Содержание и закономерности распределения тяжёлых металлов и мышьяка в речных экосистемах промышленно развитых районов Вьетнама (на примере р. Шерепок, провинция Даклак) Нго Тхе Кыонг

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Обзор литературы 9

1.1. Химическое загрязнение водных объектов как общемировая экологическая проблема 9

1.2. Тяжёлые металлы: понятие, классификация 11

1.3. Уровни содержания тяжёлых металлов и мышьяка в водных объектах 14

1.4. Особенности накопления тяжёлых металлов и мышьяка в водных экосистемах различных природно-климатических зон 27

1.5. Влияние тяжёлых металлов и мышьяка на прибрежную водную растительность 31

1.6. Влияние тяжёлых металлов и мышьяка на состояние гидробионтов 35

1.7. Загрязнение окружающей среды тяжёлыми металлами и мышьяком и здоровье человека 45

Глава 2. Объекты и методы исследования 52

2.1 Объекты исследований 52

2.2. Методы исследований 62

Глава 3. Оценка качества речной воды (р. Шерепок) по количеству взвешенных веществ, растворенного кислорода, нитратов, фосфатов, значениям БПК5 и ХПК 68

Глава 4. Содержание тяжёлых металлов и мышьяка в воде и донных отложениях р. Шерепок 82

4.1. Содержание тяжелых металлов и мышьяка в речной воде 82

4.2. Содержание тяжелых металлов и мышьяка в донных отложениях 91

Глава 5. Накопление тяжёлых металлов и мышьяка прибрежной водной растительностью р. Шерепок 97

Глава 6. Оценка уровней содержания тяжёлых металлов и мышьяка в гидробионтах р. Шерепок 111

Глава 7. Закономерности распределения тяжелых металлов и мышьяка в системе :«вода - донные отложения - водная прибрежная растительность гидробионты» р. Шерепок в зависимости от уровня техногенной нагрузки 136

Заключение 154

Выводы 158

Практические рекомендации 161

Список литературы 162

• Уровни содержания тяжёлых металлов и мышьяка в водных объектах
• Оценка качества речной воды (р. Шерепок) по количеству взвешенных веществ, растворенного кислорода, нитратов, фосфатов, значениям БПК5 и ХПК
• Накопление тяжёлых металлов и мышьяка прибрежной водной растительностью р. Шерепок
• Закономерности распределения тяжелых металлов и мышьяка в системе :«вода - донные отложения - водная прибрежная растительность гидробионты» р. Шерепок в зависимости от уровня техногенной нагрузки

Введение к работе

Актуальность темы исследования. В настоящее время основными векторами развития Вьетнама определены общая индустриализация страны и модернизация промышленного и сельскохозяйственного производства, в связи с чем в последние годы бурными темпами расширяются площади промышленно развитых зон. Вследствие этого значительная часть территории страны подвергается загрязнению различными химическими элементами, приоритетными из которых являются тяжелые металлы (ТМ) и мышьяк. После попадания в реки или ручьи, загрязняющие вещества активно перемещаются вниз по течению, распространяясь таким образом на значительном отдалении от места сброса.

Реки Вьетнама испытывают большую техногенную нагрузку, являясь приемниками прямых и косвенных потоков отходов от промышленной, коммунальной, сельскохозяйственной и иной деятельности человека. Бльшая часть таких загрязняющих потоков в настоящее время либо вообще не подвергается обезвреживанию, либо обрабатывается очень примитивным способом, и только перед сбросом в реку. При этом загрязнение водных объектов из-за прямого сброса промышленных стоков, которые содержат ТМ и мышьяк, является серьёзной проблемой в большинстве развивающихся стран (Bhargava et al., 2009; Yi et al., 2011; Giri, Singh, 2014; Cengiz et al., 2017 и др.).

На данный момент во Вьетнаме проведено множество исследований состояния химического загрязнения рек, протекающих через густонаселённые районы или промышленные зоны (Nguyen Thi Lan Huong et al., 2008; V Th Hng Ngha, 2011; V Th Phng Tho, 2014 и др.). Однако большинство проведенных исследований ограничивается только описанием текущего состояния рек, мало углубляясь в процессы распространения и распределения загрязняющих веществ в компонентах речного бассейна. Научных знаний и практических решений по данной проблеме во Вьетнаме в настоящее время явно недостаточно.

Река Шерепок играет очень важную роль в обеспечении хозяйственной деятельности людей, населяющих территории, по которым она протекает. Она обеспечивает водой системы орошения сельскохозяйственных земель, на которых выращиваются рис (26457 га), кофе (46163 га), фруктовые растения (1095 га) и другие культуры (140 га). На нужды промышленных предприятий ежегодно подается около 14,410⁶ м³ воды, на нужды скотоводства - 3610⁶ м³.

С ростом населения, развитием сельского хозяйства и промышленности

вдоль обоих берегов реки Шерепок, в особенности после запуска двух крупных

промышленных зон Хоа Фу и Там Тханг, качество воды в реке резко ухудшилось.

При этом комплексного изучения экологического состояния реки Шерепок и определения качества воды ранее не проводилось. В связи с этим изучение динамики содержания тяжелых металлов и мышьяка в абиотических и биотических компонентах реки является актуальной научной и практической задачей.

Цель исследования - комплексная оценка уровней содержания и закономерностей распределения тяжелых металлов (Pb, Cu, Zn, Cd, Fe) и мышьяка в биотических и абиотических компонентах реки Шерепок (провинция Даклак, Вьентам).

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

Оценить степень химического загрязнения реки Шерепок в районах с разным уровнем промышленного развития;

Изучить уровни содержания и сезонную динамику тяжелых металлов и мышьяка в воде и донных отложениях р.Шерепок в зависимости от степени техногенной нагрузки;

- Определить степень загрязнения прибрежной водной растительности
р.Шерепок – водяного гиацинта (Eichhornia crassipes) и тростника
обыкновенного (Phragmites australis) - тяжелыми металлами и мышьяком;

Выявить различия в накоплении тяжелых металлов и мышьяка различными видами гидробинтов - сазаном (Cyprinus carpio), тиляпией нильской (Oreochromis niloticus), хемибагрусом (Hemibagrus wyckioides), пресноводной улиткой (Pomacea canaliculata) и пресноводным крабом (Somanniathelphusa sinensis);

Установить закономерности распределения тяжелых металлов и мышьяка по органам различных видов рыб - сазана (Cyprinus carpio), тиляпии нильской (Oreochromis niloticus), хемибагруса (Hemibagrus wyckioides);

- Определить характер распределения тяжелых металлов и мышьяка в
системах: «вода-донные отложения-водная прибрежная растительность» и «вода-
донные отложения-гидробионты».

Научная новизна. Впервые проведена комплексная оценка экологического

состояния р. Шерепок на основе данных гидрохимических и гидробиологических

исследований. Изучены сезонные закономерности распределения ряда тяжелых

металлов и мышьяка в системе: «вода – донные отложения – прибрежная водная

растительность – гидробионты». Выявлены уровни накопления ТМ и As

прибрежной водной растительностью и гидробионтами в зависимости от степени

техногенной нагрузки и установлены объекты биомониторинга для оценки состояния р. Шерепок.

Теоретическое значение. Данные, изложенные в диссертации, имеют существенное значение для развития экологии водных объектов тропических и субтропических регионов в условиях химического загрязнения и могут служить основой для разработки стратегии природоохранных мероприятий, проводимых на территории Вьетнама.

Практическая значимость. Результаты диссертационной работы могут быть использованы:

- для развития и совершенствования системы мониторинга экологического
состояния речных экосистем на федеральном и региональном уровнях;

- при создании базы гидробиологических данных рек Вьетнама;

- для прогнозирования дальнейших изменений в водных экосистемах при
сохранении существующей антропогенной нагрузки;

- для информационной поддержки процесса принятия решений, связанных с
охраной окружающей среды в трансграничных водных объектах.

Результаты исследований по содержанию тяжелых металлов и мышьяка в системе: «Вода – донные отложения – прибрежные водные растения – гидробионты» могут быть использованы в качестве региональных критериев при оценке состояния водотоков.

Полученные автором закономерности распределения ТМ и мышьяка в речных экосистемах включены в программу курса: «Химия окружающей среды» при подготовке бакалавров по направлению «Экология и природопользование».

Защищаемые положения:

1. Проведена оценка сезонной динамики содержания тяжелых металлов и мышьяка в компонентах экосистем реки Шерепок, протекающей по территории с различной степенью загрязнения. В речной воде, донных отложениях и водной прибрежной растительности вблизи промышленно развитых зон Хоа Фу и Там Тханг выявлена устойчивая тенденция к повышению содержания элементов. Установлены закономерности изменения концентрации элементов в воде и донных отложениях в зависимости от сезона года (в сезон дождей и сухой сезон) – наличие значительных колебаний концентрации Pb, Cu, Zn, Cd, Fe, As по сезонам года в воде и отсутствие сезонных изменений содержания данных элементов (за исключением кадмия) в донных отложениях.

1. Показано, что содержание тяжелых металлов и мышьяка в водных прибрежных растениях широко варьирует в зависимости от уровня загрязнения территории протекания реки. Максимальные количества Cu, Zn и Pb в органах растений зафиксированы на участке в пределах промышленных зон. При этом выявлено, что содержание Pb, Cu, Zn, Cd, Fe As в корнях растений - водяном гиацинте (Eichhornia crassipes) и тростнике обыкновенном (Phragmites australis) -выше, чем в стеблях, вне зависимости от степени загрязнения.

2. Выявлено, что содержание исследуемых тяжелых металлов и мышьяка в гидробионтах реки Шерепок (видах рыб - сазане Cyprinus carpio, тиляпии нильской Oreochromis niloticus и хемибагрусе Hemibagrus wyckioides; пресноводной улитке Pomacea canaliculata и пресноводном крабе Somanniathelphusa sinensis) на участках, подверженных влиянию промышленных зон Хоа Фу и Там Тханг, выше по сравнению с участками, расположенными в отдалении от данных промышленных районов. При этом содержание Fe, Cu, Zn, Cd, Pb и As в тканях всех изученных животных во всех зонах исследования реки варьирует в зависимости от сезона года, но единой закономерности сезонных колебаний содержания элементов в различных частях тела водных животных не выявлено.

3. Установлено, что в органах разных видов рыб (сазана Cyprinus carpio, тиляпии нильской Oreochromis niloticus, хемибагруса Hemibagrus wyckioides), выловленных в границах промышленных зон Хоа Фу и Там Тханг, содержание большинства изучаемых элементов в среднем в 2-8 раз выше по сравнению с другими исследуемыми районами протекания реки. Высокие уровни накопления тяжелых металлов и мышьяка отмечены в печени, жабрах и скелете рыб, низкие -в мышцах.

Личный вклад автора. Автор лично участвовал в проведении исследований, выполнял все работы по сбору первичного материала, обработке и анализу данных. Написание текста диссертации, формулирование основных теоретических положений и выводов осуществлено по плану, согласованному с научным руководителем. Доля личного участия автора в совместных публикациях пропорциональна числу авторов.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследования

представлены на Международной научной конференции научно-педагогических

работников Астраханского государственного технического университета (60-НПР)

2016 г., Международной научной конференции научно-педагогических работников

Астраханского государственного технического университета (61-НПР) 2017г.,
Международной научно-практической конференции «Наука, образование,

общество», г. Тамбов (28 апреля 2017 г.), Всероссийской конференции АГТУ
(сентябрь 2017 г.), I Всероссийском экологическом форуме им. проф. Б.С.

Кубанцева, г. Волгоград (19-21 сентября 2018 г.), XIX-ой Международной научно-
практической конференции "Актуальные проблемы экологии и
природопользования", г. Москва, РУДН (26-28 сентября 2018 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 научных работ, в том числе 4 в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ (1 в журнале, реферируемом в международной базе Scopus).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, выводов практических рекомендаций и списка литературы. Список литературы включает 337 источника, в том числе 295 – на исностранных языках. Работа изложена на 199 страницах и включает 32 таблицы и 32 рисунка (в том числе карту-схему) и 7 фотографий.

Уровни содержания тяжёлых металлов и мышьяка в водных объектах

Приведём результаты современных исследований по содержанию ТМ в водных объектах мира. Flora Ferati et al. (2015) приводят следующие результаты содержания ТМ и мышьяка в отложениях рек Трепка и Ситница: As - 53,78–1 699,42 мг/кг, Cd - 2,91–1 691,93 мг/кг, Co - 10,67–22,85 мг/кг, Cr - 43,61–178,20 мг/кг, Cu - 26,18–367,21 мг/кг, Ni - 35,19–180,13 мг/кг, Pb - 219,30–5 834,7 мг/кг и Zn - 451,91–5 954,75 мг/кг. Наибольшие значения концентрации многих элементов наблюдались на участке в местах горной флотации. Удивительно, но отмечены высокие концентрации Cd, Cu, Pb, и Zn на участках, где отсутствует промышленный сток. Содержание Zn и Pb в донных отложениях отражает комбинацию природного геохимического фона, антропогенного влияния и смешанного влияния внутри лимана (Li et al., 2000). На распределение As, Cd, Cu, Pb и Zn в отложениях могут влиять природные факторы (горные породы, почвы, процессы выветривания), а также антропогенные источники. С другой стороны, уровни As, Cd, Cu, Pb, Ni и Zn превышают пороговые фоновые мировые средние значения. Результаты показывают, что реки Трепка и Ситница сильно загрязнены. Основные загрязнения антропогенного характера поступают из горнодобывающей и металлургической отраслей региона.

Значения PLI (Pollution Load Index - индекс нагрузки загрязнения) колебались от 1,89 до 14,1. Это говорит о том, что уровни концентрации тяжёлых металлов на всех исследуемых участках превышают фоновые значения. Средние значения индекса геоаккумуляции в речных осадках показывают на высокую интенсивность загрязнения тяжёлыми металлами и мышьяком рек Трепка и Ситница: Cd As Pb Zn Cu Co Cr Ni. Кластерный анализ показывает, что As, Cd, Cr, Co, Cu, Ni, Pb и Zn поступают из антропогенных источников, в основном это выбросы от горной флотации и эрозия горных пород, отходы с завода по переработке цинковых руд. Для предотвращения дальнейшего загрязнения необходим постоянный мониторинг за антропогенными выбросами (Flora Ferati et al., 2015).

По данным S. Rajeshkumar et al. (2017), концентрации тяжёлых металлов в донных отложениях из залива Meiliang в Тайху (озеро в Китае) выше зимой и летом, чем весной и осенью. При этом элементы по среднему содержанию в донных отложениях располагались в следующем порядке: Pb Cr Cu Cd.

В работах Md. Simul Bhuyan et al. (2017) указано, что концентрация Fe в донных отложениях варьировала от 737 до 2 385 мг/кг. Максимальное значение (2 385 мг/кг) было зарегистрировано на загрязненном участке во время зимнего сезона. Наибольшая концентрация Pb (6,98 мг/кг) регистрирована в промышленной зоне также в зимний период. Однако по данным Ahmad et al. (2010), что максимальное значение Pb (77,13 мг/кг) в донных отложениях обнаружено на реке Буриганга (Бангладеш) во время сезонов дождей.

В работах у Xiaoling Ma et al. (2016) приведен следующий ряд ТМ по убыванию их содержания в осадках Желтой реки: Cr Zn Ni Cu Pb Co Cd. Концентрации Cr варьировали от 61,29 до 139,52 мг/кг с максимальными значениями повсеместно по сравнению с другими тяжёлыми металлами. Далее следовал Zn с самым высоким значением 74,64 мг/кг и самым низким 39,87 мг/кг. Для Cd наибольшее значение составило 6,57 мг/кг наименьшее – 0,12 мг/кг. Для Pb наибольшее значение – 24,6 мг/кг и самое низкое – 15,5 мг/кг, для Cu – 30,3 мг/кг и 14,1 мг/кг соответственно.

Сходство ионного радиуса Cd (0,97 ) и Ca (0,99 ) должно способствовать совместному осаждению Cd с карбонатами и его включению в решётку кальцита с получением твёрдых растворов Cd (Iwegbue et al., 2009). Soto-Jimenez и Paez-Osuna (2001) отметили, что наличие металлов в твердых фракциях обусловлено антропогенной деятельностью, в основном промышленной.

Ряд исследователей указывает на загрязнение экосистем кадмием в результате использования с сельском хозяйстве фосфорных удобрений, содержащих примеси кадмия (Njenga et al.,2009; Huang et al., 2004). Bonanno et al. (2010) исследовали накопление тяжёлых металлов в Phragmites australis (тростнике обыкновенном) в устье реки Имера-Меридионале (Сицилия, Италия). Что касается Cr, Cu, Hg, Pb и Zn, то биоаккумуляция уменьшалась в соответствии с порядком: корень лист стебель. Тенденция снижения содержания металлов в корнях была следующая: Mn Zn Pb Cu Ni Cr Hg Cd; в корневищах: Mn Zn Pb Cu Hg Ni Cr Cd; в стеблях: Mn Zn Pb Cu Hg Cd Ni Cr; в листьях: Mn Zn Pb Cu Hg Ni Cd Cr. Следующий порядок уменьшения содержания элементов - Mn Zn Pb Cu обнаружен в каждом органе растения. Mn показал максимальные концентрации во всех органах растений. Cd был наименее биоаккумулированным элементом корней, тогда как Cr – листьев и стеблей. Если сравнить различные органы растений, воду и отложения, то самые высокие средние концентрации были найдены: Cd - в корне, Cr - в отложениях, Cu - в воде, Hg - в корне, Mn - в отложениях, Ni - в отложениях, Pb - в корне, Zn - в корне. Положительные линейные корреляции были получены между концентрацией тяжёлых металлов в органах растений, воде и осадках.

В результате исследований Eid et al. (2014) в озере Бурулл (Египет) наиболее высокие концентрации Cu, Fe и Zn были обнаружены в корнях растений, и это соответствует многочисленным исследованиям, в которых сообщается, что следовые металлы в основном сохраняются в корнях (Bonanno, 2013; Weis and Weis, 2004). Концентрации Cd и Zn были выше в листьях, чем в стебле. Стебель играет роль проводящего органа, поэтому в его клетках обнаружены минимальные концентрации металлов (Korboulewsky et al., 2002). Данными исследованиями доказано, что концентрации всех микроэлементов (кроме Cu) в тканях Phragmites australis (тростника обыкновенного) зависят от их содержания в донных осадках и воде. Такие корреляции показывают, что Phragmites australis отражает куммулятивные процессы загрязнения окружающей среды от воды и осадков, поэтому необходимо использовать эти данные при биомониторинге микроэлементов в целом и тяжелых металлов в частности (Bonanno, 2013; Bonanno and Lo Giudice, 2010; Eid et al., 2012; Eid et al., 2014). В результате исследования Eid et al. (2014) концентрации Cd, Cu и Fe в органах Phragmites australis на южных участках озера Бурулл были значительно выше, чем на северных. Максимальные концентрации Cu и Fe в органах Phragmites australis были зарегистрированы в феврале в начале вегетационного периода, тогда как максимальные концентрации Cd и Zn были зарегистрированы в январе в конце вегетационного периода. С другой стороны, не наблюдалось никаких ежемесячных изменений концентраций микроэлементов в воде и отложениях. Более высокое накопление Cd и Zn отмечалось в конце вегетационного периода, вероятно, из-за уменьшения интенсивности метаболических процессов и небольших изменений биомассы растения (Kastratovic et al., 2013). Концентрации металлов в Phragmites australis зависят от стадии его роста, рН среды, окислительно восстановительного потенциала и взаимодействия между металлами и другими элементами, которые иногда более важны для поглощения металла растениями, чем концентрация металла в отложениях и воде (Du Laing et al., 2009; Duman et al., 2007). По сравнению с другими элементами, Cd имел наименьшую концентрацию в отложениях и во всех органах Phragmites australis, что соответсвует норме, так как значения этого металла обычно очень низкие (Vymazal et al., 2009). Однако содержание некоторых металлов и микроэлементов в течение всего вегетационного периода во всех органах увеличилось и достигло максимума в августе. Это означает, что биомасса была решающим фактором в опредеделении количества металлов на единицу площади (Eid et al., 2012c). Средние значения Cd, Cu и Fe, зарегистрированные для органов Phragmites australis в исследованиях Eid et al. (2014), находились в пределах фитотоксических диапазонов (5,0–30,0; 20,0–100,0 и 500,0 мг/кг соответственно). С другой стороны, средние значения Zn были ниже, чем фитотоксический диапазон – от 1000 до 400 мг/кг (Kabata-Pendias, 2011). Исследование среднего значения коэффициента биоаккумуляции для всех микроэлементов из донных отложений показало, что он больше единицы. Это означает, что в Phragmites australis происходит процесс биоаккумуляции, основанный на высоких концентрациях (Bonanno, 2013; Bose et al., 2008). Значение фактора транслокации от корней к надземным органам для Cu, Fe и Zn были меньше единицы, что указывает на то, что в растениях Phragmites australis нет переноса данных металлов из корней в листья, и эти элементы в основном сохраняются в подпочвенных органах. Предполагается, что данное растение имеет потенциал для фитостабилизации Cu, Fe и Zn. С другой стороны, Phragmites australis кажется более подходящим для фитоэкстракции Cd при значении среднего коэффициента транслокации от корней до надземных органов выше единицы. Аналогичные выводы были сделаны Fediuc and Erdei (2002) в результате изучения в Венгрии. Имеют место также сезонные изменения содержания элементов в растениях. В целом наблюдается следующий убывающий ряд концентрации тяжёлых металлов и мышьяка в растениях: Ni Cr Pb As Cd. Alternanthera sessilis показывает разные способности поглощать и накапливают различные тяжёлые металлы и мышьяк в разных тканях. Максимальные концентрации элементов в корне наблюдался для Cr, As и Cd во время дождей и для Ni и Pb летом. Cd был обнаружен в следовых количествах в течение всех сезонов. Для Cr характерно более высокое накопление металла, чем для Ni и Pb. Во все сезоны концентрации Ni, Cd и Pb были выше в корне, тогда как концентрация As была найдена в листьях. Содержание Cr было выше в корне в период дождей и зимой (Sheetal Belkhode et al., 2016).

Оценка качества речной воды (р. Шерепок) по количеству взвешенных веществ, растворенного кислорода, нитратов, фосфатов, значениям БПК5 и ХПК

На данный момент во Вьетнаме проведено множество исследований состояния химического загрязнения рек, в особенности речных бассейнов, проходящих через густонаселённые районы или промышленные зоны. Однако большинство проведенных исследований имеют только технический характер и ограничиваются описанием текущего состояния, мало углубляясь в процессы распространения и распределения загрязняющих веществ в компонентах речного бассейна. Научных знаний и практических решений по данной проблеме во Вьетнаме в настоящее время явно недостаточно.

Шерепок – это крупнейшая река провинции Даклак, она играет крайне важную роль в сельскохозяйственной, промышленной деятельности и в обеспечении бытовых нужд местного населения. Река Шерепок поставляет воду для орошения 26,457 га риса, 46,163 га кофе, 1,095 га цветов и 140 га других культур. Ежегодно поставляется около 14,4106 м3 воды для промышленной сферы, 36106 м3 воды для животноводства (Народный комитет провинции Даклак, 2015). На реке Шерепок есть крупные гидроэлектростанции, такие как ГЭС Буон Туа Сах, Буон Куоп, Шерепок 3, Шерепок 4, Шерепок 4А с общим водоизмещением 109 675 млн м3, общая установленная мощность – 794 MВт. Помимо этого, на реке есть 14 средних и небольших ГЭС с общей установленной мощностью 96,5 MВт (Народный комитет провинции Даклак, 2017).

Промышленная зона Там Тханг площадью 179,5 га и промышленная зона Хоа Фу площадью 181 га расположены по обоим берегам реки Шерепок, вдоль национального шоссе 14, на расстоянии 15 км к югу от центра города Буонматхуот. На промышленных зонах Хоа Фу и Там Тханг находятся много заводов: по переработке сельскохозяйственной продукции, по производству и сборке сельскохозяйственного оборудования, по производству потребительских товаров, алкоголя, по переработке сахара, по производству удобрений, по переработке кормов для животных, по производству пластмассы, центрифугированного бетона, строительной стали, по переработке железа, стали, чугуна, резины....

Промышленная зона Хоа Фу была создана в 2006 г. В ней находятся такие отрасли производства, как газозаправка Акционерной энергетической компании «Дай Вьет», сталепрокатный завод «Тэй Нгуен» Акционерного общества «Сталь Юго-Восточной Азии», завод по производству биоорганических удобрений Акционерного общества по применению биотехнологий «Ан Тхай», завод по переработке резиновых нитей Акционерного общества по производству резиновых нитей «Даклак». Сточные воды от этих предприятий собираются в центральную систему обработки сточных вод промышленной зоны, после обработки до класса А согласно Регламенту QCVN40:2011 Министерства ресурсов и окружающей среды, сбрасываются в реку Шерепок по координатам X: 0438478; Y: 1392824.

Промышленная зона Там Тханг была создана в 2002 году, она включает следующие отрасли производства: производство продукции из нержавеющей стали, пластмассы и бытовых принадлежностей ООО «Тан А Дай Тхань Дак Нонг», производство строительных материалов ООО «Тхать Нгуен», производство сахара Акционерного общества «Миа Дыонг Дак Нонг», производство строительной стали ООО с одним участником «Лонг Бинь Дак Нонг», производство промышленного спирта ООО «Дай Вьет» и др.

Ежедневно с двух промышленных зон сбрасывается большой объём сточных вод в реку Шерепок без какого-либо подробного отчёта об оценке степени влияния на экосистему реки, что вкупе с дождевыми сточными водами, собирающими отходы с небольших предприятий в городе (автомойки, покраска авто, типографии, медклиники), приводит к угрозе серьёзного загрязнения данной реки. Кроме двух больших промышленных зон, есть ещё малый бизнес, малое розничное производство в городе по очень многим отраслям: ремонт автомобилей, покраска, печать, сварка, медицинские клиники, которые также сбрасывают необработанные сточные воды, текущие по ливневым стокам в реку Шерепок, загрязняя её тяжёлыми металлами и другими загрязняющими веществами.

Согласно «Программе ежегодного мониторинга провинции Даклак», качество воды находится под наблюдением, но контролируется только в двух точках: мост 14 и Национальный парк Йорк Дон. Однако на этих участках в настоящее время нет какого-либо подробного отчёта об оценке состояния загрязнения реки Шерепок тяжелыми металлами и мышьяком. Данные о распределении ТМ в речной воде, отложениях, флоре и фауне и сезонных изменениях уровней загрязнения вообще отсутствуют. В то же время множество объектов аквакультуры данной реки (рыба, креветки, крабы и др.) служит основным источником питания для местного населения, что может представлять потенциальный риск для здоровья.

Таким образом, необходимо расширить сбор образцов, производя их анализ по сезонам для более полной и подробной оценки состояния загрязнения реки Шерепок; изучить распределение ТМ и мышьяка по компонентам речных экосистем, определить основные источники загрязнения, а затем на основании всех полученных материалов дать научно-обоснованные рекомендации местному населению по использованию объектов аквакультуры из этой реки. Необходимостью решения данных задач обусловлена высокая актуальность и практическая значимость темы нашего исследования.

Так как климат провинции Даклак имеет два выраженных сезона: сезон дождей и сухой сезон, в данном исследовании проводилось сравнение сезонной динамики значений таких показателей как взвешенные вещества, растворенный кислород, БПК5, ХПК, NO3–, PO43–.

Средние значения ряда показателей качества речной воды, полученные в разные сезоны года (сухой сезон и сезон дождей) в течение трех лет, представлены в таблице 2. Как свидетельствуют представленные данные, в большинстве случаев качество воды по изученным показателям не соответствует нормативам, принятым во Вьетнаме (Регламент Вьетнама QCVN 08-MT:2015/BTNMT).

Статистически значимые различия по сезонам года отмечены только для содержания взвешенных веществ - в сезон дождей их количество было ниже, чем в сухой сезон примерно в 2,5-3 раза, и соответствовало норме. Для других показателей достоверных различий по сезонам года не выявлено. Содержание растворенного кислорода немного ниже или на минимальном уровне принятого норматива в оба сезона года. Биохимическое потребление кислорода (БПК5) и химическое потребление кислорода (ХПК) превышают норму примерно в 3 раза. По нитратам и фосфатам превышение предельно допустимой концентрации составляет около 3-4 и 2-3 раз соответственно.

ХПК и БПК – одни из важных показателей уровня загрязнённости природных и сточных вод органическими соединениями. Величины окисляемости природных вод изменяются в пределах от долей миллиграммов до десятков миллиграммов в литре в зависимости от общей биологической продуктивности водоемов, степени загрязненности органическими веществами и соединениями биогенных элементов, а также от влияния органических веществ естественного происхождения, поступающих из болот, торфяников и т.п. Поверхностные воды имеют более высокую окисляемость по сравнению с подземными (десятые и сотые доли миллиграмма на 1 дм3), исключение представляют воды нефтяных месторождений и грунтовые воды, питающиеся за счет болот.

Окисляемость характеризует общее содержание в воде восстановителей (неорганических и органических), реагирующих с сильными окислителями. Окисляемость выражают в миллиграммах кислорода, эквивалентного расходу окислителя на 1 литр пробы.

Для определения окисляемости сильнозагрязненных вод, содержащих трудно окисляемые вещества, рекомендуется использовать бихроматный метод. Определенную этим методом окисляемость называют химическим потреблением кислорода (ХПК).

Показатель биохимического потребления кислорода (БПК) определяют как количество кислорода, необходимое для окисления органических соединений микроорганизмами в аэробных условиях. В лабораторных условиях наряду с БПКполн. определяется БПК5 -биохимическая потребность в кислороде за 5 суток.

Накопление тяжёлых металлов и мышьяка прибрежной водной растительностью р. Шерепок

Поглощение химических элементов растениями - процесс, в значительной мере регулируемый организмом в зависимости от характера строения и химического состава клеточных оболочек у разных видов. Пассивная диффузия составляет всего 2-3% от всей массы усвоенных минеральных элементов. Однако регулирование растением поглощения элементов имеет место только при питании из уравновешенных растворов с низкой концентрацией минеральных веществ. При повышении концентрации процессы регуляции в значительной степени подавляются, в результате чего происходит значительное накопление элементов в растительном организме. Содержание тяжелых металлов определяли в стеблях и корнях двух видов растений: тростника обыкновенного или южного (Phragmites australis) и водяного гиацинта (Eichhornia crassipes) (табл. 14). Подробное описание видов представлено в главе 2.

При сравнении значений максимальных допустимых концентраций, установленных во Вьетнаме и России, следует отметить, что по свинцу нет различий в величинах МДУ, а по мышьяку и кадмию в РФ нормативы жестче. Так, МДУ для мышьяка в сочных и грубых кормах, действующие в настоящее время в России, в 4 раза ниже, чем во Вьетнаме.

Содержание тяжелых металлов и мышьяка в тростнике изменяется в зависимости от уровня загрязнения реки. Однако, по данным наших исследований, прослеживается общая тенденция увеличения накопления изучаемых элементов корнями тростника по сравнению со стеблями, что согласуется с данными, полученными другими исследователями (Aksoy et al., 2005; Duman et al., 2007; Bonanno and Giudice, 2010; trbac et al., 2014), и объясняется защитными функциями растительных организмов. Так, при избытке металлов в питательной среде часть ионов растение способно перевести в менее активное состояние еще до проникновения их в корни: хелатировать с помощью корневых выделений и адсорбировать на внешней поверхности корней. И все же большое количество токсикантов попадает в корень, где частично адсорбируется на стенках. Для участия в метаболизме корней им необходимо преодолеть плазмалемму. Преодоление клеточных мембран требуется и для достижения ионами ксилеммы: обойти поясок Каспари они могут только путем перехода из апопласта в симпласт.

Апоплазматический путь проходит по свободному пространству клеточных оболочек и межклетников по принципу диффузии и потока воды с растворенными в ней веществами. Этим путем в растения могут поступать ненужные для нормального метаболизма элементы. Симплазматический путь по непрерывной симплазме между клетками по плазмодесмам носит избирательный характер, локализованный на мембранах механизм избирательного поглощения ионов ограничивает проникновение в клетку балластных и избыточных ионов. Если в клетках корня окажется ионов все же больше допустимого уровня, то начинает действовать еще один механизм защиты, переводящий излишек в вакуоли.

Таким образом, в корнях часть ионов задерживается в свободном пространстве или в вакуолях, другая часть используется в процессах метаболизма, третья - с ксилемным соком поднимается в надземные органы.

При передвижении по ксилеме металлы могут сорбционно поглощаться ее стенками, а также закомплексовываться присутствующими в клеточном соке органическими соединениями, но большее их количество проходит по ксилеме транзитом в листья, прежде всего в апопласт. Для проникновения в клетки листа тяжелым металлам необходимо вновь преодолеть клеточную мембрану, то есть по аналогии с корнями здесь действует механизм избирательного поглощения (Lane et.al., 1978; Ильин, Степанова, 1980). Наличие двух путей перемещения элементов в растении - апоплазматического и симплазматического - определяет разные уровни содержания тяжелых металлов в органах растительного организма: корнях, стеблях, листьях, репродуктивных органах. В вегетативные части растений ионы металлов поступают преимущественно апоплазматическим путем, а в репродуктивные -симплазматическим. Биологический фильтр симплазмы защищает растения от неконтролируемого накопления металлов.

Сравнительный анализ показал, что содержание Cu, As, Pb в корнях тростника в нашем исследовании было значительно выше, чем в корнях тростника в р. Шуор (Shoor) в Иране, тогда как содержание Fe и Cd было сходным (Hamidian et al., 2013). В корнях и стеблях тростника в р. Тиса (Tisza, Сербия) содержание Cu, Zn, As, Pb было ниже, чем в нашем исследовании. Содержание Cd в стеблях и корнях тростника в двух местах (Вьетнам, Сербия) было равным. Содержание Fe в нашем исследовании в стеблях тростника было выше, но в корнях было меньше, чем в р. Тиса (trbac et al., 2014).

Как и в тростнике, в водяном гиацинте содержание тяжелых металлов и мышьяка в корнях значительно выше, чем в стеблях (табл. 15), что не противоречит данным ряда других исследований распределения элементов по органам данных растений (Chu Thi Thu Ha et al., 2005; Chabukdhara and Nema, 2012).

Тростник и водяной гиацинт обычно используются в качестве корма для скота и птицы (буйволы, коровы, свиньи и цыплята). Однако проведенными нами исследованиями установлено превышение уровней содержания As и Pb в растениях, допустимых вьетнамским стандартом качества кормов для животных (табл. 14, 15). Поэтому использовать тростник и водяной гиацинт из реки Шерепок для кормления скота и птицы не рекомендуется.

Как следует из сравнения полученных нами данных и результатов исследования содержания металлов в реках некоторых регионов мира, содержание Cu, Zn, Cd в стеблях и корнях водяного гиацинта в реке Шипок ниже, чем в стеблях и корнях водяного гиацинта в реках Нхуэ и То Лих(Chu Thi Thu Ha et al., 2005). По сравнению с результатами наших исследований содержание большинства металлов в стеблях и корнях водяного гиацинта в р. Хиндон (Индия) ниже, тогда как содержание Cd – выше (Chabukdhara and Nema, 2012). По сравнению с исследованием Olivares-Rieumont et al. (2007) полученные нами значения содержания Zn, Pb, Cd в корнях водяного гиацинта ниже, чем содержание этих металлов в корнях водяного гиацинта в реке Альмендарес (Куба). Очевидно, что содержание изучаемых элементов в корнях водяного гиацинта может изменяться в широких пределах в зависимости от географического района исследования.

Содержание тяжелых металлов в стеблях и корнях тростника в сухой сезон и сезон дождей показано в таблице 16.

Представленные данные свидетельствуют о том, что содержание Fe в стеблях и корнях тростника в сухой сезон выше, чем в сезон дождей. Для остальных элементов различие в их содержании в стеблях и корнях по сезонам статистически не значимо.

Содержание тяжелых металлов в стеблях и корнях водяного гиацинта в сезон дождей и сухой сезон показано в таблице 17.

Содержание Fe в стеблях водяного гиацинта, в отличие от тростника, в сезон дождей выше, чем в сухой сезон. Содержание As в стеблях и корнях водяного гиацинта несколько выше в сезон дождей. Разница в содержании других исследуемых тяжелых металлов в стеблях и корнях водяного гиацинта, как и в стеблях и корнях тростника, по сезонам не является статистически значимой.

Согласно результатам аналогичных исследований других авторов, содержание тяжелых металлов и мышьяка в растениях изменяется в зависимости от сезона. Duman et al. (2007) показали, что содержание Cu, Zn, Pb в тростнике достигает самого высокого значения зимой, а концентрация Cd – осенью. По данным Nikolaidis et al. (1996), содержание тяжелых металлов в тростнике было самым высоким в начале осени. В работе Mulkeen et al. (2017) самое высокое содержание металлов в корнях тростника отмечалось также осенью и зимой.

Закономерности распределения тяжелых металлов и мышьяка в системе :«вода - донные отложения - водная прибрежная растительность гидробионты» р. Шерепок в зависимости от уровня техногенной нагрузки

Установление закономерностей, определяющих содержание и миграцию тяжелых металлов в биосфере, занимает одно из важнейших мест в комплексе задач по охране природы. При этом большое значение отводится изучению их распределения в отдельных компонентах экосистем, как наземных, так и водных, что необходимо при осуществлении программы мониторинга состояния окружающей среды.

Так как река Шерепок подвергается постоянному техногенному воздействию, и источники загрязнения весьма разнообразны, то существует необходимость изучения уровней содержания и выявления закономерностей распределения загрязняющих веществ в речных экосистемах с целью разработки конкретной комплексной системы защиты данной реки от загрязнения. При этом важная роль принадлежит обеспечению безопасности использования гидробионтов в пищу человека, а прибрежной растительности в качестве кормов для животных.

Для сравнительной оценки накопления тяжелых металлов (Fe, Cu, Zn, Cd, Pb) и мышьяка в различных компонентах речных экосистем нами были рассчитаны коэффициенты накопления данных элементов в донных отложениях, двух видах прибрежной растительности и пяти видах гидробионтов.

Из рисунка 19 видно, что Fe имеет самый высокий коэффициент накопления в отложениях, асамый низкий у Cd. Коэффициенты накопления Cu, As и Pb находятся примерно на одном уровне. При этом коэффициенты накопления As и Pb выше, чем у Zn.

Коэффициенты накопления элементов рассчитываются как отношение содержания изучаемых элементов в растениях тростника обыкновенного (мг/кг) к их содержанию в речной воде (мг/л). Ниже приведены значения полученных коэффициентов:

Из рисунка 20 видно, что As имеет самый высокий коэффициент накопления в тростнике, а самый низкий у Cd. Коэффициенты накопления Fe, Pb, Cu находятся примерно на одном уровне. При этом коэффициенты накопления Fe, Cu и Pb выше, чем у Zn.

Коэффициенты накопления элементов рассчитываются как отношение содержания изучаемых элементов в растениях водяного гиацинта (мг/кг) к их содержанию в речной воде (мг/л). Ниже приведены значения полученных коэффициентов

Коэффициенты накопления тяжелых металлов в водяном гиацинте аналогичны тростнику, самый высокий у As - 3086 и самый низкий у Cd - 29 (Рис.21). Коэффициент накопления Zn выше, чем у Cd, но оба они ниже, чем у Fe, Cu и Pb. При этом коэффициенты накопления Fe и Pb находятся примерно на одном уровне.

Коэффициенты накопления Cu, As и Pb в хемибагрусе практически не различаются между собой, и выше, чем у остальных элементов (Рис.23). У Cd самый низкий коэффициент накопления - 26. Коэффициенты накопления Fe и Zn в хемибагрусе различаются незначительно.

Коэффициенты накопления элементов рассчитываются как отношение содержания изучаемых элементов в тиляпии (мг/кг) к их содержанию в речной воде (мг/л). Ниже приведены значения полученных коэффициентов У тиляпия нильской коэффициенты накопления группы элементов Cu, As и Pb мало различаются между собой, и значительно выше по сравнении с остальными металлами (Рис. 24). У Cd самый низкий коэффициент накопления - 23,5. При этом коэффициент накопления Fe выше, чем у Zn.

Коэффициенты накопления элементов рассчитываются как отношение содержания изучаемых элементов в пресноводной улитке (мг/кг) к их содержанию в речной воде (мг/л). Ниже приведены значения полученных коэффициентов

У улиток коэффициенты накопления группы металлов Fe, Cu, Zn, Cd не различаются между собой (рис. 25). Также группа Cu, As и Pb не имеет статистически значимых различий по значениям коэффициентов накопления. Однако коэффициенты накопления у As и Pb значительно выше, чем у Fe, Zn и Cd.

Коэффициенты накопления элементов рассчитываются как отношение содержания изучаемых элементов в пресноводном крабе (мг/кг) к их содержанию в речной воде (мг/л). Ниже приведены значения полученных коэффициентов:

Из рисунка 26 видно, что коэффициенты накопления As и Cu практически не различаются, и оба они выше, чем у Fe, Pd, Cdи Zn. У Cd самый низкий коэффициент накопления -14,4.

Коэффициент накопления Fe имеет наибольшие значения в донных отложениях, затем следует тростник обыкновенный и гиацинт водяной (рис. 27). Коэффициент накопления Fe у рыб выше чем у крабов и улиток. Не обнаружено достоверного различия между коэффициентами накопленияFe у тростникаи водяного гиацинта, тиляпии и сазана , тиляпии и хемибагруса, краба и улитки. Коэффициент накопления Fe в речных компонентах можно расположить в следующем порядке: донные отложения тростник, водяной гиацинт рыбы (сазан, хемибагрус, тилапия) краб, улитка.

Коэффициент накопления Pb имеет самые высокие значения в донных отложениях, за ними следуют тростник, водяной гиацинт, тиляпия, сазан, хемибагрус (рис. 32). Самый низкий уровень накопления свинца характерен для краба и улитки.

Таким образом, анализируя весь диапазон значений коэффициентов накопления тяжелых металлов и мышьяка в донных отложениях, растительности и гидробионтах реки Шерепок можно вывести следующие закономерности:

- максимальное накопление Fe, Си, Zn, Cd и Pd при загрязнении происходит в донных отложениях;

- наивысшие значения коэффициентов накопления As, в отличие от всех изученных элементов, характерны для прибрежной водной растительности (тростника обыкновенного и гиацинта водяного);

- исследуемые элементы по значениям коэффициента накопления можно расположить в следующие убывающие ряды:

- донные отложения: Zn » Си As Pb Zn » Cd;

- водные растения (корни+листья): As » Fe Си Pb Zn Cd;

- рыбы: As Cu Pb Fe Zn Cd;

- улитки и крабы: As Cu Pb Fe Zn Cd.