авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 |

«ПЕТРОЗАВОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭКОЛОГО-БИОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ КАФЕДРА ЗООЛОГИИ И ЭКОЛОГИИ На ...»

-- [ Страница 2 ] --

Рисунок 13. Гранулометрический состав донных отложений р. Неглинки, N= Рисунок 14. Гранулометрический состав донных отложений р. Лососинки, N= Содержание тонкозернистых песчаных (0.1-0.05 мм), алевритовых и глинистых частиц наоборот выше в речных осадках Лососинки, чем Неглинки (28.9 % и 16.2 %, соответственно). Данные факты объясняются тем, что донные отложения р. Неглинки представлены русловой фацией, а донные отложения Лососинки – как русловой, так и пойменной (участки «Мерецкова» и «Фонтан») фациями речных осадков.

На треугольных диаграммах (рис. 15 и 16) показаны распределения образцов проб донных отложений рек г. Петрозаводска относительно соотношения в них песчаных частиц разного размера. Всего в 4 образцах донных отложений р. Неглинки (7.7 % от общего количества проб) преобладают грубо- и крупнозернистые частицы, то есть в этих осадках их 60%. В исследованных отложениях р. Лососинки таких образцов выявлено не было. В 21 пробе донных отложений Неглинки (40.1 %) доминируют тонко- и мелкозернистая песчаные фракции, доля образцов проб донных отложений р. Лососинки с доминирование этих фракций составляет 68.4 %.

Доминирование проб с разнозернистым песчаным гранулометрическим составом (центральная область диаграмм на рисунках 15 и 16) наоборот характерно для р. Неглинки.

Важно отметить, что в область превалирования фракции 0.25 мм попали пробы донных отложений, отобранные преимущественно на пойменных участках петрозаводских рек, а также в районах, приуроченных к основным транспортным развязкам и сливам ливневых канализационных стоков. Как известно (Янин, 2013), высокая антропогенная нагрузка на речные экосистемы в городской черте сказывается на увеличении в донных отложениях водотоков содержания тонких фракций, поступающих в реки с водосборной площади.

Рисунок 15.Треугольная диаграмма соотношения песчаных частиц разного размера в донных отложениях городской части р. Неглинки Рисунок 16.Треугольная диаграмма соотношения песчаных частиц разного размера в донных отложениях р. Лососинки 3.2. Минеральный состав и петрохимические особенности Минеральный состав донных отложений рек г. Петрозаводска Известно, что в зоне интенсивного антропогенного воздействия на речные экосистемы происходит изменение донных отложений водотоков на минеральном и петрохимическом уровне. По результатам рентгеноструктурного анализа был определен минеральный состав донных отложений рек Лососинки и Неглинки (различных гранулометрических фракций), чей суммарный вес от общего числа минералов не превышал 0.9 1.1 % (табл. 1 и 2 приложения).

В первую очередь необходимо отметить, что содержание того или иного минерала (в частности, кварца и альбита) в исследованных пробах варьирует в зависимости от гранулометрического состава и фации донных отложений. Так, больше кварца содержится в грубых песчаных фракциях донных отложений относительно содержания этого минерала в глинисто-алеврито-песчаной фракции (рис. 17).

Рисунок 17. Содержание кварца в разных гранулометрических фракциях (в мм) русловых отложений р. Неглинки, % С другой стороны, содержание альбита, наоборот, в тонкой фракции выше, чем в грубой фракции донных осадков (рис. 18). Кроме того, отмечается присутствие мусковита в основном во фракциях 0.1-0.25 мм и 0.25 мм, а актинолит, диопсида и авгита – во фракции 0.1 мм, что соответствует представлениям об очередности выветривания минералов при гипергенезе горных пород и почвенных образований (Рухин, 1969;

Выветривание..., 2008).

Рисунок 18. Содержание альбита в разных гранулометрических фракциях (в мм) русловых отложений р. Неглинки, % В донных отложения р. Лососинки отмечены хлорит и тремолит, которых не обнаружено в осадках Неглинки. В фоновых условиях для обеих рек отмечено максимальное содержание кварца – 56.0 % (Неглинка) и 60.3 % (Лососинка). В пробах, отобранных в черте города содержание этого устойчивого к выветриванию минерала в русловых отложениях р. Неглинки несколько выше, чем в р. Лососинке. При этом содержание альбита в обоих водотоках находится на одном уровне как в пробах донных отложений в черте города, так в условно фоновых зонах.

Важно отметить, что пробы донных отложений обеих петрозаводских рек на фоновых территориях имеют более бедный минеральный состав по сравнению с осадками городских частей водотоков. Данный факт, связан, прежде всего, с тем, что на урбанизированной территории исходные («коренные») грунты, размытые рекой, обогащаются минеральным веществом посредством поверхностного стока с почвенного покрова города и благодаря постоянным эрозионным процессам.

Помимо породообразующих минералов, по данным изучения отдельных образцов проб донных отложений петрозаводских рек при помощи электронного микрозондирования было установлено присутствие в осадках таких минералов как пирит, маргарит, корунд, монацит, циркон, целестин, англезит, титаномагнетит, нигрин (разновидность рутила), сфен (рис. 19).

Рисунок 19. Электронные изображения зерен циркона (А), монацита (Б), титаномагнетита (В) и сфена (Г) в донных отложения рек г. Петрозаводска Петрохимические особенности донных отложений рек г. Петрозаводска Средние содержания главных породообразующих элементов в валовой грубой фракции донных отложений р. Неглинки представлены в таблице 4. По сравнению с данными химического состава гравийно-песчаных отложений микулинского горизонта (глубина – 2.5 м), вскрытого на территории г. Петрозаводска в районе устья Неглинки (Ikonen, Ekman, 2001), речные осадки обогащены кремнеземом (на 8.2 %) и обеднены оксидами титана (29.6), алюминия (16.2), магния (48.6), кальция (8.7), натрия (11.2), калия (11.8) и фосфора (5.5), что является следствием вторичных процессов выветривания под воздействием водного потока. Содержание оксидов железа и марганца в отложениях петрозаводской реки соответствует уровню концентраций этих веществ в верхнем слое микулинских пород (разница менее 5 %).

Таблица 4. Содержание основных петрогенных элементов в грубой фракции донных отложений р. Неглинки, % п.п.п.

SiO2 TiO2 Al2O3 Feобщ. MnO MgO CaO Na2O K2O P2O Me 77.6 0.33 9.2 3.7 0.06 0.80 2.0 2.6 1.8 0.15 2. xMax 79.7 0.76 11.7 7.9 0.28 1.52 3.3 2.7 2.0 0.35 10. xMin 61.7 0.27 8.2 2.8 0.04 0.60 1.8 2.3 1.6 0.11 0. SMe 2.4 0.07 0.8 0.5 0.01 0.30 0.2 0.2 0.1 0.06 1. N 13 13 13 13 13 13 13 13 13 13 Примечание.Me – медиана, xMax и xMin – максимальное и минимальное значения выборки, SMe – стандартное отклонение медианы, N – число вариант в выборке.

Оценка сопоставимости данных химического силикатного состава тонкой (0.1 мм) (табл. 5) и грубой (2.0 мм) фракций отложений р. Неглинки по одним и тем же пробам по U-критерию Манна-Уитни выявила статистически значимые различия содержаний всех окислов исследуемых элементов, кроме натрия и фосфора (при p0.01). Значения рассчитанных Uэмп. убывают в ряду TiO2CaOMgOSiO2п.п.п.Al2O3MnONa2OFeобщ.P2O5K2O. При этом необходимо отметить, что лишь содержание кремнезема и оксида калия, по результатам сравнения медиан выборок, выше в грубой фракции осадка.

Содержание остальных элементов (включая фосфор) выше в тонкой глинисто алеврито-тонкопесчаной фракции донных отложений реки. Указанные выше факты находят отражение во взаимосвязи химического силикатного состава изученных пород с их гранулометрическими особенностями (табл. 6).

Таблица 5. Содержание основных петрогенных элементов в тонкой фракции (0.1 мм) донных отложений р. Неглинки, %% п.п.п.

SiO2 TiO2 Al2O3 Feобщ. MnO MgO CaO Na2O K2O P2O5 S Me 62.7 0.94 11.3 6.3 0.10 1.6 3.3 2.3 1.7 0.23 0.038 9. xMax 69.6 1.11 11.8 7.7 0.29 1.9 3.5 2.5 1.8 0.32 0.112 13. xMin 57.8 0.68 10.1 4.5 0.07 1.1 2.7 2.2 1.6 0.13 0.031 3. SMe 3.4 0.14 0.5 0.7 0.04 0.2 0.2 0.1 0.1 0.04 0.010 3. N 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 Примечания.Me – медиана, xMax и xMin – максимальное и минимальное значения выборки, SMe – стандартное отклонение медианы, N – число вариант в выборке.

Таблица 6. Корреляционные зависимости между содержанием основных петрогенных элементов и процентным соотношением различных гранулометрических фракций (мм) в донных отложениях р. Неглинки 0.005– 0.05– 0.1– 0.25– 0.005 0.5–2.0 0.1 0.1 0. 0.05 0.1 0.25 0. -0.53c -0.41c 0.58b 0.43c 0.51c -0.90a -0.95a -0.87a 0.78a SiO 0.39c 0.52c -0.53c -0.54c -0.70b -0.60b 0.84a 0.85a 0.78a TiO 0.55c 0.53c 0.16c 0.03c -0.30c -0.04c 0.36c -0.30c -0.11c Al2O 0.45c 0.56b -0.63b -0.58b -0.66b 0.85a 0.82a 0.79a -0.74a Feобщ.

0.41c 0.52c -0.54c -0.55c -0.42c -0.54c 0.84a 0.79a MnO 0. 0.51c 0.49c -0.51c -0.45c -0.54c -0.46c 0.74a 0.74a MgO 0. 0.66b -0.68b -0.73b 0.82a 0.82a 0.70a -0.76a 0.91a -0.75a CaO 0.05c 0.09c 0.02c -0.44c -0.44c 0.41c -0.03c 0.16c 0.32c Na2O 0.09c 0.11c -0.16c -0.42c -0.42c 0.36c -0.10c -0.04c 0.31c K2O 0.58b 0.52c -0.65b -0.52c -0.58b 0.94a 0.88a 0.87a -0.76a п.п.п.

0.53c 0.17c 0.37c -0.35c -0.34c 0.42c -0.24c -0.32c 0.72a P2O Примечания. Индекс a соответствует уровню значимости при p0.01, b– при p0.05, c – при p0.05.

Отмечается, что содержание кремнезема отрицательно коррелирует с тонкими фракциями донных отложений (до 0.25 мм) и положительно – с фракциями 0.25–0.5 мм, 0.1 мм и 0.25 мм. При этом максимальные значения коэффициентов корреляции получены для глинистой и алевритовой фракций.

Синергистами по отношению к тонким фракциям донных отложений Неглинки выступают окислы железа, марганца, магния, кальция и потери при прокаливании. Отсутствие статистически значимой корреляции (p0.05) установлено для Al2O3, Na2O и K2O.

Формирование химического состава грубой фракции русловых донных отложений р. Неглинки происходит под влиянием, главным образом, геологических факторов, а именно процессов физического и химического выветривания (табл. 7).

Таблица 7. Факторная модель петрохимического состава донных отложений городской части р. Неглинки (фракция 2.0 мм), N= Показатели фактор 1 фактор 2 фактор SiO2 -0.09 -0. -0. TiO2 0.06 0. 0. Al2O3 0.30 0. 0. Feобщ. -0.05 0. 0. MnO 0.62 -0.16 0. MgO -0.04 0. 0. CaO -0.09 0. 0. Na2O 0.09 -0. 0. K2O 0.00 0. 0. P2O5 0.24 0. 0. п.п.п. 0.06 0. 0. Вес фактора, % 66.2 18.9 10. Основной фактор (№ 1), на долю которого приходится 66.2 % от веса всех факторов, объединяет Si, Ti, Al, Fe, Mg, Ca, P и потери при прокаливании (ППП). При этом кремнезем имеет отрицательный коэффициент корреляции с первым фактором, который, скорее всего, отражает устойчивость к механическому выветриванию первичных пород, что влияет на гранулометрические особенности донных отложений. То есть, содержание указанных элементов контролируется размером зерен, что было показано ранее (табл. 6). Фактор 2 (18.9 %), который объединяет Na2O и K2O, чьи концентрации связаны с полевыми шпатами, – это фактор состава первичных пород, из которых образовались донные осадки петрозаводских рек. По третьему по весу фактору (10.9 %), по-видимому, можно судить об антропогенном влиянии на химический состав речных отложений, так как марганец – элемент из группы тяжелых металлов 3-го класса опасности.

Небольшое тяготение к этому фактору имеют также фосфор, и железо.

Отмечено также, что частично содержание MnO контролируется и первым фактором, коэффициент корреляции с которым равен 0.62.

Анализ факторной модели петрохимических особенностей донных отложений рек Лососинки и Неглинки (тонкой фракции) выявил, что главный фактор (№ 1), на долю которого приходится 50 % веса всех факторов, связан с антропогенным влиянием на формирование химического состава исследуемых осадков (табл. 8). Кроме того, содержание элементов, входящих в этот фактор, контролируется гранулометрическим составом донных отложений, что отражается на высоких значимых коэффициентах корреляции окислов кремния (-0.97) и магния (0.75).

Таблица 8. Факторная модель петрохимического состава донных отложений рек г. Петрозаводска (фракция 0.1 мм), N= Показатели фактор 1 фактор 2 фактор SiO2 -0.03 0. -0. TiO2 0.02 0. 0. Al2O3 -0.13 0.25 0. Feобщ. 0.35 -0. 0. MnO -0.32 -0. 0. MgO 0.52 0. 0. CaO -0.24 0. 0. Na2O 0.19 0. -0. K2O -0.18 -0.15 0. P2O5 -0.11 -0. 0. п.п.п. -0.21 -0. 0. Вес фактора, % 50.0 22.6 18. Во второй по значимости фактор (22.6 %) также входят элементы (Ti, Ca), тяготеющие к тонким фракциям исследуемых отложений, но не имеющие техногенной составляющей в своем происхождении. Вероятнее всего, генезис этих оксидов связан со спецификой ореолов рассеивания указанных элементов.

Кроме того, кальций входит в кристаллическую решетку полевых шпатов, что отражается в слабом антагонизме к фактору 1 (коэффициент корреляции -0.24).

Содержание окислов алюминия и калия, входящих в состав мусковита и полевых шпатов, обнаруженных в изученных донных осадках петрозаводских рек, контролируется фактором состава первичных минералов (18.9 %). Слабый синергизм к этому фактору отмечен также у магния (0.34) и натрия (0.31).

Таким образом, фактор устойчивости к химическому и физическому выветриванию первичных минералов и как следствие – гранулометрические особенности донных отложений петрозаводских рек играют основную роль в формировании химического состава речных осадков. В тонкой фракции донных отложений четко выделяется ассоциация элементов (Feобщ., MnO, P2O5,п.п.п.), содержание которых контролируются как наличием самых тонких гранулометрических фракций (положительная корреляция), так и частично техногенным поступлением с водосборной территории.

Необходимо также отметить, что между химическим составом донных отложений рек Лососинки и Неглинки (таблицы 5 и 9) существуют некоторые различия, выявленные в результате Манна-Уитни-теста и факторного анализа.

Таблица 9. Содержание основных петрогенных элементов в тонкой фракции (0.1 мм) донных отложений р. Лососинки, % п.п.п.

SiO2 TiO2 Al2O3 Feобщ. MnO MgO CaO Na2O K2O P2O5 S Me 61.7 0.68 10.9 6.0 0.19 1.4 2.7 2.2 1.7 0.30 0.027 10. xMax 73.6 0.95 12.1 8.1 0.59 1.7 3.0 2.6 2.0 0.46 0.035 19. xMin 52.8 0.60 10.6 3.8 0.10 1.0 2.3 1.8 1.7 0.12 0.024 1. SMe 10.9 0.04 0.3 1.7 0.13 0.3 0.2 0.4 0.0 0.18 0.003 9. N 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 Примечания.Me – медиана, xMax и xMin – максимальное и минимальное значения выборки, SMe – стандартное отклонение медианы, N – число вариант в выборке.

Содержание Ca и Na в донных отложениях водотоков статистически значимо различаются (UCa=5 и UNa=16.5, при Uкрит.=17 для p0.01), что обуславливается, по видимому, более высоким содержанием плагиоклазов в донных осадках р. Неглинки по сравнению с отложениями Лососинки. Кроме того, содержание кальция в донных отложениях Лососинки контролируется фактором антропогенного воздействия на водный объект, по отношению к которому данный элемент является антагонистом (R=-0.88). Анализ треугольной диаграммы (рис. 20) показывает, что по соотношению Al-(Ca+Na) K химический состав донных отложений обеих петрозаводских рек находится в тренде выветривания первичных минералов, что ведет к снижению доли плагиоклазов в исследуемых осадках по сравнению с первичным материалом.

Рисунок 20. Диаграмма тренда выветривания первичных минералов в донных отложениях рек Лососинки и Неглинки Железо в донных отложениях р. Неглинки тяготеет к фактору природного происхождения, а в осадках р. Лососинки – к фактору техногенного генезиса.

Обратная ситуация наблюдается с марганцем. При этом оба элемента одинаково сильно зависят от гранулометрических особенностей донных отложений обоих водотоков. Данные факты являются следствием того, что донные осадки Неглинки представлены в основном русловой фацией, а Лососинки – смешанной (русловой и пойменной фациями).

Донные отложения петрозаводских рек (в тонкой фракции) можно охарактеризовать как более молодое образование по сравнению с грубой фракцией осадка, поскольку медианное значение петрохимического модуля зрелости осадочных пород (по Петтиджону) в полтора раза выше во фракции 2.0 мм. Модуль зрелости осадочных пород области наоборот выше во фракции 0.1 мм (также в полтора раза), что указывает на обусловленность формирования химического состава именно тонкой фракции речных осадков процессами антропогенного характера на городской территории, в то время как состав грубой фракции несет на себе «след» природного происхождения отдельных элементов.

В корреляционной матрице петрохимических модулей (табл. 10), характеризующих химический состав донных отложений петрозаводских рек (фракции 0.1 мм), гидролизатный модуль, отражающий процесс химического выветривания первичных минералов в донных отложениях, имеет тесную корреляционную зависимость с фемическим, железным и органо-кремнистым модулями. Данный факт объясняет модель взаимодействия природных и антропогенных процессов, происходящих в донных отложениях изучаемых рек.

При этом марганцевый модуль слабо связан с гидролизатным модулем, однако отмечается его средняя корреляционная связь с железным модулем, что говорит о вхождении марганца в указанную выше модель опосредованно, то есть вследствие изоморфных замещений железа. Кроме того, значимый отрицательный коэффициент корреляции марганцевого и титанового модулей (R=-0.54 при p0.01) также указывает на связь марганца с антропогенными процессами, так как миграция титана, как было указано выше, контролируется естественными природными процессами и связана со спецификой ореолов рассеивания этого элемента.

Табл. 10. Корреляционные зависимости (по Спирмену) петрохимических модулей силикатного состава донных отложений рек г. Петрозаводска, N = НМ КМ ЩМ ОЩМ ПМ ЗПМ СДМ ФМ ЖМ ОКМ КЦМ ММ ТМ -0.29c -0.23c 0.33c 0.28c -0.89a -0.70a -0.93a -0.92a -0.71a 0.97a 0.86a 0.81a -0.84a ГМ 0.08c 0.45b -0.51b -0.05c 0.89a 0.96a 0.85a 0.59a -0.87a -0.77a -0.81a 0.91a НМ -0.23c 0.29c 0.23c 0.24c -0.24c -0.15c -0.01c -0.03c 0.20c -0.63a -0.62a КМ -0.50b 0.16c 0.75a 0.69a 0.74a 0.55a -0.68a -0.60a -0.72a 0.92a ЩМ 0.26c -0.43b -0.21c 0.86a 0.56a -0.91a -0.80a -0.78a 0.83a ОЩМ 0.34c 0.24c -0.20c -0.19c -0.48b -0.51b 0.58a 0.73a ПМ -0.23c -0.16c -0.83a -0.65a -0.78a 0.87a ЗПМ 0. -0.36c -0.52b 0.01c -0.14c -0.57a 0.71a СДМ 0.41c 0.27c 0.94a 0.80a -0.79a ФМ 0.52b 0.23c 0.76a -0.68a ЖМ 0.43b -0.03c -0.77a ОКМ -0.42b 0.04c КЦМ -0.54a ММ Примечания. Индекс a соответствует уровню значимости при p0.01, b – при p0.05, c – при p0.05.

Интересно отметить, что кальций в химическом составе донных отложений петрозаводских рек, скорее всего, связан с Ca-Na-плагиоклазами.

Данный факт подтверждается тесной взаимосвязью модуля кальцитоносности с натриевым, щелочным и плагиоклазовым модулями. Кроме того, наблюдается высокий уровень корреляции модуля кальцитоносности с модулем зрелости осадочных пород по Петтиджону (R=-0.87 при p0.01). Это говорит о незначительном содержании карбонатных минералов в донных отложениях рек Лососинки и Неглинки, так как концентрация кальция в донных осадках техногенно нарушенных территорий обычно возрастает преимущественно за счет увеличения доли карбонатов, поступающих в водные объекты с прилегающих территорий (Даувальтер, 2012;

Янин, 2013). Автором также отмечено, что при лабораторных исследованиях проб донных отложений р. Лососинки их обработка раствором соляной кислоты (10 %) не вызывала заметной реакции в виде вскипания при выделении углекислого газа (испытание на карбонатность). Данный факт также говорит об отсутствии (либо об очень низком содержании) карбонатов в изучаемых речных отложениях.

3.3. Актуальная кислотность и микроэлементный состав Актуальная кислотность донных отложений В черте города донные отложения рек Лососинки и Неглинки по показателю pH характеризуются как нейтральные и слабощелочные, что соответствует уровню актуальной кислотности почв г. Петрозаводска (Федорец, Медведева, 2005). Максимальные значения pH установлены в пробах донных отложений р. Неглинки (до 7.6), однако медианное значение pH речных осадков Лососинки (в районе зарегулированного участка по ул. Мерецкова) несколько выше, чем аналогичное значение по второй петрозаводской реке (табл. 11).

Установлено, что донные отложения пригородной зоны р. Лососинки слабо отличаются по значению pH от проб, отобранных в районе города.

Статистически значимое различие по критерию Манна-Уитни отмечено лишь между выборками проб из городского участка реки «Мерецкова» и пригородной зоны водотока (Uэмп.Uкрит. при p0.05).

Таблица 11. Значения pH донных отложений рек г. Петрозаводска (фракция 0.1 мм) на разных участках исследования р. Неглинка р. Лососинка город пригород «Фонтан» «Мерецкова» пригород Me 6.89 5.30 6.45 6.99 6. xMax 7.64 6.29 7.00 7.23 7. xMin 5.67 4.83 5.98 5.69 6. SMe 0.56 0.49 0.22 0.21 0. N 40 11 11 18 Примечания.Me – медиана, xMax и xMin – максимальное и минимальное значения выборки, SMe – стандартное отклонение медианы, N – число вариант в выборке.

При сравнении выборок с участка «Фонтан» и пригородной зоны подобное различие не установлено (Uэмп.Uкрит. при p0.01). Интересно, что, согласно Манна-Уитни-тесту, статистически различными по показателю pH являются выборки двух городских участков Лососинки (Uэмп.Uкрит. при p0.01).

Вероятно, pH донных отложений на участке «Фонтан» являются более кислыми вследствие высокого содержания органического вещества, поступающего в данный участок петрозаводской реки с прилегающей территории.

Донные отложения р. Неглинки в пригородной зоне по значениям показателя рН близки к фоновым почвам Карелии и характеризуются как кислые (Федорец, 2008). Манна-Уитни тест установил значимое различие между выборками значений pH городских и пригородных проб донных отложений р. Неглинки (Uэмп.Uкрит. при p0.01), что проиллюстрировано на рисунке 21. В районе резкого увеличения pH донных отложений реки на границе «город-пригород» от 5.20 до 7.22 отмечено плотное скопление ливневых канализационных стоков, что способствует подщелачиванию речной воды от кислого до нейтрального уровня (Комулайнен, Морозов, 2007) и, как следствие, увеличению pH донных отложений.

Рисунок 21 Актуальная кислотность донных отложений по профилю р. Неглинки Необходимо также отметить, что значения актуальной кислотности донных отложений фракции 2.0 мм на единицу превышают значения pH осадков тонкой фракции (7.79±0.44). Кроме того, не установлено никакого статистически значимого различия между пригородными и городскими пробами по данному показателю, что указывает на единый щелочной уровень pH в валовой фракции донных отложений, формирование которой происходит под влиянием фоновых геологических компонентов.

Группа редкоземельных элементов Распределение медианных содержаний редкоземельных элементов (РЗЭ) в донных осадках петрозаводских рек приведено на рисунке 22. Нормирование проводилось по среднему составу РЗЭ донных отложения р. Неглинки на фоновой территории (фракция 2.0 мм). Отмечено пониженное содержание в изучаемых осадках легких лантаноидов по отношению к среднему составу континентальной земной коры (кроме самария, европия и гадолиния в донных отложениях города). Также отмечено пониженное содержание в донных отложениях петрозаводских рек тяжелых лантаноидов (иттриевой группы) по отношению к средней земной коре. Исключением является иттербий, содержание которого в среднем составе континентальной земной коры сопоставимо с содержанием в донных отложениях пойменных участков р. Лососинки (рис. 23).

На приведенных графиках (рис. 22 и 23) видно, что тренды РЗЭ (особенно тяжелых лантаноидов) исследуемых донных отложений наиболее близки к тренду РЗЭ, построенному по среднему составу континентальной земной коры.

Данный факт говорит о генетической близости речных осадков к коренным геологическим образованиям Фенноскандинавского кристаллического щита, разрушение и дальнейший перенос ледником которых привело к возникновению сравнительно молодого осадочного чехла Карелии. Кроме того, отмечается четкая дифференциация трендов РЗЭ донных отложений городской и пригородной территорий, а также тонкой и грубой фракций изученных осадков. Полученные данные свидетельствуют о высокой роли процесса обогащения литофильными элементами с почвенного покрова донных отложений антропогенно нарушенных районов за счет поверхностного стока с водосборной площади.

Рисунок 22. Тренды РЗЭ, нормированных по фоновым значениям (грубая фракция) различных типов осадков рек г. Петрозаводска и среднего состава континентальной земной коры Рисунок 23. Тренды РЗЭ, нормированных по хондриту (Sun, McDonough, 1989) различных типов речных донных осадков г. Петрозаводска и среднего состава верхней части континентальной земной коры Данные результаты подтверждают сделанный ранее вывод о том, что донные отложения служат приемником минерального вещества с водосборной площади. Поэтому химический состав осадков обогащается примесными элементами минералов, входящих в состав почв и горных пород, и выносимых из них в процессе эрозии в водные системы (Даувальтер и др., 1999;

Латушкина, Рассказов, 2013). По данным химического состава почвенного покрова территории г. Петрозаводска (Крутских, устное сообщение), установлено, что почвы города характеризуется в целом единым уровнем накопления РЗЭ (коэффициенты концентрации варьируют от 0.9 до 1.1) как на фоновых территориях, так и в городской черте. При этом в донных осадках средний уровень накопления РЗЭ достигает 2.5 по р. Неглинке и 2.7 по р. Лососинке.

Необходимо отметить также, что поведение литофилов частично контролируется гранулометрическим составом исследуемых донных осадков (табл. 12). Именно поэтому наиболее обогащенными по редкоземельным элементам являются речные отложения пойменных участков Лососинки («Фонтан» и «Мерецкова») по отношению к осадкам русловой фации водотока в пределах городской черты. Наблюдается высокий уровень положительной корреляции концентраций РЗЭ с содержанием глинистых и алевритовых фракций в исследуемых речных осадках. И наоборот: все элементы являются антагонистами по отношению к грубой фракции донных отложений петрозаводских водотоков.

Таблица 12. Корреляционные зависимости (по Пирсону) между содержаниями РЗЭ и различных гранулометрических фракций (мм) в донных отложениях р. Неглинки, N= 0.005 0.005 0.05-0.1 0.1 0.1-0.25 0.25-0.5 0. 0. 0.79 0.73 0.58 0.75 0.69 -0.60 -0. La 0.79 0.73 0.57 0.75 0.69 -0.60 -0. Ce 0.79 0.73 0.58 0.76 0.69 -0.60 -0. Pr 0.79 0.74 0.59 0.77 0.69 -0.60 -0. Nd 0.78 0.72 0.58 0.75 0.69 -0.60 -0. Sm 0.77 0.70 0.56 0.74 0.70 -0.60 -0. Eu 0.78 0.73 0.59 0.75 0.67 -0.59 -0. Gd 0.78 0.74 0.61 0.77 0.69 -0.59 -0. Tb 0.79 0.74 0.60 0.77 0.69 -0.59 -0. Dy 0.78 0.73 0.58 0.75 0.67 -0.59 -0. Ho 0.78 0.74 0.59 0.76 0.68 -0.58 -0. Er 0.77 0.73 0.61 0.77 0.68 -0.57 -0. Tm 0.77 0.74 0.60 0.75 0.67 -0.55 -0. Yb 0.78 0.74 0.59 0.75 0.67 -0.58 -0. Lu Примечание. Коэффициенты корреляции статистически значимы при 95 %-ом уровне надежности (Rкрит.=0.55). Перед анализом все значения нормировались по максимальной варианте выборки.

На рисунках 22 и 23 также видно, что тренд РЗЭ донных отложений р. Лососинки (участок «Фонтан») в 2011 году несколько выше, чем в 2007-м году. Коэффициенты концентрации всех РЗЭ (кроме церия и гадолиния) за четыре года увеличились на 1.2–28.6 %, что свидетельствует о непрекращающемся процессе осадконакопления на дне исследуемой городской реки.

Другие микроэлементы Концентрации остальных литофильных микроэлементов в донных отложениях городских частей рек Петрозаводска, а также транзитных элементов, чей генезис может быть связан с антропогенной средой, также превышают аналогичные фоновые значения в пригородных зонах изучаемых водотоков (рис. 24).

Рисунок 24. Уровень обогащения донных отложений петрозаводских рек различными микроэлементами на территории города (нормирование по микроэлементному составу донных отложений пригородных участков рек) При этом уровень обогащения русловых осадков р. Лососинки, отобранных в черте города, по большинству элементов соответствует условно чистому уровню. Исключениями являются такие элементы как медь, цинк, олово и сурьма, которые могут иметь техногенное происхождение. Линии трендов вышеперечисленных элементов в донных отложениях изучаемых участков петрозаводских рек заметно превышают условно-фоновый уровень.

Наиболее высоких значений достигают концентрации элементов, которые в экологической литературе принято относить к тяжелым металлам. Интересно отметить, что городские пойменные отложения р. Лососинки весьма обеднены по сравнению с условно-фоновыми значениями такими элементами как кадмий, цирконий, стронций и гафний.

Факторный анализ, проведенный по данным микроэлементного состава обоих петрозаводских рек (табл. 13), выявил три основных фактора, определяющих его формирование. Их суммарный вес составляет 77.3 % от веса всех главных компонент, что позволяет не рассматривать остальные малозначимые факторы, так как их влияние крайне незначительно по сравнению с первыми тремя.

Таблица 13. Факторная модель микроэлементного состава тонкой фракции донных отложений рек г. Петрозаводска, N= № фактора Ассоциации микроэлементов (вес, %) (коэффициенты корреляции с фактором) Все лантаноиды (до 0.99), Y (0.99), U (0.97), Hf (0.84), 1 (44.7) Th (0.83), Zr (0.80), Cd (0.79), Ti (0.68), Cr (0.60) Ni (0.96), Zn (0.91), Cu (0.90), Co (0.85), Cs (0.84), 2 (20.6) Sb (0.76), P (0.72), Li (0.70), W (0.68), Pb (0.64), Sn (0.55), Mo (0.54), Rb (0.54), Ba (0.45), Cr (0.41), Cd (-0.27), Mn (0.23) Ga (0.85), Sc (0.83), Sr (0.81), V (0.75), Mn (-0.61), Ti (0.59), 3 (12.0) Pr (-0.46), Sn (0.35) Как видно из таблицы, фактор № 1 объединяет в основном высокозарядные элементы-примеси (лантаноиды, цирконий, гафний, уран, торий, иттрий), которые обычно малоподвижны в геологических средах. А факторы № 2 и 3 включают крупноионные литофильные элементы (цезий, рубидий, барий, стронций) и транзитные элементы-примеси, обладающие значительной подвижностью при геологических процессах (Перельман, 1989;

Интерпретация…, 2001). Барий и цезий, например, являются литофильными элементами почв г. Петрозаводска (Крутских, 2013).

Кроме того, второй фактор объединяет большинство типичных элементов-загрязнителей антропогенно нарушенной природной среды (никель, цинк, медь, кобальт, сурьма, фосфор, вольфрам, свинец, молибден, хром).

Данный факт позволяет говорить об увеличении миграционной способности данных элементов на урбанизированной территории, а также об увеличении количественной нагрузки (указанными элементами) на изучаемые водные объекты со стороны городской среды. Таким образом, фактор № 1 можно связать с усиленным природным влиянием на формирование химического состава донных осадков петрозаводских рек, а фактор № 2 – с активным воздействием техногенеза. При этом, обращает на себя внимание и то обстоятельство, что такие элементы, как кадмий и хром, относимые к группе тяжелых металлов и являющиеся сильными токсикантами по отношению к живым организмам, тяготеют не ко второму, а к первому «природному»

фактору. Поэтому изучению геохимии элементов из группы тяжелых металлов и элементов, сопутствующим им, в донных отложениях петрозаводских рек, а также определению их техногенного статуса на урбанизированной территории будет посвящена следующая глава диссертационной работы. При этом тонкая фракция изучаемых речных осадков (0.1 мм) принимается в качестве основной, так как именно химический состав тонкопесчаной и глинисто алевритовой отложений несет наиболее полную экологическую информацию о техногенном статусе исследуемых тяжелых металлов (Рыбаков и др., 2011;

Шелехова, Крутских, 2013;

Янин, 2013).

Таким образом, современное состояние донных отложений рек г. Петрозаводска характеризуется следующим:

1. Преобладание в гранулометрическом составе речных осадков песчаных фракций с размером зерен от 0.1 до 0.5 мм. При этом на зарегулированных участках водотоков, а также в районах, приуроченных к основных транспортным развязкам и сливам ливневых канализационных стоков, происходит интенсивное накопление тонкопесчано-алеврито-глинистой фракции донных отложений.

2. Донные отложения городских участков рек Лососинки и Неглинки имеют более богатый минеральный состав по сравнению с фоновыми районами исследований.

3. Основными факторами формирования химического состава изучаемых донных отложений являются устойчивость первичных пород к физико химическому выветриванию и состав разрушаемых минералов. Кроме того, на химический состав тонкой фракции осадков ведущую роль оказывает фактор антропогенного воздействия на городские водотоки.

4. Повышение уровня актуальной кислотности донных отложений городских участков петрозаводских рек (до щелочного) по сравнению с более кислым фоном, а также обогащение исследуемых осадков различными микроэлементами происходит благодаря интенсивному непрекращающемуся поверхностному стоку с прилегающей урбанизированной территории.

5. Донные отложения рек г. Петрозаводска обогащаются транзитными элементами-примесями (никель, цинк, медь, кобальт, сурьма, фосфор, вольфрам, свинец и молибден), которые, кроме того, относятся к главным элементам-загрязнителям окружающей среды, за счет антропогенного воздействия на изучаемые городские водотоки.

6. Установлена тесная корреляционная зависимость между гранулометрическим составом донных отложений рек Лососинки и Неглинки и содержанием в осадках минералов кварца и альбита, органического вещества, железа, марганца, титана и всех без исключения микроэлементов.

Глава 4. ТЕХНОГЕННЫЙ СТАТУС ЭЛЕМЕНТОВ ГРУППЫ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЯХ РЕК УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЙ 4.1. Фазы-носители тяжелых металлов в донных отложения рек г. Петрозаводска. Литий-индикация типоморфных элементов урбогенеза Различные микроэлементы антропогенного происхождения, попадающие в почвенный покров и донные отложения водных объектов, закрепляются в новой среде благодаря сложным физико-химическим и биологическим процессам, происходящим в указанных геосферах. Основными фазами носителями элементов-загрязнителей, согласно (Dudka, Chlopecka, 1990;

Singh et al., 1999;

Водяницкий, 2008;

Даувальтер, 2012), могут служить карбонаты, оксиды железа и марганца, а также органическое вещество. Кроме того, как отмечается (Frstner, 1987), в речных донных отложениях все указанные носители основных загрязнителей водного объекта образуют целостную систему: тяжелые металлы сорбируются различными тонкими и тонкодисперсными минеральными частичками разрушенных минеральных агрегатов, «обернутыми» гидратами оксидов железа и марганца и органическим веществом. Таким образом, закономерна тесная положительная связь, выявленная между процессом химического выветривания первичных минералов (в виде гидролизатного модуля) и содержанием таких загрязнителей, как цинк, кобальт, молибден, медь, никель, вольфрам, свинец и сурьма в донных отложения петрозаводских рек (рис. 25).

Стоит добавить, что исследования химического состава грубой фракции ДО р. Неглинки (2.0 мм) установили, что гидрализатный модуль имеет тесную связь с гранулометрическим составом изучаемых осадков. Это выражается в высокой корреляционной связи (R=0.80, при p0.01) между указанным модулем и процентным содержанием фракции 0.1 мм. Железный модуль, отражающий содержание железа и марганца в донных осадках, и органо-кремиевый модуль, характеризующий содержание органического вещества, также тесно коррелируют с гранулометрическим составом речных отложений Лососинки и Неглинки.

Рисунок 25. Корреляция между гидролизатным модулем и содержаниями различных микроэлементов в донных отложениях рек г. Петрозаводска, N = На рисунках 26 и 27 показано насколько содержания тяжелых металлов в донных осадках рек г. Петрозаводска тесно связаны с основными фазами носителями в изучаемой геологической среде.

Рисунок 26. Коэффициенты корреляции между фемическим модулем и содержаниями тяжелых металлов в донных отложениях рек г. Петрозаводска Рисунок 27. Коэффициенты корреляции между органо-кремниевым модулем и содержаниями тяжелых металлов в донных отложениях рек г. Петрозаводска В целом ряды тесноты связи содержаний тяжелых металлов в донных отложениях рек Лососинки и Неглинки с оксидами железа и марганца и органического вещества имеют схожий вид, что подтверждает указанный выше тезис о целостности системы фаз-носителей основных загрязняющих веществ в речных осадках техногенно-нарушенных территорий.

Тесная связь между содержанием фосфора, обильно поступающего в водные экосистемы, подверженных антропогенному воздействию (эвтрофирование водоемов), с органо-кремнистым модулем свидетельствует о биогенной природе этого элемента (рис. 28). Вследствие этого в реках и озерах, происходит усиленное развитие фитопланктона, прибрежных растений, водорослей, «цветение воды» и другие процессы, негативно сказывающиеся на состоянии изучаемых гидроэкосистем (Eichenberger, 1978;

Чеснокова, Савельев, 2011).

Нормативным содержанием общего фосфора (Pобщ.) для донных отложений пресноводных водных объектов является концентрация 800 мг/кг (Биоиндикация..., 2007). Содержание Pобщ. в подавляющем большинстве проб донных отложений рек г. Петрозаводска, отобранных в черте города, оказалось выше указанного норматива (до 3.1 для р. Лососинки и 3.2 – р. Неглинки).

Наибольшие медианные концентрации фосфора установлены для зарегулированных участков р. Лососинки («Фонтан» и «Мерецкова»), несколько меньше это значение установлено для русловых осадков городской части р. Неглинки (табл. 14) Рисунок 28 Зависимость концентраций фосфора от содержания органического вещества в донных отложениях рек г. Петрозаводска Таблица 14. Содержание общего фосфора (Pобщ.) в донных отложениях различных городских участков рек г. Петрозаводска, мг/кг река, р. Неглинка, р. Лососинка, р. Лососинка, р. Лососинка, участок город «Фонтан» «Мерецкова» город (русло) показатель 1367 1626 1550 Me 383 648 695 SMe 2588 2442 2519 xMax 767 849 802 xMin 40 20 18 N Примечания. Me – медиана, xMax и xMin – максимальное и минимальное значения выборки, SMe – стандартное отклонение медианы, N – число вариант в выборке.

Уровень содержания общего фосфора в донных отложениях городских участков рек Лососинки и Неглинки лишь немного уступает аналогичному уровню накопления этого элемента в поверхностных взвесях донных осадков Петрозаводской губы Онежского озера – 2100 мг/кг (Белкина, 2011). При этом на пойменных участках р. Лососинки концентрации фосфора, как показано в таблице 14, превышают указанный уровень.

При экологических исследованиях почв и донных отложений для определения уровня техногенности химических элементов-загрязнителей широко применимы методы индикации по индикаторным элементам. Для донных отложений (как морских, так и пресноводных водоемов) таким элементом может служить литий (Loring, 1990;

Гапеева и др., 1997;

Yeats et al., 2005). Одним из преимуществ этого металла по сравнению с алюминием, который часто используется в качестве элемента-индикатора при исследовании почв, заключается в увеличении его содержания в исследованных образцах при уменьшении размера частиц в осадках (рис. 29). Тем более что основную роль в сорбции тяжелых металлов донными отложениями играют как раз тонкие и тонкодисперсные минеральные частицы.

Литий – наиболее подвижный элемент из группы крупноионных литофилов (барий, рубидий, цезий), которые активно мигрируют в различных геологических средах (Интерпретация..., 2001). Показано (Loring, 1990;

Блохин, 2007), что накопление лития совместно с рубидием в морских донных отложениях имеет геогенную природу и происходит благодаря терригенному стоку с водосборной территории. На техногенно нарушенных территориях эти элементы легко высвобождаются из «родных» минералов и мигрируют с водным потоком. Именно поэтому Li имеет тесную корреляционную связь (R = 0.70) с фактором активного техногенного воздействия на формирование микроэлементного состава донных отложений петрозаводских рек Лососинки и Неглинки (табл. 13 главы 3).

При этом Li тесно коррелирует с процентным содержанием тонких фракций изучаемых речных осадков, а его концентрации достигают максимальных значений (29.5 мг/кг) в образцах донных отложений пойменных участков реки Лососинки («Фонтан» и «Мерецкова»), где уровень накопления этого элемента соответствует уровню концентраций Li в загрязненных донных отложениях водохранилищ р. Волги (от 14.4 мг/кг до 29.6 мг/кг) (Гапеева и др., 1997). Таким образом, использование концентраций Li Рисунок 29. Зависимость удобно как с позиции индикации концентраций Li, Zn и Al от загрязненности изучаемых донных осадков, различных гранулометрических так и с позиции индикации тонких фракций фракций в донных отложениях городских речных отложений. Кроме того, моря Баффина (по Loring, 1990) предлагается применение концентраций этого металла для последующего нормирования концентраций тяжелых металлов в образце исследуемой пробы (Yeats et al., 2005).

Корреляционный анализ (N=82) выявил, что наиболее тесную связь с концентрациями лития имеют никель, цинк и кобальт (RLi-Ni=0.73, RLi-Zn=0.65, RLi-Co=0.61) (рис. 30). Значимые положительные коэффициенты корреляции между содержаниями тяжелых металлов и концентрациями лития в донных осадках рек Лососинки и Неглинки выстраиваются в следующий ряд (по убыванию): Причем, для всех NiZnCoMnCuSbPbWCrMo.

элементов, кроме вольфрама, хрома и молибдена, корреляция значима при 99 %-ом уровне надежности, а для последних трех – при 95 %-ом уровне надежности. Никакой статистически значимой корреляции не установлено по отношению к олову (RLi-Sn=0.08), а кадмий, как и ожидалось, основываясь на вышеописанных результатах, является антагонистом по отношению к литию (RLi-Cd=-0.44 при 99 %-ом уровне надежности).

Рисунок 30. Зависимость между концентрациями никеля, кобальта и цинка и содержанием лития в донных отложениях рек г. Петрозаводска, мг/кг Происхождение такого опасного с точки зрения живых организмов элемента, как кадмий (Kelaher et al., 2003;

Ивантер, Медведев, 2007;

Путилина и др., 2012;

Бахмет, 2013) в донных отложениях рек г. Петрозаводска, скорее всего, связано с минералами самородного кадмия, найденных в 90 км к северу от района исследований (Лавров, Кулешевич, 2013). Данная находка представляет собой округлое зерно неправильной формы размером 200*360 мкм. Кроме того, в краевых частях и неоднородностях зерна выявлена тонкая пленка оксида кадмия – монтепонита (CdO).

В таблице 15 показано, что наибольшие концентрации Cd в черте города отмечены в русловых отложениях р. Неглинки, в гранулометрическом составе которых преобладают мелко- и среднепесчаные фракции, а также в донных отложениях краевой части зарегулированного участка р. Лососинки («Фонтан»), где также распространены песчаные осадки (28.60 мг/кг и 28.74 мг/кг).

Таблица 15. Концентрации кадмия в донных отложениях рек г. Петрозаводска район/участок Xср. Xmax Xmin Me N исследования город 6.33 28.60 3.18 5.19 р. Неглинка пригородная зона 3.92 5.64 2.88 3.81 фон (лесная зона) 1.87 2.25 1.41 1.96 город («Фонтан», зона 2.42 3.98 2.01 2.36 аккумуляции) город («Фонтан», зона р. Лососинка 6.96 28.74 3.01 3.86 эрозии) город («Мерецкова») 2.80 3.62 1.71 2.88 пригородная зона 5.00 9.32 2.92 4.32 фон (лесная зона) 16.25 21.77 9.51 17.48 Земна кора (Перельман, 1989) 0. Почвы Карелии (Федорец, 2008) 1. Примечание.Xср. – среднее арифметическое значение, Xmax и Xmin – максимальные и минимальные значения, Me – медиана выборки, N – число вариант (значений) По данным разных авторов (Vasile, Vldescu, 2010;

Крамер, Тихонова, 2012;

Соколова, 2013) такие кадмий-аномалии в донных осадках со значительными превышениями фоновых и нормативных значений обычно имеют техногенную природу происхождения. Однако содержание кадмия в концентрации 21.77 мг/кг отмечено и в речных осадках фоновой зоны в верхнем течении р. Лососинки, в районе, где отсутствуют какие-либо источники загрязнения.

По данным (Федорец, 2008), среднее содержание Cd в почвах Карелии составляет 0.5 мг/кг, при этом в минеральных горизонтах почв это значение выше – 1.03 мг/кг. При этом в горизонте BC (44–100 см) поверхностно подзолистых песчаных почв на флювиогляциальных отложениях концентрации Cd достигают 3.55 мг/кг. Важно подчеркнуть, что в геохимическом атласе «Почвы Карелии» показано, небольшие участки повышенного накопления кадмия выявлены в минеральных горизонтах в районе г. Кондопоги, расположенного в 45 км к югу от Северо-Гирвасского рудопроявления (Федорец, 2008). Концентрации Cd, превышающие местные фоновые значения для территории Карелии и установленные ПДК, обнаружены также в поверхностном слое почв Заонежья (до 2.9 мг/кг) (Чаженгина, Кикеева, 2011;

Рожкова, Чаженгина, 2013) и донных отложениях р. Шуи (до 2.06 мг/кг) (Шелехова, Крутских, 2013). Таким образом, вполне возможно, что Cd аномалии в четвертичных образованиях северо-западного побережья Онежского озера, являющихся основой для почв и донных отложений указанного района, – следствие переноса и перераспределения терригенного материала при формировании гляциальных и водно-ледниковых отложений изучаемой территории. Аллювиальные отложения молодых рек Карелии (особенно в верхнем течении) формируются за счет подстилающих их флювио гляциальных образований, поэтому химический состав последних и определяет формирование химического состава русловых осадков изученных водных объектов.

Необычным для поллютанта-сидерофила (Водяницкий, 2008) является поведение такого элемента в донных осадках петрозаводских рек, как хром. Как видно из рисунка 26, уровень корреляции содержания этого металла в речных осадках с фемическим модулем не достигает уровня статистической значимости. Более того, согласно факторному анализу (табл. 13 главы 3), хром тяготеет к группе элементов природного генезиса. Скорее всего, это объясняется широкой распространенностью на территории Карелии хромсодержащих ультраосновных пород (Иващенко, Ромашкин, 2012;

Рыбникова, Светов, 2014). Поэтому в данной работе стоит говорить о двойственной природе происхождения этого элемента в изучаемых донных отложениях и не учитывать его при дальнейших исследованиях.

Таким образом, всестороннее исследование микроэлементного состава донных отложений рек Лососинки и Неглинки позволило установить, что типоморфными элементами антропогенного воздействия на водотоки и водосборную территорию города являются Ni, Zn, Cu, Co, Cs, Sb, Li, W, Pb, Sn, Mo, Rb и Ba. При этом непосредственными загрязнителями служат Ni, Zn, Cu, Co, Sb, W, Pb и W, остальные – это сопутствующие им микроэлементы природного генезиса, проявляющие большую подвижность в геологической среде при интенсивном антропогенном воздействии. Типоморфными элементами природного генезиса в донных отложениях исследуемых петрозаводских рек являются такие элементы как Y, U, Hf, Zr и все редкоземельные элементы. В эту же группу попадают Cd и Cr, которые обычно относят к числу основных загрязнителей окружающей среды. Для донных отложений рек г. Петрозаводска – это «родные» микроэлементы, чей генезис связан с минералами коренных пород и экзарационной деятельностью ледника на северо-западном побережье Онежского озера, осуществлявошей их перенос и накопление в четвертичном чехле территории г. Петрозаводска и прилегающих районов. Исследования микроэлементного состава почвенного покрова столицы Карелии (при помощи факторного анализа методом главных компонент) также определили кадмий и хром, как литофильные элементы урбанизированной среды (Крутских, 2013).

4.2. Оценка уровня загрязненности тяжелыми металлами донных отложений рек г. Петрозаводска Как уже отмечалось, поверхностный сток является основным процессом, «обогащающим» экосистемы городских рек различными минеральными и органическими компонентами, в том числе тяжелыми металлами. Из таблицы 16 видно, что из всех городских участков рек г. Петрозаводска наименьшие медианные значения концентраций представленных элементов отмечены в русловых донных осадках р. Лососинки (районы Голиковка и парк рядом с бывшим ОТЗ).

При этом донные отложения р. Неглинки, которые преимущественно представлены русловой фацией, наиболее обогащены такими металлами, как хром, никель, медь, молибден и вольфрам. Наибольшие медианные значения концентраций свинца, цинка, кобальта и сурьмы отмечены в осадках зарегулированных участков р. Лососинки (Pb, Zn, Sb – участок «Фонтан», Co – участок «Мерецкова»). Кроме того, интересно отметить и экстремальные значения концентраций некоторых тяжелых металлов, которые в несколько раз превышают медианные содержания данного элемента в исследованной выборке.

Таблица 16. Содержание тяжелых металлов в донных отложениях рек г. Петрозаводска, мг/кг Pb Zn Cr Co Ni Cu Sb Mo W 1 1 2 2 2 2 2 2 р. Неглинка (городская часть), N= Me 31.0 159.3 61.4 17.8 29.8 74.0 1.18 1.07 3. xMax 101.4 296.1 71.6 28.1 43.2 178.2 3.78 5.25 20. xMin 18.1 70.8 46.1 11.5 22.0 34.2 0.32 0.63 0. SMe 10.0 63.2 5.8 4.3 4.8 28.2 0.53 0.28 1. р. Лососинка (участок «Фонтан»), N= Me 37.9 160.3 53.8 16.9 27.8 54.5 1.37 1.04 2. xMax 79.4 261.2 90.8 24.1 40.6 119.5 3.30 1.51 5. xMin 20.1 66.2 45.2 11.2 17.3 21.9 0.38 0.49 0. SMe 11.9 65.3 7.6 3.5 4.1 24.5 0.50 0.33 1. р. Лососинка (участок «Мерецкова»), N= Me 18.3 117.3 51.6 19.0 27.0 31.5 0.44 0.81 1. xMax 30.3 354.4 61.9 24.0 36.6 81.1 1.75 1.21 4. xMin 14.2 60.3 40.3 9.7 17.9 19.1 0.17 0.36 0. SMe 3.4 51.2 6.7 6.2 7.1 16.8 0.31 0.24 0. р. Лососинка (городская часть, русловая фация), N= Me 14.8 67.7 40.1 10.5 16.9 19.6 0.29 0.29 0. xMax 50.5 172.8 61.8 15.7 30.8 80.1 1.94 0.82 2. xMin 10.6 43.2 33.7 7.5 13.3 12.4 0.07 0.00 0. SMe 2.9 17.4 4.9 2.5 3.3 4.8 0.18 0.22 0. Примечания. Me – медиана, xMax и xMin – максимальное и минимальное значения выборки, SMe – стандартное отклонение медианы, N – число вариант в выборке. Цифрами во второй строке обозначены классы опасности исследуемых элементов Так, максимальное содержание свинца для обоих петрозаводских водотоков (101.4 мг/кг) отмечено в пробе донных отложений р. Неглинки, отобранной на расстоянии 750 м от устья, в районе ул. Дзержинского (центр города). Аномальные концентрации свинца (79.4 мг/кг), а также меди (119.5 мг/кг) и цинка (261.2 мг/кг) отмечены в пробе донных отложений зарегулированного участка р. Лососинки «Фонтан» в районе границы перехода водотока из основного гидрологического режима в водохранилище (рис. 31).


Аномальное значение цинка (354.4 мг/кг), наибольшее для обеих рек г. Петрозаводска, отмечено в пробе, отобранной в пойменной зоне Лососинки на участке «Мерецкова». В донных отложениях р. Неглинки, в свою очередь, отмечены экстремальные концентрации молибдена (5.25 мг/кг) – в районе условной границы пригородной и городской частей водотока, и вольфрама (20.75) и меди (178.2) – в пробе, отобранной в районе автомобильного моста по проспекту Первомайскому (центральная часть города).

Итог сравнения медиан выборок соответствуют результатам Манна-Уитни теста, проведенного для сравнения уровня накопления исследуемых поллютантов по всем вариантам выборок (табл. 17). Так, единый уровень концентраций кобальта и никеля отмечен для русловых донных отложений городской части р. Неглинки и обоих зарегулированных участков р. Лососинки. Единый уровень содержания свинца, цинка, сурьмы и молибдена отмечен только для р. Неглинки и участка Рисунок 31. Концентрации Zn, Cu р. Лососинки «Фонтан». Оба исследуемых и Pb в донных отложениях зарегулированных участка Лососинки р. Лососинки при переходе в характеризуются единым уровнем режим водохранилища накопления хрома, кобальта и никеля, по остальным металлам установлено статистически значимое различие между двумя выборками данных (Uэмп.Uкр.). Самое большое различие по уровню накопления в донных осадках между всеми исследуемыми городскими участками рек г. Петрозаводска отмечено для меди и вольфрама, которые наиболее интенсивно накапливаются в русловых отложениях р. Неглинки.

Таблица 17. Сравнительный анализ уровня накопления тяжелых металлов на различных участках изучаемых рек Сравниваемые Uкр. Uкр.

Элементы Uэмп.

участки рек (p0.01) (p0.05) Фонтан-Неглинка 251 Фонтан-Мерецкова Pb 24 100 Мерецкова-Неглинка 74 221 Фонтан-Неглинка 251 Фонтан-Мерецкова Zn 112 100 Мерецкова-Неглинка 244 221 Фонтан-Неглинка 250 251 Фонтан-Мерецкова Cr 100 125. Мерецкова-Неглинка 121 221 Фонтан-Неглинка 251 Фонтан-Мерецкова Co 100 172. Мерецкова-Неглинка 221 325. Фонтан-Неглинка 251 321. Фонтан-Мерецкова Ni 100 Мерецкова-Неглинка 222 221 Фонтан-Неглинка 237 251 Фонтан-Мерецкова Cu 96 100 Мерецкова-Неглинка 88 221 Фонтан-Неглинка 251 373. Фонтан-Мерецкова Sb 50 100 Мерецкова-Неглинка 118 221 Фонтан-Неглинка 251 Фонтан-Мерецкова Mo 101 100 Мерецкова-Неглинка 140.5 221 Фонтан-Неглинка 249 251 Фонтан-Мерецкова W 55 100 Мерецкова-Неглинка 59 221 Примечания. Uэмп. – рассчитанное значение критерия Манна-Уитни, Uкр. (p0.01), Uкр. (p0.05) – табличные значения критерия для уровней надежности 99 % и 95 %.

Основываясь на современных данных о состоянии экосистемы р. Шуи, впадающей в Онежское озеро (Шелехова, Крутских, 2013), установлено, что медианные значения концентраций всех исследуемых тяжелых металлов в донных отложениях городской части р. Неглинки и обоих зарегулированных участков р. Лососинки в центре Петрозаводска превышают средние и медианные содержания этих элементов в речных осадках Шуи (рис. 32).

Наибольшие превышения установлены по свинцу (до 1.9), цинку (до 2.0), меди (до 4.4) и сурьме (до 3.9). Единственным исключением является более низкое медианное содержание свинца (Kk=0.9) в донных отложениях р. Лососинки (участок «Мерецкова») по сравнению с донными отложениями р. Шуи. При этом русловые отложения городской части Лососинки характеризуются более низкими медианными значениями концентраций всех тяжелых металлов по сравнению с осадками р. Шуи, кроме концентрации меди (Kс=1.2). Таким образом, донные отложения городских рек Лососинки и Неглинки являются более загрязненными тяжелыми металлами по сравнению с русловыми осадками загородной реки Шуи. Самые большие превышения выявлены для таких элементов, как свинец, цинк, медь и сурьма.

Рисунок 32.Сравнение концентраций свинца, цинка, меди и никеля в донных отложениях рек г. Петрозаводска и р. Шуи Уровень загрязнения свинцом, цинком, кобальтом, медью, сурьмой и вольфрамом донных отложений рек г. Петрозаводска несколько превышает загрязнение почвенного покрова города (Климатические..., 2013). Наибольшие коэффициенты концентраций (Kс), рассчитанные как отношение медианных значений содержаний некоторых тяжелых металлов в городских донных осадках к содержанию этих элементов в почве Петрозаводска, отмечены для цинка, кобальта, меди и вольфрама (табл. 18). При этом для русловых отложений р. Лососинки в черте города Kс меньше 1.0 по всем металлам, кроме кобальта (Kс=1.3).

Таблица 18. Коэффициенты концентраций тяжелых металлов в донных отложениях рек г. Петрозаводска относительно содержания их в городских почвах Pb Zn Co Cu Sb W Лососинка («Фонтан») 1.5 1.9 2.1 1.5 1.8 2. Неглинка (город) 1.2 1.9 2.2 2.0 1.6 3. Лососинка («Мерецкова») 0.7 1.4 2.4 0.9 0.6 1. Лососинка (город, русло) 0.6 0.8 1.3 0.5 0.4 0. С другой стороны, уровень загрязнения всеми исследуемыми тяжелыми металлами донных отложений другого водного объекта г. Петрозаводска – озера Четырехверстного – заметно превышает уровень накопления этих экологически опасных элементов в речных осадках города (Слуковский, Шелехова, 2013). Исключение составляют медианные концентрации вольфрама в донных отложениях городской части р. Неглинки и р. Лососинки участка «Фонтан» (Kc1.0). Такая разница между речными и озерными отложениями г. Петрозаводска по уровню «обогащения» поллютантами объясняется разным гидрологическим режимом водных объектов. В спокойных озерных водах создается более благоприятная ситуация для накопления на дне большого числа тонкодисперсных минеральных частиц и органического вещества, контролирующих содержание поллютантов, поступающих в водоем из окружающей среды.

Критерием оценки уровня загрязненности тяжелыми металлами, входящими в геохимическую ассоциацию типоморфных элементов урбогенеза, в донных отложениях рек г. Петрозаводска может служить суммарный показатель загрязнения осадков Zc (Геохимия, 1990):

, где Kc – коэффициент концентрации, рассчитанный как отношение концентрации металла в пробе к фоновому содержанию элемента, n – число металлов, содержания которых превышают фоновые значения.

В качестве фоновых значений концентраций исследуемых тяжелых металлов использовались медианные содержания этих элементов в донных отложениях пригородных участков рек Лососинки и Неглинки (табл. 19).

Рассчитанные содержания свинца, цинка, кобальта, меди и никеля близки к средним концентрациям представленных металлов в почвенном покрове горизонтов О и Е территории Карелии (Федорец, 2008). Таким образом, приводимые фоновые концентрации тяжелых металлов целесообразно использовать при дальнейших мониторинговых эколого-геохимических исследованиях петрозаводских водотоков.

Таблица 19. Условно-фоновые значения концентраций тяжелых металлов для донных отложений рек г. Петрозаводска (N = 18) Pb Zn Co Ni Cu Sb Mo W 13.1 37.3 7.5 16.4 12.5 0.14 0.43 0. Me 1.1 15.6 3.7 3.4 5.8 0.05 0.08 0. SMe Примечание. Me – медиана, SMe – стандартное отклонение медианы Значения суммарного показателя загрязнения донных отложений городской части р. Неглинки варьируют от 11 до 129 (медиана – 36) (рис. 33).

Рисунок 33. Распределение показателей суммарного загрязнения донных отложений городской части р. Неглинки от пригородной зоны к устью Расположение линии тренда свидетельствует о том, что уровень загрязненности донных отложений и, как следствие, всей реки, возрастает вниз по течению водотока. Наибольшие значения Zс установлены для части р. Неглинка, протекающей по центру города, где водоток пересекает улицы Шотмана и Кирова и проспект Первомайский, характеризующиеся значительным транспортным потоком. В последнем районе (под автомобильным мостом по Первомайскому проспекту) отмечено самое большое значение Zс (129), которое, согласно (табл. 20), характеризует данный участок р. Неглинки как район с очень высоким уровнем техногенного загрязнения.

Большинство мест обследования донных отложений р. Неглинки характеризуется высоким и средним уровнями загрязнения городской реки (рис. 34). Примерно такие же соотношения установлены для донных отложений зарегулированного участка р. Лососинки «Фонтан».

Лишь одна точка отбора, Таблица 20. Шкала оценки расположенная в зоне перехода загрязнения рек по интенсивности исследуемого водотока из режима накопления поллютантов в донных водохранилища в русловой режим, отложениях характеризуется низким уровнем (по Янин, 2013) техногенного загрязнения. Медианное уровень техногенного величина Zc значение Zс для донных отложений загрязнения данного участка реки составляет 32.

низкий Согласно рассчитанным средний 10– значениям критерия Манна-Уитни высокий 30– (табл. 21), донные отложения участка очень высокий 100– «Фонтан» р. Лососинки и русловые чрезвычайно высокий осадки городской части р. Неглинки характеризуются единым уровнем загрязнения (Uэмп.Uкр. при p0.01).

Таблица 21. Оценка различий между выборками значений Zc для разных городских участков рек г. Петрозаводска р. Лососинка, р. Лососинка, р. Лососинка, Река, участок «Фонтан» «Мерецкова» город (русло) исследования р. Неглинка, 314 (251*, 294**) 93.5 (221*, 261**) 36 (206*, 245**) город р. Лососинка, 64.5 (100*, 123**) 24 (93*, 115**) «Фонтан»

р. Лососинка, 64.5 (100*, 123**) 65 (82*, 102**) «Мерецкова»

Примечания. В таблице указаны расчетные значения Uэмп., в скобках – Uкрит. (при p0.05* и p0.01**) Значения суммарного показателя загрязненности донных отложений другого зарегулированного участка р. Лососинки, «Мерецкова», варьируют в пределах от 4 до 49 (медиана – 13). Большинство исследованных образцов проб характеризуется средним и низким уровнями загрязнения (рис. 34). Лишь в двух точках отмечены значения Zс, соответствующие высокому уровню загрязнения.


Рисунок 34. Соотношение количества проб с различным уровнем загрязнения донных отложений разных городских участков рек г. Петрозаводска Интересно, что увеличение уровня Zc происходит от чисто русловых донных осадков, застилающих дно стрежневой части р. Лососинки, к отложениям пойменной фации, распространенным по краям зарегулированного участка водотока.

Русловые донные отложения городской части р. Лососинки, отобранные в районах лесопарковых зон города, характеризуются преимущественно низким уровнем техногенного загрязнения (Zc10). Только в районе, где река протекает под автомобильным мостом по Комсомольскому проспекту, установлен высокий уровень загрязненности исследуемого водотока. Медианное значение суммарного показателя загрязнения донных отложений р. Лососинки в указанных районах равно 4 (разброс значений: от 1 до 34). По данным Манна Уитни-теста (табл. 21) выборки значений Zc всех исследуемых городских участков Лососинки статистически значимо различаются при 99 %-ом уровне надежности. Данный факт свидетельствует о том, что пойменные донные отложения реки являются наиболее «легкими мишенями» для тяжелых металлов, попадающих в водоток, из-за наличия в них большего содержания тонкодисперсных фракций осадков по сравнению с русловыми отложениями.

Кроме того, высокую роль в накоплении исследуемых поллютантов играет фактор близости к реке больших автомобильных дорог и густота сети ливневых канализационных стоков, поставляющих в экосистему реки значительное число загрязнителей с водосборной территории.

Необходимо отметить, что уровень загрязненности русловых донных отложений городской части р. Неглинки также статистически значимо различается с уровнем загрязненности русловых осадков городской части р. Лососинки и отложений зарегулированного участка реки по ул. Мерецкова (Uэмп.Uкр. при p0.01). Данное обстоятельство позволяет говорить о большей загрязненности Неглинки по сравнению с указанными районами исследования р. Лососинки.

Интенсивность загрязнения донных отложений петрозаводских рек по каждому тяжелому металлу отдельно была оценена при помощи индекса геоаккумуляции Igeo (Mller, 1979;

Даувальтер, 2012):

, где Cn – концентрация элемента в донных отложениях городского участка реки, а Bn – фоновое содержание исследуемого элемента. В таблице представлены семь степеней индекса геоаккумуляции, соответствующие индексам качества воды, разработанным Международной ассоциацией исследователей (IAWR).

Наибольшими значениями Таблица 22. Классификация качества индекса Igeo характеризуются донные воды IAWR и индекс геоаккумуляции отложения всех изучаемых (по Даувальтер, 2012) городских участков рек Индекс IAWR и Igeo г. Петрозаводска по свинцу, цинку, интенсивность загрязнения кобальту, никелю и меди (табл. 23). 4 – очень сильное При этом загрязнения речных 3-4 – сильное/очень 4- осадков цинком (все изучаемые сильное участки водотоков) и никелем 3 – сильное 3- (только р. Неглинка) оцениваются 2-3 – умеренное/сильное 2- как сильное (Igeo 3). Остальные 2 – умеренное 1- значения, приведенные в таблице, 1-2 – слабое/умеренное 0- позволяют говорить об умеренно 1 – слабое сильном загрязнении петрозаводских рек Лососинки и Неглинки.

Таблица 23. Медианные значения индексов геоаккумуляции Igeo для донных отложений городских участков рек г. Петрозаводска р. Неглинка, р. Лососинка, р. Лососинка, р. Лососинка, Элемент город «Фонтан» «Мерецкова» город (русло) 2.74 2.82 2.51 2. Pb Zn 3.90 3.90 3.77 3. 2.25 2.23 2.88 2. Co 2.78 2.77 2. Ni 3. 2.96 2.96 2.72 2. Cu Индексы геоаккумуляции по сурьме, молибдену и вольфраму соответствуют уровню слабого загрязнения этими элементами речных осадков г. Петрозаводска (Igeo 0). Лишь медианное значение индекса по вольфраму (Igeo = 0.15) для донных отложений городской части р. Неглинки соответствует слабо-умеренному уровню загрязнения водотока. Таким образом, приоритетными загрязнителями экосистем малых рек Лососинки и Неглинки необходимо считать элементы I-го и II-го классов опасности – свинец, цинк, кобальт, никель и медь.

В России система предельно-допустимых концентраций (ПДК) для донных отложений на данный момент официально не разработана. Чаще всего исследователи для нормирования содержания тяжелых металлов в речных или озерных осадках используют ПДК, разработанные для почв, которые генетически наиболее близки к донным отложениям. Кроме того, есть опыт самостоятельного расчета нормативных концентраций тяжелых металлов в донных отложениях (Даувальтер, 2012), для чего автор использовал действующие ПДК воды для рыбохозяйственных водных объектов и собственные данные по содержанию металлов в воде и донных отложениях озер Мурманской области.

Концентрации ТМ, предложенные в качестве критерия для оценки уровня загрязнения донных отложений, приведены в таблице 24. В донных отложениях рек Лососинки и Неглинки нормативные показатели превышены лишь по свинцу, цинку и меди. В таблице 25 приведены данные о доли проб донных отложений, отобранных на различных участках рек, в которых зафиксировано превышение ПДК.

Таблица 24. Предельно-допустимые концентрации тяжелых металлов в почве и донных отложениях пресноводных объектов химические элементы Pb Zn Cu Co Ni Sb Cr объекты почва1 32 100 55 50 85 4.5 донные отложения2 –– –– –– 500 200 30 Примечания. Источники: 1 – (Климатические..., 2013) и 2 – (Даувальтер, 2012).

Таблица 25. Доля проб донных отложений рек г. Петрозаводска, имеющих превышения ПДК тяжелых металлов, % р. Лососинка, р. Лососинка, элемент р. Неглинка, город «Фонтан» «Мерецкова»

По отношению к ПДК в почве –– 45 Pb 85 85 Zn 78 50 Cu По отношению к ПДК в донных отложениях 25 30 Zn 100 90 Cu При этом наибольшее число образцов проб донных отложений с концентрациями этих элементов больше ПДК приходится на городскую часть р. Неглинки и зарегулированный участок р. Лососинки «Фонтан». Интересно, что ни в одной проанализированной пробе речных городских осадков не выявлено превышения значения ПДК для донных отложений по свинцу (500 мг/кг). Аналогичная ситуация сложилась и с нормативной концентрацией цинка для донных отложений пресноводных объектов, которая в два раза больше ПДК цинка для почвенных образований.

С другой стороны, ПДК меди для донных отложений несколько ниже, чем ПДК меди для почв. Таким образом, как видно из таблицы 25, подавляющее большинство образцов донных отложений городских частей рек Лососинки и Неглинки оказалось выше концентрации меди. Превышений ПДК кобальта, никеля, сурьмы и хрома, как уже отмечалось, в донных отложениях рек г. Петрозаводска не обнаружено.

4.3. Подвижные формы тяжелых металлов в донных отложениях рек г. Петрозаводска Медианные значений концентраций изучаемых тяжелых металлов в подвижной форме (табл. 26) превышают фоновые содержания этих элементов в почве Карелии (Федорец, 2008) лишь по никелю (только р. Лососинка) и меди (оба петрозаводских водотока).

Таблица 26. Содержание подвижных форм некоторых тяжелых металлов в донных отложениях рек г. Петрозаводска, мг/кг элементы Pb Zn Cd Co Ni Cu Sb р. Неглинка, N= 2.79 17.81 0.089 0.32 0.62 3.87 0. Me 22.04 161.12 0.369 0.68 1.83 18.19 0. xMax 0.50 1.14 0.000 0.07 0.13 0.55 0. xMin р. Лососинка, N = 2.61 29.95 0.178 0.84 1.09 3.25 0. Me 18.02 123.81 0.453 3.22 2.55 15.34 0. xMax 0.43 4.88 0.029 0.05 0.19 0.41 0. xMin Примечания. Me – медиана, xMax и xMin – максимальное и минимальное значения выборок Наибольшие превышения фоновых значений (до 4.9 (Pb), до 5.3 (Zn), до 3.5 (Ni), до 27.9 (Cu) и до 1.6 (Cd)) установлены в донных отложениях городской части р. Неглинки в районе центра города и пойменных осадках зарегулированного участка р. Лососинки «Фонтан». Таким образом, концентрации исследуемых металлов в подвижной форме как и в валовой форме увеличиваются в донных отложениях петрозаводских рек ближе к устьевым и приустьевым зонам. Корреляционный анализ содержания в речных осадках свинца, цинка, никеля, меди и кадмия в подвижной форме, нормированных по фоновым концентрациям этих металлов в почве Карелии, установил наличие довольно тесных статистически значимых связей между всеми представленными элементами (табл. 27). Наиболее тесная (высокая) связь установлена между содержанием в исследуемых донных отложениях концентраций никеля и кадмия (0.90) и свинца и меди (0.71) в подвижной форме. Средняя корреляционная зависимость выявлена между парами концентраций подвижных форм элементов свинец–никель, цинк–никель, цинк– медь, цинк–кадмий, медь–никель и медь–кадмий.

Обращает на себя Таблица 27. Коэффициенты корреляции внимание факт высокой степени между концентрациями некоторых корреляции содержания кадмия в тяжелых металлов в донных отложениях подвижной форме с рек г. Петрозаводска, N = концентрациями других элементы Pb Zn Ni Cu элементов в донных отложениях 0. Zn петрозаводских рек. Ранее было 0.50 0. Ni показано, что валовые 0.71 0.56 0. Cu концентрации этого металла 0.40 0.62 0.90 0. Cd отрицательно коррелируют с Примечание.Rкр. = 0.33 для p0. валовыми содержаниями других элементов-загрязнителей в речных осадках из-за природной геохимической аномалии этого элемента в четвертичном чехле западного побережья Онежского озера. Однако данные снеговой съемки территории г. Петрозаводска (Климатические..., 2013), установившие, что содержание кадмия в атмосферном воздухе зимой 2010/2011 гг. варьировало от 0.008 до 0.404 мг/кг (в среднем – 0.092 мг/кг), позволяют говорить и о некотором техногенном статусе этого металла на исследуемой территории. Кроме того, установлена интересная корреляционная зависимость (R=0.6 для p0.01) между концентрациями кадмия в подвижной форме и значениями индекса Cd/Zr, который рассчитан как отношение валовой концентрации кадмия к валовой концентрации циркония в том же образце донного отложения (рис. 35). Цирконий в качестве нормирующего элемента выбран в виду его тесной типоморфной связи с кадмием, что было показано раннее (табл. 13 главы 3).

Рисунок 35. Зависимость между концентрацией кадмия в подвижной форме и значением индекса Cd/Zr в донных отложениях р. Неглинки На данный момент есть основания полагать (Кожевников, 2013;

Основные…, 2014), что кадмий в виде одного из элементов-примесей входит в структуру гидротермальных цирконов, распространенных, по-видимому, в донных отложениях рек г. Петрозаводска. Таким образом, в дальнейших исследованиях для оценки уровня загрязнения речных осадков Лососинки и Неглинки кадмием целесообразно использовать значения концентраций этого элемента в подвижной форме и нововведенный индекс Cd/Zr в качестве доказанной альтернативы.

По уровню подвижности всех исследуемых тяжелых металлов в донных отложениях рек г. Петрозаводска «лидируют» такие элементы-загрязнители, как цинк (до 87 % от валовой концентрации в осадках р. Неглинки) и свинец (до 77 % от валовой концентрации в осадках р. Лососинки). Кроме того, высокий уровень подвижности в речных отложениях города по сравнению с донными осадками озера Четырехверстного (Слуковский, Шелехова, 2013) отмечен для меди (рис. 36).

Рисунок 36. Содержание подвижных форм тяжелых металлов относительно валового содержания в донных отложениях водных объектов г. Петрозаводска За исключением этого элемента (Cu) общие ряды тяжелых металлов (по убыванию значения отношения концентрации элемента в подвижной форме к валовому содержанию) для речных и озерных донных отложений водных объектов г. Петрозаводска выглядят примерно одинаково:

река Неглинка: PbZnCuSbNiCdCo река Лососинка: ZnPbCuSbCoCdNi озеро Четырехверстное: PbZnSbCoNiCu Данное обстоятельство свидетельствует об одинаковом уровне поступления и единых источниках исследуемых поллютантов, попадающих на водосборные территории рек Лососинки и Неглинки и озера Четырехверстного и далее – в указанные водные объекты Петрозаводска.

Таким образом, анализ поведения тяжелых металлов вдонных отложения рек Лососинки и Неглинки (г. Петрозаводск, Карелия) показывает следующее:

1. Установлено, что цинк, кобальт, молибден, свинец, медь, никель, сурьма и вольфрам, входящие в единую геохимическую ассоциацию в донных отложениях рек г. Петрозаводска, являются типоморфными элементами загрязнителями урбанизированной среды.

2. Единый уровень обогащения речных осадков кобальтом отмечен для всех исследованных городских участков петрозаводских рек, единый уровень обогащения цинком, свинцом, никелем, сурьмой и молибденом – только для городской части р. Неглинки и зарегулированного участка р. Лососинки «Фонтан».

3. Донные отложения городских участков рек г. Петрозаводска более загрязнены тяжелыми металлами по сравнению с русловыми осадками загородной реки Шуи и почвенным покровом территории водосборной площади изучаемых водотоков.

4. Наиболее загрязненными (по суммарному показателю загрязненности донных отложений Zc) являются участок р. Неглинки, протекающий от ул.

Шотмана до устья (центральная часть города) и зарегулированный участок р. Лососинка «Фонтан».

5. Высокие значения индекса геоаккумуляции Igeo ( 2-3) по свинцу, цинку, кобальту, никелю и меди позволяют классифицировать донные отложения городских участков рек г. Петрозаводска как умеренно-сильно и сильно загрязненные.

6. Тесная корреляционная связь концентраций подвижных форм свинца, цинка, никеля, меди и кадмия и схожесть рядов тяжелых металлов по убыванию значений отношений концентраций элемента в подвижной форме к валовому содержанию для рек Лососинки и Неглинки и озера Четырехверстного говорят об одинаковом уровне и единых источниках поступления исследованных поллютантов с территории города.

Глава 5.ВЛИЯНИЕ ЗАГРЯЗНЕННОСТИ ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ РЕК ЛОСОСИНКИ И НЕГЛИНКИ НА ВИДОВОЙ СОСТАВ БЕНТОФАУНЫ 5.1. Реакция бентосных беспозвоночных на антропогенное загрязнение донных отложений рек г. Петрозаводска Любая антропогенная нагрузка вызывает количественные и качественные изменения в сообществах живых организмов. При очень высоких уровнях загрязнения поллютанты могут вызывать специфические изменения (kland, kland, 1986;

Мур, Рамамурти, 1987). Обозначенный тезис подтверждается многочисленными исследованиями, как в России и мире в целом (Алимов, 1989;

Попченко, Попченко, 1999;

Зинченко и др., 2000;

Гелашвили и др., 2002;

Балушкина, 2004, 2009;

Di Veroli et al., 2012;

Rainbow et al., 2012), так и на территории Северо-запада нашей страны (Яковлев, 1988;

Барышев и др., 2001;

Комулайнен, Морозов, 2007;

Барышев, 2010;

Валькова и др., 2012;

Слуковский, Шелехова, 2013;

Шелехова, Крутских, 2013).

В данной работе сделана попытка показать интегральную связь между биотическими и абиотическими показателями загрязненности экосистем петрозаводских рек Лососинки и Неглинки. Для оценки состояния бентических комплексов использовали численность (N, экз./м2), биомассу бентоса (B, г/м2), число таксономических единиц бентосных животных, видовое разнообразие по численности (H, бит/экз.) и показатель выравненности (индекс Пиелу – I).

Индекс выравненности или эквитабельности видов (таксонов) показывает степень выравненности по отношению к численности особей и рассчитывается по формуле:

, где H – индекс видового разнообразия Шеннона, N – численность особей в сообществе. Минимальные величины наблюдаются, когда сообщество представлено ограниченным числом видов, а максимальные, когда плотность видов распределена равномерно. Показатель выравненности дает возможность оценить степень «полидоминантности» сообществ.

На обследованных в 2011 и 2012 гг. городских и пригородных участках рек Неглинки и Лососинки донные беспозвоночные были представлены следующими группами: олигохетами, моллюсками, поденками, веснянками, ручейниками, жуками, клопами, и личинками всевозможных двукрылых насекомых (хирономидами, мокрецами, мухами, оводами и т.п.). При далеко неполной видовой обработке в составе макрозообентоса идентифицировано свыше 30 видов и групп различного таксономического ранга (таблицы 28, 29 и 30).

Таблица 28. Состав и количественные характеристики макрозообентоса плесовых участков р. Неглинки (2011 г.) таксон N Nотн. B Bотн. f IM Oligochaeta 19471.11 52.08 10703.11 66.44 100 0. Chironomidae 17355.56 46.42 4213.33 26.16 100 0. Heleidae 217.78 0.58 86.67 0.54 60 0. Bivalvia 155.56 0.42 593.33 3.68 60 3. Diptera 142.22 0.38 336.44 2.09 80 2. Trichoptera 8.89 0.02 140.00 0.87 40 15. Gastropoda 8.89 0.02 17.78 0.11 20 2. Coleoptera 4.44 0.01 2.22 0.01 20 0. Ephemeroptera 22.22 0.06 16.00 0.10 40 0. сумма 37386.66 100.00 16108.89 100.00 100 0. Примечание. Здесь и в табл. 29 и 30N – средняя численность (экз./м ), Nотн. - относительная численность (%), B – средняя биомасса (мг/м2), Bотн. – относительная численность (%), f – встречаемость группы (%), IM – средняя индивидуальная биомасса (мг).

Большинство определенных видов принадлежит к семейству гетеротопным беспозвоночным, большую часть жизни Chironomidae, проводящим в водной среде. Среди гомотопных организмов наиболее многочисленны олигохеты, которые характеризовались 100%-ой встречаемостью по всем стациям отбора проб для р. Неглинки и 80 %-ой – для р. Лососинки. На долю этих двух групп приходится большинство донного населения. Прочие группы животных, создавая в целом разнообразный бентический комплекс, встречались реже и были немногочисленны.

Таблица 29. Состав и количественные характеристики макрозообентоса плесовых участков р. Неглинки (2012 г.) таксон N Nотн. B Bотн. f IM Oligochaeta 2925.93 77.91 2870.37 81.22 100.0 0. Acari 14.81 0.39 3.70 0.10 16.7 0. Bivalvia 37.04 0.99 121.48 3.44 50.0 3. Gastropoda 7.41 0.20 11.11 0.31 16.7 1. Ephemeroptera 14.81 0.39 11.11 0.31 16.7 0. Plecoptera 37.04 0.99 148.15 4.19 16.7 4. Trichoptera 7.41 0.20 3.70 0.10 16.7 0. Heteroptera 7.41 0.20 7.41 0.21 16.7 1. Coleoptera 7.41 0.20 3.70 0.10 16.7 0. Diptera 37.04 0.99 39.26 1.11 50.0 1. Chironomidae 607.41 16.17 295.56 8.36 100.0 0. Heleidae 51.85 1.38 18.52 0.52 66.7 0. Сумма 3755.56 100.00 3534.07 100.00 100.0 0. Таблица 29. Состав и количественные характеристики макрозообентоса плесовых участков р. Лососинки (2012 г.) таксон N Nотн. B Bотн. f IM Turbellaria 8.89 0.14 0.89 0.01 20.0 0. Oligochaeta 3946.67 61.07 3333.33 39.29 80.0 0. Hirudinea 8.89 0.14 266.67 3.14 20.0 30. Hydracarina 8.89 0.14 0.89 0.01 20.0 0. Bivalvia 151.11 2.34 155.56 1.83 80.0 1. Gastropoda 8.89 0.14 4.44 0.05 20.0 0. Ephemeroptera 44.44 0.69 862.22 10.16 20.0 19. Trichoptera 26.67 0.41 17.78 0.21 60.0 0. Coleoptera 17.78 0.28 17.78 0.21 40.0 1. Diptera 88.89 1.38 422.22 4.98 80.0 4. Chironomidae 2000.00 30.95 3366.22 39.68 100.0 1. Heleidae 151.11 2.34 35.56 0.42 80.0 0. Сумма 6462.22 100.00 8483.56 100.00 100.0 1. Биомасса и численность зообентоса колебалась от 2.2 до 45.6 г/м2 и от 1. до 92.7 тыс. экз./м2 в 2011 г. (по р. Неглинке) и от 0.6 до 14.0 г/м2 и от 0.4 до 12.6 тыс. экз./м2 в 2012 г. (по обоим петрозаводским водотокам). Значительная разница в численности и биомассе донных организмов по указанным годам, скорее всего, связна с погодным фактором – более ранней весной в 2012 году по сравнению с 2011 годом, что привело к значительному вылету гетеротопных организмов из экосистем рек. Кроме того, колебания численности и биомассы зообентоса может быть вызвано и антропогенной нагрузкой вследствие токсического воздействия различных поллютантов поступающих в городские водотоки.



Pages:     | 1 || 3 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.