CC BY
391
УДК 628.394.17(262.81):546.3/.7Т
Л. А. Осипова, С. А. Каргин, Ф. Ш. Ильзова, О. В. Веремеенко
ЗАГРЯЗНЕНИЕ ВОД ВОЛГО-КАСПИЙСКОГО БАССЕЙНА СОЛЯМИ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ
Чрезвычайную остроту в последние годы приобрела проблема сохранения экологически чистым такого уникального природного объекта, каким является Каспийское море. Водные объекты, такого находящиеся в условиях природно-техногенного ландшафта, в большей степени подвержены загрязнению по сравнению с водными объектами, находящимися в условиях ненарушенного ландшафта. Это объясняется тем, что все загрязняющие вещества мигрируют совместно с продуктами ветровой и водной эрозии в природной среде. Образующиеся отходы производства и потребления, находясь в различном агрегатном состоянии и обладая различной степенью опасности, способны вызывать значительные изменения в компонентах природной среды.
Все загрязняющие вещества, поступающие в водные объекты, являются в конечном итоге продуктом действия вполне определенного источника загрязнения - промышленных или хозяйственно-бытовых сточных вод.
В водные экосистемы атомы тяжелых металлов поступают из почв и горных пород в результате химического и микробиологического выщелачивания минералов, с паводковыми и дождевыми водами, а также при осаждении из атмосферы пылевых частиц и аэрозолей, вовлеченных в воздушный перенос.
Антропогенными источниками соединений тяжелых металлов для водных объектов служат предприятия энергетики, горнодобывающего и перерабатывающего комплекса, химические комбинаты, сельскохозяйственные предприятия, использующие большие количества химических средств защиты растений, в число которых входят и соединения тяжелых металлов. Протравливание зерна перед посевом производится ртутьсодержащими фунгицидами; медь в форме хорошо растворимого сульфата также входит в состав фунгицидов (купросил, купроксат, бордосская жидкость и др.) и применяется как альгицид.
Влияние солей тяжелых металлов на живые организмы
Медь. Все соли меди обладают биотоксичным действием. Медь - необходимый для растений и животных микроэлемент. Основная биохимическая функция меди - участие в ферментативных реакциях в качестве активатора или в составе медьсодержащих ферментов.
Избыток меди подавляет иммунную систему, может привести к развитию анемии, неинфекционному гепатиту. Летальная доза (ЛД50) составляет 1,35 г/кг массы тела. Для получения токсичной дозы среднестатистический человек, весом 75 кг, должен потребить не менее 100 г меди. Медь с трудом выводится из организма, накапливаясь в тканях, печени и костях. Период ее полуудаления составляет свыше 310 лет и значительно превышает продолжительность человеческой жизни. Медь относится к 3 классу опасности.
Цинк. Важнейшими объектами антропогенного рассеивания цинка являются предприятия цветной металлургии. В значительных количествах этот элемент содержится в коммунальных стоках, препаратах, используемых для обработки сельскохозяйственных культур, в угольном шлаке. Период естественного полураспада цинка в природной среде - 70-510 лет.
Цинк участвует в межклеточном обмене, развитии и делении клеток. Он повышает устойчивость растений к засухе, бактериальным и грибковым инфекциям. Нормальная концентрация цинка в растительных тканях по данным исследований [1] варьирует от 1,2 до 73 мг/кг сухой массы. Растительная масса может накапливать цинк в концентрациях, превышающих его содержание в почве. Наиболее высокие концентрации цинка - до 1 % от сухой массы - обнаружены в зеленой листовой массе огородных культур - салата и укропа, произрастающих на загрязненной почве. На некоторые виды злаков и шпинат избыток цинка действует угнетающе. У них развивается хлороз молодых листовых пластин, угнетается рост и развитие, т. к. цинк препятствует поглощению растительными тканями железа. В микродозах этот элемент крайне необходим живым организмам, он входит в состав 80 ферментов, вырабатываемых человеческим организмом. Суточная потребность человека в цинке 5-20 мг. Недостаток цинка приводит к замедлению
роста, поэтому особенно опасен для детей, т. к. у них может развиться карликовость. Избыток этого элемента в организме вызывает «литейную лихорадку», ведет к подавлению иммунитета, активизации онкологических заболеваний и потере зрения. Цинк относится к 3 классу опасности.
Кадмий. По сравнению с цинком, кадмий менее распространен в природе, но по химическим особенностям и поведению в природной среде сходен с ним. Фоновое для ландшафтной оболочки содержание кадмия в почвенном субстрате колеблется в пределах 0,07-0,5 мг/кг.
В микродозах кадмий необходим как регулятор содержания сахара в крови. Предельно допустимый уровень содержания в продуктах питания человека - 0,03 мг/кг продукта. Токсический эффект проявляется при суточном потреблении с пищей 0,07 мг/кг веса: у человека появляется белок в моче, почечная ткань начинает разрушаться. В малых дозах кадмий повышает кровяное давление, при продолжительном воздействии загрязнения накапливается в костях, вызывая болезни костно-двигательной системы. Период полуудаления кадмия - 13-110 лет.
Длительное употребление продуктов питания с высоким содержанием кадмия вызывает искривление, хрупкость и ломкость костей.
Наиболее загрязнены кадмием территории с высоким уровнем промышленного развития -800 мг/кг. Для жителей этих территорий характерно повышенное кровяное давление, нарушения функции почек, деформации костно-двигательного аппарата.
В составе табака присутствует кадмий. Каждая сигарета содержит в среднем около 2,5 мкг. В атмосферу в результате курения выбрасывается 11,4 т. Кадмий относится к химическим элементам 2 класса экологической опасности.
Ртуть. Концентрация ртути в водных организмах может на несколько порядков превышать ее содержание в среде обитания. Особенно значительные количества накапливаются в хищных видах рыб - высших звеньях цепи питания водных организмов. При концентрации ртути в воде менее 0,0005 мг/л ее содержание в тканях хищных морских рыб было близко к критической отметке безопасного уровня - 0,05 мг/кг.
Осаждаясь в илах, ртуть медленно из них освобождается, приводя к длительному, «хроническому» загрязнению водных объектов и удаляется из почвенного субстрата в виде паров.
Основная масса накапливается в вегетативных органах и мигрирует в репродуктивные органы. При содержании ртути в вегетативных органах растений свыше 3,0 мг/кг сухой массы у некоторых видов растений наблюдаются токсические реакции, проявляющиеся в задержке роста, слабом развитии корней, снижении урожайности. Часть растительных видов толерантна к загрязнению среды ртутью: лишайники, морковь, салат-латук, высшие грибы не дают токсических реакции на высокие концентрации ртути.
Проникая в организм животных и человека с пищей, водой, воздухом ртуть переходит из крови в мозговую ткань, разрушая мозжечок и кору головного мозга. Первые клинические симптомы ртутного отравления возникают при концентрации ртути в крови всего 0,06 мг/л и проявляются в ощущении подавленности, нарушении ориентировки в пространстве, частичной потере зрения. Далее наблюдается разрушение зубов, облысение, психические расстройства, полная слепота и паралич.
При малых концентрациях в среде обитания ртуть снижает артериальное давление у человека, вредно действует на органы пищеварения, почки, нервную систему. У беременных женщин отмечается накопление этого элемента в эмбрионе без ухудшения состояния матерей.
Источниками антропогенного поступления ртути являются промышленные отходы гальванических цехов, амальгамирование при извлечении золота из руд, лакокрасочные производства и краски, пестициды, полимерные материалы. Значительные объемы ртути поступают при производстве хлора ртутным методом. Высока природная концентрация ртути в каменном угле и сырой нефти, поэтому сжигание угля, нефти и нефтепродуктов также является источником загрязнения среды обитания этим элементом. Ртуть - химический элемент 1 класса экологической опасности.
Свинец. Основное поступление: сточные воды и пылевые выбросы. Токсичное действие свинца ярко выражено не только по отношению к растительности, но и к теплокровным организмам, включая человека. На белковый субстрат этот элемент действует как протоплазменный яд, денатурирующий белок, разрушающий эритроциты, резко снижающий содержание гемоглобина в крови, вызывающий функциональные нарушения высшей нервной деятельности.
Допустимая суточная доза для человека: 0,5 мг - для взрослого; 0,2 мг - для ребенка. Свинец медленно выводится из организма, поражаются почки и половые органы, ослабляется репродуктивная функция организма. Свинец относится ко 2 классу экологической опасности.
Нормирование качества воды рек, озер и других водоемов проводят в соответствии с «Санитарными правилами и нормами охраны поверхностных вод от загрязнения».
Основным нормирующим показателем, характеризующим качество воды, является ПДК.
При установлении ПДКводы принимают во внимание несколько лимитирующих показателей вредности (ЛПВ). Для водоемов питьевого и культурно-бытового назначения используют три вида ЛПВ: санитарно-токсикологический, общесанитарный и органолептический. Для водоемов рыбохозяйственного назначения дополнительно применяют еще два ЛПВ: токсикологический и рыбохозяйственный (табл.).
Критерии оценки загрязненности
Ингредиент Лимитирующий показатель вредности ПДКводы, мкг/л ПДКпочвы, мкг/г Класс опасности
Медь Т оксикологический 1 3 3
Цинк Т оксикологический 10 23 3
Свинец Санитарно-токсикологический 30 13 2
Кадмий Т оксикологический 1 - 2
Ртуть Санитарно-токсикологический Отсутствие (0,01) 2,1 1
Накопление в водных объектах загрязняющих веществ в концентрациях, превышающих ПДК, ухудшает их санитарно-эпидемиологическое состояние, сокращает возможности использования их в хозяйственных и рекреационных целях, изменяет природную среду, приводит к деградации водных экосистем, изменению среды обитания и состояния здоровья человека.
Ухудшение среды обитания водных животных, являющихся объектом промысла, влечет за собой ухудшение качества пищевых продуктов.
Тяжелые металлы поглощаются фитопланктоном, а затем передаются по пищевой цепи более высокоорганизованным организмам. Из-за нарушения экологического равновесия в водоемах создается серьезная угроза значительного ухудшения экологической обстановки в целом.
В морской среде Каспия, наряду с углеводородами, загрязнителями являются тяжелые и переходные металлы - продукты как естественного происхождения (растворенные и осадочные формы), так и привнесённые в виде компонентов промышленных отходов с речным стоком.
Содержание солей тяжелых металлов в экосистеме Волго-Каспийского бассейна
Вода. Анализ воды показал, что наибольшие концентрации тяжелых и переходных металлов в воде Восточного Каспия приходятся на медь и цинк [2, 3] - 20 мкг/л. Для свинца эти показатели составляют 1,3; кадмия - 0,5; ртути - 0,09 мкг/л. В водах р. Волги концентрации этих элементов ниже и не превышают ПДК (кроме меди) [3]. Это говорит о том, что после Волги где-то происходят выбросы, приводящие к повышению загрязненности морских вод (рис. 1).
Концентрация меди, мкг/л
_ 1
Концентрация цинка, мкг/л
П
1
2
ПДК воды 1 2 ПДК воды
а б
Рис. 1. Загрязнение вод Волго-Каспийского бассейна солями тяжелых металлов: а - медь; б - цинк
20
15
10
0,8
0,6
0,4
0,2
Концентрация кадмия, мкг/л
П
0,08
0,07
0,06
0,05
0,04
0,03
0,02
0,01
0
ПДК воды
Концентрация ртути, мкг/л
_
■
1 ■
ПДК воды 1 2
0,09
в
г
30 25 20 15 10 5 0
Продолжение рис. 1: в - кадмий; г - ртуть; д - свинец; 1 - воды р. Волги; 2 - воды Каспийского моря
Концентрация
свинца мкг/л
1 1 1
ПДК воды 1 2
д
Г рунты. Накопление переходных и тяжелых металлов в донных отложениях Каспийского моря характеризуется рядом специфических черт. Свинец в донных илах малоподвижен, но хорошо извлекается из отложений пластинчатожаберными и брюхоногими моллюсками.
Слабая растворимость свинца обусловливает его поступление с речным стоком во взвешенном состоянии, отчего распределение элемента в донных илах носит мозаичный характер. Зоны с пониженным содержанием свинца тяготеют к взморью р. Волги и Уральской бороздине. Более высокие содержания элемента обнаруживаются на мелководных илистых участках. Абсолютные массы свинца оседают на морском продолжении русел рек Волги и Урала и в незначительной мере перемещаются в глубоководную часть Уральской бороздины. В перемещении свинца активную роль играют и гидробионты.
Значительные количества металлов участвуют в миграции по трофическим цепям, накапливаясь в раковинах и мягких тканях моллюсков и далее в рыбах. Несколько более подвижен цинк, его повышенные концентрации отмечаются в предустьевой зоне р. Урал и по северному обрамлению Уральской бороздины.
Процесс сорбции и осаждении комплексных соединений с органическим веществом в Каспии ведёт к образованию значительных концентраций меди. Максимальные показатели приурочиваются к взвеси прирусловых участков рек, минимальные в Уральской бороздине.
Уровни концентрирования металлов в осадках Северного Каспия оказались в четкой зависимости от структуры и типа грунтов, наличия мелкодисперсных частиц - основных сорбентов элементов.
Содержание элементов в сухой массе грунта [2, 3] изменяется: цинк - 2,0-28,0; медь -1,0-15; кадмий - 0,02-0,34; свинец - 2,0-8,0; ртуть - 0,005-0,075 (рис. 2).
Концентрация меди,мкг/г
п П 1пг
,К почвыв 1 2 3 4
а
Концентрации
кадмий, мкг/г
|—|
ПДК почвы 1 2 3 4
в
Концентрация
цинка,мкг/г
ПДК почвы 1
О
I.
ПДК почвы 1
Концентрация
1
ПДК почвыв
д
Рис. 2. Загрязнение солями тяжелых металлов грунтов, органов и тканей рыб северо-восточной части Каспийского моря: а - медь; б - цинк; в - кадмий; г - ртуть; д - свинец.
1 - грунты; 2 - печень рыб осетровых пород; 3 - мышечные ткани рыб осетровых пород;
4 - икра рыб осетровых пород
Рыба. Морская биота Каспия имеет уникальный химический состав и набор химических элементов и соединений и может быть использована в качестве индикатора загрязнения и экологического состояния среды. Доминирующее положение занимают в загрязнении воды дельты тяжелыми металлами цинк и медь. По этой причине поступающие в море промышленные стоки, содержащие соли тяжелых металов, являются в настоящее время основными источниками токсикантов, накапливающихся в бентосе, планктоне, рыбах. Поэтому необходим контроль и мониторинг загрязнения тяжелыми и переходными металлами компонентов гидроценозов Каспия, в том числе и осетровых рыб, особенно подверженных воздействию токсикантов в условиях Каспийского моря.
0
б
2,5
1,5
0,5
г
Уровень исследованных металлов в органах и тканях рыб составлял, мкг/г (рис. 2) [3]:
- в печени: медь - 12,5-60,6; цинк - 77,5-737,5; кадмий - 0,0-0,9; ртуть - 0,0-0,6;
- в мышцах: медь - 1,3-21,2; цинк - 19,5-57,3; ртуть - 0,1-1,9; свинец - 0,0-0,9;
- в икре: медь - 3,1-11,4; цинк - 40,7-104,8; ртуть - 0,0-0,1; свинец - 0,0-0,1. Преобладающими в каждом из исследованных образцов рыб были цинк и медь.
Различные элементы выявляют свои пиковые значения в различных тканях каспийских
рыб: цинка, меди больше концентрируется в печени, затем - в образцах икры, и в последнюю очередь в мышечной ткани.
Зафиксированы следовые количества свинца в большинстве образцов мышц, практически не были обнаружены в пробах печени и икры. Следовые количества ртути были обнаружены как в печени, так и в тканях, но не обнаружены в икре.
Таким образом, данные по кумуляции ряда металлов в гидробионтов Северо-Восточного Каспия являются представительными для характеристики токсикологической ситуации в этом районе моря.
Проблемы, связанные с состоянием и загрязнением Каспия, требуют срочного принятия мер по охране окружающей среды в регионе. Для восстановления экологической обстановки Каспийского моря пять прибрежных государств с 1998 г. начали работать в области Каспийской экологической программы [4-6].
Обеспечение экологической безопасности, развитие экологического мониторинга являются приоритетными для каждого государства.
Возможность восстановления экосистем Каспия во многом зависит от согласованных действий прикаспийских государств. До сих пор, при большом количестве принимаемых «экологических» решений и планов, отсутствуют системы и критерии контроля за их результативностью, выгодно всем действующим на Каспии хозяйственным субъектам, включая государственные структуры, национальные и транснациональные корпорации.
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
1. Никаноров А. М. Биомониторинг тяжелых металлов в пресноводных экосистемах. - Л.: Гидрометео-издат, 1985. - 143 с.
2. Методика определения токсичности воды и водных вытяжек из почв, осадков сточных вод, отходов по смертности и изменению плодовитости дафний. - М.: АКВАРОС, 2001. - 98 с.
3. Руководство по определению методом биотестирования токсичности вод, донных отложений, загрязняющих веществ и буровых растворов. - М.: МПРРФ, НИА - Природа, 2002. - 118 с.
4. Содружество Независимых Государств. - М., 1999 г. /http//www.rg.ru/official/from_mid/mid/989/htm.
5. Мамедов Р. Международно-правовая делимитация Каспийского моря. - Баку: КосмоПОЛИС, 2001.
6. Мамедов Р. Формирование международно-правового статуса Каспийского моря в постсоветский период / Центральная Азия и Кавказ. - 2000. - № 2 (8).
Статья поступила в редакцию 25.03.2008
POLLUTION OF WATERS OF THE VOLGA-CASPIAN BASIN BY SALTS OF HEAVY METALS
L. A. Osipova, S. A. Kargin, F. S. Ilzova, O. V. Veremeenko
The content of the salts of heavy metal in water and hydrocoles of the Volgo-Caspian basin has been analysed. Copper and zinc account for the most part of heavy and transition metals in waters of the eastern part of the Caspian Sea. In waters of the river Volga the concentration of these elements is lower.
In each of the examined samples of fish organs, tissue and spawn there were found zinc, copper, cadmium, mercury and lead. Data on accumulation of some metals in hydrocoles of the North-East Caspian Sea are representative for the characteristic of the toxicological situation in this area of the sea. The opportunity of restoration of ecosystems of the Caspian Sea in many respects depends on the coordinated actions of the near-Caspian states.
Key words: salts of heavy metals, water, hydrocoles, concentration, zinc, cadmium, mercury, copper, lead, fish organs, fish tissue, spawn, toxicological situation.
