Соединения металлов в донных отложениях р. Терек
Соединения металлов в донных отложениях р. Терек
Аннотация
Сбор и накопление данных по уровню содержания тяжелых металлов в донных отложениях водных объектов поверхностных вод суши с учетом региональных особенностей является первоочередной задачей экологических исследований. Результаты исследований донных отложений являются ценной информацией для оценки качества воды и установления источника вторичного загрязнения, так как ненарушенные донные отложения содержат данные прошлых климатических и экологических условий на территории водосбора и позволяют установить фоновые уровни, с которыми можно сравнивать и сопоставлять существующие условия. Среди геохимических маркеров региональных процессов осадконакопления наиболее удобный объект — тяжелые металлы (ТМ), так как их концентрации в донных отложениях отличаются стабильностью во времени. Впервые в донных отложениях реки Терек исследованы концентрации соединений тяжелых металлов (Cr, Ni, Mo, Mn, Zn, Cu, Pb, Cd). Пробы донных отложений отбирали у уреза воды в местах видимой аккумуляции наносов из двух слоев: 1-й слой на глубине 0–5 см, 2-й слой на глубине — 20–30 см. Максимальные значения концентраций соединений марганца и меди равные 696,2 и 30,9 (мг/кг) соответственно обнаружены в донных отложениях второго слоя р. Терек в предгорной зоне. При рассмотрении сезонной динамики распределения соединений тяжелых металлов в системе вода-донные отложения с расчетом коэффициента распределения выявлено, что наиболее интенсивные процессы миграции из воды в донные отложения отмечены для соединений марганца (lgК = 4,80).
1. Введение
Изучение донных отложений — важное направление экологического мониторинга водных объектов: такие отложения фиксируют как текущее состояние экосистемы, так и историю её загрязнения на конкретной территории. В России до сих пор не утверждены нормативные показатели допустимого содержания тяжёлых металлов в донных отложениях природных водоёмов. В связи с этим особенно актуальна систематизация сведений о концентрациях этих элементов в донных осадках поверхностных вод — с обязательной привязкой к региональным условиям.
В рамках проведённой работы впервые выполнен анализ содержания соединений тяжёлых металлов (Cr, Ni, Mo, Mn, Zn, Cu, Pb, Cd) в донных отложениях реки Терек. На сегодняшний день отсутствует информация о содержании соединений тяжёлых металлов (включая Cr, Ni, Mo, Mn, Zn, Cu, Pb и Cd) в донных отложениях реки Терек. Распределение этих соединений в толще осадков позволяет выделить фоновые слои, которые отражают естественные геохимические характеристики водосборной площади. Анализ таких слоёв даёт возможность не только рассчитать степень загрязнения водного объекта, но и выявить локальные аномалии концентраций.
Данные, полученные при изучении донных отложений, имеют большую практическую ценность: они помогают оценить качество воды и локализовать источники вторичного загрязнения. Поскольку ненарушенные слои донных осадков сохраняют информацию об экологических и климатических условиях прошлых периодов, они служат надёжной основой для определения фоновых показателей. Сопоставление этих фоновых значений с современными данными позволяет объективно оценить динамику изменений состояния водосборной территории
, .Среди геохимических индикаторов, позволяющих отслеживать региональные процессы осадконакопления, особое место занимают тяжёлые металлы (ТМ). Их ценность обусловлена тем, что уровни концентрации в донных отложениях сохраняют относительную устойчивость на протяжении длительного времени
, .Поступление тяжёлых металлов в пресноводные экосистемы происходит по нескольким основным каналам: за счёт поверхностного стока, фильтрации подземных вод, сброса сточных вод, а также в результате оседания атмосферных выбросов, формируемых промышленными объектами.
Минералогический состав пород существенно влияет на уровень содержания металлов: максимальные концентрации характерны для глин и глинистых сланцев, тогда как в карбонатных породах их количество заметно ниже. Фоновые показатели содержания тяжёлых металлов в донных осадках сопоставимы с их уровнями в глинистых сланцах. При этом важно учитывать, что естественный фоновый уровень тяжёлых металлов в донных отложениях варьируется в значительных пределах — эта изменчивость напрямую связана с особенностями литологического состава коренных пород в пределах водосборного бассейна
.Геохимические условия Северного Кавказа существенно повлияли на перераспределение химических элементов в ландшафтах региона. Ключевую роль здесь играет специфика местных руд — она выступает одним из главных драйверов изменений кларковых соотношений.
Горные породы, в отличие от таких динамичных компонентов ландшафта, как растительный покров, рельеф или особенности водной миграции, на протяжении четвертичного периода оставались наиболее устойчивым геохимическим фактором. Именно литогеохимические характеристики задали региональный геохимический фон: для ряда элементов он оказался выше среднего (W, Sn, Pb, Li, Ti), а для некоторых — ниже (Ga, Y, Yb, Zr).
Проявления вулканической активности в историческое время способствовали накоплению в ландшафтах таких элементов, как Ni, Co, Cr, V, Sc и Mn. Антропогенное воздействие, связанное с освоением рудных месторождений, дополнительно усилило концентрацию W, Mo, Sn, Cu, Zn и Pb. Кроме того, сельскохозяйственная деятельность привела к увеличению содержания в почвах Cu
.В итоге для разных ландшафтных комплексов Северного Кавказа характерно значительное варьирование фоновых уровней химических элементов — это отражает сложную комбинацию природных и антропогенных факторов.
Диапазон содержания меди в почвах демонстрирует значительную вариативность — от 30 до 212 мг/кг, что соответствует семикратной разнице показателей. Концентрация молибдена колеблется в пределах 1,8–10,9 мг/кг (разброс свыше шести раз), а содержание марганца варьируется от 510 до 2380 мг/кг — примерно пятикратное превышение максимального значения над минимальным
.Специфика каждого ландшафта определяет индивидуальный уровень содержания химических элементов: он формируется под влиянием комплекса факторов, регулирующих миграцию веществ, и отражает степень отклонения от фоновых значений. Попытка ввести единый норматив концентрации того или иного элемента без учёта локальной специфики не имеет научного обоснования, поскольку игнорирует региональные различия в геохимических условиях
.В связи с этим актуальной задачей остаётся определение содержания соединений тяжёлых металлов в донных осадках рек Центрального Кавказа. Изменчивость концентрации в различные гидрологические фазы, по течению, закономерности послойного распределения, рассмотрены на примере соединений молибдена, марганца и меди в донных отложениях реки Терек. Р. Терек протекает по территории двух государств: Грузии (верховье) и Российской Федерации (шесть субъектов: Северная Осетия, Кабардино-Балкария, Ингушетия, Чечня, Ставропольский край и Дагестан). Водные ресурсы бассейна Терека играют ключевую роль в экономике республик и интенсивно используются для орошения и обводнения сельскохозяйственных земель, рыбного хозяйства, хозяйственно-питьевого и промышленного водоснабжения, гидроэнергетики.
2. Методы и принципы исследования
Лето 2025 года в регионе было невероятно жарким, градусник термометра достигал отметки +38 °C и выше. Мощные ливни привели к подъему уровня воды в реках бассейна Терек. Наблюдалось увеличение водности рек, например, среднемесячный расход воды на посту р. Малка — г. Прохладный составил в июле 202 м³/с, на посту р. Терек — ст. Александровская соответственно 236 м3/с. Отбор проб воды проводился, в постоянных створах. В этих же створах отбирались донные отложения. Створ I для каждой реки располагался в предгорной зоне, а створ II — в равнинной части. В 2025 году отборы проб воды проведены 3 раза (в зимнюю межень, во время подъёма половодья и на спаде). Схема расположения створов представлена на рисунке 1. Отобраны и проанализированы пробы воды 7 рек в 14 постоянных створах и в этих же створах отобраны пробы донных отложений из двух слоев: 1-й слой на глубине 0–5 см, 2-ой слой на глубине — 20–30 см. Всего было отобрано 42 пробы воды и 84 пробы донных отложений. Отбор проб донных отложений для исследований проводили согласно . Для анализа донных отложений пробы отбирали в зонах аккумуляции наносов вблизи уреза воды. При отборе фиксировали время, температуру воздуха и воды, прозрачность воды, минерализацию и окислительно-восстановительный потенциал (ОВП). Водородный показатель и минерализацию измеряли портативным кондуктометром HANNA (HI 991300), окислительно-восстановительный потенциал (ОВП) измеряли портативным ОВП-метром HI98120. Пробы воды отбирали в полиэтиленовые емкости и хранили в холодильнике при температуре +2 до +5 °С. Донные отложения отбирали в полиэтиленовые пакеты, и хранили в охлажденном (от 0 до минус 3 °С) или замороженном (до минус 20 °С) состоянии. В период отбора проб воды в зимнюю межень температура воды рек варьировала от +6,4 °С до +18,1 °С. В мае температура воды рек изменялась от +10,5 °С до +17,6 °С. В сентябре от +10,7°С до +18,5°С.
Рисунок 1 - Карта-схема пунктов отбора воды и донных отложений
В лабораторных условиях во всех взятых пробах определяли содержание растворённых в воде соединений ряда тяжёлых металлов — хрома, никеля, молибдена, свинца, цинка, марганца, серебра и кадмия. Чтобы выделить растворённые формы металлов, образцы воды пропускали через мембранные фильтры, размер пор которых составлял 0,45 мкм. Затем полученный фильтрат стабилизировали путём добавления азотной кислоты — 0,1 мл на каждые 100 мл водной пробы. Концентрации элементов измеряли на атомно абсорбционном спектрометре, оснащённом электротермической атомизацией
. В донных отложениях анализировались фракции размером менее 1 мм, согласно методике .3. Основные результаты
Для речных вод практически всей территории бассейна Терека характерны природные концентрации меди и марганца, превышающие уровень ПДКрх. В воде некоторых рек отмечалось превышение нормативных значений молибдена
. Приоритетными загрязняющими веществами воды указанных рек являются растворенные формы соединений молибдена, марганца и меди, уровень содержания соединений хрома, никеля, свинца и кадмия ниже ПДКр.х. , в донных отложениях зафиксированы более высокие уровни содержания соединений молибдена, марганца и меди по сравнению с их концентрациями в водной среде. Так, для реки Терек характерна выраженная сезонная динамика содержания марганца: в воде его концентрация варьируется в диапазоне 0,01–0,08 мг/дм³. В то же время в донных отложениях наблюдается существенно более высокий уровень этого элемента: в верхнем слое — от 198,2 до 580 мг/кг, в нижнем — от 179,0 до 696,2 мг/кг.На распределение и миграцию тяжёлых металлов в природных водных объектах влияет комплекс факторов, среди которых — сезонные изменения, уровень минерализации воды, температурный режим, кислотно-основные характеристики среды (показатель рН) и окислительно-восстановительный потенциал (Eh)
.В воде реки Терек диапазон изменчивости рН составляет 6,9–7,3 в предгорной зоне и 7,1–7,5 в равнинной. По значениям Eh (158–216, табл. 1) во всех фазах водного режима в воде р. Терек преобладают окислительные (Eh> 0) условия. Минерализация изменяется в зависимости от фазы водного режима: при подъеме половодья при разбавлении воды талыми водами ледников минерализация составляет 164 мг/дм3 в предгорной зоне и 158 в равнинной (табл. 1), при спаде половодья минерализация составляет 201–216 мг/дм3. Данные приведены в таблице 1.
Таблица 1 - Свойства воды р. Терек по физико-химическим показателям
Фазы водного режима | рН, ед. | tводы, °С | tвозд, °С | Мин., мг/дм3 | Eh |
р. Терек, ст. Александровская (створ I) | |||||
Март | 6,9 | 16,1 | 27,0 | 246 | 216 |
Май | 7,3 | 15,9 | 22 | 178 | 164 |
Сентябрь | 7,3 | 18,5 | 30 | 219 | 209 |
р. Терек, с. Эльхотово (створ II) | |||||
Март | 7,5 | 12,0 | 4,0 | 311 | 207 |
Май | 7,1 | 17,6 | 21 | 187 | 158 |
сентябрь | 7,4 | 16,5 | 30 | 241 | 201 |
Значения концентраций исследуемых соединений тяжелых металлов в воде и донных отложениях р. Терек представлены в таблице 2.
Сезонные концентрации соединений тяжелых металлов в донных отложениях и в воде р. Терек за 2025 год
показатель концентрации ТМ в донных осадках указан в числителе, а в воде — в знаменателе.
* – значения ТМ превышающие ПДКр.х. в воде (мг/дм3)
Фазы водного режима | Место отбора | Концентрация, мг/кг сухой массы в донных отложениях/ Концентрация, мг/дм3 в воде | |||||
Mo | Mn | Сu | |||||
1 слой | 2 слой | 1 слой | 2 слой | 1слой | 2 слой | ||
Март (зимняя межень) | Створ I
| 0,83 ––––– 0,0043* | 0,78 ––––– 0,0043* | 567,5 ––––– 0,011 | 696,2 ––––– 0,011 | 5,5 ––––– 0,0016* | 5,7 ––––– 0,0016* |
Створ II
| 0,24 ––––– 0,001 | 0,37 ––––– 0,001 | 580,0 ––––– 0,080* | 672,5 ––––– 0,080* | 5,7 ––––– 0,0023* | 4,3 ––––– 0,0023* | |
Май (подъем половодья) | Створ I
| 0,21 ––––– 0,0022* | 0,25 ––––– 0,0022* | 371,2 ––––– 0,012 | 322,0 ––––– 0,012 | 3,5 ––––– 0,0045* | 3,0 ––––– 0,0045* |
Створ II
| 0,16 ––––– 0,0015* | 0,28 ––––– 0,0025* | 198,2 ––––– 0,027* | 179,0 ––––– 0,027* | 4,0 ––––– 0,0045* | 4,4 ––––– 0,0045* | |
Сентябрь (спад половодья) | Створ I
| 0,82 ––––– 0,0033* | 0,62 ––––– 0,0033* | 221,0 ––––– 0,038* | 542,0 ––––– 0,038* | 22,5 ––––– 0,0016* | 30,9 ––––– 0,0016* |
Створ II
| 0,51 ––––– 0,0029* | 0,64 ––––– 0,0029* | 227 ––––– 0,037* | 672 ––––– 0,037* | 12,4 ––––– 0,0012 | 14,7 ––––– 0,0012 | |
Максимальные значения концентраций соединений марганца и меди равные 696,2 и 30,9 (мг/кг) соответственно обнаружены в донных отложениях второго слоя р. Терек в предгорной зоне; молибдена 0,83 мг/кг в верхнем слое, также в предгорной зоне.
Миграцию металлов из водной среды в донные отложения характеризовали коэффициентом распределения, рассчитываемого по формуле: LgKраспр = [Мдо]/[Мвода]. В этой формуле LgKраспр обозначает коэффициент распределения; [Мдо] — концентрацию металла в донных осадках (мг/кг); [Мвода] — концентрацию металла в воде (мг/дм³)
. Величина коэффициента распределения отражает интенсивность перехода металла из воды в донные отложения: более высокие значения свидетельствуют о более активном протекании процесса. Перемещение металла обусловлено совокупностью физико‑химических процессов — в частности, его осаждением, сорбцией и хемосорбцией на частицах донных осадков.Данные, полученные в ходе расчёта коэффициента распределения, приведены в таблице 3.
Таблица 3 - Коэффициент распределения тяжелых металлов в донных отложениях р. Терек за 2025 год
Фазы водного режима | Место отбора | Коэффициент распределения, lg Краспр | |||||
Mo | Mn | Сu | |||||
1 слой | 2 слой | 1 слой | 2 слой | 1слой | 2 слой | ||
Март (зимняя межень) | Створ I
| 2,29 | 2,26 | 4,71 | 4,80 | 3,54 | 3,55 |
Створ II
| 2,38 |
2,57
| 3,86 | 3,92 | 3,39 | 3,27 | |
Май (подъем половодья) | Створ I
| 1,98 | 2,06 | 4,49 | 4,43 | 2,89 | 2,82 |
Створ II
| 2,03 | 2,05 | 3,87 | 3,82 | 2,95 | 2,99 | |
Сентябрь (спад половодья) | Створ I
| 2,40 | 2,27 | 3,76 | 4,15 | 4,15 | 4,29 |
Створ II
| 2,26 | 2.43 | 3,79 | 4,26 | 4,01 | 4,09 | |
Концентрации соединений в воде Ni, Cr, Zn, Pb и Cd ниже диапазона определения согласно используемой методике, в связи с чем коэффициенты распределения для них не рассчитаны.
Наиболее интенсивный переход соединений металлов из воды в донные отложения наблюдаются в периоды зимней межени и спада половодья в предгорной зоне р. Терек (рис. 2). В равнинной зоне различия менее выражены (рис. 3).
Коэффициент распределения соединений металлов в первом (а) и во втором (б) слое донных отложений в предгорной зоне р. Терек в различные фазы водного режима
Рисунок 3 - Коэффициент распределения соединений металлов в первом (а) и во втором (б) слое донных отложений в равнинной зоне р. Терек в различные фазы водного режима
По значениям коэффициента распределения проведена оценка миграционной способности металлов из воды в донные отложения. Наиболее интенсивные процессы осаждения в донные отложения отмечены для соединений: марганца lgК = 4,80 и меди lgК = 4,29.
4. Заключение
1. Одним из основных факторов, влияющих на уровень содержания исследованных соединений металлов, является фаза водного режима реки. Период подъема половодья (май) характеризуется падением концентраций молибдена, марганца и меди во всей толще донных осадков (как в верхнем, так и в нижнем слое), что объясняется увеличением потока талых ледниковых вод, активизацией эрозии поверхностных осадков и сильным разбавлением воды рек. Периоды межени (март) и спада половодья (сентябрь) приводят к снижению скорости течения что в свою очередь активизирует седиментацию соединений исследованных металлов, и приводит к росту их концентраций в донных отложениях.
2. Наиболее интенсивные процессы осаждения из воды в донные отложения отмечены для соединений марганца (lgК = 4,80), в зимнюю межень в нижнем слое донных отложений.