CC BY
33
Вісник Дніпропетровського університету. Біологія. Екологія. - 2009. - Вип. 17, т. 1. - С. 121-127. Visnyk of Dnipropetrovsk University. Biology. Ecology. - 2009. - Vol. 17, N 1. - P. 121-127.
УДК 504.064:594.141
Д. В. Лукашов
Київський національний університет ім. Тараса Шевченка
КІЛЬКІСНА ОЦІНКА ПОЛІМЕТАЛІЧНОГО ЗАБРУДНЕННЯ р. ДНІПРО МЕТОДОМ РОЗРАХУНКУ ФОНОВОГО ВМІСТУ ВАЖКИХ МЕТАЛІВ У МОЛЮСКАХ ANODONTA ANATINA
Як критерій забруднення окремих районів русла р. Дніпро використано показник перевищення фонового рівня вмісту важких металів у м’яких тканинах молюсків Anodonta anatina (Linnaeus, 1758). Для оцінки параметрів фонового вмісту та величини граничного фонового рівня використовували метод розрахунку абсолютного відхилення медіани (MAD). Порівняння вмісту металів у молюсках із 23 досліджених районів із розрахованою величиною граничного фонового рівня для української ділянки р. Дніпро дозволило визначити ступінь забруднення окремих районів ріки.
D. V. Lukashov
Taras Shevchenko Kyiv National University
QUANTITATIVE ASSESSMENT OF POLYMETALLIC POLLUTION OF THE DNIEPER RIVER BY A METHOD OF HEAVY METALS BACKGROUND CONCENTRATION CALCULATION IN MUSSEL ANODONTA ANATINA
Statistically significant exceeding of a background level of the heavy metal content in Anodonta anatina (Linnaeus, 1758) soft tissues was applied for pollution measure. The method of the median absolute deviation (MAD) was used for the heavy metals’ background and threshold levels assessment. The comparison of metal contents in mussels from 23 studied area of Ukrainian part of the Dnieper with the calculated background level allowed to determine the pollution degree of some river’s sites.
Вступ
Незважаючи на великий практичний інтерес до проблеми екологічного нормування забруднення навколишнього середовища, на даний момент у різних наукових галузях відсутнє єдине трактування самого поняття “забруднення”. Більшість дослідників вважають, що забруднення - це перевищення певної “норми” вмісту речовини (елемента) в навколишньому середовищі, за якого спостерігаються негативні наслідки на рівні організму, популяції або екосистеми. Найчастіше під нормою розуміють деяку середню величину, яка відповідає “природному” або “середньобагаторічному” рівню [15].
Таким чином, для правильного розуміння явища забруднення необхідно чітко визначити, що можна вважати за таку “норму”. Як було справедливо відзначено, “норма” не може бути виражена одним середнім значенням [3]. Таке обмеження давно є об’єктом критики широкого застосування уніфікованих показників ГДК у екологічному моніторингу [1; 4]. Із причини широкого варіювання параметрів природних систем, а також існування певної похибки пробовідбору та аналітичних вимірів, “норма” повинна бути вираженою визначеним інтервалом значень: “норма” = “середнє” ± “міра варію-
© Д. В. Лукашов, 2009
вання” Забрудненням у такому випадку слід вважати статистично достовірне перевищення верхньої межі “норми”, тобто - “середнє” + “міра варіювання”. У геохімії традиційно для визначення “норми” та “забруднення” використовують поняття “фон” та “аномалія” Для розрахунку значень фону та меж його природних коливань використовують різні середні показники та відповідні міри їх варіювання. У гідробіології та водній токсикології широко використовуються середні арифметичні значення вмісту важких металів, які часто порівнюють із ГДК у різних компонентах середовища (вода, донні відклади, харчові гідробіонти) [2; 9; 11]. Іноді для еталонного порівняння використовують значення, характерні для “незабруднених” районів, які використовують як рефе-ренсні або фонові умови [7; 12; 17]. При цьому середні арифметичні значення використовують за умов нормального розподілу значень, геометричне середнє - за умови логнормального розподілу значень варіаційного ряду. У роботах переважно англомовних авторів зустрічається більше різноманіття методів розрахунку фонових рівнів. Причому останнім часом все більше поширення отримують непараметричні методи, мало чутливі до форми розподілу [6; 19; 20].
Біоіндикація забруднень із використанням організмів-концентраторів - чутливий метод, який отримує все більше застосування на практиці. Особливо цінним такий підхід може бути при проведенні моніторингу громадськими екологічними організаціями, які не мають постійної мережі станцій спостереження. На жаль, розрахунок фонових рівнів у таких дослідженнях використовують достатньо рідко, хоча вже накопичено позитивний досвід [19; 20]. У наведеній роботі демонструється можливість використання статистичних методів розрахунку фонових рівнів для виявлення забруднення важкими металами русла великої р. Дніпро за допомогою методів біоіндикації з використанням значно поширеного прісноводного молюска Anodonta anatina.
Матеріал і методи досліджень
Дослідження проводили на 23 ділянках української частини р. Дніпро (рис. 1). Із метою дослідження фонових концентрацій важких металів, молюсків за можливості відбирали в точках, розташованих вище за течією від великих промислових міст, або не ближче 50 км нижче них. Для зменшення впливу сезонних коливань хімічного складу навколишнього середовища та фізіологічного стану молюсків на вміст важких металів у їх тканинах, дослідження проводили у стислі терміни: наприкінці червня - на початку липня 2005 року. В одній точці з глибини 1,5-3,0 м відбирали 5-6 екземплярів молюсків. Для аналізу використовували особин стандартних розмірів - довжина черепашки складала 80-100 мм. Одна аналітична проба відповідала тканинам одного екземпляра молюсків.
Концентрацію важких металів у м’ яких тканинах молюсків визначали за допомогою полум’яного атомно-адсорбційного спектрофотометра С115-М1 (ацетилен-повітря) із дейтерієвим коректором фону. Проби готували стандартними методами кислотної мінералізації [5]. Концентрацію металів у тканинах виражали у мг/кг маси сухої речовини.
Нормальність розподілу значень концентрації металів аналізували за допомогою тесту Шапіро-Уілкса. Статистичну значимість відмінностей вмісту важких металів у молюсках із різних районів русла ріки оцінювали методом однофакторного непарамет-ричного дисперсійного аналізу Краскела-Уоліса (p < 0,05). Для визначення значимості відмінностей окремих вибіркових значень вмісту важких металів використовували не-параметричний U-тест Манна-Уітні [18]. Для оцінки фонових рівнів вмісту металів використовували розрахунок абсолютного відхилення медіани (MAD) [20] як найадек-
ватнішого показника [8]. Під час статистичної обробки використовували статистичний програмний пакет Statictica 5.5, StatSoft Inc. [14].
1 - нижче м. Лоїв; 2 - Київське в-ще, с. Ровжі; 3 - Київська ГЕС, верхній б’єф; 4 - Київська ГЕС, нижній б’єф; 5 - Канівське в-ще, м. Українка; 6 - Канівське в-ще, с. Ржищів; 7 - Канівська ГЕС, верхній б’єф; 8 - Канівська ГЕС, нижній б’єф; 9 - Кременчуцьке в-ще, вище м. Черкаси; 10 - Кременчуцьке в-ще, с. Адамівка; 11 - вище м. Кременчук; 12 - Дніпродзер-жинське в-ще; с. Куцеволівка; 13 - Дніпродзержинське в-ще, с. Домоткань; 14 - Дніпродзер-жинська ГЕС, верхній б’єф; 15 - Дніпродзержинська ГЕС, нижній б’єф; 16 - Дніпровське в-ще, вище м. Дніпропетровськ; 17 - Дніпровське в-ще, с. Башмачка; 18 - Дніпровська ГЕС, верхній б’єф; 19 - Каховське в-ще, м. Кам’янка-Дніпровська; 20 - Каховська ГЕС, верхній б’єф; 21 - Каховська ГЕС, нижній б’єф; 22 - вище м. Херсон; 23 - Дніпровський лиман,
с. Стара Збур’ївка.
Результати та їх обговорення
Аналіз розподілу концентрації важких металів у м’яких тканинах A. апаШа на дослідженій ділянці річкового русла Дніпра показав у більшості випадків відсутність нормального розподілу. У розподілах переважали проби з низькими концентраціями важких металів, що зумовило позитивну асиметрію емпіричних варіаційних кривих. У зв’язку з цим середнє арифметичне у більшості вибірок давало завищені значення. Тому для середньої характеристики вибірок використано непараметричну середню величину - медіану концентрації.
Застосування дисперсійного аналізу показало статистично значимі зміни вмісту всіх проаналізованих металів на різних ділянках дослідженого району русла Дніпра. Порівняльний аналіз медіан концентрації важких металів у м’яких тканинах молюсків уздовж русла Дніпра показав, що у більшості випадків високий вміст металів характерний для Канівського, Дніпровського водосховищ і руслової частини нижнього Дніпра (табл. 1).
Таблиця 1
Медіана концентрації важких металів у м’яких тканинах А. ипигіпи із різних районів української ділянки русла р. Дніпро
№ точки Метал
Си ¥г Со М Ссі Мп 2п Сг РЬ
1 4,5 927 0,40 1,0 0,10 1847 115 5,7 <0,02
2 4,9 2079* 1,08 0,7 0,45 8750* 162 9,7 <0,02
3 5,0 1980 0,8 0,7 0,43 4512 123 9,5 <0,02
4 5,2 1295 0,77 0,7 0,23 3131 94 7,5 <0,02
5 6,7* 2036* 1,09 1,0 0,70 7041 222 9,6 0,5
6 28,8** 4133** 1 49** 2,0** 1,42* 7326 239* 19 5** 1 4**
7 19 1** 2375** 1,32* 2,1** 4,60** 12291** 266* 9,8 1,6**
8 5,4 3079** 0,93 0,9 0,59 4017 114 13,1* 1,0*
9 5,0 2012 0,79 0,8 0,74 6215 165 9,1 0,5
10 4,9 263 0,37 0,4 0,17 1857 85 2,0 0,8
11 5,0 315 0,48 0,8 0,25 3046 93 2,1 0,4
12 4,7 435 0,29 0,5 0,31 6063 93 3,1 0,4
13 4,1 779 0,48 0,7 0,68 4758 94 4,8 0,4
14 5,1 680 0,30 0,6 0,16 4549 106 3,7 0,5
15 5,6 8042** 0,75 1,4 1,34* 15696** 187 14,7* 0,3
16 5,8 2463* 0,55 1,2 0,58 11286** 378** 9,9 0,9
17 4,6 929 0,69 0,5 0,66 7956 300* 5,5 0,2
18 5,7 600 0,33 0,5 0,77 4244 188 4,8 0,4
19 3,5 584 0,86 0,5 0,38 4303 100 3,2 0,5
20 4,9 769 0,84 2,0** 0,81 6634 125 2,7 0,4
21 * * СО 9, 603 0,86 2 3** 0,80 8519 205 3,5 3 2**
22 5,3 688 1,51** 1,2 0,32 3533 114 5,2 0,7
23 6,6* 387 0,94 0,8 0,18 4943 136 2,4 <0,02
Примітки: ** - вибірки не належать до однієї генеральної сукупності з імовірністю p < 0,01; * - вибірки не належать до однієї генеральної сукупності з імовірністю p < 0,05.
Природно припустити, що величини вмісту металів, які відрізняються більше ніж у 3-4 рази від середнього значення, розрахованого для молюсків з усієї дослідженої ділянки русла р. Дніпро, вказують на наявність забруднення. Так, на ділянці Канівського водосховища (№ 6-7) середній вміст Си у тканинах А. anatіna складає 19,128,8 мг/кг, тоді як медіана концентрації цього металу в молюсках із дослідженої ділян-124
ки Дніпра становить лише 5,1 мг/кг. Проте неможливо зробити однозначного висновку щодо забруднення молюсків на ділянках № 5 та № 23, де концентрація Cu досягає б,7 мг/кг, бо у цьому випадку різниця, на перший погляд, незначна.
Порівняння вибіркових величин концентрації в окремих точках з усією сукупністю проаналізованих проб на дослідженій частині Дніпра дозволило виявити райони, в яких уміст важких металів у тканинах молюсків статистично значимо підвищувався. Ділянки русла, в яких спостерігається достовірне підвищення концентрації металів, можуть бути позначені як забруднені. Як прийнято у геохімічних дослідженнях, використовуючи відповідний рівень імовірності, такі значення можна віднести як до “значних аномалій” приp < 0,01 або до “незначних аномалій” приp < 0,05 (див. табл. 1).
Співставлення вмісту важких металів у м’ яких тканинах A. anatina з опублікованими даними для інших водойм показало, що середні показники накопичення Zn та Pb молюсками A. anatina із дослідженої ділянки русла Дніпра були у межах коливань, характерних для “незабруднених” та “слабкозабруднених” водних екосистем (для Ano-donta cygnea [10]). Вміст Co у молюсках із точок № б, 7, 15, 19-23 виходить за межі концентрації, які наводяться для “незабруднених” та “слабкозабруднених” водних екосистем. Таке перевищення вмісту Cd відмічено лише в районі точки № 7. Концентрація Mn у анодонтах з усіх досліджених ділянок русла у декілька разів перевищує значення для “незабруднених” водних екосистем.
Таким чином, ділянки русла, де у тканинах молюсків відмічено статистично достовірне підвищення вмісту важких металів, є забрудненими. На противагу, райони, в яких не відмічено підвищеного вмісту важких металів у тканинах молюсків, можна вважати “умовно фоновими” за рівнем вмісту важких металів у молюсках. Такий метод визначення забруднених районів достатньо обґрунтований статистично за наявності необхідного обсягу вихідних даних, які a priori характеризують “незабруднені” та “малозабруднені” райони. Але для прийняття обґрунтованих рішень, спрямованих на реалізацію природоохоронних заходів у таких районах, необхідно кількісно оцінити їх ступінь забрудненості. На жаль, наведена вище проста ідентифікація ділянок русла Дніпра з підвищеним вмістом важких металів у молюсках не дає безпосередньої можливості провести пряму оцінку ступеня перевищення фонового рівня вмісту важких металів у таких районах. Для цього методом розрахунку абсолютного відхилення медіани було визначено величину середнього фонового рівня вмісту кожного важкого металу у м’ яких тканинах молюсків, які мешкають на дослідженій ділянці русла Дніпра, та розраховано верхню межу коливань даного фонового рівня (табл. 2).
Таблиця 2
Фонові рівні вмісту важких металів у м’яких тканинах молюсків А.апагіпа з р. Дніпро
Метал Середня фонова концентрація, мг/кг Нижня межа фону, мг/кг Верхня межа фону, мг/кг
Cu 5,1 3,9 б,3
Fe 841 80 1б8б
Co 0,75 0,19 1,30
Ni 0,84 0,24 1,44
Cd 0,45 0,02 0,90
Mn 5195 1228 91б1
Zn 125 5б 193
Cr 5,3 0,1 10,5
Pb 0,4 0,0 0,8
Із використанням розрахованих показників фонових рівнів вмісту важких металів у м’яких тканинах А. апаґіпа стає можливим провести кількісну оцінку ступеня забруднення молюсків на різних ділянках русла Дніпра. Ступінь перевищення фону виражали як числовий показник поряд із символом хімічного елемента, що вказує, у скільки разів відбувається перевищення значення верхньої межі фонового рівня накопичення важких металів молюсками: тобто, коли 1 > Ме/Мех ± 2МАО.
№ 2 - Київське в-ще, с. Ровжі - ЕЄі,2;
№ 5 - Канівське в-ще, м. Українка - Сии; Еє12;
№ 6 - Канівське в-ще, с. Ржищів - Си4,6; Еє2,5; Со1,1; №14; С^,6; Zn1,2; РЬ11;
№ 7 - Канівська ГЕС, верхній б’єф - Си3,0; ЕЄі,4; №14; Cd51^; МП13; 2П1,4; РЬ19;
№ 8 - Канівська ГЕС, нижній б’єф - Еє18; Сг12; РЬ12;
№ 15 - Дніпродзержинська ГЕС, нижній б’єф - Еє4,8; С^,5; Мп17; См1,4;
№ 16 - Дніпровське в-ще, вище м. Дніпропетровськ - ЕЄі,5; Мп12; Хп2,0;
№ 17 - Дніпровське в-ще, с. Башмачка - Хтсі,6;
№ 20 - Каховська ГЕС, верхній б’єф - М/'і,4;
№ 21 - Каховська ГЕС, нижній б’єф - Си3,0; М/'і,6; РЬ38;
№ 22 - вище м. Херсон - Соі2.
Найзабрудненішими м’які тканини анодонти виявилися у середній та нижній частині Канівського водосховища. У цьому районі відмічено аномально високі рівні накопичення 8 хімічних елементів із 9 досліджених. Найбільше перевищення фонового вмісту було зареєстроване для Си (у 3,0-4,6 раза) та Cd (у 1,6-5,1 раза). Можна припустити, що таке підвищення свідчить про наявність техногенної геохімічної аномалії, поява якої пов’язана з надходженням скидів як Києва, так і підприємств області. Показано, що м. Київ та Київська область - основні джерела надходження Сг до водойм басейну Дніпра. У результаті цього у складі неочищених стічних вод щорічно надходить 4,6 т сполук Сг, 0,08 т Си, 0,3 т Ж Основними забруднювачами басейну Дніпра М є машинобудівні заводи Києва, підприємства ВО “Ротор”, ВО “Темп” [16]. Також важливим джерелом надходження важких металів до Дніпровської системи є стічні води ДКГ “Київводоканал”, об’єм яких за 2000 рік склав 492 млн. м3, із них без відповідної очистки - 23,3 млн. м3. У результаті до Канівського водосховища надійшла значна кількість важких металів: Еє - 54,1 т, Си - 4,2 т, Хп - 8,4 т, Сг - 5,6 т.
Забруднення Дніпровського водосховища відбувається внаслідок надходження стоків м. Дніпропетровськ та підприємств Дніпропетровської області, які щорічно скидають до водойм басейну Дніпра до 10,1 т - Мі, 6,5 т - Сг, 2,8 т - Си. Каховське водосховище забруднюється підприємствами м. Запоріжжя та Запорізької області, які щорічно “збагачують” водні екосистеми на 32,8 т Мі, 0,95 т Сг, 0,25 т Си [16]. Саме у цих районах розташовані найбільші забруднювачі дніпровської води: металургійний завод імені Дзержинського (м. Дніпродзержинськ), комбінат “Запоріжсталь”, металургійний завод імені Петровського (м. Дніпропетровськ), які скидають до Дніпра щорічно відповідно 156, 104 та 98 млн. м3 забруднених стоків [13].
Висновки
Двостулкові молюски А. апаґіпа виявилися достатньо чутливим індикаторним об’єктом, за допомогою якого достатньо надійно можна ідентифікувати та кількісно оцінити ступінь забруднення окремих ділянок річкової екосистеми. Розраховано фонові рівні вмісту дев’яти важких металів у м’яких тканинах прісноводних молюсків
А. апаґіпа, що дозволило кількісно оцінити ступінь підвищення концентрації металів у ряді районів русла р. Дніпро. Такі райони можна вважати забрудненими. Найбільше
підвищення вмісту важких металів було відмічено у нижній частині Канівського,
Дніпровському та Каховському водосховищах.
Бібліографічні посилання
1. Алексеенко В. А. Экологическая геохимия. - М. : Логос, 2000. - б27 с.
2. Биогеохимический цикл тяжелых металлов в экосистеме Нижнего Дона / О. А. Бессонов, С. Л. Белова, Д. И. Водолазкин и др. - Ростов-на-Дону : Изд-во Ростовского ун-та, 1991. - 112 с.
3. Воробейчик Е. Л. Экологическое нормирование техногенных загрязнений наземных экосистем /
Е. Л. Воробейчик, О. Ф. Садыков, М. Г. Фарафонтов. - Екатеринбург : Наука, 1994. - 280 с.
4. Глазовская М. А. Геохимия природных и техногенных ландшафтов СССР. - М. : Высшая школа, 1988. - 328 с.
5. Ермаченко Л. А. Атомно-адсорбционный анализ в санитарно-гигиенических исследованиях / Л. А. Ермаченко, В. М. Ермаченко. - М. : Чувашия, 1997. - 89 с.
6. Замолодчиков Д. Г. Оценки экологически допустимых уровней антропогенного воздействия на пресноводные экосистемы // Проблемы экологического мониторинга и моделирования экосистем. - 1993. - Т. 15. - С. 214-222.
7. Лукашев Д. В. Влияние автомагистрали Киев-Одесса на загрязнение реки Южный Буг тяжелыми металлами // Водные ресурсы. - 200б. - Т. 33, № 3. - С. 1-44.
8. Лукашев Д. В. Оценка полиметаллического загрязнения р. Днепр методом расчета фонового содержания тяжелых металлов в моллюсках Dreissena bugensis // Гидробиол. журн. - 2007. -Т. 43, № б. - С. б5-80.
9. Моисеенко Т. И. Оценка геохимического фона и антропогенной нагрузки по биоаккумуляции микроэлементов в организме рыб / Т. И. Моисеенко, Л. П. Кудрявцева, Н. А. Гашкина // Водные ресурсы. - 2005. - Т. 32, № б. - С. 700-711.
10. Никаноров А. М. Тяжелые металлы в организмах ветлендов России / А. М. Никаноров,
A. В. Жулидов, В. М. Емец. - СПб. : Гидрометеоиздат, 1993. - 294 с.
11. Определение качества донных отложений на основе применения статистических методов
анализа данных (на пример р. Сестры) / М. В. Ганеева, Л. П. Гребенюк, И. М. Томилина,
Ю. В. Ершов // Водные ресурсы. - 2003. - Т. 30, № 5. - С. 57б-58і.
12. Пашкова И. М. Тяжелые металлы в тканях моллюсков, обитающих в водоемах северо-запада России / И. М. Пашкова, Н. В. Коротнева, В. Б. Андроников // Экологическая химия. - 2003. -Т. 12, № 4. - С. 245-250.
13. Постановление Верховной Рады Украины "О Национальной программе экологического оздоровления бассейна Днепра и улучшения качества питьевой воды" №123/97-ВР от 27.02.1997 г.
14. Реброва О. Ю. Статистический анализ медицинских данных. Применение пакета прикладных программ Statistics. - М. : МедиаСфера, 2002. - 312 с.
15. Реймерс H. Ф. Природопользование. - М. : Мысль, 1990. - б40 с.
16. Эколого-геохимическая оценка загрязнения геологической среды / В. П. Иванчиков,
B. И. Почтаренко, Е. А. Яковлев, Н. Г. Пышная. - К. : Знание, 199б. - 55 с.
17. Camusso M. Assessment of river Po sediment quality by micropollutant analysis / M. Camusso, S. Galassi, D. Vignati // Water Research. - 2002. - Vol. 3б. - P. 2491-2504.
18. Guidance for Data Quality Assessment. Practical Methods for Data Analysis. - US Environmental Protection Agency (EPA). EPA QA/G-9 Final Version QA00. 2000. - 219 p.
19. Matschullat J. Geochemical background - can we calculate it? / J. Matschullat, R. Ottenstein,
C. Reimann // Environmental Geology. - 2000. - Vol. 39. - P. 990-1000.
20. Reimann C. Background and threshold: critical comparison of methods of determination / C. Reimann, P. Filzmoser, R. Garrett // Science of the Total Environment. - 2005. - Vol. 34б. - P. і-іб.
Надтшла до редколегії 28.02.2009
