На правах рукописи

Лалетин Николай Александрович

ПУТИ ПОСТУПЛЕНИЯ, МИГРАЦИЯ И НАКОПЛЕНИЕ

СТОЙКИХ ОРГАНИЧЕСКИХ ЗАГРЯЗНИТЕЛЕЙ В

КОМПОНЕНТАХ ПРЕСНОВОДНОЙ СРЕДЫ АРХИПЕЛАГА

ШПИЦБЕРГЕН

25.00.27 - Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Санкт-Петербург 2013

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном учреждении и антарктический научноАрктический исследовательский институт» (ФГБУ «ААНИИ»)

Научный руководитель: Большиянов Дмитрий Юрьевич доктор географических наук, ведущий научный сотрудник ААНИИ

Официальные оппоненты: Бабкин Алексей Владимирович доктор географических наук, профессор Российского государственного гидрометеорологического университета Игнатьева Наталья Викторовна кандидат географических наук, зав. лабораторией гидрохимии Института озероведения РАН

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет»

Защита состоится «12» декабря 2013 г. в 15:30 на заседании Диссертационного совета Д при Российском 212.197. государственном гидрометеорологическом университете по адресу:

195196, г. Санкт-Петербург, Малоохтинский пр., д. 98., факс:

(812) 633-01-82, e-mail: [email protected]

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РГГМУ, по адресу:

195196, г. Санкт-Петербург, Малоохтинский пр., д.

Автореферат разослан «12» ноября 2013 г.

Ученый секретарь Воробьев диссертационного Владимир Николаевич совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Стойкие органические загрязнители (СОЗ) - группа загрязняющих веществ с токсическими свойствами, склонностью к накоплению в объектах окружающей среды (биоаккумуляции и биомагнификации), устойчивостью к разложению и способностью к переносам на большие расстояния.

Являясь объектом трансграничного переноса, СОЗ попадают в экосистемы Арктики, где происходит их трансформация и накопление.

В связи с этим одной из важнейших задач является установление основных закономерностей их поведения, прежде всего, в абиотических компонентах природной среды Арктики, и в первую очередь – в пресноводной среде как в основной среде миграции и накопления загрязнителей. Знание об объемах переносимых на дальние расстояния поллютантов может помочь при установлении региональных нормативов их содержания, а также при проведении дальнейших гидрохимических и экологических исследований водных объектов Арктики.

В целом, знание об источниках, путях распределения и областях накопления загрязняющих веществ в водных объектах архипелага Шпицберген помогут сформировать основу для создания в будущем моделей распространения загрязнения в водной среде арктического региона и адаптировать эти модели к реальным условиям.

Цель работы - установить закономерности распределения СОЗ в пресноводных объектах и донных отложениях, выявить основные пути и источники их поступления в компоненты пресноводной среды долины озера Биенда-стемме (арх. Шпицберген).

Для достижения названной цели поставлены следующие задачи:

1 - сбор и анализ данных о загрязнении водных объектов арх.

Шпицберген, исследование динамики и особенностей загрязнения;

2 - проведение гидрохимических исследований и анализ полученных ранее гидрохимических характеристик изучаемых водных объектов;

3 - изучение компонентного и изомерного состава СОЗ, присутствующих в исследуемых компонентах водной среды;

4 - проведение гидрологических исследований изучаемых водных объектов, сбор и анализ данных метеорологических наблюдений;

5 - выявление многолетних закономерностей поступления и распределения СОЗ в водных объектах арх. Шпицберген за период 2002-2012 гг.

Настоящая работа выполнялась в рамках НИР 4.3. Росгидромета «Оценка состояния, тенденций и динамики изменений загрязнения окружающей среды в местах хозяйственной деятельности российских предприятий на архипелаге Шпицберген (пос. Баренцбург и сопредельные территории)».

Научная новизна заключается в том, что благодаря проведенным исследованиям:

1 - выявлены качественные и количественные закономерности распределения загрязняющих веществ в снежном покрове, пресной воде и пресноводных донных отложениях исследуемых объектов;

распределения СОЗ в водных объектах от гидрологических, гидрохимических и метеорологических параметров;

3 - получены уникальные данные о состоянии и характере загрязненности компонентов водной среды фоновых районов архипелага Шпицберген;

4 - изучен и описан вклад трансграничного переноса в загрязнение изучаемых природных объектов.

Научная и практическая значимость работы. Основанные на анализе оригинальных данных результаты работы представляют интерес с точки зрения изучения гидрохимического и геоэкологического режимов водных объектов арх. Шпицберген.

Полученные результаты в будущем могут быть использованы для комплексного изучения водной среды арх. Шпицберген, для расчета и обоснования введения региональных нормативов ПДК, для расчета чувствительности и устойчивости арктических пресноводных экосистем, а также могут послужить основой для разработки моделей загрязнения водных объектов в условиях Арктики.

Защищаемые положения 1. Объемы стойких органических загрязнителей, поступивих в долину оз. Биенда-стемме с атмосферными осадками и аэрозолями за 2002-2012 гг., составили: 0.112 мг ПХБ, 0.054 мг полихлорбензолов, 0.036 мг ГХЦГ и 0.054 мг ДДТ.

рассчитывать отношение начальных и конечных концентраций отдельных групп СОЗ:

3. Объемы СОЗ, накопленных в донных отложениях оз. Биендастемме составили: 95.27 г ПХБ, 3.76 г полихлорбензолов, 7.49 г ГХЦГ и 7.77 г ДДТ. Выявлены основные закономерности пространственного их распределения в донных отложениях. Показано, что на загрязнение донных отложений основное влияние оказывают воды ручьев, берущих начало у ледника Вардеборг.

4. Предложен эмпирически обоснованный подход к оценке содержания СОЗ в пресноводной среде на основании данных о содержании СОЗ в атмосферных осадках и аэрозолях, выражающийся в составлении балансового уравнения. Установлено, что содержание СОЗ в водах и донных отложениях оз. Биенда-стемме напрямую зависит от их содержания в атмосферных аэрозолях и твердых частицах в снежном покрове.

Публикации. Опубликовано 7 работ по теме исследования, в том числе 2 в изданиях, реферируемых ВАК. Частично результаты исследования вошли в разделы монографии «Состояние и тенденции изменения загрязнения окружающей среды в местах хозяйственной деятельности российских предприятий на архипелаге Шпицберген (пос. Баренцбург и сопредельные территории) за период 2002- годов», опубликованной в 2012 г. (автор включен в список авторов данной монографии).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных и всероссийских конференциях: на IX международной научной конференции «Комплексные исследования природы архипелага Шпицберген» (Мурманск, 12-14 ноября 2009 г.); Х Международной конференции «Природа шельфов и архипелагов европейской Арктики» (Мурманск, 27-30 октября 2010 г.); конференции молодых специалистов «50 лет НПО «Тайфун» (24-26 ноября 2010 г., г.

Обнинск); Ежегодной Всероссийской научно-практической природопользования» (Москва, 21-22 апреля 2011 г.); конференции «Глобальные климатические процессы и их влияние на экосистемы арктических и субарктических регионов» (Мурманск, 9-11 ноября 2011 г.).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы – 117 страниц. Текст работы сопровождается 21 рисунком и таблицами. Список литературы содержит 125 источников, в том числе 110 иностранных.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Объектом исследования - озеро Биенда-стемме (о. Западный Шпицберген), водосборный бассейн озера, питающие его ручьи, а также ручей Васстак, вытекающий из озера. Площадь зеркала озера 0.130 км2, площадь водосборного бассейна - 5.2 км2, максимальный объем 516 тыс. м3, максимальная глубина - 12.8 м, средняя - 4.2 м.

Исходными материалами послужили результаты химикоаналитических исследований проб компонентов пресноводной среды, отобранных в ходе экспедиционных работ СЗФ ФГБУ «НПО «Тайфун» в период с 2002 по 2012 гг.; данные гидрологических наблюдений на озерном посту на оз. Биенда-стемме за 2005-2012 гг.;

данные метеорологических наблюдений на ЗГМО «Баренцбург» за 2005-2012 гг., а также положения и выводы, содержащиеся в статьях и научных трудах зарубежных исследователей в области геоэкологии:

Bailey R., Gregor D., Li Y.F., Mackay D., McKay N., Sunling G., Wania F., и др.;

В качестве приоритетных загрязняющих веществ в данной работе рассмотрены наиболее распространенные СОЗ: ДДТ и его метаболиты ДДЕ и ДДД, -, - и -изомеры ГХЦГ, гекса- и пентахлорбензол, а также группа приоритетных конгенеров полихлорбифенилов. Рассматриваемые соединения являются одними из первых хлорорганических соединений, получивших широчайшее распространение в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства благодаря своим химическим свойствам.

Основные источники поступления стойких органических загрязнителей в компоненты пресноводной среды долины оз. Биендастемме. В начале 80-х годов было установлено, что СОЗ получили глобальное распространение благодаря переносу с атмосферными течениями и потоками, и возможность этого переноса определяется давлением паров каждого отдельного соединения. В настоящее время это доказанный факт, и разработанные модели показывают, что атмосферный перенос является основным путем распространения СОЗ.

Атмосферные осадки являются одним из основных путей выведения СОЗ, находящихся в атмосферном воздухе. В процессе выпадения атмосферные осадки сорбируют атмосферные аэрозоли, содержащие СОЗ, а также поллютанты, находящиеся а воздухе в газообразном состоянии.

С целью оценить объемы СОЗ, переносимых в долину оз. Биенда-стемме с трансграничным воздушным переносом, на основании данных о количестве выпавших осадков, содержании твердых частиц в снежном покрове, содержании СОЗ в атмосферных аэрозолях и концентрациях СОЗ в талом снеге были рассчитаны объемы поллютантов, выпавших на территорию водосборного бассейна озера как за весь период исследований, так и за периоды между проведением наблюдений. В результате проведенных расчетов были получены объемы СОЗ, которые подвергаются трансформации, мигрируют и накапливаются в различных компонентах пресноводной среды исследуемого оз. Биенда-стемме (рис. 1).

Рисунок 1 - Объем поступления ПХБ, ДДТ, ГХЦГ и хлорбензолов с атмосферными аэрозолями и атмосферными осадками (мг/м2) Миграция СОЗ в компонентах пресноводной среды. В данной работе была принята следующая схема миграции стойких органических загрязнителей в компонентах пресноводной среды исследуемой территории: ледник снежный покров (как сезонный, так и постоянный) ручьи (временные/сезонные водотоки) озеро Биенда-стемме ручей Васстак залив Грёнфьорд (приемный водоем).

Оз. Биенда-стемме расположено в межгорной котловине на западном берегу зал. Гренфьорд, в 2.7 км от берега, на высоте 85.1 м над у.м. Уровенный режим характеризуется подъемом (восстановлением) уровня в период снеготаяния (в течение первой декады июня) и постепенным падением его в зимний период (начиная с третьей декады сентября). Подъем уровня осуществляется за счет таяния снежного покрова в весенне-летний период. Максимальная высота поднятия уровня определена нивелировкой по характеру деятельности высоких вод на отметке 85.5 м. Свободный ото льда период колеблется от 55 до 68 дней.

Озеро Биенда-стемме является, по сути, приемным водоемом для СОЗ, поступающих на территорию его водосборного бассейна, при этом представляет собой важную «проходную» среду преобразования и перераспределения загрязняющих веществ. Так, время нахождения загрязнителей в водах озера значительно выше, чем время прохождения ими ручья Васстак и ручьев, питающих озеро. В этот период происходит частичная трансформация компонентного состава стойких органических загрязнителей, а также перераспределение их между средами (вода водные взвеси атмосферный воздух).

Концентрации основных групп стойких органических загрязнителей в водах озера колеблются в относительно узких пределах, что позволяет работать со средними и медианными значениями, исследуя их межгодовую и межсезонную изменчивость:

ПХБ – от 0.05 до 5.13 нг/л (среднее 0.98 нг/л); ДДТ – от 0.0 до 0. нг/л (среднее 0.21 нг/л); ГХЦГ – от 0.0 до 1.1 нг/л (среднее 0.20 нг/л);

ХБ – от 0.0 до 0.51 нг/л (среднее 0.06 нг/л).

В целом, наибольшие концентрации стойких органических загрязнителей приурочены к местам впадения в озеро питающих его ручьев (2 ручья, берущих начало с ледника Вардеборг и 1 ручей, берущий начало с ледника Веринг), опробованных в ходе осенней экспедиции 2012 г. На рисунке 2 представлена карта-схема озера с нанесенными точками отбора проб и гистограммами, отражающими концентрации основных групп СОЗ в водных взвесях опробованных ручьев, а также во взвесях озера Биенда-стемме. Эти три ручья, не пересыхающие в летнее время, и имеющие постоянный сток в теплое время года, являются основными источниками питания озера Биендастемме в летний период. Большая часть талых вод, поступающих с водосборного бассейна озера, также проходит по руслам данных ручьев.

Рисунок 2 - Концентрации основных групп СОЗ в водных взвесях ручьев, питающих оз. Биенда-стемме, а также во взвесях озера Ручей Васстак, берущий начало из оз. Биенда-стемме, был обследован в сентябре 2011 года: была отобрана серия проб водных взвесей для определения содержания в них основных групп СОЗ с попутным измерением расходов воды и основных гидрохимических параметров вод ручья. Именно взвеси, сорбируя на своей поверхности молекулы поллютантов, осуществляют их миграцию в водном потоке, а также осаждение и накопление в морских и пресноводных донных отложениях.

На рисунке 3 приведены графики, отражающие изменение концентраций исследуемых СОЗ во взвешенных в воде частицах от истока к устью ручья Васстак. Очевидно, что для всех изучаемых групп СОЗ наблюдается схожий характер изменения их концентраций в водных взвесях. Накопление СОЗ во взвесях происходит по мере увеличения числа впадающих притоков, с которыми растет водосборная площадь ручья. Максимум концентраций всех соединений за исключением ГХЦГ наблюдается на замыкающем створе, расположенном в полукилометре от устья ручья. Для отображения характера переноса ЗВ по течению ручья графики дополнены линиями трендов, наглядно показывающими направленность изучаемых процессов.

Рисунок 3 - СОЗ в водных взвесях оз. Биенда-стемме и р. Васстак с нанесенными линиями трендов их изменения от истока к устью Среди других факторов, потенциально влияющих на характер миграции СОЗ, следует отметить гидрохимические параметры:

удельную электропроводность и величину водородного показателя рН.

Удельная электропроводность, являющаяся характеристикой солености воды возрастает по мере продвижения от озера к устью ручья Васстак, тогда как величина рН, наоборот, уменьшается.

Эмпирические закономерности миграции СОЗ в составе водных взвесей. Полученные данные химико-аналитических, гидрологических и гидрохимических исследований позволяют рассчитать некоторые количественные закономерности миграции СОЗ в водных взвесях ручья Васстак.

В данные расчеты были включены полициклические ароматические углеводороды, т.к. по своим свойствам и поведению в компонентах пресноводной среды они близки хлорорганическим соединениям и пестицидам.

Составлена достаточно сложная схема расчета, включающая в себя несколько этапов. Для всех групп исследуемых соединений рассчитаны коэффициенты корреляции, характеризующие изменения их суммарного содержания в зависимости от изменения гидрохимических (рН, Еh, УЭП) и гидрологических параметров (площадь водосборного бассейна и расстояние от устья). Полученные коэффициенты умножены на соотношение конечного и начального значений соответствующего параметра (для тех параметров, изменение величин которых носит обратный характер, был произведен обратный расчет: отношение начального значения к конечному).

Полученные произведения для всех параметров (всего произведений для каждой группы СОЗ) были просуммированы, и было рассчитано среднее значение. Среднее значение было прологарифмировано по десятичному основанию и умножено на сумму произведений. Полученное в итоге значение сравнивалось с отношением конечной и начальной концентрации суммы отдельной группы СОЗ. В итоге для всех групп СОЗ был выведен эмпирический коэффициент n, который максимально сближал сравниваемые величины - 1/1.6.

Формула расчета выглядит следующим образом:

Wpi2 / Wpi1 = lg [(j1 kij1 +... + j5 kij5)/5] (j kij) n, где:

Wpi2 - конечная концентрация суммарного содержания i-го компонента в водных взвесях, нг/мг;

Wpi1 - начальная концентрация суммарного содержания i-го компонента в водных взвесях, нг/мг;

j - изменение j-го параметра по течению ручья, рассчитываемое как отношение начального к конечному значению, или наоборот;

kij - коэффициент корреляции, характеризующий изменения суммарного содержания i-го компонента в зависимости от изменения j-го параметра, принятые за постоянную величину.

На рисунке 4 приведены расчетные и фактические данные изменения концентраций отдельных групп СОЗ во взвесях ручья Васстак в зависимости от изменения гидрохимических и гидрологических параметров. Также на диаграмме отображены 10%ные погрешности каждой величины, что помогает наглядно сравнивать данные.

Как видно из приведенной диаграммы, для всех исследуемых групп СОЗ, кроме ГХЦГ, расчетные данные практически совпадают с фактически наблюденными. Это говорит о том, что, несмотря на сложность и, на первый взгляд, неочевидность расчетов, они верны, и данная формула может быть положена в основу расчетам закономерностей миграции СОЗ во взвешенных частицах пресноводных водотоков архипелага Шпицберген, сравнимых с ручьем Васстак по своим гидрологическим и гидрометрическим характеристикам.

Рисунок 4 - Расчетные и фактические данные величинами будут изменения концентраций отдельных групп уменьшаться. Для расширение существующей программы мониторинга на арх.

Шпицберген.

Таким образом, зная концентрации и компонентный состав стойких органических загрязнителей во взвешенных частицах вод ручья Васстак в его истоке, можно с достаточно высокой точностью рассчитать их концентрации при впадении в залив Грёнфьорд.

Полученные закономерности позволят в будущем разработать модель миграции СОЗ в водных объектах архипелага Шпицберген, а позже всего арктического региона.

Аккумуляция СОЗ в донных отложениях оз. Биенда-стемме.

Среди всех исследуемых компонентов пресноводной среды озерные донные отложения являются основным аккумулятором загрязняющих веществ, для которых характерно накопление во взвесях и аэрозолях.

Согласно классификации почв и грунтов по гранулометрическому составу, донные отложения оз. Биенда-стемме относятся к мелким пескам с включениями гравия и щебня (диаметр частиц 10-200 мм).

Преобладающая фракция - тонкие пески (0.05-0.10 мм) и крупная пыль (0.01-0.05 мм).

Исследования на озерах Шпицбергена показали, что для водных объектов, схожих по своим характеристикам с оз. Биенда-стемме, скорости осадконакопления составляют 1.16 мм/год, средние объемы осадконакопления - 0.38 г/см2 в год. Используя эти величины, был рассчитан объем накопленных донных отложений с 1952 по 2012 гг., составивший 22.8 г/см2, или 228 кг/м2. Таким образом, объем накопленных за этот период осадков для всей акватории озера составил 29 640 т. В таблице 1 приведены расчетные данные об объемах СОЗ, содержащихся в толще донных отложений оз. Биендастемме, полученные по медианным значениям концентраций соответствующих соединений за период 2002-2012 гг.

содержащихся в донных органических загрязнителей в отложениях оз. Биенда-стемме донных отложениях служит Соединение Содержание, г являющегося объектом хозяйственной деятельности, и в увеличении доли метаболитов и изомеров данного соединения в общей сумме. Так для ГХЦГ соотношение -изомера к сумме - и -изомеров говорит о давности загрязнения и удаленности источника загрязнения.

Аналогичные соотношения применимы и к ДДТ, и к полихлорбензолам. Для ПХБ характеристикой изменения изначального состава смеси является уменьшение доли менее хлорированных конгенеров.

В целом, по мере удаления от источника загрязнения или источника поступления СОЗ в пресноводную среду наблюдаются следующие закономерности:

уменьшение доли -ГХЦГ в общей сумме изомеров;

уменьшение доли метаболитов 2,4 и 4,4-ДДТ по отношению к сумме метаболитов ДДД и ДДЕ в общей сумме метаболитов;

уменьшение доли гексахлорбензола по отношению к пентахлорбензолу в общей сумме;

уменьшение доли ди-, три- и тетрахлорбифенилов в общей сумме ПХБ.

На рисунке 5 приведены карты-схемы, отражающие описанные выше соотношения, характеризующие изменение компонентного состава отдельных групп СОЗ в донных отложениях озера Биендастемме по данным за 2002-2012 гг. Для наглядности на схемах нанесены изобаты, а также отмечены места впадения ручьев, питающих озеро и исток ручья Васстак.

% содержания три- и тетрахлорбифенилов Гексахлорбензол / Пентахлорбензол Рисунок 5 - Соотношения, характеризующие изменения компонентного состава СОЗ в донных отложениях оз. Биенда-стемме Закономерности распределения СОЗ в компонентах пресноводной среды. Схема поступления и распределения СОЗ в компонентах природной среды долины оз. Биенда-стемме, принятая за рассмотрение в данной работе, состоит из следующих элементов:

Поступление СОЗ с атмосферными осадками (с учетом содержания взвесей в выпадающем снеге);

Поступление СОЗ в составе атмосферных аэрозолей;

Содержание СОЗ в водах озера в растворенной форме;

Содержание СОЗ во взвешенных частицах в водах озера;

Содержание СОЗ в донных отложениях озера (с учетом скорости осадконакопления).

Эта простая схема позволяет, оперируя имеющимися данными натурных гидрологических и метеорологических наблюдений, а также полученными данными об объемах содержания отдельных групп стойких органических загрязнителей в компонентах пресноводной среды долины озера Биенда-стемме, составить некоторое уравнение баланса, отражающее распределение СОЗ, поступивших с трансграничным переносом, в исследуемых средах (вода, водные взвеси, донные отложения).

За расчетный период при проведении калькуляций был принят промежуток между датами проведения летне-осенних пробоотборных работ в районе озера Биенда-стемме. Площадь водосборного бассейна озера Биенда-стемме была принята за 4.6 км2. Скорость осадконакопления в озере была принята за 380 мг/м2 в год, площадь зеркала озера - 130 000 м2. Данные о концентрации взвешенных частиц в водах озера Биенда-стемме были получены в результате химикоаналитических исследований проб вод.

Балансовые уравнения были составлены для расчетных периодов с 2005 по 2012 гг., так как именно за этот период имеются достоверные данные метеорологических и гидрологических наблюдений, позволяющие проводить расчеты объемов содержащихся в природной среде отдельных групп стойких органических загрязнителей.

В общем виде данное балансовое уравнение можно представить следующим образом:

Ps - объем СОЗ, поступивших с выпавшим снегом,мг/м2;

Pw - объем СОЗ, поступивших с выпавшими жидкими атмосферными осадками, мг/м2;

Ap - объем СОЗ, выпавших в составе атмосферных аэрозолей, мг/м2;

St - площадь водосборного бассейна оз. Биенда-стемме, м2;

Wp - СОЗ, содержащиеся во взвешенных в воде озера частицах, мг/л;

Wd - СОЗ, содержащиеся в водах озера в растворенной форме, мг/л;

Wv - объем озера, л;

Bs - объем СОЗ, содержащихся в донных отложениях, мг;

D - разница, характеризующая «невязку» балансового уравнения.

Некоторые из элементов данного балансового уравнения рассчитывается по отдельной формуле. Ниже приведены выражения, по которым были рассчитаны объемы содержания отдельных групп СОЗ в различных компонентах природной среды.

R – объем выпавших за расчетный период осадков, л/м2;

Csi – концентрация i-го соединения в талом снеге, нг/л;

Cspi – концентрация i-го соединения в твердых частицах, содержащихся в снеге, нг/мг;

Csp – концентрация взвешенных частиц в снеге, мг/л.

R – объем выпавших за расчетный период осадков, л/м2;

Cwi – концентрация i-го соединения в грунтовых водах, нг/л Vp – скорость осаждения частиц, м/с;

Cpi – концентрация i-го соединения в атмосферных аэрозолях в пересчете на объем воздуха нг/м3;

Т – длительность расчетного периода, с Cpi - концентрация i-го соединения во взвешенных частицах, нг/мг;

Csm - концентрация взвешенных частиц в водах озера, мг/л Cbsi - концентрация i-го соединения в донных отложениях, нг/мг Vs - скорость осадконакопления, г/м2 в год SL - площадь зеркала озера, м Таким образом, зная концентрации стойких органических загрязнителей во всех исследуемых компонентах пресноводной среды, можно составить уравнения баланса для каждого расчетного периода.

Если представить данное выражение в виде уравнения вычитания, то полученная разница между левой и правой частями уравнения (D) будет являться своеобразным поправочным коэффициентом, учитывающим все факторы, не принимавшиеся во внимание при составлении уравнения. К ним можно отнести, помимо перечисленных выше, погрешности измерения, погрешности при отборе проб, такие как, например, недавно выпавшие атмосферные осадки, резкие изменения атмосферного давления, сильный ветер и т.п. По мере накопления большего объема данных, данный коэффициент будет уточняться и претерпевать все меньшие и меньшие изменения от года к году. В таблице 2 приведены средние значения левой и правой частей уравнения, а также приведена разница между ними (как отношение левой части уравнения к правой).

Таблица 2 - Средние значения положительной и отрицательной частей балансового уравнения за 2005-2012 гг. и разница между ними Группа Как видно из приведенных данных, разница между положительной и отрицательной составляющими балансового уравнения в большинстве случаев положительная, и не превышает 10% в абсолютном выражении для каждой отдельно взятой группы СОЗ. Отрицательная разница между двумя частями уравнения может говорить как раз о влиянии каких-либо неучтенных факторов.

Распределение СОЗ между различными компонентами пресноводной среды, характеризуется тем, что большая часть исследуемых загрязняющих веществ входит в состав водных взвесей (твердых частиц). Объем содержащихся в них СОЗ составляет более 90% от суммы СОЗ, содержащихся в воде, донных отложениях и взвесях. Этот факт обусловлен исключительно природой самих хлорорганических соединений: в силу низкой растворимости в воде, они тяготеют к сорбции твердыми частицами, и в ничтожно малых объемах представлены в растворенной или газообразной форме.

Так, для атмосферного воздуха и атмосферных осадков содержание СОЗ в твердых частицах в большинстве случаев превышает 75%, чаще находясь в пределах 90-95%. Для компонентов пресноводной среды наблюдаются те же закономерности: объемы содержания СОЗ в водных взвесях составляют больше 90%, а в большинстве случаев - больше 95% от общего объема СОЗ, содержащихся в озере Биенда-стемме.

Миграция СОЗ в компонентах пресноводной среды долины оз. Биенда-стемме определяется изменением компонентного состава каждой отдельной группы СОЗ. Решающее значение имеет изменение относительного содержания в общей сумме начального поллютанта, трансформация которого приводит к образованию метаболитов и изомеров.

Для полихлорбензолов и изомеров ГХЦГ характерно увеличение относительного содержания начального продукта (гексахлорбензола и -ГХЦГ соответственно) в следующем порядке: снежный покров воды озера водные взвеси донные отложения.

В отношении ДДТ и ПХБ наблюдаются обратные закономерности: наибольшие содержания неизмененных поллютантов характерны для атмосферных аэрозолей, твердых частиц в снежном покрове и для самого снега. Тогда как в пресноводной среде возрастание доли трансформированных СОЗ происходит в следующем порядке: воды озера водные взвеси донные отложения.

Таким образом, можно сказать. что, несмотря на общие черты количественных изменений и закономерностей распределения СОЗ в компонентах пресноводной среды, качественные изменения по мере перемещения из одной среды в другую определяются природой самого загрязнителя и зависят от физико-химических свойств каждого отдельного соединения. Общие черты отмечены для полихлорбензолов и изомеров ГХЦГ, а также для метаболитов ДДТ и конгенеров ПХБ.

ВЫВОДЫ

Анализ результатов химико-аналитических исследований проб за 2002-2012 гг., исследования, выполненные за 2009-2012 гг., а также собранные в ходе проведения исследования литературные данные, позволяют сделать следующие выводы:

1. Выявлены основные пути поступления и описаны процессы, способствующие переносу стойких органических загрязнителей в исследуемый район (о. Западный Шпицберген). Основным процессом, отвечающим за перенос СОЗ, является трансграничный воздушный перенос, и особенно выделяется поступление СОЗ с атмосферными аэрозолями, содержащими большую часть поллютантов. Процесс трансграничного переноса не имеет какой-либо ярко выраженной динамики, и определяется климатическими характеристиками всего арктического региона и микроклиматическими характеристиками района проведения исследований.

2. Рассчитаны объемы стойких органических загрязнителей, поступающих в долину оз. Биенда-стемме с атмосферными осадками и аэрозолями. Получены сезонные, годовые и общие за весь период наблюдений значения. Так, за весь период наблюдений 2002-2012 гг.

на 1 м2 водосборного бассейна оз. Биенда-стемме выпало 0.112 мг ПХБ, 0.054 мг полихлорбензолов, 0.036 мг ГХЦГ и 0.054 мг ДДТ.

Знание этих объемов является ключевым в изучении всех процессов распределения, миграции и накопления СОЗ в компонентах пресноводной среды исследуемого района. Использованный в работе метод расчета достаточно универсален и может быть использован при проведении аналогичных исследований в арктических широтах.

3. Описаны изменения концентраций отдельных групп СОЗ в водах оз. Биенда-стемме, показана динамика изменений во времени, а также в пределах акватории озера. В целом, наибольшие концентрации стойких органических загрязнителей приурочены к местам впадения в озеро питающих его ручьев, а также в району истока ручья Васстак.

Это говорит о том, что основная масса СОЗ поступает в воды озера именно из ручьев, несущих талые воды с ледников и снежников.

4. На примере исследований проб вод ручья Васстак показано, что СОЗ, попадающие в пресноводную среду, мигрируют в составе взвешенных в воде частиц, и процесс их миграции зависит от гидрометрических, гидрологических и гидрохимических характеристик водотока. Предложено эмпирическое уравнение, позволяющее рассчитывать отношение начальных и конечных концентраций отдельных групп СОЗ в зависимости от перечисленных параметров.

5. На основании литературных данных и результатов химикоаналитических исследований проб донных отложений за 2002-2012 гг.

рассчитаны объемы СОЗ, накопленных в донных отложениях оз. Биенда-стемме, а также выявлены основные закономерности пространственного распределения поллютантов в донных отложениях.

Получены следующие величины объемов СОЗ, содержащихся во всей толще донных отложений оз. Биенда-стемме: 95.27 г ПХБ, 3.76 г полихлорбензолов, 7.49 г ГХЦГ и 7.77 г ДДТ. Показано, что на загрязнение донных отложений основное влияние оказывают воды ручьев, берущих начало у ледника Вардеборг.

6. Подробно рассмотрены закономерности распределения СОЗ в компонентах пресноводной среды. Установлено, что основной средой миграции и накопления СОЗ являются аэрозоли и водные взвеси, содержащие, в среднем, более 90% объемов всех СОЗ. Также описаны механизмы изменения компонентного состава отдельных групп стойких органических загрязнителей по мере их миграции в пресноводной среде изучаемого объекта. Общие черты трансформации характерны для полихлорбензолов и ГХЦГ, а также - для ДДТ и ПХБ.

7. Предложен эмпирически обоснованный подход к оценке содержания СОЗ в пресноводной среде (суммарно в воде, водных взвесях и донных отложениях озера) на основании данных о содержании СОЗ в атмосферных осадках и аэрозолях, выражающийся в составлении балансового уравнения. Установлено, что содержание СОЗ в водах и донных отложениях оз. Биенда-стемме напрямую зависит от их содержания в атмосферных аэрозолях и твердых частицах в снежном покрове. Погрешность расчета по данному методу составляет до ±10%, что позволяет рассматривать его к дальнейшему совершенствованию и развитию. Позже данный принцип, на котором основан описанный расчет, может быть заложен в основу методики оценки загрязненности малоизученных и труднодоступных водоемов Арктики.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

:

Статьи в изданиях из списка, рекомендованного ВАК:

1. Лалетин Н.А., Большиянов Д.Ю., Граевский А.П.

Гидрохимическая характеристика и особенности состава вод озера Биенда-стемме (о. Западный Шпицберген) // Вода. Химия и экология.

2012. – № 7. – с. 18-22.

2. Лалетин Н.А. Миграция стойких органических загрязнителей в пресноводных объектах о. Западный Шпицберген (оз. Биенда-стемме и руч. Васстак) // Вода. Химия и экология. 2013. – № 2. – с. 109-114.

3. Демин Б.Н., Граевский А.П., Власов С.В., Демешкин А.С., Крылов С.С., Лалетин Н.А. Состояние и тенденции изменения загрязнения окружающей среды в местах хозяйственной деятельности российских предприятий на архипелаге Шпицберген (пос. Баренцбург и сопредельные территории) за период 2002-2010 годов // СанктПетербург: ФГБНУ «НПО «Тайфун», 2011. – 315 с.: ил.

4. Демин Б.Н., Демешкин А.С., Граевский А.П., Лалетин Н.А.

Состояние загрязненности природной среды пос. Баренцбург и сопредельных территорий хлорорганическими соединениями // Материалы IIV Всероссийской школы по морской биологии и IX международной научной конференции «Комплексные исследования природы архипелага Шпицберген» (Мурманск, 12-14 ноября 2009 г.).

М.: ГЕОС, 2009.

5. Демин Б.Н., Демешкин А.С., Лалетин Н.А. Особенности динамики загрязнения снежного покрова и почв в районе пос.

Баренцбург (арх. Шпицберген) полихлорированными бифенилами по результатам исследований 2007-2009 гг. // Материалы международной научной конференции (Мурманск, 27-30 октября 2010 г.). Выпуск 10. – М.: ГЕОС, 2010.

6. Лалетин Н.А. Особенности загрязнения снежного покрова полихлорированными бифенилами (ПХБ) в районе пос. Баренцбург (арх. Шпицберген) по результатам исследований 2009-2010 гг.// Тезисы докладов конференции молодых специалистов «50 лет НПО «Тайфун» 24-26 ноября 2010 г., г. Обнинск, ГУ НПО «Тайфун»».

Обнинск: ООО «Принт-Сервис», 2010.

7. Граевский А.П., Лалетин Н.А. Комплексный мониторинг загрязнения озера Биенда-стеммев (о. Западный Шпицберген) стойкими органическими загрязнителями // «Актуальные проблемы экологии и природопользования» Сборник научных трудов. Выпуск 13. – М.: РУДН, 2011 – Ч. 1 – с. 412-418.

8. Демин Б.Н., Демешкин А.С., Лалетин Н.А. Закономерности формирования полей концентрации загрязняющих веществ в различных природных средах архипелага Шпицберген // Тез. докл.

Междунар. науч. конф.. (г. Мурманск, 9-11 ноября 2011 г.) – Апатиты:

Изд-во Кольского научного центра РАН, 2011. – с. 36-38.

Автор выражает глубокую признательность за оказанную помощь и консультации всем сотрудникам отдела экологического мониторинга СЗФ ФГБУ «НПО «Тайфун».