматографического анализа минеральных вод // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2008. Т. 51. № 1. С. 27-29.
7. Шляпунова Е.В. Сергеев Г.М., Пискунова М.С. Мониторинг природных столовых и питьевых минеральных вод: взаимосвязь содержания мик-ро (F-, NO3-)- и макро (НСО3-, SO42-, Ca2+, Mg2+) компонентов // Аналитика и контроль. 2008. Т. 12. № 1-
2. С. 53-60.
8. Шляпунова Е.В. Сергеев Г.М. Ионохроматографический контроль содержания катионов щелочных и щелочноземельных элементов в некоторых природных питьевых водах // Вестник ННГУ. 2008. № 4. С. 65-70.
9. ГОСТ 13273-88. Воды минеральные питьевые лечебные и лечебно-столовые. М.: Изд-во стандартов, 1988. 28 с.
10. Государственный контроль качества минеральной воды и напитков. Справочник ТК по стандартизации. М.: ИПК Изд-во стандартов, 2003. 840 с.
11. СанПиН 2.1.4.1116-02. Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды, расфасованной в емкости. Контроль качества. М.: Минздрав России, 2002. 27 с.
12. Прогноз качества подземных вод в связи с их охраной от загрязнений. М.: Наука, 1978. 208 с.
13. Зекцер И.С. Подземные воды как компонент окружающей среды. М.: Научный мир, 2001. 328 с.
14. Моисеенко Т.И. Закисление вод: Факторы, механизмы и экологические последствия. М.: Наука, 2003. 276 с.
15. Крайнов С.Р., Рыженко Б.Н., Швец В.М. Геохимия подземных вод. Теоретические, прикладные и экологические аспекты. М.: Наука, 2004. 677 с.
16. Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика: Учебное пособие для вузов. М.: Высш. шк., 2003. 479 с.
17. Michalski R. Ion chromatography as reference method for determination of inorganic ions in water and wastewater // Critical Reviews in Analytical Chemistry. 2006. V. 36. № 2. P. 107-127.
ECOLOGICAL MONITORING: ANALYSIS AND IDENTIFICATION FEATURES OF NATURAL DRINKING WATERS
E.V. Shlyapunova, G.M. Sergeev
Analytical control results of toxic and biogenic ions in 17 natural bottled drinking waters of European Russia and the Caucasus region have been systematized. Identification features of natural waters have been found which allow one to reliably establish correspondence between bottled water and the respective mineral water source.
Keywords: natural drinking waters, analysis, identification features, ecological monitoring.