№ AP09260361 ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ ДЕПОНИРУЮЩИХ СРЕД ТЕРРИТОРИИ ДЕЛЬТЫ РЕКИ ИЛЕ И ГОСУДАРСТВЕННОГО ПРИРОДНОГО РЕЗЕРВАТА

краткий отчет

О НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЕ

ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ ДЕПОНИРУЮЩИХ СРЕД ТЕРРИТОРИИ ДЕЛЬТЫ РЕКИ ИЛЕ И ГОСУДАРСТВЕННОГО ПРИРОДНОГО РЕЗЕРВАТА

«ИЛЕ-БАЛКАШ»

Выполненный в рамках грантового финансирования № AP09260361

Объектом исследования является территория, прилегающая к дельте реки Иле, в т.ч. Государственного природного резервата «Иле-Балкаш».

Цель работы – дать комплексную геоэкологическую оценку загрязнения природных сред токсичными соединениями по результатам мониторинга депонирующих сред (снежного и почвенного покрова) территории прилегающей к дельте реки Иле, в т.ч. территории Государственного природного резервата «Иле-Балкаш».

В процессе исследования применялись химико-аналитический, хроматографический, атомно-абсорбционный, картографический методы, системный, сравнительный анализ, компьютерные технологии для обработки информации.

В 2022 г. представлены методическая база данных по химическим и токсикологическим показателям природных сред (снежного покрова и почвы) исследуемой территории.

Методическая база химизма природных сред и распределения токсических веществ на исследуемой территории

Определение количества поступлений загрязняющих веществ на единицу площади. Поступление химических элементов на подстилающую поверхность рассчитывают с учетом запасов снежного покрова. Запас воды в снежном покрове определяется по формуле (1):

(1)

где g – средняя плотность снега по данным снегосъемки на полевом маршруте за ту же дату;

h – средняя высота снежного покрова в балках, вычисленная делением суммы высот измерений на общее число точек определения высоты.

Произведение gh умножается на 10 для перевода данных расчета в миллиметры.

Также оценку загрязнения проводят с использованием данных о массовой концентрации каждого компонента в снеге на единицу площади путем пересчета по следующей формуле (2):

(2)

где, P – масса определяемого компонента, поступившего на единицу площади поверхности земли за весь период сохранения СП, г/м² или мг/м²;

Cm – массовая концентрация компонента в талой воде, мг/дм³ или мкг/дм³;

V – объем талой воды всей пробы, дм³;

S – площадь внутреннего поперечного сечения трубы для отбора проб снега, см²;

n – число кернов снежного покрова, отобранных в данной точке;

10 – коэффициент для согласования размерности.

Ранжирование территории по степени загрязнения. Оценка переноса загрязняющих веществ по полученным результатам исследования о состоянии загрязнения снежного покрова и почв, дает возможность ранжировать рассматриваемую территорию по степени загрязнения. Оценка степени загрязнения территории будет рассчитана одним из характеристик загрязнения почвы и СП, которые являются суммарными показателями загрязнения (Zc), что определяется степенью накопления загрязняющего вещества по сравнению с фоновой точкой. Фоновые точки будут выбраны по всей исследуемой территории, не подвергающейся загрязнению или испытывающего его в минимальной степени отдельно по каждому металлу.

В то же время, фоновый подход к оценке степени загрязненности СП имеет ряд недостатков, поскольку произволен выбор участка для отбора проб, значения фоновых показателей зависят от характера метеоусловий и ежегодно изменяются в связи с полной сменой СП (в наших исследованиях фоновые показатели отдельных металлов различных лет отличались в несколько раз), отсутствует возможность определить реальное количество загрязняющего вещества на единице территории.

Расчет суммарного показателя загрязнения по почве и СП проводили по следующим формулам (3), (4):

	(3)
	(4)

где, Кс – коэффициент концентрации загрязняющего вещества;

Ci – концентрация загрязняющего вещества;

Cф – концентрация загрязняющего вещества в фоновой точке;

n – число определяемых элементов.

На основе полученных суммарных показателей загрязнения почв и снега будут построены карты распределения металлов по территории. Интервалы градаций при построении карт были приняты согласно оценочным шкалам и были выделены четыре уровня загрязнения (таблица 1).

Оценка опасности загрязнения снега и почвы ТМ по соответствующим показателям, отражающим дифференциацию загрязнения рассматриваемой территории, будет проводится по ориентировочным оценочным шкалам (таблицы 2,3).

Таблица 1 – Уровни загрязнения СП (Zc) и почв (Zc) металлами

Таблица 2 – Ориентировочная оценочная шкала опасности загрязнения СП по суммарному показателю загрязнения (Zc)

Таблица 3 – Ориентировочная оценочная шкала опасности загрязнения почв по суммарному показателю загрязнения (Zc)

Для оценки контрастности и экологической опасности техногенных ореолов ТМ в почвах используется несколько подходов. Индикация загрязнения, как и для воздуха и снега, основывается в первую очередь на сопоставлении загрязненных городских почв с их фоновыми аналогами. Это достигается расчетом коэффициента техногенной концентрации или аномальности (Кс), показывающего, во сколько раз содержание элемента в городских почвах выше его содержания в фоновых почвах. Коэффициент Кс отражает интенсивность загрязнения, но не указывает непосредственно на его опасность.

Сбор полевых материалов. В целях сбора фактического материала был организован полевой выезд сотрудников лаборатории по отбору проб снега в период с 17 февраля по 18 марта, почвы и речных вод в период с 04 апреля по 03 мая т.г., на установленных точках.

Согласно Календарному плану выполнен ежемесячный (январь-июнь) суммарный отбор проб атмосферных осадков на геоэкологическом стационаре «Аркар». Проводимые наблюдения включали отбор проб Ао, СП для анализа физико-химических параметров (взвешенные вещества, рН, органические вещества (по перманганатной окисляемости), минерализация), ТМ (Cu, Zn, Pb, Cd, Co, Ni) и ПХБ с конгенерным составом, которые также определялись в пробах почвы. Для общей оценки экологического состояния исследуемой территории помимо проб Ао, снега и почвы, были отобраны 8 проб воды.

Методика отбора проб. Измерение Ао производилось с помощью осадкомера Третьякова. Основной частью этой установки является сосуд, куда собирают осадки, защита Нифера от ветра, предназначенная для уменьшения завихрения как вокруг сосуда, так и внутри него. Ослабить завихрения у ведра необходимо потому, что сильные завихрения могут привести к ошибкам в измерении количества осадков, особенно твердых. Завихрения могут мешать свободному попаданию осадков в ведро, что приведет к занижению результатов измерения; они могут также привести к надуванию твердых осадков (снежинок) в ведро с окружающих предметов и подстилающей поверхности, что может завысить результаты измерений. Сосуд (ведро) для сбора осадков имеет строго определенную приемную площадь 200 см² с планочной защитой.

Для изучения физико-химических параметров, уровня накопления в СП ТМ и ПХБ отбор проб проводился на открытой ровной площадке, попутно с проведением измерений плотности снега и влагозапаса на снегомерном маршруте. Отбор проб снега проводили методом шурфа на всю мощность СП, за исключением 5-и см слоя над почвой, на площади 1х1 м² в полиэтиленовые мешки. Размеры шурфа замеряли по длине и ширине для расчета площади, на которую проектируются выпадения из атмосферы. При отборе проб по методике исключаются попадание в пробу посторонних веществ, как в момент отбора, так и во время их хранения и транспортировки в лабораторию. В связи с тем, что содержание растворенных в осадках веществ невелико и измеряется миллиграммами или даже долями миллиграмма в 1 дм³ воды, требуется строгое соблюдение условий отбора, хранения и анализа проб.

Доставленные в лабораторию пробы до их обработки хранили при температуре –5...–15 ^оС. Для таяния снега пробу на ночь помещали в предварительно подготовленные тары. Отстоявшуюся пробу фильтровали через бумажный фильтр с белой лентой для дальнейшего химического и токсикологического анализа.

Отбор почвенных проб проводили на тех же постоянных точках после снеготаяния, и выполнялся на пробной площадке из одного или нескольких слоев, или горизонтов методом конверта, по диагонали с таким расчетом, чтобы каждая проба представляла собой часть почвы, типичной для генетических горизонтов или слоев данного типа почвы. Необходимым условием при отборе проб почвы является предохранение их от вторичных загрязнений на всех этапах подготовки. Пробы почвы, предназначенные для определения ТМ, отбирали инструментом, не содержащим металлов.

Объединенную пробу составляли путем смешивания точечных проб, отобранных на одной пробной площадке. Для химического анализа объединенную пробу составляли не менее чем из пяти точечных проб, взятых с одной пробной площадки. Масса объединенной пробы была не менее 1 кг. Для контроля загрязнения поверхностно распределяющимися, загрязняющими веществами (тяжелые металлы, ПХБ) – точечные пробы отбирали послойно с глубины 0-5 и 5-20 см массой не более 200 г каждая. Пробы почвы для химического анализа высушивали до воздушно-сухого состояния. Воздушно-сухие пробы хранили в матерчатых мешочках, в картонных коробках или в стеклянной таре.

Методика химико-токсикологического анализа. Анализы физико-химических показателей Ао, СП и воды были проведены в соответствии с современными общепринятыми методическими руководствами и ГОСТами.

После таяния снега в получившейся воде сразу же определяли рН, органические вещества по перманганатной окисляемости, количество взвешенных веществ и минерализацию. Для определения рН использовали портативный измеритель pH/EC/TDS/температуры Hi9811-5 (фирмы «Hanna»).

В процессе реализации проекта для визуального определения гранулометрического состава почв воспользовались таблицей «Признаки для определения гранулометрического вида пород (по М.М. Филатову)», приведенной в работах В. Д. Ломтадзе.

Для определения химических веществ в почвенных пробах в лаборатории каждую отобранную пробу рассыпали на бумаге или кальке, сушили до воздушно-сухого состояния, затем разминая пестиком крупные комки, предварительно очищали от включений (камней, веток и других инородных частиц). Методом квартования почву массой 0,2 кг растирали в ступке пестиком и просеивали через сито с диаметром отверстий 1 мм. Из полученной воздушно-сухой пробы почвы отбирали навеску с массой около 5,0 г. Для определения подвижных форм металлов использовался метод (РД 52.18.289-90) обработки почвы ацетатно-аммонийным буферным раствором с рН 4,8 и последующим определением металлов в полученном растворе атомно-абсорбционным анализом. Тяжелые металлы в пробах определяли пламенным атомно-абсорбционным спектрометрическим методом с предварительной обработкой проб на атомно-абсорбционном спектрофотометре АА-7000 фирмы Shimadzu (Япония). При спектрометрическом определении металлов для построения калибровочных графиков с коэффициентами корреляции r=0,99 использованы Государственные стандартные образцы (ГСО): стандартный образец состава водного раствора ионов меди (3К-1) ГСО 7998-93; стандартный образец состава водного раствора ионов цинка (4К-1) ГСО 7837-2000; стандартный образец состава водного раствора ионов свинца (2К-1) ГСО 7012-93; стандартный образец состава водного раствора ионов кадмия (1К-1) ГСО 6690-93; стандартный образец состава водного раствора ионов кобальта (8К-1) ГСО 8089-94; стандартный образец состава водного раствора ионов никеля (6К-1) ГСО 7873-2000.

Государственные стандартные образцы и калибровочные графики необходимы для достоверности полученных результатов, т.е. содержания тяжелых металлов в отобранных пробах исследуемой территории.

Для хроматографического анализа проводили экстрагирование проб Ао, талого снега, воды и почвенных проб n-гексаном на ПХБ. Около 50 мл экстракта с каждой пробы были анализированы в аккредитованной испытательной лаборатории «Нутритест».

Определение ПХБ проводилось согласно СТБ ИСО 6468-2003 на газовом хроматографе «Хромос ГХ-1000» с программным обеспечением, электронно-захватным детектором (ДЭЗ) и использованием капиллярной колонки длиной 30 м × 0,32 мм. Условия хроматографирования: температура колонки 220 ^°С, температура испарителя 240 ^°С, температура детектора 300 ^°С, расход газа-носителя (азот «осч») – 38 мл/мин. В качестве стандарта использовали ГСО состава раствора Совола в гексане, представляющего собой смесь ПХБ-52, ПХБ-101, ПХБ-138, ПХБ-153 и сумму тетра-, пента и гексахлорбифенилов.

Основные результаты исследования. В разделе «Материал и методика» представлены сведения об объемах, собранных и анализированных образцов из природных объектов исследуемой территории, о методах анализов и использованных при полевых и лабораторных исследованиях современных физических приборах.

Кислотность осадков в зимний период слабокислые рН 6,3, что в свою очередь влияет на химический состав речной и озерной воды, также снежного покрова. По ионно-солевому составу речная и озерная вода относится к сульфатному классу натриевой группы.

В содержании тяжелых металлов в атмосферных осадках превышения нормативов ПДК_хб регистрируются по кадмию 9,8 раза, в воде превышающие ПДК_рх были характерны для меди до 6,9 раза, цинка 1,2 раза, свинца 1,5 раза, кобальта 5,2 раза, никеля до 7,4 раза. Нормативы ПДК_хб были превышены лишь по кадмию до 5,1 раза. Загрязненной металлами оказалась вода р. Иле (отбор был произведен у моста им. Д. Кунаева) и р. Куйган.

В снежном покрове регистрируются превышения ПДК_рх: в среднем, по меди до 7,1 раза, цинку до 1,8 раза, свинцу до 1,5 раза, кобальту до 7,1 раза, никелю до 4,1 раза.

Заметный рост карбонатности наблюдается в почвах от рН-8,5 до рН-8,8, и варьирует в пределах от 7,9 до 9,9, что указывает на постепенное засоление почв по всей исследуемой территории. Определение гранулометрического состава почв территории усложняется подвижностью верхнего почвенного слоя, т.к. на большей части территории обнаружено движение песков, которые передвигаются в виде барханов и ветропесчаного потока. Законы их передвижения изучены недостаточно, соответственно меры защиты от их надвигания разработаны слабо. Таким образом, определенный гранулометрический состав почв в 2021 г. изменился полностью. Анализ данных показал локальные загрязнения почв медью до 2,5 раза, кобальтом до 2,9 раза и никелем до 1,0 раза превышающие ПДК.

Высокие значения и встречаемость в пробах снега и воды как «маркерных», так и «диоксиноподобных» ПХБ на территории резервата, побережья озера Балкаш, также близ расположенных населенных пунктов указывает на перенос этих токсикантов с северного побережья озера, где расположена бывшая советская радиолокационная станция Дарьял-У, где было обнаружено более 15 тысяч конденсаторов содержащих ПХБ.

«Маркерные» конгенеры ПХБ локализованы в суглинистых почвах и солончаках, тогда как «диоксиноподобные» конгенеры содержатся в высоких значениях с супесях и песках. Повышенная концентрация химических, в т.ч. загрязняющих веществ, удерживается глинистыми и суглинистыми почвами. Такая закономерность, очевидно, более характерна для почв фоновых территории в условиях отсутствия влияния антропогенных факторов. Как было изложено выше, по результатам хроматографических анализов наличие ПХБ наряду суглинистыми почвами и глиной обнаруживается и в супесчаных почвах, а в целом ряде образцов глинистого и суглинистого характерами не обнаружены.

Члены исследовательской группы

Документы, подтверждающие публикаций за 2022 г.

1. Amirgaliyev N.A., Medeu A.R., Opp C., Madibekov A., Kulbekova R., Ismukhanova L., Zhadi A. Polychlorinated Biphenyls in the Snow Cover of South-Eastern Kazakhstan // Applied Sciences. 2022, 12, 8660. https://doi.org/10.3390/app1217866

CiteScore 2021 – 3.7; SJR 2021 – 0.507; SNIP 2021 – 1.026; Процентиль 58