Polyaromatic hydrocarbons of small reservoirs of the Tomsk region
- Authors: Chuikina D.I.1, Korol I.S.1, Mukhortina N.A.1, Kolubaeva Y.V.1
-
Affiliations:
- Tomsk Branch of the Trofimuk Institute of Petroleum-Gas Geology and Geophysics of Siberian Branch Russian Academy Sciences
- Issue: Vol 335, No 10 (2024)
- Pages: 216-225
- Section: Articles
- URL: https://bakhtiniada.ru/2500-1019/article/view/271046
- DOI: https://doi.org/10.18799/24131830/2024/10/4497
- ID: 271046
Cite item
Full Text
Abstract
Relevance. The assessment of the state of natural waters includes the determination of a number of physico-chemical indicators, on the basis of which various indices and classifications are developed. However, they do not take into account a number of pollutants that have a significant impact on the state of the reservoir, for example, polyaromatic hydrocarbons. The article considers some aspects of determining priority pollutants, which include polyaromatic hydrocarbons, according to environmental hazard criteria: toxicity, carcinogenicity, prevalence, frequency of occurrence, source of origin (anthropogenic or natural). Hydrochemical parameters such as pH, dissolved oxygen content, biological oxygen consumption (BPK5), and ion content are taken into account to determine water quality. An attempt was made to assess the impact of polyaromatic hydrocarbons on the ecological state of water bodies and to take into account their contribution to changes in the values of the water pollution index. All these data prove the relevance of the study.
Aim. To establish the composition of polyaromatic hydrocarbons in the surface waters of small reservoirs of the Tomsk region to assess anthropogenic load and to show the relationship with the indices of natural water quality.
Methods. Extraction, liquid adsorption chromatography, high-performance liquid chromatography, capillary electrophoresis, amperometry, titrimetry.
Results. Small lakes of the Tomsk region were studied for the content of 13 polyaromatic hydrocarbons. The authors have carried out the identification by high-performance liquid chromatography with fluorimetric detection. The total content of polyaromatic compounds in the studied surface water samples varies from 0.37 to 0.54 mcg/l. In the polyaromatic hydrocarbons mixture in aqueous samples, there is an increased content of light 2–3 nuclear polyarenes with better solubility (naphthalene, fluorene and phenanthrene), as well as benz[a]anthracene. The content of inorganic components represented by cations and anions does not exceed the maximum permissible concentrations. The water pollution index was calculated; all lakes are moderately polluted, closer to polluted. The paper demonstrates the dependence of the water pollution index coefficient on the content of high-molecular polyaromatic hydrocarbons and the ratio of high-molecular to low-molecular polyaromatic hydrocarbons. It is shown that the higher the value of the water pollution index coefficient, the higher the proportion of difficult-to-oxidize components in surface waters.
Full Text
Введение
Современные социально-экономические условия в России требуют более детального решения вопросов, связанных с изучением и контролем качества вод, подготовкой питьевых источников, обработкой и утилизацией осадков, образующихся при очистке вод, обнаружением аварийных загрязнений, идентификацией их источников и ликвидацией последствий. Поверхностные воды являются сложными многокомпонентными природными объектами, требующими многостороннего внимания. Нерациональное ведение сельского хозяйства и увеличение объема бытовых и промышленных стоков приводит к значительному росту количества биогенных и органических веществ, поступающих в водоемы, что ведет к увеличению трофического статуса водоемов, сокращению их биологического разнообразия и ухудшению качества воды. Дополнительной причиной эвтрофирования является поступление биогенов на территорию водосборов с атмосферным переносом [1]. Особую опасность таит в себе поступление в водные экосистемы токсических веществ. В последние годы наблюдается усиленное загрязнение водоемов тяжелыми металлами, фенолами, нефтепродуктами и другими токсикантами. Гидрогеологические показатели не могут дать полного представления о токсичности среды, они не учитывают синергетические, кумулятивные или антагонистические эффекты от одновременного присутствия многих загрязнителей и поэтому не могут служить надежной основой для прогнозирования экологических последствий загрязнения.
Содержание химических веществ в поверхностных водах зависит от гидрологических, геохимических, антропогенных факторов, а также сезонной изменчивости, поэтому они являются сложным объектом для исследований и любого вида оценок, особенно количественных. Классификация состояния природных вод основывается на определении целого ряда физико-химических показателей, включающих в себя температуру, рН, Еh, содержание ионов, тяжелых металлов, нефтяных компонентов и др. В России и странах ЕЭС для оценки качества природных вод используют различные индексы и классификации. Например, индекс загрязненности воды (ИЗВ), баварский индекс (СJ), канадский индекс (CCME WQI) и классификации «Единые критерии качества вод» (ЕККВ), «Удельный комбинаторный индекс загрязненности воды» (УКИЗВ) [2].
Однако они не учитывают содержание полиароматических углеводородов (ПАУ), которые являются канцерогенными соединениями и проявляют мутагенные и токсичные свойства. ПАУ сорбируются и консервируются в донных отложениях водоемов, что позволяет использовать их в качестве индикаторов для оценки антропогенного воздействия на природные водные объекты. В работах [3, 4] показано, что соотношения ПАУ могут использоваться не только как индикаторы источников поступления в водоем, но и как критерий качества водного объекта. Используя соотношение содержания тяжелых металлов и ПАУ в осадках можно оценить экологические риски [5]. Применение таких показателей, как рН, содержание растворенного кислорода, БПК5, содержание ионов, позволяет оценивать не только качество вод, но и трофический статус водоема [6]. Все эти данные показывают актуальность исследования.
Цель данной работы – установить состав ПАУ в поверхностных водах малых водоемов Томского района для оценки антропогенной нагрузки и показать взаимосвязь с индексами качества природных вод.
Объекты исследования
Для исследования были отобраны пробы поверхностных вод пяти малых водоемов Томского района [7], расположенных в 30-ти километровой зоне от г. Томска и используемых горожанами для мест активного отдыха и рыбной ловли (рис. 1).
Рис. 1. Схема точек отбора проб малых озер
Fig. 1. Diagram of sampling points of small lakes
Пруд «Савинское озеро» был сформирован плотиной-запрудой в 70-е гг. ХХ в. Имеет форму неправильного прямоугольника, вытянутого от плотины с северо-востока на юго-восток, ширина озера составляет около 230 м, длина до 1000 м. Общая площадь водного зеркала водоёма – 175000 м2. Наибольшие глубины южнее плотины зафиксированы на отметках 5–7 м, питание вешними водами с полей, 1,5–2 км восточнее посёлка Зональная Станция и в 2 км западнее деревни Трубачёво. Плотина через природную лощину является одной из дорог между пригородными садоводческими товариществами «Весна» (на севере) и «Красивый пруд» (на юге, восточный берег Савинского озера).
Федосеевское озеро – искусственный водоём (пруд), сформированный плотиной-запрудой, собирающей воды с окружающих лесных и сельско-огородных пространств в месте в юго-восточной части территории села Богашёво Томского района. Общая площадь водного зеркала водоёма составляет при минимальном заполнении засушливым летом 1320 м2, а при максимальном майском наполнении 2650 м2. Наибольшие глубины – около 2–2,5 м. Восточный обрывистый берег водоёма проходит по части границы природного заказника «Богашёвский кедровник».
Озеро Песчаное – природный уникальный водоём в сосновом лесу Тимирязевского бора (к юго-западу от с. Тимирязевское), Томский район. Озеро имеет почти идеально круглую форму, диаметром около 300 м, глубиной до 3,5 м, берега песчаные. Северо-восточный берег озера застроен домами, южный и юго-западный заболочен. Вода малопрозрачная желтого цвета. В последние годы озеро подвержено значительному высыханию и зарастанию ряской, и местные дачники ежегодно очищают его и поддерживают уровень водой из рядом находящейся скважины.
Озера Мальцево и Круглое находятся в поселке Самусь Томского района и входят в единую озерную систему, соединенную между собой протокой, приурочены к поверхности второй надпойменной террасы реки Томи, в рельефе располагаются каскадом. Оба озера имеют песчаное дно, вода в них насыщенного коричневого оттенка, питание озер – ручьи, берущие свое начало в торфяных болотах. Озеро Мальцево имеет круглую форму, диаметром около 800 м, максимальная глубина – 5 м, площадь водного зеркала около 280000 м2. Озеро Круглое небольшое, диаметр около 600 м, наибольшие глубины составляют 3,5–4 м, площадь водного зеркала около 230000 м2.
Материалы и методы исследования
Отбор проб воды проводили в августе 2022 г. с глубины 0,4–0,6 м от поверхности в стеклянную емкость с последующей консервацией н-гексаном. По требованиям аналитических испытаний было отобрано по три пробы с каждой точки отбора.
Определение содержания ПАУ в водном образце проводили в соответствии с действующей методикой государственного экологического контроля ПНД Ф 14.1:2:4.70-96. ПАУ выделяли трехкратной экстракцией н-гексаном из 1 литра пробы с последующей очисткой экстракта методом колоночной хроматографии на оксиде алюминия II ст. активности. Полученный экстракт упаривали до следовых количеств гексана, доводили объем пробы до 1 мл ацетонитрилом. Содержание ПАУ в воде определяли с использованием метода высокоэффективной жидкостной хроматографии на хроматографе Shimadzu LC-20 (Shimadzu, Япония) с одновременным диодноматричным и флуоресцентным детектированием, на обращенно-фазовой колонке 150*4,6 мм SupelcoSil LC-PAH, фаза C18, размер частиц 5 мкм. В качестве элюента использовали смесь ацетонитрила (1 сорт) и бидистиллированной воды. Хроматографирование проводили в градиентном режиме: ацетонитрил/вода=(50:50)–(100:0) первые 20 минут, 100 % ацетонитрила с 20-ой по 40-ю минуту анализа. Скорость потока растворителя составляла 1 мл/мин, объем пробы 20 мкл, рабочая температура колонки 40 °С. Время анализа в выбранных условиях 32 минуты. Спектры фиксировали в интервале 190–500 нм, с регистрацией сигнала на длине волны 254 нм для количественного определения изучаемых компонентов. В пробах поверхностных вод изученных озер были количественно определены в порядке выхода на хроматограммах следующие индивидуальные ПАУ: нафталин (Naphthalene), 2-метилнафталин (2-methylnaphthalene), флуорен (Fluorene), фенантрен (Phenanthrene), антрацен (Anthracene), флуорантен (Fluoranthene), пирен (Piren), бенз[а]антрацен (Benz[a]anthracene), хризен (Chrysene), бенз[b]-флуорантен (Benz[b]fluoranthene), бенз[k]флуоран-тен (Бенз[k]флуорантен), бенз[а]пирен (Benz[a]-pyrene), дибенз[a,h]антрацен (Dibenz[ah]anthracene).
В соответствии с методиками ПНД Ф 16.1:2:2.2:2.3.74-2012, ПНД Ф 14.1:2:4.167- 000, ПНД Ф 14.1:2:3:4.282-18, ПНД Ф 16.1:2:2.3:2.2.69-10 определены массовые концентрации ионного состава воды. Для капиллярного электрофореза образцы воды были подготовлены согласно требованиям работы на приборе «Капель-205» и отфильтрованы на мембранном ацетатно-целлюлозном фильтре пористостью 0,40 мкм (Владипор, Россия). Испытания проводили с использованием системы капельного электрофореза «Капель-205» (Люмэкс, Россия). Нижний порог обнаружения составил 0,004 мг/л.
Биологическое потребление кислорода определяли согласно НДП 10.1:2:3.131-2016 «Методика определения биохимического потребления кислорода после 5 дней инкубации (БПК5) в пробах питьевых, природных и сточных вод амперометрическим методом».
Все пробы были проанализированы не менее трех раз. В статье указаны средние значения.
Результаты и обсуждение
Изучаемые водоемы находятся в непосредственной близости от жилых массивов (г. Томск, п. Самусь, п. Богашево, с. Тимирязевское), в связи с чем испытывают влияние хозяйственной деятельности человека. Проведенные исследования водных образцов озер Мальцево, Круглое, Савинское, Федосеевское и Песчаное позволили оценить их текущее состояние по ряду гидрологических показателей. В момент отбора проб значения температурного показателя зафиксированы в интервале 18–21 °С, что является нормой для данного времени года. Величины рН озер Мальцево, Круглое, Савинское, Федосеевское и Песчаное находятся в диапазоне 6,8–7,2. Водные объекты характеризуются как пресноводные потоки. Показатель электропроводности Eh равен соответственно 0,26; 0,28; 0,34; 0,30; 0,14 мСм/см.
Изучение катионно-анионного состава поверхностных вод необходимо для оценки экологического состояния этих объектов, в том числе для возможности определения антропогенного загрязнения [8]. В работе [9] показано, что на химический состав воды оказывает влияние не только антропогенная нагрузка, но и изменения климатических условий.
Методом капиллярного электрофореза был определен ионный состав, включающий: основные катионы: Ca2+, Mg2+, Na+, K+, и анионы: Сl–, SO42–, NO3–, PO43–, F–. Результаты представлены в табл. 1.
Таблица 1. Ионный состав малых озер Томского района
Table 1. Ionic composition of small lakes in the Tomsk region
Озера/Lakes | Содержание, мг/л/Content, mg/l | ||||||||
SO42– | Cl– | PO43– | NO3– | F- | Na+ | К+ | Са2+ | Mg2+ | |
Мальцево/Maltsevo | 2,62 | 1,36 | <0,2 | <0,2 | <0,1 | 1,83 | 2,25 | 2,83 | 0,96 |
Круглое/Krugloe | 2,81 | 2,66 | <0,2 | <0,2 | <0,1 | 2,41 | 1,94 | 3,47 | 0,98 |
Савинское/Savinskoe | 3,91 | 14,98 | <0,2 | <0,2 | 0,21 | 10,23 | 2,52 | 36,76 | 7,00 |
Федосеевское/Fedoseevskoe | 2,91 | 2,51 | <0,2 | <0,2 | 0,20 | 6,13 | 1,22 | 52,19 | 9,48 |
Песчаное/Peschanoe | 0,56 | 0,43 | <0,2 | <0,2 | 0,38 | 6,78 | 0,13 | 16,35 | 5,11 |
ПДК/MPC | 100 | 300 | 3,5 | 45 | 1,5 | 200 | 200 | 180 | 50 |
Многолетними исследованиями ученых состава основных ионов (макрокомпонентов) в водных объектах показало, что их содержание в природных водах может изменяться в очень широком диапазоне от ультрапресных до рассолов. Таким образом показано, что на территориях Рдейского, Дарвинского заповедников в малых озерах среднее содержание Ca2+ находится в интервале 1,5–3,6 мг/л, Mg2+ 1,3–1,4 мг/л, Na+ 0,8–1,2 мг/л [10]. В работе [11] установлено, что химический состав вод малых озер, расположенных на территории нефтедобывающих районов, отличается повышенным содержанием ионов NО3– и PO43– (1,432 и 0,417 г/л соответственно). Именно повышенные концентрации в водных объектах соединений азота и фосфора, превышающие значения ПДК, указывают на загрязнение промышленными и бытовыми стоками.
Анализируя полученные данные, следует отметить, что концентрация биогенных ионов NО3– и PO43– в изученных озерах Томского района не превышает нормы предельно-допустимых концентраций 4,5 и 3,5 мг/л соответственно. Низкое содержание NO3– может быть связано с деятельностью природных микроорганизмов, в частности денитрифицирующих бактерий [11], содержание которых в воде и донных отложениях нами не анализировалось.
Результаты исследования указывают на удовлетворительное качество природных вод по показателям катионно-анионного состава. Содержание всех определённых катионов и анионов не превышает ПДК (табл. 1) [12].
Для оценки экологического состояния водных объектов важно учитывать содержание полиароматических углеводородов, которые характеризуются сочетанием токсичных и канцерогенных свойств при их широком распространении и различном происхождении (как природном, так и антропогенном). Авторами [13] показано, что значительной канцерогенной и мутагенной активностью обладают соединения с пятичленными кольцами, например бенз[а]пирен, бенз[b]флуорантен, бенз[k]флуорантен, дибенз[ah]антрацен. В литературе содержится информация о том, что 5–6 циклические ароматические соединения имеют техногенное происхождение, в то время как более легкие 3–4 циклические ПАУ образовались в результате биохимической трансформации органического сырья (гумуса или наземной высшей растительности) [14, 15]. К сожалению, в Российской Федерации отсутствует достаточная аналитическая база для разработки нормированных документов по предельно допустимым концентрациям полиароматических углеводородов.
В пробах поверхностных вод изученных озер были количественно определены приоритетные индивидуальные ПАУ, рассчитано их относительное содержание; результаты представлены в табл. 2.
Таблица 2. Среднее содержание ПАУ в поверхностных водах малых озер Томского района, (в числителе – абсолютное содержание, мкг/л; в знаменателе – относительное, %)
Table 2. Average content of polyaromatic hydrocarbons PAHs in the surface waters of small lakes in the Tomsk region (in the numerator – absolute content, µg/l; in the denominator – relative, %)
ПАУ/PAHs | Мальцево Maltsevo | Круглое Krugloe | Савинское Savinskoe | Федосеевское Fedoseevskoe | Песчаное Peschanoe |
Нафталин* Naphthalene | 0,04 10,26 | 0,04 9,20 | 0,02 4,51 | 0,02 4,18 | 0,03 8,42 |
2-метилнафталин 2-methylnaphthalene | 0,05 12,82 | 0,03 5,75 | 0,04 7,67 | 0,02 4,07 | 0,03 7,54 |
Флуорен Fluorene | 0,04 10,26 | 0,08 17,24 | 0,12 21,51 | 0,12 28,32 | 0,03 7,46 |
Фенантрен Phenanthrene | 0,09 21,79 | 0,08 17,24 | 0,06 11,84 | 0,03 7,72 | 0,10 26,84 |
Антрацен Anthracene | 0,00 0,00 | 0,00 0,00 | cледы (traces) 0,17 | 0,01 1,78 | cледы (traces) 0,27 |
Флуорантен Fluoranthene | 0,05 11,54 | 0,06 12,64 | 0,06 10,77 | 0,09 21,64 | 0,07 17,98 |
Пирен Piren | 0,02 3,85 | 0,02 4,60 | 0,01 1,95 | 0,02 5,02 | 0,03 7,31 |
Бенз[а]антрацен Benz[a]anthracene | 0,03 6,41 | 0,05 11,49 | 0,03 6,10 | 0,02 5,71 | 0,04 10,46 |
Хризен Chrysene | 0,02 5,13 | 0,03 6,90 | 0,02 3,26 | 0,02 4,69 | 0,03 6,97 |
Бенз[b]флуорантен Benz[b]fluoranthene | 0,03 6,41 | 0,01 2,30 | 0,04 7,91 | 0,01 1,78 | cледы (traces) 0,33 |
Бенз[k]флуорантен Benz[k]fluoranthene | 0,02 3,85 | 0,01 1,15 | 0,04 6,71 | 0,01 1,85 | cледы (traces) 0,16 |
Бенз[a]пирен** Benz[a]pyrene | 0,01 2,56 | 0,01 2,30 | 0,02 3,57 | 0,01 2,70 | 0,01 1,84 |
Дибенз[ah]антрацен Dibenz[ah]anthracene | 0,02 5,13 | 0,04 9,20 | 0,08 14,02 | 0,04 10,54 | 0,02 4,41 |
∑НМ/∑LMW | 0,22 | 0,22 | 0,25 | 0,19 | 0,19 |
∑ВМ/∑HMW | 0,18 | 0,22 | 0,29 | 0,23 | 0,18 |
∑ПАУ/∑PAHs | 0,40 | 0,44 | 0,54 | 0,42 | 0,37 |
Согласно рекомендациям СанПин 1.2.3685-21: *содержание нафталина в воде не должно превышать 10 мкг/л, ** бенз[а]пирена – 0,01 мкг/л.
Смесь приоритетных ПАУ водных образцов исследуемых водоемов наиболее обогащена такими соединениями, как флуорен, фенантрен и флуорантен. В целом в воде преобладают более легкие двух и трехядерные полиарены, обладающие лучшей растворимостью [13]. Для озер Федосеевское и Савинское установлено повышенное содержание флуорена до 0,12 мкг/л, флуорантена до 0,09 мкг/л и дибенз[ah]антрацена до 0,08 мкг/л.
Для всех изученных озер подтверждается закономерность о количественном преобладании флуорантена над пиреном за счет его лучшей растворимости в воде [13, 16].
Озеро Песчаное отличается минимальным суммарным содержанием ПАУ, однако для этого водоема характерно максимальное содержание фенантрена, происхождение которого может быть связано с пирогенными процессами хозяйственно-бытовой деятельности. Рекомендованное значение фоновой концентрации фенантрена 0,4 мг/л [13]. Кроме того, в этой же работе показано, что почвы способны генерировать фенантрен и хризен из погребенной в них биомассы.
Экологическое состояние водных объектов вызывает интерес во всем мире. В работах [17, 18] приведены данные о суммарном содержании ПАУ в городских водоемах Китая (оз. Донг – 0,013 мкг/л и оз. Тансюнь – 0,989 мкг/л), а в питьевых водах других городов Китая их концентрация находится в диапазоне от 0,004 до 0,231 мкг/л [19].
Антропогенное влияние распространяется не только на густонаселенные территории, но и на удаленные уникальные регионы, такие как архипелаг Шпицберген. В озере Стамме, расположенном на территории этого архипелага, установлено, что среднее суммарное содержание ПАУ находится в пределах 0,002–0,29 мкг/л, а в летне-осенний период увеличивается до 0,713 мкг/л [20]. В поверхностных водах озера Байкал концентрации ПАУ колеблются от 0,03 до 0,13 мкг/л [21].
Суммарное содержание ПАУ подвержено сезонным колебаниям [20], для изучаемых малых озер Томского района в поверхностных водах оно изменяется от 0,37 до 0,54 мкг/л. Нами показано, что в водных образцах, отобранных в августе 2022 г., количество ПАУ находится в интервале концентраций типичных для летнего сезона, вне зависимости от антропогенной нагрузки.
На основании гидрохимических показателей (рН, БПК5, содержание растворенного кислорода, макрокомпонентных ионов, фенола, нефтепродуктов и др.) предложены различные интегральные количественные индексы для определения качества воды, например: удельный комбинаторный индекс загрязненности воды (УКИЗВ); индекс качества воды (ИКВ), индекс загрязненности воды; индексы загрязненности рек металлами и токсичными веществами; индекс потенциального загрязнения воды; общесанитарные индексы качества воды; индекс токсичности и др. [22]. Оценка качества природных вод с использованием различных коэффициентов и индексов проводится во всем мире. Для оценки качества воды в Австралии используется индекс WSC [23], в Южной Индии благодаря индексу загрязнения подземных вод (PIG) и индексу качества воды (WQI) проводится пространственная оценка качества подземных вод [24].
В нашей работе мы использовали один из наиболее распространённых показателей в России: индекс загрязнения воды [25], для расчета которого использовали содержание растворенного кислорода, БПК5, ионно-катионный состав воды из табл. 3.
Таблица 3. Гидрохимические показатели малых озер Томского района, используемые для расчета индекса загрязненности воды (ИЗВ)
Table 3. Hydrochemical indicators of small lakes in the Tomsk region used to calculate water pollution index (WPI)
Показатель Index | Малые озера Томского района Small lakes of the Tomsk region | ||||
Мальцево Maltsevo | Круглое Krugloe | Савинское Savinskoe | Федосеевское Fedoseevskoe | Песчаное Peschanoe | |
БПК5 (мгО2/л)/BOD5 (mgО2/l) | 3,1 | 3,8 | 3,5 | 3,4 | 3,1 |
Раств. кислород (мг/л) DO (mg/l) | 7,3 | 7,3 | 8,1 | 7,8 | 7,5 |
Ca2+ (мг/л/mg/l) | 2,83 | 3,47 | 36,76 | 52,19 | 16,35 |
Mg2+ (мг/л/mg/l) | 0,96 | 0,98 | 7,00 | 9,48 | 5,11 |
Cl– (мг/л/mg/l) | 1,36 | 2,66 | 14,98 | 2,51 | 0,43 |
SO42– (мг/л/mg/l) | 2,62 | 2,81 | 3,91 | 2,91 | 0,56 |
ИЗВ/WPI | 1,74 | 1,86 | 2,00 | 1,95 | 1,80 |
Важно учитывать, что при расчете ИЗВ из всех используемых параметров наибольший вклад вносят в индекс экспериментально определенные значения растворенного кислорода и биологического потребления кислорода, определенное на 5 сутки. По значениям коэффициента ИЗВ для водных объектов рекомендовано классифицировать природные воды на шесть классов, представленных в табл. 4 [25].
Таблица 4. Характеристики интегральной оценки качества воды
Table 4. Characteristics of water quality integral assessment
Воды Water | Значения ИЗВ WPI values | Классы качества вод Water quality classes |
Очень чистые/Very clean | ≤0,2 | I |
Чистые/Clean | >0,2–1,0 | II |
Умеренно загрязненные Moderately polluted | 1,0–2,0 | III |
Загрязненные/Polluted | 2,0–4,0 | IV |
Грязные/Dirty | 4,0–6,0 | V |
Очень грязные/Very dirty | 6,0–10,0 | VI |
Чрезвычайно грязные/Extremely dirty | >10 | VII |
Показатель ИЗВ для малых озер Томского района изменяется от 1,74 до 2,0. В соответствии с табл. 4 изученные водоемы можно отнести к III классу умеренно загрязненных, ближе к загрязненным.
Следует отметить, что есть ряд потенциально опасных загрязняющих веществ, которые оказывают серьёзное токсикологическое воздействие на организм человека и природу, но не нормируются и не учитываются в различных коэффициентах и индексах, используемых для оценки качества воды. К таким веществам относят индивидуальные ПАУ. Показатель БПК5 используется для оценки содержания в воде растворенного органического вещества природного и антропогенного происхождения, которое наиболее легко окисляется. Полиароматические углеводороды, имеющие в своем составе более трех ароматических колец (флуорантен, пирен и другие), относятся к высокомолекулярным, являются основными представителями трудноокисляемой, растворенной органической компоненты и практически не учитываются при определении БПК5 [13, 25].
Поскольку высокомолекулярные ПАУ обладают более высоким токсикологическим воздействием на организм человека, чем низкомолекулярные [10, 15, 25], в нашей работе проведена попытка проследить их влияние на изменение значений ИЗВ. На рис. 2 представлена зависимость коэффициента ИЗВ от соотношения высокомолекулярных ПАУ к низкомолекулярным (ВМ/НМ).
Рис. 2. Соотношение ВМ/НМ к ИЗВ для малых озер Томского района
Fig. 2. VM/LM ratio to WPI for small lakes of the Tomsk region
Соотношение ВМ/НМ для поверхностных вод изучаемых озер Томского района находится в интервале 0,81–1,21. Значения ВМ/НМ>1 указывают на преобладание высокомолекулярных ПАУ с числом колец более 3 над низкомолекулярными. Известно, что высокомолекулярные ПАУ обладают большей стабильностью и медленной трансформацией, более способны к накоплению в природных объектах и дают возможность при систематическом наблюдении за этими соединениями выявить направленность процессов, происходящих при загрязнении водных объектов. Отношение ВМ/НМ ПАУ в водном образце может дать информацию, коррелирующую с коэффициентами оценки качества природных вод, как показано на рис. 2.
Проведенные исследования позволяют оценить текущее экологическое состояние малых озер Томского района с учетом вклада полиароматических углеводородов. Значения предельно допустимых концентраций ПАУ на территории РФ [25], в странах Европы и США [2] различаются из-за разных методологий проведения экологического мониторинга, а также имеющейся информации об уровне их канцерогенности и генотоксичности. Для всех исследованных малых озер Томского района содержание приоритетных ПАУ по нормируемым в РФ показателям находится ниже или на уровне установленного ПДК (для нафталина 10 мкг/л и для бенз[а]пирена 0,01 мкг/л). Исключение составляет озеро Савинское, в котором содержание бенз[а]пирена определено как 0,02 мкг/л и превышает ПДК в 2 раза. Содержание других полиароматических углеводородов в РФ, к сожалению, пока не регламентируется.
Для изучаемых малых водоемов рассчитано значение ИЗВ и показана его зависимость от соотношения ВМ/НМ ПАУ. По значениям коэффициента ИЗВ состояние изученных озер позволяет отнести их к категориям умеренно загрязненных или загрязненных. Предложенные показатели дают возможность рассматривать их как эффективные маркёры для дальнейшей оценки и сравнения состояния с другими водными экосистемами Томского района.
Использование ПАУ в поверхностных водах в сравнении с общепринятыми показателями качества воды представляет собой новый подход для экологического мониторинга, основанный на выявлении источников загрязнения и наблюдении связей между ними. Предложенный комплексный подход может оказаться эффективным для оценки экологического состояния озер и стать основой для дальнейших исследований.
About the authors
Daria I. Chuikina
Tomsk Branch of the Trofimuk Institute of Petroleum-Gas Geology and Geophysics of Siberian Branch Russian Academy Sciences
Author for correspondence.
Email: dichuikina@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-5906-2148
Cand. Sc., Senior Researcher
Russian Federation, TomskIrina S. Korol
Tomsk Branch of the Trofimuk Institute of Petroleum-Gas Geology and Geophysics of Siberian Branch Russian Academy Sciences
Email: irinakorol@yandex.ru
Cand. Sc., Senior Researcher
Russian Federation, TomskNatalia A. Mukhortina
Tomsk Branch of the Trofimuk Institute of Petroleum-Gas Geology and Geophysics of Siberian Branch Russian Academy Sciences
Email: volkovana@ipgg.sbras.ru
ORCID iD: 0000-0003-2625-8985
Junior Researcher
Russian Federation, TomskYulia V. Kolubaeva
Tomsk Branch of the Trofimuk Institute of Petroleum-Gas Geology and Geophysics of Siberian Branch Russian Academy Sciences
Email: kolubaeva@inbox.ru
ORCID iD: 0000-0001-7934-5172
Cand. Sc., Researcher
Russian Federation, TomskReferences
- Minakova E.A., Shlychkov A.P., Kondratyev S.A., Latypova V.Z. Migration flows of nutrient elements in the geosystem “catchment area–water body” in modern conditions. Geoecology, 2022, no. 2, рр. 13–21. (In Russ.) doi: 10.24412/1816-1863-2022-2-13-21
- Kimstach V.A. Classifications of surface water quality in the countries of the European Economic Community. St Petersburg, Gidrometeoizdat Publ.,1993. 48 р. (In Russ.)
- Yunkera M.B., Macdonaldb R.W., Vingarzanc R., Mitchelld R.H., Goyettee D., Sylvestre S. PAHs in the Fraser River basin: a critical appraisal of PAH ratios as indicators of PAH source and composition. Organic Geochemistry, 2002, vol. 33, рр. 489–515. doi: 10.1016/S0146-6380(02)00002-5
- Semenov M.Yu., Marinayte I.I., Zhuchenko N.A. Identification of sources and routes of entry of polycyclic aromatic hydrocarbons into surface waters based on chemical monitoring data. Geoecology. Engineering geology. Hydrogeology. Geocryology, 2017, no. 1, рр. 40–49. (In Russ.)
- Tarnawski M., Baran A. Use of chemical indicators and bioassays in bottom sediment ecological risk assessment. Archives of Environmental Contamination and Toxicology, 2018, vol. 74, рр. 395–407. doi: 10.1007/s00244-018-0513-2
- Neha Kumari, Kushal Thakur, Rakesh Kumar, Sunil Kumar, Danish Mahajan, Bhavna Brar, Dixit Sharma, Amit Kumar Sharma. Freshwater lakes in the Western Himalayan Region: an analysis of the present situation. Water-Energy Nexus, 2023, vol. 6, pp. 18–31. doi: 10.1016/j.wen.2023.06.002
- Ioganzen B.G., Popov M.A., Yakubova A.I. Reservoirs in the vicinity of the city of Tomsk. From a series of works on the study of the biological productivity of water bodies in Siberia. Proceedings of Tomsk University, 1951, vol. 115, pp. 121–190. (In Russ.)
- Sagdeev M.A., Chigrineva N.A., Salnikova V.I. Study of the cation-anionic composition of water by the method of capillary electrophoresis. Modern scientific research and innovation, 2017, vol. 71, no. 3, pp. 36–39. (In Russ.)
- Schreider S., Sommaruga R., Psenner R. Changes in air temperature, but not in precipitation, determine long-term trends in water chemistry of high mountain lakes of the Alps with and without rock glacier influence. Science of The Total Environment, 2023, vol. 905, 167750. doi: 10.1016/j.scitotenv.2023.167750
- Tomilina I.I., Gremyachikh V.A., Grebenyuk L.P. Ecotoxicological monitoring in lakes of northwestern and central European Russia situated in specially protected natural areas. Water Resources, 2014, vol. 41, no. 3, pp. 304–311. (In Russ.) doi: 10.7868/S032105961403016X
- Agbalyan E.V., Shinkaruk E.V. Chemical composition of water of small lakes of oil and gas diving regions of the north of Western Siberia. Advances of modern natural science, 2019, no. 7, pp. 45–51. (In Russ.) doi: 10.17513/use.37158
- Sanitary standards and requirements SanPiN 1.2.3685-21 "Hygienic standards and requirements for ensuring the safety and (or) harmlessness of environmental factors to humans. Moscow, State Sanitary and Epidemiological Surveillance of Russia Publ., 2021. 469 p. (In Russ.)
- Rovinskiy F.Ya., Teplitskaya T.A., Alekseyeva T.A. Background monitoring of polycycloaromatic hydrocarbons. Leningrad, Gidrometeoizdat Publ., 1988. 233 p. (In Russ.)
- Opekunov A.Yu., Mitrofanova E.S., Sanni S. Polycyclic aromatic hydrocarbons in bottom sediments of rivers and canals of St. Petersburg. Vestnik St. Petersburg Univercity, 2015, Iss. 7, no. 4, pp. 98–109. (In Russ.)
- Khalikov I.S., Lukyanova N.N. Polycyclic aromatic hydrocarbons content in bottom sediments of Baikal lake according to results of monitoring in 2017–2018. International Scientific Research Journal, 2020, no. 6-2 (96), pp. 69–73. (In Russ.)
- Reiersen L.O., Wilson S., Sychev Yu., Pawlak J., Utne I. Sources, inputs and concentrations of petroleum hydrocarbons, polycyclic aromatic hydrocarbons, and other contaminants related to oil and gas activities in the arctic. Arctic Monitoring and Assessment Programme. Oslo, AMAP, 2007. Ch. 4, 87 p.
- Kuo Yao, Zhanling Xie, Lihao Zhi, Zefan Wang, Chengkai Qu. Polycyclic Aromatic Hydrocarbons in the Water Bodies of Dong Lake and Tangxun Lake, China: spatial distribution, potential sources and risk assessment. Water, 2023, vol. 15 (13), no. 2416. doi: 10.3390/w15132416.
- Song Q., Xue Z., Wu H., Zhai Y., Lu T., Du X., Zheng J., Chen H., Zuo R. The collaborative monitored natural attenuation (CMNA) of soil and groundwater pollution in large petrochemical enterprises: a case study. Environmental Research, 2023, vol. 216, Iss. 4, 114816. doi: 10.1016/j.envres.2022.114816
- Zhang Y., Zhang L., Huang Z. Pollution of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in drinking water of China: composition, distribution and influencing factors. Ecotoxicology and Environmental Safety, 2019, vol. 177, pp. 108–116. doi: 10.1016/j.ecoenv.2019.03.119
- Tretyakov M.V., Bryzgalo V.A., Rumyantseva E.V., Romashova K.V. Freshwater resources of western Spitsbergen in modern conditions (long-term research by AARI). Monografiya. St Peterburg, AANII Publ., 2021. 201 p. (In Russ.)
- Gorshkov A.G., Marinayte I.I., Zemskaya T.I., Khodzher T.V. The current level of petroleum products in the water of the lake Baikal and its tributaries. Chemistry for sustainable development, 2010, no. 18, pp. 711–718. (In Russ.)
- Zubarev V.A. Hydrochemical indices for assessing the quality of surface waters. Regional problems, 2014, vol. 17, no. 2, pp. 71–77. (In Russ.)
- Rogers B.C., Dunn G., Hammer K., Novalia W., De Haan F.J., Brown L., Brown R.R., Lloyd S., Urich C., Wonga T.H.F., Chesterfielda C. Water Sensitive Cities Index: a diagnostic tool to assess water sensitivity and guide management actions. Water, 2020, vol. 186, 116411. doi: 10.1016/j.watres.2020.116411
- Sunitha V., Muralidhara R.B. Geochemical characterization, deciphering groundwater quality using pollution index of groundwater (PIG), water quality index (WQI) and geographical information system (GIS) in hard rock aquifer, South India. Applied Water Science, 2022, vol. 12, no. 41. doi: 10.1007/s13201-021-01527-w
- Assessment and regulation of natural water quality: criteria, methods, existing problems. Compiler O.V. Gagarina. Izhevsk, Udmurt University Publ. House, 2012. 199 p. (In Russ.)
