Geum.ru

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

Вид материалаАвтореферат диссертации

Содержание


Глава 4. подходы к экологическому нормированию содержания загрязняющих веществ в воде и донных отложениях
СВ) вещества в воде может быть также выражена и через параметры системы «вода - биота - человек».
СДО) токсиканта в донных отложениях приобрело смысл норматива для донных отложений (С
Подобный материал:
1   2   3   4   5   6   7

Глава 4. подходы к экологическому нормированию содержания загрязняющих веществ в воде и донных отложениях

4.1. Нормирование содержания загрязняющих веществ в донных отложениях


Актуальность вопросу нормирования качественного состава донных отложений придает отсутствие отечественных стандартов, что усложняет проблему оценки риска вторичного загрязнения воды. Существует несколько подходов к нормированию содержания токсикантов в донных отложениях, в основе которых лежит использование фоновых концентраций (Persaud et al., 1993), интервалов (либо предельных уровней) негативного воздействия на гидробионтов (Long, Morgan, 1991; Ingersoll et al., 1996; Cubbage et al., 1997), а также процессы сорбции или равновесного распределения загрязняющих веществ между взвешенными веществами и донными отложениями (Di Toro et al., 1991; Van Der Kooij et al, 1991; NYSDEC, 1994; EPA 823-R-97-006, 1997a; Wepener et al, 2000). В России можно отметить работы, связанные с разработкой экологических нормативов содержания индивидуальных соединений в донных отложениях, с использованием геохимического (Фрумин и др., 1998; Даувальтер, 2001; Бреховских и др., 2002) и токсикологического (Петрова, 1988; Томилина, 2000; Михайлова, 2006) подходов.

На базе собственных экспериментов и опубликованных в литературе данных, полученных в период с 1993 по 2001гг. (Волга: независимые исследования.., 1994; Андреев и др., 2001; Иванов, 2001), определены значения среднего содержания металлов в донных отложениях разного типа. Приведенные в табл. 12 значения могут рассматриваться как фоновые (СФ), т.е. характеризующие современный геохимический «фон» металлов в илистых и песчаных ДО и могут служить критерием для ориентации по значению нижней границы нормативного содержания металлов в донных отложениях разного типа.

Таблица 12. Нормативы содержания (мг/кг) элементов в донных отложениях, рассчитанные различными методами

Элемент
СФ

СТ

СРР
ПДУДО

песок
ил
песок
ил
песок
ил

Cu
4,80
19,97
<5,05
<31,72
0,47
5,0
32

Cd
0,55
1,10
<0,57
<2,20
0,22
0,6
2,2

Pb
4,28
17,06
<4,05
<17,68
30,60
4,3
18

As
-
-
-
-
18,33
-
-

Zn
23,62
60,05
<73,39
<104,67
19,93
73
105

Cr
6,43
23,27
<7,43
<56,33
37,33
7
37

Со
4,73
9,98
<4,98
<12,90
15,60
5
13

Ni
16,80
47,53
<21,34
<52,89
14,00
21
53

Hg
0,005
0,045
<0,005
<0,46
0,04
0,005
0,05

Примечание. СФ – фоновые концентрации металлов; СТ – токсикологически толерантная концентрация, выше которой вероятность проявления токсического эффекта на гидробионтах высока (по данным токсикологического скрининга донных отложений); СРР – рассчитанный уровень концентрации элементов методом равновесного распределения веществ; ПДУДО – обобщенный норматив содержания элементов в донных отложениях; прочерк – отсутствие данных

В целях нормирования качественного состава донных отложений используется экспериментально-расчетный биогеохимический подход, основанный на учете миграционных потоков токсиканта и его распределения в системе «донные отложения - взвешенные вещества - вода – биота» по принципу «равновесного» распределения (DiToro et al., 1987; Shea, 1988; Van Der Kooij et al., 1991; Toxicological Benchmarks …, 1997; Wepener, 2000; Strategy for water quality …, 2002). Распределение токсиканта в системе «взвешенные вещества - вода - донные отложения» описывается через коэффициенты переноса Ктв и КТД, представляющие собой отношение содержания токсиканта в твердой фазе взвешенных частиц и в воде (Ктв), в твердой фазе взвешенных частиц и донных отложениях (КТД). Через эти коэффициенты можно выразить взаимосвязь между концентрацией вещества в воде и его содержанием в донных отложениях по выражению: СДО = (1).

Концентрация ( СВ) вещества в воде может быть также выражена и через параметры системы «вода - биота - человек». Распределение токсиканта в системе «вода - рыба» описывается через коэффициент биологического поглощения (), и, объединив выражения, получаем: = (2).

Для того, чтобы содержание ( СДО) токсиканта в донных отложениях приобрело смысл норматива для донных отложений (СДО = ПДУДО), соответствующие концентрации СВ и СР выразили через их нормативное содержание (СВ=ПДКВ, СР=ПДКР) с тем, чтобы не были нарушены нормативы его содержания в воде - по водно-миграционному признаку вредности (ур.1) и в мышцах промысловых рыб - по способности вещества к транслокации в организмы рыб (ур. 2). Таким образом, учет двух механизмов воздействия загрязняющих веществ в составе донных отложений на гидробионтов (через воду) и на человека (через рыбу) позволяет рассчитать для каждого токсиканта два типа пороговых концентраций в донных отложениях: первый - по наибольшей не действующей на гидробионтов концентрации токсиканта в воде и второй - по способности вещества к накоплению в рыбах (мышцы). За нормативную величину СРР в соответствии с принципом лимитирующего признака вредности принимали минимальную из двух рассчитанных пороговых величин (табл. 12). Для учета эффекта суммации действия металлов были также использованы результаты токсикологических лабораторных экспериментов (СТ).

Значения ПДУДО, полученные экспериментально-расчетным и токсикологическим методами, для ряда металлов (Co, Hg) практически соизмеримы. Для Cr целесообразно использовать нормативы ПДУДО, определенные экспериментально-расчетным способом, как более жесткие в сравнении с токсикологическими; для Pb, напротив, – расчетные значения ПДУДО значительно выше токсикологических, поэтому выбор сделан в пользу токсикологически толерантных значений. Для целей оценки уровня загрязнения донных отложений целесообразно использовать соответствующие нормативы в зависимости от типа грунта: ПДУП – для оценки уровня загрязнения песчаных проб; ПДУИЛ - для оценки уровня загрязнения илистых проб.

Предложенные нормативы качества донных отложений, безусловно, носят региональный характер. Тем не менее, по порядку величин они практически укладываются в диапазоны значений, определенных теми или иными способами для донных отложений равнинных водоемов различных стран (Slooff et al., 1989; Code ..., 1990; Guide ..., 1991; Australian ..., 1992; Topfer, 1992; Janus, 1993; Ecotox …, 1996) (по мышьяку, кадмию и никелю), либо близки к нижнему пределу соответствующих значений (по большинству рассмотренных металлов) (рис. 21).

Загрязнение донных отложений Куйбышевского водохранилища органическими токсикантами носит локальный характер и приурочено к конкретным источникам загрязнения, что не позволяет использовать для нормирования их содержания геохимический метод. Исключение из предложенной системы нормирования токсикологических экспериментов в данном случае связано со сложностью интерпретации результатов в силу наложения токсических эффектов со стороны как упомянутых ксенобиотиков, так и соединений природного происхождения в реальных образцах донных отложений. Поэтому в основе нормирования содержания пестицидов и бенз(а)пирена в донных отложениях использован экспериментально-расчетный метод равновесного распределения. Процедура нормирования основывалась на учете токсичности соединений (NOEC) и физико-химических свойств, выраженных через коэффициент (КOW) распределения в системе «октанол-вода», характеризующий способность накопления токсиканта в жировой ткани, а следовательно, и способность к накоплению в рыбе) (Di Toro et al., 1991; Van Der Kooij et al., 1991; EPA-823-R-00001; Анохина, 2004).




Рис. 21. Нормативное содержание (ПДУДО - горизонтальная линия) металлов и мышьяка в донных отложениях Куйбышевского водохранилища в сравнении с диапазоном значений опубликованных зарубежных нормативов для донных отложений пресноводных систем (в логарифмических координатах)


Для учета региональных особенностей применяли экспериментальный показатель fOC – коэффициент, характеризующий содержание органического углерода во взвешенном веществе воды (fOC = (СООУ-СРОУ)/СВЗВ, где СООУ - содержание общего органического углерода (мг/л); СРОУ - содержание растворенного органического углерода (мг/л); СВЗВ – содержание взвешенных веществ (мг/л)). На основе собственных результатов было рассчитано значение fOC = 0,15. Исходя из эмпирически полученного и описанного в литературе (Di Toro et al., 1991; Van Der Kooij et al., 1991; EPA-823-R-00001) отношения содержания органического вещества во взвешенном веществе и седиментах, равного 2, определили значение fДO = 0,15/2 = 0,075. Отсюда допустимое значение содержание токсиканта в донных отложениях рассчитывали по формуле:

ПДУДОi = NOECi fДO ·КOWi 10-0,21 (3).

Такой способ расчета допустимого уровня содержания токсиканта в донных отложениях, основанный на его физико-химических свойствах (QSAR), как отмечается в литературе (Kalf et al., 1997), для многих соединений дает завышенные результаты по сравнению с экспериментальным, токсикологическим определением минимальной недействующей концентрации. Так, было показано (Kalf et al., 1997), что для таких веществ как, бенз(а)пирен, флюорантен, фенантрен и др., отношение NOECQSAR к NOECэксп составляет 1,1 – 133. Поэтому для корректировки данных, полученных расчетным методом, был введен поправочный коэффициент, равный 100, который, кроме того, позволяет учесть эффект суммации.

Другой способ расчета (ур. 4) допустимого уровня содержания токсиканта в донных отложениях основан на прогнозе его способности к накоплению в биоте и концентрированию по пищевой цепи (Di Toro et al., 1991). Для того, чтобы учесть фактор биоаккумуляции, можно воспользоваться взятыми из литературы значениями коэффициентов биологического поглощения (КБП) и санитарно-гигиеническими нормативами (СанПИН 2.3.2.1078-01) содержания вещества в продуктах питания (в рыбе).

Тогда ПДУДОi = (СРi/КБПi) fДO ·КOWi 10-0,21 (4).

Результаты расчетов предельно допустимого уровня содержания токсикантов в донных отложениях, полученные двумя описанными методами, представлены в табл. 13. Для использования в целях оценки уровня загрязнения донных отложений следует использовать минимальные значения из рассчитанных двумя методами.

Таблица 13. Нормативы содержания ряда органических загрязняющих веществ в донных отложениях, рассчитанные экспериментально-расчетным методом по водно-миграционному (СДО1) и транслокационному в рыбу (СДО2) лимитирующим признакам вредности, и предложенные значения ПДУДО

Токсикант
logKOW
Мол. масса
NOEC/100

(моль/л)
СДО1

(мг/кг)
ПДКP

(мг/кг)
КБП
СДО2

(мг/кг)
ПДУДО

(мг/кг)

ДДТ
6,71
354
1,9·10-10
0,15
0,3
41686941)
0,02
0,02

ДДЕ
6,76
318
1,74 10-10
0,16
- 2)







0,16

ДДД
6,83
320
1,48·10-10
0,14
-







0,14

ГХЦГ
3,85
291
1,41·10-7
0,13
0,03
3541)
0,03
0,03

Алдрин
5,66
365
2,19·10-9
0,16
-







0,16

Гексахлор-бензол
5,66
236
2,19·10-9
0,10
-






0,10

Бенз(а)пирен
6,11
252
7,76·10-9
0,11
-







0,11

Примечание.: 1) - значение КБП для Oncorhynchus, Salmo, Salvelinus sp. (EPA-823-R-00001); 2) Не нормируется (СанПиН 2.3.2.1078.01).

Таким образом, предложена и апробирована система экологического нормирования уровней содержания (ПДУДО) органических и неорганических токсикантов в донных отложениях разного типа применительно к водохранилищам. Система включает оптимизируемую в зависимости от природы токсиканта совокупность различных методов (геохимический, экспериментально-расчетный, токсикологический) с учетом лимитирующих признаков вредности. Показано, что в основе нормативов содержания токсичных элементов, определенных экспериментально-расчетным методом, лежит водно-миграционный, а органических токсикантов – транслокационный в ихтиофауну лимитирующий признак вредности. Предлагаемые нормативы ПДУДО могут быть встроены в общую систему отечественных эколого-токсикологических нормативов качества водных и рыбных ресурсов.