CC BY
12ХИМИЯ
УДК 628.19:621.311.22
DOI: 10.21779/2542-0321 -2022-3 7-2-42-5 5
Л.А. Тихоненкова, С.И. Филипенко, Е.Н. Филипенко
Влияние теплоэлектростанции на загрязнение металлами донных отложений Кучурганского водохранилища-охладителя Молдавской ГРЭС
Приднестровский государственный университет им. Т.Г. Шевченко (ПГУ); Молдова, 3300, Приднестровье, г. Тирасполь, ул. 25 Октября, 128; zoología_pgu@mail.ru
Кучурганское водохранилище озерного типа является водоемом-охладителем Молдавской ГРЭС. Функционирование электростанции привело к загрязнению экосистемы водохранилища металлами, которые накапливаются в тканях гидробионтов и донных отложениях. Методами атомной абсорбции и атомной эмиссии исследовано влияние тепловой электростанции на загрязнение металлами (Mo, V, Ni, Pb, Cu, Zn) илов водоема-охладителя. Наибольшие концентрации в донных отложениях отмечены для цинка, свинца и никеля. Степень накопления металлов в илах зависит от их гранулометрического состава, содержания органических веществ и интенсивности процессов осаждения и адсорбции взвешенных веществ. Наибольшие концентрации металлов характерны для мелкодисперсных фракций иловых отложений с размером частиц 0,001-0,005 мкм. Содержание металлов в иловых растворах выше, чем в придонных слоях воды. В большинстве случаев миграция металлов осуществляется из водных слоев в донные отложения, но при интенсификации процессов эвтрофирования, уменьшении концентрации растворенного кислорода и величины рН воды возможна и обратная диффузия металлов из илов в воду. Илы водохранилища содержат в 2-8 раз больше металлов в сравнении с почвами региона.
Ключевые слова: водоем-охладитель, экосистема, металлы, илы, накопление.
Введение
Тепловые электростанции представляют собой источник существенного антропогенного воздействия на окружающую среду: атмосферу, почвы и в большей степени на водные объекты, выполняющие роль водоемов-охладителей, особенно непроточного типа. Помимо термофикации водоемов и изменения их гидрохимических параметров, объекты теплоэнергетики способствуют загрязнению среды тяжелыми металлами [1; 2]. В настоящее время проблема загрязнения водных систем тяжелыми металлами приобрела глобальный характер [3].
В отличие от загрязнения водных экосистем радионуклидами, подверженных радиоактивному распаду органических веществ, разрушающихся под воздействием природных факторов и живых организмов, тяжелые металлы в водоемах не разлагаются, мигрируют и накапливаются по различным компонентам трофических уровней, а также в донных отложениях, которые являются их активными накопителями и источниками вторичного загрязнения [3; 4]. Актуальность исследования загрязнений водных экосистем тяжелыми металлами также обусловлена их токсичностью для гидробион-
тов, накоплением в продуктах рыболовства и аквакультуры и негативным воздействием на здоровье человека [3; 5; 6; 7].
Проблема загрязнения тяжелыми металлами имеет важное значение в поддержании устойчивости экосистем, в том числе для Черноморского бассейна [8], к которому относится и бассейн Нижнего Днестра, включая экосистему Кучурганского водохранилища-охладителя Молдавской ГРЭС. Функционирование ГРЭС и нарушение естественного водообмена привели, с одной стороны, к усиленной эвтрофикации водоема-охладителя, а с другой - к загрязнению экосистемы водохранилища, в том числе донных отложений, молибденом, марганцем, никелем, ванадием, кадмием, свинцом, медью и цинком [9; 10]. Рост концентраций металлов в донных отложениях и воде привел к их накоплению в тканях высших водных растений водохранилища, беспозвоночных и позвоночных гидробионтов, в том числе рыб [11; 12; 13].
Исследования накопления металлов в макрофитах [11] показали, что максимальные концентрации алюминия и свинца отмечены в тканях рдеста гребенчатого; молибдена и ванадия - в водокрасе лягушачьем; марганца и титана - в ряске малой; меди - в наяде морской, никеля и цинка - в урути колосистой. Минимальное содержание металлов выявлено: ванадия, титана, свинца, марганца, цинка и меди - в тростнике южном; алюминия - в урути колосистой; никеля - в рдесте пронзеннолистном; молибдена - в рдесте курчавом. Установлено, что у укореняющихся гелофитов (тростника южного) концентрации металлов в корневой системе выше в 2-3 раза, чем в его подводной части, и в 5-6 раз - чем в надводной.
Среди исследованных организмов донных беспозвоночных, личинки хирономид обладают наибольшей накопительной способностью по отношению к никелю и свинцу, дрейссена - к ванадию, молибдену и цинку, живородка обыкновенная - к меди. Минимальной накопительной способностью к большинству металлов обладают мизиды [12].
Особого внимания, с точки зрения влияния на здоровье человека, заслуживает изучение накопления тяжелых металлов в рыбах [3; 5; 7]. Наши исследования содержания металлов (РЬ, №, V, Мо, Си, Zn, Cd) в органах и тканях серебряного карася, пестрого толстолобика и окуня речного из Кучурганского водохранилища показали, что в максимальных количествах металлы накапливаются в коже и жабрах рыб, кроме меди, концентрация которой оказалась выше в печени рыб. В меньшей степени металлы накапливаются в мышцах и репродуктивных органах. По уровню накопления в теле исследованных видов рыб элементы распределились в ряду: Zn > Си > № > Мо > РЬ > V > > Cd [13].
Цель исследований - установить степень загрязнения тяжелыми металлами донных отложений Кучурганского водохранилища-охладителя Молдавской ГРЭС.
Материалы и методы исследования
Объектом исследований является Кучурганское водохранилище-охладитель Молдавской ГРЭС (до зарегулирования - лиман), расположенное на юге Приднестровья на границе с Одесской областью Украины (рис. 1). После строительства в 1964 г. на середине его левого берега Молдавской ГРЭС мощностью 2,52 ГВт, водоем был зарегулирован и стал выполнять функцию водоема-охладителя озерного типа с оборотной системой охлаждения. Площадь водохранилища 2730 га со средней глубиной 3,5 м.
Рис. 1. Расположение Кучурганского водохранилища
Для определения содержания металлов посезонно с верхнего, среднего и нижнего участков водоема-охладителя были отобраны 22 пробы донных отложений, а также 193 пробы воды по 3 литра согласно стандартам [14]. Донные отложения отбирали бен-тометром Гурвича-Цееба. В целях исключения контакта пробы с металлическими частями в него вставлялась трубка из плексигласа.
Исследования проводились в лаборатории гидробиологии и экотоксикологии Института зоологии Молдовы. Определяли общее содержание металлов в воде и иловых растворах. Воду непосредственно при отборе проб фильтровали через мембранные фильтры с величиной пор 45 микрон и подкисляли концентрированной азотной кислотой из расчета 1/100 мл воды. Для получения иловых растворов илы центрифугировали в лабораторных условиях в течение 30 минут при 2500-3000 об/мин. Полученный раствор фильтровали и подкисляли также азотной кислотой. Устанавливали и валовое содержание металлов в донных отложениях. В илах оценивали общую влажность. Ил оставляли на стекле для высушивания при комнатной температуре, затем размельчали, отбирали определенную навеску, в которой определяли содержание металлов.
Содержание тяжелых металлов в профильтрованной воде и иловых растворах определяли методами атомной абсорбции при электротермической атомизации в графитовой печи на приборе AAnalyst 500 (ошибка не превышает 5-7 %) и атомной эмиссии на атомно-эмиссионном спектрометре с индуктивно связанной плазмой Thermo Scientific iCAP 6200-ISP-0ES (ошибка измерения ± 1-2 %). Статистическую обработку результатов исследования осуществляли общепринятыми методами с применением программ Microsoft Excel 7 и Statistica 10.
Кучурганское водохранилище, помимо функции водоема-охладителя, имеет большое рекреационное и рыбохозяйственное значение, в связи с чем данные о содержании металлов в донных отложениях представляют определенный интерес. При этом
следует отметить, что оценка загрязнения донных отложений тяжелыми металлами существенно затруднена, т. к. для донных осадков, в отличие от почв, отсутствует понятие предельно допустимые концентрации [6]. Приводим данные по предельно допустимым концентрациям исследованных металлов для вод водных объектов рыбо-хозяйственного значения (табл. 1) [15].
Таблица 1. Нормативы предельно допустимых концентраций тяжелых металлов в водах водных объектов рыбохозяйственного значения
Металлы CAS1 ЛПВ2 ПДК3, мг/л Класс опасности Метод контроля, контролируемый показатель
Mo 7439-98-7 токс. 0,001 2 ААС4, ИСП5
V 7440-62-2 токс. 0,001 3 ИСП, ААС
Ni 7440-02-0 токс. 0,01 3 ААС, ИСП
Pb 7439-92-1 токс. 0,006 2 ААС, ИСП
Cu 7440-50-8 токс. 0,001 3 ИСП, ААС
Zn 7440-66-6 токс. 0,01 3 ИСП, ААС
1 Chemical abstract service,
2 Лимитирующий показатель вредности,
3 Предельно допустимые концентрации,
4 Атомно-абсорбционная спектроскопия,
5 Метод индуктивно связанной плазмы.
Результаты исследования и их обсуждение
Донные отложения водоема-охладителя Молдавской ГРЭС сформированы преимущественно глинистыми илами с преобладанием мелкодисперсных фракций, доля которых местами превышает 75 %. На нижнем, приплотинном участке, где осуществляется принудительный водообмен, структура и состав илов во многом зависит от взвешенных веществ, попадающих из р. Турунчук. Так как донные отложения - самые стабильные элементы водных экосистем, они позволяют исследовать во времени динамику содержания, накопления и миграции металлов в водоемах [16].
Определяющую роль в динамике металлов в донных отложениях играют физико-химические особенности илов, их гранулометрический состав, содержание органических веществ, интенсивность процессов осаждения и адсорбции взвешенных веществ. На миграцию металлов в донных отложениях, наряду с комплексом гидрологических условий водоема, значительное влияние оказывают антропогенные факторы, ведущим из которых для Кучурганского водохранилища является функционирование Молдавской ГРЭС. До 1990 года топливом для Молдавской ГРЭС служили мазут и уголь, после чего, в результате реконструкции, все энергоблоки станции были переведены на природный газ. Сегодня электростанция способна работать на всех видах топлива.
Молибден в донных отложениях
Концентрация молибдена в поверхностных водах обычно не превышает 10-20 мкг/л. Увеличение ее свыше этих величин свидетельствует об антропогенном загрязнении [17]. В водоемах металл мигрирует преимущественно в форме оксаниона
2_
молибдена (МоО4 ) и комплексных соединений с растворенными органическими веществами.
Более 95 % молибдена в водоеме-охладителе Молдавской ГРЭС мигрирует в растворенной форме, остальная часть - с взвешенными веществами. Содержание и динамика металла в водохранилище зависят от объемов и качества сжигаемого электростанцией топлива.
Суммарное содержание молибдена в донных отложениях нижнего участка Ку-чурганского водохранилища находится на уровне 4,3-6,7 мкг/г абс. сух. массы, среднего - 8,8-14,3 мкг/г абс. сух. массы и верхнего - 2,5-6,1 мкг/г абс. сух. массы.
Анализ распределения металла в зависимости от гранулометрических фракций донных отложений выявил, что мелкодисперсные пелитовые фракции илов с размером частиц < 0,001-0,005 мкм содержат более 50 % от валового его содержания. По степени концентрации молибдена в илах участки акватории водоема-охладителя распределились следующим образом: средний > верхний > нижний. Максимальные концентрации металла в более крупных фракциях донных отложений (0,005-0,100 мкм) отмечены на среднем, наиболее подверженном влиянию электростанции участке водохранилища, при несущественной разнице между нижним и верхним его участками.
При наибольших концентрациях валового молибдена в пелитовых фракциях донных отложений не отмечено достоверной корреляции с количеством мелкодисперсных пелитовых фракций и содержанием органических веществ. Максимальное количество подвижных форм металла наблюдается на нижнем участке водохранилища, где преобладают илы с более крупными фракциями и минимумом органических веществ в них.
Исследование подвижных форм молибдена в донных отложениях водоема-охладителя установило, что наибольшее количество поверхностно-сорбированного молибдена (18-20 % от общего объема) характерно для илов верхнего и нижнего участков водоема, минимальное (2,2-3,0 %) - для среднего его участка. От 6 до 37 % подвижного молибдена присутствует в ассоциации с органическими веществами донных отложений.
Так как иловый раствор является более подвижной формой миграции металлов в донных отложениях, концентрация молибдена, за редкими исключениями, выше в иловом растворе, чем в воде Кучурганского водохранилища (табл. 2).
Таблица 2. Средние концентрации молибдена в придонной воде и иловых растворах Кучурганского водохранилища, мкг/л
Сезон Нижний участок Средний участок Верхний участок В среднем по водоему
Вода Иловый раствор Вода Иловый раствор Вода Иловый раствор Вода Иловый раствор
Весна 8,7 9,6 11,2 12,7 10,2 12,2 10,03 11,5
Лето 9,6 12,2 14, 5 16,8 12,1 14,1 12,10 14,36
Осень 10,0 12,0 14,0 15,2 13,0 15,0 12,33 14,06
Среднее 9,43 11,26 13,23 14,90 11,76 13,76 11,47 13,30
Ванадий в донных отложениях
В донных отложениях нижнего участка водохранилища-охладителя общая концентрация ванадия находилась в пределах 129-191 мкг/г абс. сух. Массы, среднего
участка - 138-156 мкг/г абс. сух. массы, и верхнего участка - 179-202 мкг/г абс. сух. массы [16].
Практически на всей акватории водоема, за исключением нижнего приплотин-ного участка, в донных отложениях протекают процессы сульфатредукции, способствующие переходу металлов из илов в водную толщу. Таким образом, иловые отложения являются основным источником вторичного загрязнения металлами Кучурганского водохранилища.
В процессах миграции металлов в системе «вода-донные отложения» значительное место занимают органические вещества донных отложений, содержание которых в илах водохранилища-охладителя варьирует от 3,3 до 5,7 %. В иловых отложениях водоема наблюдается положительная корреляция (г > 0,76) между содержанием органического вещества и валовым содержанием ванадия в илах. Наряду с этим имеет место отрицательная корреляция (г > -0,79) между суммой подвижных форм металла и содержанием органических веществ в донных отложениях, указывающая на уменьшение подвижности ванадия с увеличением содержания в илах органических веществ [16].
Анализ распределения металла в зависимости от гранулометрических фракций донных отложений выявил, что большая его часть содержится в мелкодисперсных пе-литовых фракциях с размером частиц < 0,001-0,005 мкм. Концентрация металла в донных отложениях по участкам водоема-охладителя уменьшается в ряду: верхний > средний > нижний участок. Во фракциях с размером частиц 0,005-0,010 мкм содержание ванадия заметно ниже, наблюдается уменьшение его концентрации в илах от верховья к низовью: верхний > нижний > средний участок водохранилища. В илах с размером частиц 0,010-0,050 мкм максимальные концентрации металла характерны для донных отложений нижнего и верхнего участков водоема. Содержание ванадия в более крупных фракциях илов (размером 0,05-0,100 мкм) по акватории водохранилища распределилось: средний > нижний > верхний участок.
В настоящее время наблюдается незначительное в сравнении с 1980-1990-ми годами увеличение концентрации ванадия в донных отложениях Кучурганского водохранилища. Его содержание в илах водоема-охладителя выше, чем в почвах региона, что указывает на аккумулирующую роль донных отложений по отношению к ванадию, а также на преобладание его миграции из воды в иловые отложения. При определенных условиях (неблагоприятном газовом режиме, уменьшении рН воды, преобладании восстановительных процессов над окислительными) донные отложения становятся источником вторичного загрязнения соединениями ванадия водной массы Кучурганского водохранилища [16].
Иловый раствор - наиболее подвижная часть донных седиментов, поэтому концентрации металла в иловых растворах ниже, чем в воде водохранилища, кроме верхнего его участка (табл. 3).
Таблица 3. Средние концентрации ванадия в придонной воде и иловых растворах
Кучурганского водохранилища, мкг/л
Сезон Нижний участок Средний участок Верхний участок В среднем по водоему
Вода Иловый раствор Вода Иловый раствор Вода Иловый раствор Вода Иловый раствор
Весна 8,6 7,2 10,2 7,7 8,1 9,2 8,96 8,03
Лето 7,7 6,3 12,6 8,6 8,6 9,8 9,63 8,23
Осень 8,0 9,1 11,3 10,2 9,0 11,1 9,43 10,13
Среднее 8,10 7,53 11,36 8,83 8,56 10,03 9,34 8,79
Никель в донных отложениях
Никель в окружающую среду попадает в основном в результате антропогенного воздействия, главным образом в результате сжигания топлива, в том числе тепловыми электростанциями. Нами было установлено, что концентрация никеля в атмосферных осадках в зоне Молдавской ГРЭС (3,7-6,3 мкг/л) существенно выше таковых (1,6-2,4 мкг/л) вне ее территории [18].
Функционирование Молдавской ГРЭС привело к тому, что степень накопления никеля в илах водохранилища достигает величин, превышающих его концентрации в почвах региона. Наибольшие концентрации металла отмечены в донных отложениях верхнего и среднего участков водохранилища, в пелитовых фракциях илов с размером частиц менее 0,005 мкм; наименьшие - во фракциях размером 0,010-0,100 мкм донных отложений нижнего участка водоема-охладителя.
В донных отложениях свыше 80 % от общего содержания никеля сконцентрировано во фракциях илов с размером частиц менее 0,005 мкм. Суммарное содержание металла в донных отложениях водоема-охладителя коррелирует (г > 0,75) с объемом пе-литовых частиц и органического вещества в илах, варьирует от 204 до 231 мкг/г абс. сух. массы илов, что в 4-6 раз выше его содержания в почвах региона.
Концентрации никеля в иловых растворах в 3-5 раз превышают его содержание в воде Кучурганского водохранилища, варьируя от 15,9 до 21,8 мкг/л, указывая на миграцию металла из водной толщи в донные отложения.
В сезонном аспекте наблюдается рост концентраций никеля в иловых растворах донных отложений водохранилища от весны к осени. Минимальные концентрации металла выявлены в илах нижнего участка водохранилища, максимальные - на среднем участке водоема-охладителя (табл. 4).
Таблица 4. Средние концентрации никеля в придонной воде и иловых растворах Кучурганского водохранилища, мкг/л
Сезон Нижний участок Средний участок Верхний участок В среднем по водоему
Вода Иловый раствор Вода Иловый раствор Вода Иловый раствор Вода Иловый раствор
Весна 4,8 15,8 5,9 19,0 5,6 17,8 5,43 17,53
Лето 5,8 16,8 6,7 19,9 6,0 18,8 6,16 18,5
Осень 5,2 17,8 5,7 21,9 5,0 19,7 5,3 19,8
Среднее 5,26 16,80 6,10 20,26 5,53 18,76 5,63 18,61
Миграция никеля в системе «вода - иловые растворы - иловые отложения» находится в зависимости от комплекса естественных и антропогенных факторов и чаще всего направлена сверху вниз. Диффузия металла из донных отложений в водную толщу нами не была зафиксирована, но она может быть при усилении процессов суль-фатредукции, особенно на мелководном верхнем участке водоема.
Исследования подвижных форм никеля в илах водоема-охладителя выявили, что минимальные концентрации поверхностно-сорбированного металла (до 25-30 %) наблюдаются в донных отложениях верхнего участка, возрастая до 40 % - на среднем и до 50 % - в илах нижнего участка Кучурганского водохранилища. От 10 до 15 % по-
движного никеля ассоциируется с органическими веществами, что обусловлено гранулометрическим составом донных отложений и содержанием в них органических веществ. Подвижность металла в донных отложениях возрастает с уменьшением объема пелитовых фракций и содержанием органических веществ.
Медь в донных отложениях
Источником более 60 % меди, попадающей в окружающую среду, является антропогенная составляющая, главным образом промышленные выбросы, сжигание топлива на электростанциях, сельскохозяйственные стоки, утилизация отходов.
В водохранилище - охладителе Молдавской ГРЭС динамика содержания меди в определенной степени зависит от функционирования электростанции и не так явно выражена, как динамика ванадия и молибдена. В сбросных технологических каналах станции концентрация меди в воде в 2-3 раза превышает ее содержание в водозаборных. Установлено, что в атмосферных осадках в зоне электростанции содержание меди вдвое выше (1,3-4,1 мкг/л), чем за ее пределами (0,6-2,2 мкг/л) [18].
В илах концентрация меди может достигать значительных величин - от 800 до 5000 мг/кг [19] благодаря высокой способности металла адсорбироваться на поверхности взвешенных веществ, гидроксидов марганца и железа, формировать соединения с высокомолекулярными органическими веществами, участвовать в ионном обмене с глинистыми частицами и осаждаться в илах. Накопление меди в иловых отложениях, наряду с другими тяжелыми металлами, связано с содержанием органических веществ. Это приводит к тому, что наибольшее ее количество депонируется в мелкодисперсных илах, что имеет место и в Кучурганском водохранилище, где концентрация меди в иловых растворах в 2-6 раз выше таковой в придонных слоях воды.
Суммарное содержание металла в донных отложениях варьирует в пределах 151-165 мкг/г абс. сух. массы на среднем участке водохранилища-охладителя, 91-120,4 мкг/г абс. сух. массы - на нижнем участке и 64,4-94,1 мкг/г абс. сух. массы - в илах верхнего участка, что в сравнении с восьмидесятыми годами ниже на 10-15 %.
Концентрация металла по гранулометрическим фракциям донных отложений водохранилища демонстрирует, что большая часть меди (58-63 % от общего содержания) содержится в мелкодисперсных пелитовых фракциях с размером частиц от < 0,001 до 0,005 мкм. Далее по концентрации меди следуют фракции илов с размером частиц 0,010-0,050 мкм, с максимальным содержанием металла в донных отложениях среднего и нижнего участков водоема-охладителя. Нами не установлена корреляция между валовой концентрацией металла в донных отложениях с содержанием органических веществ и пелитовых фракций в них.
Исследование подвижных форм металла в донных отложениях водоема-охладителя выявило, что до 10 % меди содержится в виде поверхностно-сорбированного металла; около 6 % - в ассоциации с органическими веществами и более 25-45 % от валового ее объема - в ассоциации с аморфными гидроксидами марганца и железа. Наибольшая концентрация меди содержится в донных отложениях нижнего участка Кучурганского водохранилища.
Будучи наиболее подвижной формой миграции металлов в донных отложениях, иловый раствор практически всегда содержит большие концентрации меди, чем вода Кучурганского водохранилища (табл. 5).
Таблица 5. Средние концентрации меди в придонной воде и иловых растворах
Кучурганского водохранилища, мкг/л
Сезон Нижний участок Средний участок Верхний участок В среднем по водоему
Вода Иловый раствор Вода Иловый раствор Вода Иловый раствор Вода Иловый раствор
Весна 4,44 8,65 4,22 11,9 4,02 11,2 4,22 10,58
Лето 3,81 19,9 3,69 20,2 3,73 16,2 3,74 18,76
Осень 4,12 12,0 4,72 16,1 4,72 14,1 4,52 14,06
Среднее 4,12 13,51 4,21 16,06 4,15 13,83 4,16 14,46
В водохранилище максимальные концентрации меди в иловых растворах характерны для летнего периода, в отличие от содержания металла в воде, когда летом объемы растворенной меди были минимальны (табл. 5). Это указывает на более интенсивную миграцию металла в донные отложения из водных слоев на фоне роста температуры воды в летний период, повышения рН, уменьшения концентрации растворенного в воде кислорода и роста минерализации воды.
Цинк в донных отложениях
Основными источниками поступления цинка в окружающую среду являются автомобильные выбросы и сточные воды промышленных и сельскохозяйственных предприятий, сжигание топлива, процессы эрозии почв. Значительная часть металла поступает в водоемы с атмосферными осадками. Установлено, что в атмосферных осадках, собранных с территории Молдавской ГРЭС, содержание цинка варьирует в пределах 11-37 мкг/л, а вне зоны электростанции - 6-13 мкг/л, что является подтверждением загрязнения водохранилища этим металлом преимущественно в процессе функционирования теплоэлектростанции [18].
Общее содержание цинка в илах водоема-охладителя колеблется на нижнем его участке от 179 до 190 мкг/г абс. сух. массы, на среднем - от 196 до 208 мкг/г абс. сух. массы и от 184 до 195 мкг/г абс. сух. массы в донных отложениях верхнего участка водохранилища.
Количество металла в подвижных формах, динамика его суммарного содержания в донных отложениях водохранилища, а также распределение по гранулометрическим фракциям седиментов зависят от количества пелитовых фракций и концентрации органического вещества в донных отложениях (г > 0,8).
Верхний участок Кучурганского водохранилища характеризуется преобладанием богатых органическим веществом мелкодисперсных илов, а в нижнем участке количество пелитовых фракций донных отложений и органических веществ заметно ниже. Установлено, что более 40 % цинка от валового его содержания сконцентрировано в пелитовых мелкодисперсных фракциях илов с размером частиц менее 0,001 мкм, во фракциях с размером частиц 0,001-0,005 мкм содержится 25-29 %, а минимальное количество металла (1,6-2,8 % от общего его содержания) отмечено во фракциях с размером частиц 0,050-0,1 мкм.
От 10 до 18 % металла в донных отложениях от валового его содержания находится в форме поверхностно-сорбированного цинка; 2-10 % - в ассоциации с органическим веществом и 13-32 % с аморфными гидроксидами марганца и железа. Максимальное содержание подвижных форм цинка выявлено в донных отложениях нижнего участка Кучурганского водохранилища.
Миграция цинка осуществляется сверху вниз - из водной толщи в иловые отложения, о чем свидетельствует соотношение концентраций металла в придонной воде и иловом растворе - самой подвижной части донных отложений (табл. 6).
Таблица 6. Средние концентрации цинка в придонной воде и иловых растворах
Кучурганского водохранилища, мкг/л
Сезон Нижний участок Средний участок Верхний участок В среднем по водоему
Вода Иловый раствор Вода Иловый раствор Вода Иловый раствор Вода Иловый раствор
Весна 20 74 42 120 28 95 30 96,3
Лето 24 80 50 135 30 108 34,6 107,6
Осень 30 93 60 152 45 116 45 120,3
Среднее 24,66 82,33 50,66 135,66 34,33 106,33 36,55 108,10
Содержание цинка в придонной воде (22-62 мкг/л) и в иловых растворах (76-115 мкг/л) варьирует в достаточно широких пределах. Максимальные концентрации металла выявлены в иловых растворах среднего участка Кучурганского водохранилища. В сезонном аспекте на всех участках водоема-охладителя прослеживается увеличение концентраций металла в исследуемых компонентах от весны к осени.
Свинец в донных отложениях
Промышленные выбросы являются главным источником поступления свинца в окружающую среду. Свинец является элементом со слабой степенью миграции, т. к. его соединения плохо растворимы, поэтому он либо накапливается в почвах (донных отложениях), либо формирует органические соединения.
Содержание свинца в донных отложениях водохранилища-охладителя Молдавской ГРЭС (63-77 мкг/г абс. сух. массы) проявляет заметную тенденцию к увеличению во временном аспекте и значительно превышает его концентрации в почвах региона. Самое высокое накопление свинца (до 36-43 мкг/г абс. сух. массы) отмечено в иловых фракциях с размером частиц < 0,001 мкм, самые низкие концентрации металла (до 3 мкг/г абс. сух. массы) содержатся в донных отложениях с диаметром частиц 0,0500,100 мкм.
Имеет место прямая корреляция (г > 0,80) между концентрацией свинца в донных отложениях с количеством органических веществ и пелитовых фракций в них. Содержание металла в иловых растворах оказалось в 6-8 раз выше, чем в воде водохранилища-охладителя, и варьирует в пределах 16,7-30,4 мкг/л, подтверждая факт того, что основная масса свинца, поступающая в водохранилище, осаждается в илах, являющихся мощным аккумулятором металлов (табл. 7).
Таблица 7. Средние концентрации свинца в придонной воде и иловых растворах
Кучурганского водохранилища, мкг/л
Сезон Нижний участок Средний участок Верхний участок В среднем по водоему
Вода Иловый раствор Вода Иловый раствор Вода Иловый раствор Вода Иловый раствор
Весна 3,1 19,7 4,0 28,7 3,6 18,0 3,56 22,13
Лето 3,3 16,8 4,8 29,8 3,7 18,4 3,93 21,66
Осень 3,0 17,7 4,1 30,3 3,5 18,6 3,53 22,2
Среднее 3,13 18,06 4,30 29,60 3,60 18,33 3,67 21,99
Исследование подвижных форм свинца в донных отложениях водоема-охладителя выявило, что максимальные концентрации поверхностно-сорбированного металла отмечены в илах нижнего (10-15 %) и среднего участка (8-12 %) водохранилища, а минимальные (3,5-5 %) - в донных отложениях верхнего его участка.
Распределение свинца по гранулометрическим фракциям илов связано с количеством пелитовых фракций и органических веществ в них, а также с физико-химическими особенностями самого металла. Следовательно, подвижность свинца в системе «донные отложения - вода» находится в обратной корреляции с объемом мелкодисперсных фракций и содержанием органических веществ в донных отложениях.
Суммарное содержание исследованных металлов в придонной воде и иловых растворах Кучурганского водохранилища в зависимости от времени года представлено на рис. 2 и 3.
Молибден Ванадий Никель Медь Цинк □ весна И лето И осень В среднее
Свинец
Рис. 2. Суммарное содержание металлов в придонной воде водохранилища (мкг/л)
5
0
Молибден Ванадий Никель Медь Цинк □ весна 0 лето □ осень Е среднее
Свинец
Рис. 3. Суммарное содержание металлов в иловых растворах водохранилища (мкг/л)
Выводы
Функционирование Молдавской ГРЭС привело к загрязнению экосистемы Кучурганского водохранилища, особенно донных его отложений, тяжелыми металлами. Среди металлов (молибден, ванадий, никель, медь, цинк, свинец) наибольшие концентрации в донных отложениях отмечены для цинка, свинца и никеля. Динамика и степень накопления металлов в илах водоема-охладителя связана с их гранулометрическим составом, содержанием органических веществ и интенсивностью процессов осаждения и адсорбции взвешенных веществ. Наибольшие концентрации металлов отмечены в мелкодисперсных фракциях иловых отложений с размером частиц 0,001-0,005 мкм. Содержание металлов в иловых растворах выше, чем в придонных слоях воды, что свидетельствует о процессах их осаждения в донные отложения. При интенсификации процессов эвтрофирования, уменьшении концентрации растворенного кислорода до 5 мг/л и величины рН до менее 6 (что случается в весенне-летний период при сбросе теплых вод и при промывке агрегатов станции с использованием кислот, а также летом в верхнем застойном участке водохранилища при понижении количества кислорода и появлении в воде сероводорода (процессы сульфатредукции)) возможна и обратная диффузия металлов из илов в воду. Донные отложения Кучурганского водохранилища содержат в 2-8 раз больше металлов, чем почвы региона.
Авторы выражают искреннюю благодарность за помощь в проведении исследований члену-корреспонденту Академии наук Молдовы, профессору Е.И. Зубковой и коллективу лаборатории гидробиологии и экотоксикологии Института зоологии Молдовы.
Литература
1. Tsybekmitova G.Ts., Kuklin A.P., Tsyganok V.I. Heavy Metals in Bottom Sediments of Lake Kenon (The Trans-Baikal Territory, Russia) // Bulletin of Environmental Contamination and Toxicology. 2019. Vol. 103. - P. 286-291.
2. Dampilova B. V., Khazheeva, Z.I., Plyusnin, A.M. Heavy Metal Species in the Bottom Sediments of the Aquatic System of Lake Gusinoe (Buryatia) // Geochemistry International. 2022. Vol. 60. - Р. 279-285.
3. Muneer J., AlObaid A., Ullah R., Ur Rehman K., O. Erinle K. Appraisal of toxic metals in water, bottom sediments and fish of fresh water lake // Journal of King Saud University. 2022. Vol. 34. - P. 101685.
4. Матишов Г.Г., Буфетова М.В., Егоров В.Н. Нормирование потоков поступления тяжелых металлов в Азовское море по оценкам интенсивности седиментацион-ного самоочищения вод // Наука Юга России. 2017. Т. 13, № 1. - С. 44-58.
5. Кораблина И.В., Барабашин Т.О., Геворкян Ж.В., Евсеева А.И. Тяжелые металлы в органах и тканях промысловых рыб пресноводных объектов СевероКавказского региона // Труды ВНИРО. 2019. Т. 177. - С. 151-166.
6. Куракина Н.И., Шлыгина Н.С. Оценка состояния донных отложений по результатам контрольных измерений концентраций загрязняющих веществ в восточной части Финского залива // Известия СПб ГЭТУ «ЛЭТИ». 2017. № 4. - С. 72-78.
7. Попов П.А., Андросова Н.В. Содержание тяжелых металлов в мышечной ткани рыб из водоемов бассейна реки Оби // Вестник Томского государственного университета. Биология. 2014. № 4 (28). - С. 108-122.
8. VarolM., Ustaoglu F., Tokatli C. Ecological risks and controlling factors of trace elements in sediments of dam lakes in the Black Sea Region (Turkey) // Environmental Research. 2022. Vol. 205. - P. 112478.
9. Филипенко С.И. Экологические проблемы и биоиндикация Кучурганского водохранилища-охладителя Молдавской ГРЭС // Биоиндикация в мониторинге пресноводных экосистем III: материалы Международной конференции. - СПб.: Свое издательство, 2017. - С. 343-346.
10. Тихоненкова Л.А., Филипенко Е.Н., Филипенко С.И. Загрязнение экосистемы Кучурганского водохранилища тяжелыми металлами // Интегрированное управление бассейном трансграничного Днестра: платформа для сотрудничества и современные вызовы; материалы Международной конференции (г. Тирасполь, 26-27 октября 2017 года). - Тирасполь: Eco-TIRAS, 2017 (Tipogr. "Elan Poligraf"). - С. 369-373.
11. Филипенко Е.Н., Тихоненкова Л.А., Филипенко С.И. Способность макрофи-тов Кучурганского водохранилища к накоплению металлов в водоеме-охладителе Молдавской ГРЭС // Вестник Приднестровского университета. Сер.: Медико-биологические и химические науки. 2019. № 2 (62). - С. 73-81.
12. Филипенко С.И., Тихоненкова Л.А., Филипенко Е.Н. Зообентос Кучурганско-го водохранилища-охладителя Молдавской ГРЭС и роль отдельных его представителей в накоплении металлов // Материалы XXI Международной научной конференции «Биологическое разнообразие Кавказа и Юга России» (г. Магас, 15-18 ноября 2019 г.). - Магас, ООО «КЕП», 2019. - С. 441-445.
13. Филипенко С.И., Зубкова Н.Н., Тихоненкова Л.А., Филипенко Е.Н. Промысловая ихтиофауна Кучурганского водохранилища и роль отдельных видов в накоплении металлов в водоеме-охладителе Молдавской ГРЭС // International symposium «Func-tional ecology of animals»: dedicated to the 70th anniversary from the birth of academician Ion Toderaç, 21 september 2018. - Chiçinâu: Imprint Plus, 2018. - С. 413-420.
14. SM SR ISO 5667-6:2007 Calitatea apei. Prelevare. Partea 6: Ghid pentru prelevarea probelor din râuri §i cursuri de apa. - 10 р.
15. Приказ Минсельхоза России от 13.12.2016 № 552 «Об утверждении нормативов качества воды водных объектов рыбохозяйственного значения, в том числе нор-
мативов предельно допустимых концентраций вредных веществ в водах водных объектов рыбохозяйственного значения» (Зарегистрирован в Минюсте России 13.01.2017 № 45203).
16. Зубкова Е.И., ^отасов А.А., Билецки Л.И., Зубкова Н.Н., Унгуряну Л.Н., Тихоненкова Л.Н., Филипенко Е.Н., Силаева А.А. Миграция ванадия в экосистеме Кучурганского водоема-охладителя Молдавской ГРЭС // Journal of Siberian Federal University. Biology. 2017. Vol. 10 (4). - С. 446-458.
17. Prange A., Kremling K. Distribution of dissolved molybdenum, uranium and vanadium in Baltic Sea waters // Marine Chem. 1985. Vol. 16. - P. 259-274.
18. Тихоненкова Л.А., Филипенко Е.Н., Филипенко С.И. Роль Молдавской ГРЭС в загрязнении атмосферных осадков // Проблемы экологии, сохранения биоразнообразия и восстановления природных ресурсов Приднестровья: материалы Межд. научно-практ. конф., посвященной году экологии и благоустройства в Приднестровской Молдавской Республике (г. Бендеры, 29 ноября 2019 г.). - Бендеры, 2019. - С. 71-76.
19. Шарипова О.А. Распределение тяжелых металлов в донных отложениях озера Балхаш в зависимости от антропогенных факторов // Вестник Тюменского государственного университета. 2015. № 390. - C. 225-230.
Поступила в редакцию 18 ноября 2021 г.
UDK 628.19:621.311.22
DOI: 10.21779/2542-0321 -2022-37-2-42-55
Influence of Kuchurgan Thermal Power Station on Metal Contamination of Bottom
Sediments of the Cooler Reservoir
L.A. Tichonencova, E.N. Philipenko, S.I. Philipenko
Shevchenko Transnistria State University; Moldova, 3300, Transnistria, Tiraspol, st. 25 October, 128; zoologia_pgu@mail.ru
The Kuchurgan basin is the cooling reservoir of the Kuchurgan power station. The operation of the power plant has led to contamination of the reservoir ecosystem with metals that accumulate in the tissues of aquatic organisms and bottom sediments. The influence of a thermal power plant on metal (Mo, V, Ni, Pb, Cu, Zn) pollution of the silt of a cooling pond was studied by the methods of atomic absorption and atomic emission. The highest concentrations in bottom sediments are noted for zinc, lead, and nickel. The degree of accumulation of metals in silts depends on their granulometric composition, organic matter content, and the intensity of sedimentation and adsorption of suspended solids. The highest concentrations of metals are typical for finely dispersed fractions of silt deposits with a particle size of 0.001-0.005 microns. The content of metals in silt solutions is higher than in the bottom layers of water. In most cases, metals migrate from water layers to bottom sediments, but with an intensification of eutrophication processes, a decrease in the concentration of dissolved oxygen and a decrease in the pH value of water, back diffusion of metals from silt into water is also possible. The silts of the reservoir contain 2-8 times more metals than the soils of the region.
Keywords: cooling pond, ecosystem, bottom sediments, metals, accumulation.
Received 18 November 2021
