Исследование загрязнения донных отложений реки Белой

УДК 504.064.036:574
Е. Б. Галактионова 1, В. И. Сафарова 1, Г. И. Теплова 1,
Е. В. Фатьянова 1, Г. Ф. Шайдулина 1, А. П. Ступин 1, Ф. Х. Кудашева
2
Исследование загрязнения донных отложений
реки Белой летучими органическими соединениями
1
ГУ Управление государственного аналитического контроля Министерства природопользования,
лесных ресурсов и охраны окружающей среды Республики Башкортостан
Россия, Республика Башкортостан, г. Уфа, 450055, ул. Российская, 21;
тел.: (347) 231*62*59; E*mail*ugak@bashnet.ru
2
ГОУ ВПО Башкирский государственный университет
Россия, Республика Башкортостан, г. Уфа, 450074, ул. Фрунзе, 32;
тел.: (347) 273*67*21; kudashevaFH@mail.ru
Приведены результаты исследования загрязне
ния донных отложений участка р. Белой от ее
верховьев до границы с Республикой Татарстан
летучими органическими соединениями. Наибо
лее загрязнены этими соединениями донные от
ложения, отобранные в зоне влияния крупных
промышленных центров республики. Определе
на токсичность донных отложений, показано,
что некоторые донные отложения характеризу
ются умеренной и высокой степенью токсичности.
Ключевые слова: летучие органические соеди
нения, донные отложения, сточные воды,
загрязнение, токсичность, хроматомассспек
трометрия.
В последнее время в литературе все чаще
отмечается, что одним из объективных и на
дежных показателей экологического состоя
ния водотока является содержание загрязняю
щих веществ в донных отложениях, отражаю
щее многолетние процессы накопления
и трансформации веществ в водной среде 1.
При этом основное внимание уделяется оценке
загрязненности донных отложений тяжелыми
металлами, хлорорганическими пестицидами,
но практически отсутствуют сведения о содер
жании в них летучих органических соедине
ний (ЛОС), попадающих в водотоки со сточ
ными водами предприятий 2–5. При исследова
нии водного объекта донные отложения
рассматриваются, с одной стороны, как депо
нирующая среда, способствующая самоочище
нию водной среды, с другой – при изменении
физикохимических условий, как источник
вторичного загрязнения воды. В связи с этим,
оценка степени загрязненности донных отло
жений является актуальной задачей.
Настоящая работа посвящена изучению
загрязнения донных отложений участка р. Бе
лой – главной водной артерии Башкортостана
от ее верховьев до границы с Республикой Та
тарстан летучими органическими соединения
ми и первичной оценке их опасности для био
ты водоема.
Экспериментальная часть
Точки отбора проб выбирались таким
образом, чтобы можно было оценить вклад
в загрязнение донных отложений ЛОС горо
дов и административнохозяйственных райо
нов, по территории которых протекает р. Бе
лая. Схема расположения точек отбора приве
дена на рис.
Отбор проб донных отложений проводил
ся в соответствии с ГОСТ 17.1.5.0180 у берега
в зонах, наиболее спокойных в гидродинами
ческом отношении и благоприятных для на
копления осадков. Для исследований отбирал
ся поверхностный слой (0–0.1 м) донных
отложений с помощью пластикового совка.
Пробы помещали в стеклянные банки и закры
вали крышками с тефлоновыми прокладками.
Емкости заполняли доверху во избежание ис
парения летучих соединений в газовую фазу.
Всего было отобрано и проанализировано
29 проб донных отложений.
Анализ донных отложений проводили ме
тодом статического парофазного анализа в со
четании с хроматомассспектрометрией
на ГХ/МС системе – GCMSQP2010 фирмы
«Шимадзу» (Япония).
Перед проведением анализа донных отло
жений центрифугированием отделяли поро
вую (иловую) воду от твердой части донных
осадков. Затем навеску твердой части массой
около 2 г помещали во флакон объемом 20 см3,
закупоривали крышкой с тефлоновой про
кладкой, с помощью шприца вводили 13 см3
Дата поступления 08.08.07
Башкирский химический журнал. 2007. Том 14. №4
103
Рис. Схема расположения точек отбора донных отложений на р. Белой: т. 1 – верховье реки Белая, т. 2 –
выше г. Белорецка, т. 3 – ниже г. Белорецка, т. 4 – выход из Белорецкого района, вход в Бурзянский район,
т. 5 – выход из Бурзянского района, т. 6 – выше г. Салавата, т. 7 – выше г. Стерлитамака, т. 7а – в месте
сброса сточных вод с ОС, т. 7б – 0.1 км ниже ОС, т. 8 – ниже г. Стерлитамака (~8 км ниже ОС), т. 9 – выход
из Стерлитамакского района, т. 10 – выход из Гафурийского района, т. 11 – выход из Кармаскалинского
района, т. 12 – вход в Уфимский район, т. 12а – 500 м ниже сбросов ДОСК, т. 12б – 500 м ниже сбросов
ГОСК, т. 12в – 500 м ниже сбросов Опытного завода АН РБ, т. 12г – 500 м ниже сбросов ОАО «Химпром»,
т. 12д – 500 м ниже ТЭЦ3, т. 12е – 500 м ниже сбросов ОАО «УМПО», т. 12ж – 500 м ниже сбросов
АО «Уфанефтехим», т. 13 – выход из Уфимского района, ниже г. Уфы, в районе Приуфимской ТЭЦ,
т. 14 – выход из Благовещенского района, т. 15 – выход из Кушнаренковского района, т. 16 – выше
г. Бирска, т. 17 – выход из Бирского района, т. 18 – вход в Дюртюлинский район, т. 19 – выше г. Дюртюли,
т. 20 – ниже г. Дюртюли, т. 21 – выход из Дюртюлинского района, т. 22 – выход из Краснокамского района,
г. Агидель
бидистиллированной воды, 5 мм3 смеси вну
тренних стандартов. Подготовленные пробы
термостатировали при 95 оC в течение 50 мин.
Затем автосамплером отбирали паровую фазу
объемом 1 см3, которую вводили в инжектор
хроматографа.
Хроматографическое разделение осущес
твляли на капиллярной колонке VOCOL
(60 m × 0.32mm × 1.8 µm) при программирова
нии температуры – 35 оC в течение 2 мин, затем
со скоростью 6–140 оC/мин, 4–210 оC/мин
104
и 210 оC в течение 3 мин; скорость газаносителя
(гелий) через колонку – 1.5 мл/мин, темпера
тура инжектора хроматографа – 230 оC, тем
пература ионного источника – 200 оC; темпе
ратура интерфейса – 230 оC. Детектирование
проводили в режиме сканирования отдельных
ионов в индивидуальных временных окнах.
Качественную идентификацию определяе
мых соединений проводили по временам удер
живания, характеристическим и подтверждаю
щим ионам, анализируя раствор стандартного
Башкирский химический журнал. 2007. Том 14. №4
образца смеси ЛОС, а также путем сравнения
полученных массспектров в пробе с масс
спектрами эталонов, взятыми из библиотеки
хроматомассспектрометра.
Количественное содержание анализируе
мых веществ определяли по градуировочным
зависимостям с учетом относительных факто
ров отклика к близкому по времени удержива
ния dстандарту. Для снятия калибровочных
кривых использовали стандартный образец
смеси летучих органических соединений с кон
центрацией 200 мкг/см3 каждого. Данный ме
тод предусматривает одновременное определе
ние 51 ЛОС в донных отложениях в диапазоне
концентраций 0.004–2.5 мг/кг.
Определение токсичности донных отло
жений по хемотоксической реакции инфузо
рий (Paramecium caudatum) выполняли
по стандартной методике 6.
Результаты и их обсуждение
Формирование загрязнения донных отло
жений обусловлено в основном тремя процес
сами: диффузией воды в толщу грунтов, слага
ющих дно; прямой сорбцией загрязняющих
веществ и седиментацией взвешенных частиц,
сорбирующих различные соединения. В ре
зультате происходящих процессов донные от
ложения фиксируют значительное количество
токсикантов. Уровень накопления и характер
распределения определяются рядом факторов:
гидродинамической активностью водных масс,
концентрацией загрязняющих веществ в воде
и их составом, а также механическими, мине
ралогическими и химическими характеристи
ками грунтов, слагающих дно водотока 1.
Наибольшее антропогенное влияние ис
пытывают водотоки, расположенные в регио
нах с высокоразвитой промышленностью,
сельским и коммунальным хозяйством. К та
ким регионам относится Республика Башкор
тостан (РБ), главной водной артерией которой
является река Белая.
Река Белая протяженностью 1430 км про
текает через крупные промышленные центры
Башкортостана и 15 административных райо
нов. Различная степень насыщенности про
мышленного производства и сельского хозяй
ства в городах и районах РБ, увеличение водо
носности р. Белой в нижнем течении в сотни
раз по сравнению с верховьем свидетельствует
о том, что техногенная нагрузка будет разли
чаться по интенсивности и характеру поступа
ющих веществ. Поэтому водоток условно
разделили на пять участков, характеристика
которых приведена в табл. 1. Результаты ис
следования донных отложений приведены
в табл. 2.
Таблица 1
Характеристика участков р. Белой
Àäìèíèñòðàòèâíî-õîçÿéñòâåííûå ðàéîíû è ãîðîäà, ïî òåððèòîðèè êîòîðûõ
ïðîòåêàåò ðåêà íà äàííîì ó÷àñòêå
Ó÷àñòîê 1 (≈260 êì):
ã. Áåëîðåöê, Áåëîðåöêèé è Áóðçÿíñêèé ðàéîíû
Ó÷àñòîê 2 (≈340 êì):
Áóðçÿíñêèé, Êóãàð÷èíñêèé ðàéîíû,
ã. Ìåëåóç è Ìåëåóçîâñêèé ðàéîí,
ã. Ñàëàâàò, ã. Èøèìáàé
è Èøèìáàéñêèé ðàéîí
Ó÷àñòîê 3 (≈240 êì):
ã. Ñòåðëèòàìàê è Ñòåðëèòàìàêñêèé
ðàéîí, Ãàôóðèéñêèé, Êàðìàñêàëèíñêèé, Èãëèíñêèé è Óôèìñêèé ðàéîíû
Ó÷àñòîê 4 (≈270 êì):
ã. Óôà è Óôèìñêèé ðàéîí, ã. Áëàãîâåùåíñê è Áëàãîâåùåíñêèé ðàéîí,
Êóøíàðåíêîâñêèé ðàéîí, ã. Áèðñê
è Áèðñêèé ðàéîí
Ó÷àñòîê 5 (≈250 êì):
ã. Äþðòþëè è Äþðòþëèíñêèé ðàéîí,
Êðàñíîêàìñêèé ðàéîí, ã. Àãèäåëü
Îòðàñëè ýêîíîìèêè,
îêàçûâàþùèå òåõíîãåííóþ íàãðóçêó
–
–
–
–
–
–
–
ìåòàëëóðãèÿ,
ÆÊÕ,
ñåëüñêîå õîçÿéñòâî
õèìè÷åñêàÿ,
íåôòåõèìè÷åñêàÿ,
ÆÊÕ,
íåôòåäîáû÷à
– õèìè÷åñêàÿ,
– ìåòàëëîîáðàáîòêà,
– ÆÊÕ,
– ñåëüñêîå õîçÿéñòâî
– íåôòåõèìè÷åñêàÿ,
– ìåòàëëîîáðàáîòêà,
– ýëåêòðîýíåðãåòèêà,
– ïðîìûøëåííîñòü ñòðîèòåëüíûõ ìàòåðèàëîâ,
– ÆÊÕ,
– ñåëüñêîå õîçÿéñòâî
– ÆÊÕ,
– ñåëüñêîå õîçÿéñòâî,
– íåôòåäîáû÷à
Õàðàêòåð òå÷åíèÿ, ãëóáèíà (ì), øèðèíà ðóñëà (ì),
ñêîðîñòü òå÷åíèÿ (ì/ñ),
âîäîíîñíîñòü (ì3/ñ)
Ãîðíûé, ãë. 0.2–2.7;
ø. 20–100; ñê. 0.17–0.38;
âîä. 2–23
Ðàâíèííûé,
ãë. 2.1; ø. 75–100;
ñê. 0.08, âîä. 23–80
Òî÷êè
îòáîðà
ïðîá
Ðàâíèííûé,
ãë. 2.5, ø. 150;
ñê. 0.2, âîä. 80–100
7à, 7á,
8–12
Ðàâíèííûé,
ãë. 5; ø. äî 450,
ñê. 0.2, âîä. 100–450
12à–
12æ,
13–17
Ðàâíèííûé,
ãë. äî 10, ø. 350–570,
ñê. 0.12–0.25,
âîä. 450–1400
18–22
Башкирский химический журнал. 2007. Том 14. №4
1–4
5–7
105
106
Башкирский химический журнал. 2007. Том 14. №4
0.010–0.052
íå îáí.
íå îáí.
íå îáí.
íå îáí.
íå îáí.
íå îáí.
íå îáí.-0.007
0.080–0.096
íå îáí.
íå îáí.
íå îáí.
íå îáí.
íå îáí.
íå
íå
íå
íå
íå
íå
0.004–0.065
íå îáí.
0.006–0.012
íå îáí.
íå îáí.
íå îáí.
íå îáí.
íå îáí.-0.005
0.006–0.030
íå îáí.
íå îáí.
íå îáí.
íå îáí.
íå îáí.
íå
íå
íå
íå
íå
íå
öèñ-1,2-Äèõëîðýòåí
Òðèõëîðìåòàí (õëîðîôîðì)
Òåòðàõëîðìåòàí
(÷åòûðåõõëîðèñòûé óãëåðîä)
1,2-Äèõëîðýòàí
1,2-Äèõëîðïðîïàí
1,2,3-Òðèõëîðïðîïàí
Òðèõëîðýòèëåí
Òåòðàõëîðýòèëåí (ïåðõëîðýòèëåí)
Áåíçîë
Ìåòèëáåíçîë (òîëóîë)
Ýòèëáåíçîë
1,3 (1,4)-Äèìåòèëáåíçîë (ì(ï)Êñèëîëû)
1,2-Äèìåòèëáåíçîë (î-Êñèëîë)
Ïðîïèëáåíçîë
1-Ìåòèëýòèëáåíçîë (Èçîïðîïèëáåíçîë)
1,3,5-Òðèìåòèëáåíçîë
1,2,4-Òðèìåòèëáåíçîë
âòîð-Áóòèëáåíçîë
4-Èçîïðîïèëòîëóîë
Áóòèëáåíçîë
Íàôòàëèí
îáí.
îáí.
îáí.
îáí.
îáí.
îáí.
íå îáí.
îáí.
îáí.
îáí.
îáí.
îáí.
îáí.
íå îáí.
íå îáí.
Ó÷àñòîê 2
íå îáí.
Ó÷àñòîê 1
Õëîðèñòûé ìåòèëåí
Îïðåäåëÿåìûé èíãðåäèåíò
íå
íå
íå
íå
íå
íå
íå îáí.-1.119
0.002–4.421
0.002–11.170
0.002–6.372
0.002–1.304
íå îáí.-10.410
0.001–66.320
0.003–2.019
íå îáí.-0.836
0.003–0.635
íå îáí.-0.045
0.003–0.488
íå îáí.-0.031
0.005–0.213
íå îáí.
0.003–5.998
íå îáí.-1.134
0.003–0.243
íå îáí.-0.018
îáí.
îáí.
îáí.
îáí.
îáí.
îáí.
íå îáí.
íå îáí.
íå îáí.
0.001–5.161
0.003–0.699
íå îáí.
íå îáí.
íå îáí.
íå îáí.
íå îáí.
0.001–0.046
íå îáí.
íå îáí.
íå îáí.
íå îáí.
íå îáí.
íå îáí.
Ó÷àñòîê 5
íå îáí.
íå îáí.
íå îáí.
íå îáí.
íå îáí.
0.001–1.062
0.015–4.043
0.001–2.923
íå îáí.
íå îáí.-0.686
íå îáí.
íå îáí.
Ó÷àñòîê 4
íå îáí.-0.048
íå îáí.-0.047
íå îáí.-0.065
0.002–0.093
0.002–1.379
0.002–0.071
0.004–4.158
íå îáí.-0.096
íå îáí.-0.023
íå îáí.-0.161
íå îáí.-0.027
íå îáí.-0.072
Ó÷àñòîê 3
Диапазон варьирования концентраций (мг/кг) в пробах донных отложений р. Белой
0.001
0.001
0.001
0.001
0.001
0.001
0.001
0.001
0.001
0.001
0.001
0.001
0.001
0.001
0.001
0.001
0.001
0.001
0.001
0.001
0.001
Ìèíèìàëüíàÿ êîíöåíòðàöèÿ, îáíàðóæèâàåìàÿ â ïðîáå
0.001
Таблица 2
Верховье р. Белой (участок 1) расположе
но в горнорудном Белорецком районе и Бур
зянском районе, который относится к заповед
ной зоне республики. Донные отложения
р. Белой на этом участке загрязнены ЛОС не
значительно. Во всех пробах обнаружены
(мг/кг): хлороформ (0.004–0.065) и толуол
(0.006–0.030), в трех пробах (1–3) – 1,2ди
хлорэтан (0.006–0.012), в одной пробе (4) –
бензол (0.005). Накопление вышеуказанных
веществ в донных отложениях произошло, ве
роятно, от хозяйственнобытовых стоков насе
ленных пунктов.
На участке 2 сказывается влияние круп
ных промышленных городов Мелеуза, Сала
вата, Ишимбая: в донных отложениях обнару
жены летучие ароматические углеводороды
в несколько больших концентрациях, чем
на предыдущем участке – бензол (0.007 мг/кг)
и толуол (0.080–0.096 мг/кг).
Наибольшее антропогенное влияние ис
пытывает р. Белая на участке 3. В донных от
ложениях, отобранных на этом участке,
обнаружены высокие концентрации ЛОС:
летучие
хлорированные
углеводороды
(0.023–1.379 мг/кг) и ароматические соедине
ния (0.071–4.158 мг/кг). Это обусловлено
тем, что в г. Стерлитамаке находятся предпри
ятия, производящие различную продукцию
хлорорганического и нефтехимического синте
за. Сточные воды предприятий, а также город
ские сточные воды, пройдя очистку на очист
ных сооружениях (ОС), сбрасываются
в р. Белую. Поступающие в водоток со сточ
ными водами загрязняющие вещества со вре
менем накапливаются в донных отложениях.
Поскольку утвержденные экологические
нормативы содержания загрязняющих ве
ществ в донных отложениях отсутствуют,
при анализе полученных результатов были
использованы ПДК для почв, которые сущес
твуют для некоторых летучих ароматических
соединений: бензола, толуола, ксилолов –
0.3 мг/кг и изопропилбензола – 0.5 мг/кг 8.
Для этих соединений, обнаруженных в дон
ных отложениях в зоне влияния сточных вод
г. Стерлитамака (точки отбора 7а, 7б), наблю
далось превышение ПДК в 2 – 14 раз. По мере
удаления от источника загрязнения содержа
ние ЛОС в донных отложениях уменьшалось.
На участке 4 в р. Белую впадают два са
мых полноводных на территории Башкортос
тана притока – реки Уфа и Дема (не загряз
ненные ЛОС), в результате чего объем воды
в р. Белой увеличивается в несколько раз.
По правому берегу реки Белой расположен
промышленный центр – г. Уфа, где сосредото
чены крупные предприятия нефтепереработ
ки, химии и нефтехимии, теплоэнергетики
и машиностроения, которые могут являться
источниками загрязнения ЛОС. Однако оце
нить влияние каждого предприятия на уровень
загрязнения донных отложений практически
невозможно в силу близкого расположения
сбросов сточных вод промышленных пред
приятий города в р. Белая. Проведенное ис
следование донных отложений на участке 4
показало присутствие высоких концентраций
(до 66.320 мг/кг) летучих ароматических уг
леводородов в пробах, отобранных в зоне
г. Уфы, что свидетельствует о влиянии пред
приятий нефтеперерабатывающей и нефтехи
мической отрасли, а также подтверждает факт
многолетнего накопления загрязняющих ве
ществ донными отложениями. Для бензола,
толуола, ксилолов и изопропилбензола (точка
отбора 12 г) наблюдалось превышение ПДК
в 2–20 раз. В районе г.г. Благовещенска
и Бирска в донных отложениях обнаружены
ароматические углеводороды в незначитель
ных концентрациях 0.002–0.050 мг/кг,
что обусловлено, вероятно, суммарным влия
нием нефтеперерабатывающего комплекса,
расположенного в северной части г. Уфы,
предприятий г. Благовещенска, и хлороформ –
0.686 мг/кг, который, возможно, поступает
с коммунальнобытовыми стоками и со време
нем накапливается в донных осадках.
Участок 5 р. Белой отличается высокой
водоносностью и малой техногенной нагруз
кой. На данном участке в реку сбрасываются
только коммунальнобытовые сточные воды
городов Дюртюли и Агидель. В донных отло
жениях р. Белой на участке 5 обнаружен толу
ол в концентрациях 0.001–0.046 мг/кг,
что может быть связано с локальными источ
никами поступления.
Таким образом, проведенные исследова
ния позволили впервые определить уровень
загрязненности летучими органическими со
единениями донных отложений р. Белой
на участке от ее верховья до границы с Респуб
ликой Татарстан. Наиболее загрязнены ЛОС
донные отложения, отобранные в зоне влия
ния г.г. Стерлитамака и Уфы – крупных про
мышленных центров республики. Оценка ток
сичности донных отложений на этих участках
по хемотаксической реакции инфузорий
Башкирский химический журнал. 2007. Том 14. №4
107
(Paramecium caudatum) показала, что донные
отложения, отобранные вблизи сбросов сточ
ных вод химической и нефтехимической про
мышленности характеризуются умеренной
и высокой степенью токсичности. Отсюда сле
дует, что интенсивное загрязнение донных от
ложений токсичными ЛОС является су
щественным фактором риска для бентосных
организмов и может привести к вторичному
загрязнению воды.
Данные, полученные на примере р. Бе
лой, свидетельствуют о том, что донные отло
жения, как неотъемлемый элемент любой вод
ной экосистемы, играют важную роль в про
цессах самоочищения водоема, в том числе,
в перераспределении ЛОС между водой и дон
ными отложениями. Таким образом, для полу
чения объективной оценки техногенного воз
действия на экологическое состояние водного
объекта необходимо предусмотреть в програм
ме мониторинга исследование донных отложе
ний.
108
Литература
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Бреховских В. Ф., Казмирук Т. Н., Казми
рук В. Д. Донные отложения Иваньковского во
дохранилища.– М.: Наука, 2006.– 175 с.
Степанова Н. Ю., Латыпова В. З., Анохи
на О. К., Таиров Р. Г. // Экологич. химия.–
2003.– 12(2).– С.105.
Линник П. Н., Васильчук Т. А., Зубенко И. Б.
// Химия и технология воды.– 1999.– Т.21,
№1.– С. 30.
Линник П. Н., Васильчук Т. А., Набива
нец Ю. Б. // Экологич. химия.– 1997.–
6 (4).– С. 217.
Ващенко М. А., Сясина И. Г., Жадан П. М. //
Экология.– 2005.– №1.– С. 64.
Методика определения токсичности почвы
и донных осадков по хемотоксической реакции
инфузорий ПНД ФТ 16.2:2.298.
Дьяченко Е. В. Влияние южной промышленной
зоны республики Башкортостан на формирова
ние состава летучих органических загрязните
лей реки Белая. Дис. на соискание ученой сте
пени канд. хим. наук.– Уфа.– 2002.– 151 с.
Предельнодопустимые концентрации (ПДК)
химических веществ в почве. Гигиенические
нормативы ГН 2.1.7.204106.
Башкирский химический журнал. 2007. Том 14. №4