Введение к работе
Актуальность проблемы. Обь - Иртышский бассейн включает Западную Сибирь, Восточно-Казахстанскую область, Северо-Восточные провинции Китая и имеет самую большую в мире площадь водосбора - около 3 млн. км . Представлены различные географические зоны: леса (около 50%) с сильно заболоченными междуречьями, лесостепные равнины южных районов Западной Сибири и частично северного Казахстана (около 13%). Степные равнины, занимая около 24% площади, образуют систему бессточных междуречий с многочисленными крупными озерами, такими как Чаны, Сартлан и Кулундинское. Горные провинции и тундра сравнимы (« 7%), при этом тундры примерно в 5 раз больше обеспечены водными ресурсами и испытывают избыточное увлажнение. В горных и в тундровых зонах значителен вклад снегового и ледникового питания рек, в первом случае, в результате интенсивного таяния снега и снежников, во втором случае - снегового стока в период весенне-летнего паводка.
Крупные города используют для водоснабжения в основном речную воду, в меньшей степени артезианскую. Качество воды реки Обь определяется, во-первых, природными комплексами с рассредоточенными источниками тяжелых металлов, терригенного и органического вещества, во-вторых, антропогенными химическими источниками элементов, локализованными в городах по берегам Оби и притоков (гг. Бийск, Барнаул, Новосибирск, Томск, Кемерово, Омск, Усть-Каменогорск ), центрах добычи газа и нефти (гг. Нижневартовск, Сургут, Ханты-Мансийск). В бассейне Катуни влияют мощные рудопроявления ртути (Акташское и Чаган - Узунское). В верхнем течении Обь взаимодействует с рудопроявления меди, серебра и полиметаллов, добываемых издавна на водосборах ее притоков - pp. Алея и Чарыша. В верхнем течении Иртыша расположены металлургические предприятия Рудного Алтая (Восточно-Казахстанская область). В бассейне Томи ведется активная промышленная добыча угля шахтным и карьерным способами, в нижнем течении Оби - добыча и транспорт нефти и нефтепродуктов. Результаты эко-аналитических и гидрохимических исследований показателей качества поверхностных вод имеют приоритет при подготовке питьевых вод.
Несмотря на достаточно большое количество фактического материала, представляемого в ежегодниках Росгидромета, его практически нельзя использовать для сравнительного комплексного анализа экосистем бассейна Оби по целому ряду химико-методических причин. Современная оценка взаимодействия Оби с сосредоточенными и рассредоточенными источниками на базе представительного мониторинга микроэлементов актуальна как в фундаментальном, так и практическом плане, особенно для бассейнов крупных рек мира.
Наличие природных и антропогенных источников различных по спектру и мощности при огромной территории водосбора усложняют оценку взаимодействия главного водотока с химическими источниками на водосборе. В этой связи актулъной проблемой качества речных вод бассейна Оби является оценка такого взаимодействия методом химических индикаторов -микроэлементов.
Цель работы:
-сравнительный анализ результатов мониторинга поверхностных вод бассейна реки Обь по основным группам химических загрязняющих веществ: тяжелым металлам (микроэлементам), органическим веществам и т.д. на основании собственных исследований автора в 1992-2002 гг. (Верхняя, Средняя и Нижняя Обь), а также по опубликованным данным (Верхняя Обь);
- рассмотрение природных индикаторов: воды, взвешенных веществ, донных осадков, снежного покрова и ледников; для лабильных компонентов снеговой и природной воды использование имитационного моделирования.
-оценка взаимодействия основного водотока - р. Оби в верхнем течении с малыми (Барнаулка, Алей) и крупными притоками ( Томь, Чулым, Иртыш), включая искусственный (Новосибирское водохранилище) и природные водоемы Обь - Иртышского междуречья ( соленые озера), с территорией водосборов;
- оценка влияния водосборной площади на формирование всего спектра
химического загрязнения основного водотока - реки Обь по полученным
гидрохимическим показателям: объемным и удельным содержаниям микроэлементов,
модулям химического стока веществ, коэффициентам абиотического и биотического
концентрирования и экологического состояния экосистемы реки в целом.
Поставленные и решенные задачи:
-адаптирование стандартных и разработка новых методик анализа микроэлементов и их форм в экосистемах;
-применение расслаивающихся систем (вода-производное пиразолона-кислота) для концентрирования, определения микроэлементов и селективной подготовки проб природных объектов к анализу;
-применение индикационного метода с учетом масштабов территории водосбора Верхней, Средней и Нижней Оби; обоснование методического критерия выбора микроэлементов: тяжелых металлов (Hg, Cd, Pb, Си), в том числе терригенных (Fe, Mn), а также полуметаллов As, Se - как наиболее стабильных во времени химических веществ с стандартизированными инструментальными методиками для природных объектов;
Химико-аналитические способы идентификации источников химических веществ согласно :
распределению микроэлементов по длине основного водотока;
распределению химической нагрузки на модельных участках основного водотока с учетом среднемноголетнихрасходов воды;
физико-химическое распределению микроэлементов в компоненты экосистем в различные фазы водного режима (межень, паводок).
Научная новизна. Дополнено новым комплексом методик одно из направлений электрохимических методов - инверсионная вольтамперометрия гидридобразующих и легколетучих элементов, в том числе повышены методические требования до уровня «зеленой химии».
Расширена область аналитического применения расслаивающихся систем вода-производное пиразолона-кислота для концентрирования неорганических и органических веществ как из лабильных объектов (вода, атмосферные осадки), так и консервативных объектов водных экосистем. Показана перспективность пиразолонов и расслаивающихся систем без органического растворителя с единственным гомогенизирующим компонентом - водой для определения микроэлементов (ртуть, свинец, кадмий, мышьяка, селена и др.) и фенольных соединений для концентрирования и определения в компонентах водных экосистем.
Идентифицированы антропогенные источники микроэлементов, фенолов и нефтепродуктов в пространственно-временном формате, на основании представительных эко-аналитических результатов определения микроэлементов в водных экосистемах выявлены неблагоприятные участки бассейна Оби и приоритетные токсиканты поверхностных вод.
Показано формирование химического состава стока на модельных участках бассейна Оби, распределение химической нагрузки на водную экосистему бассейна Оби, апробированы разработанные методики подготовки проб к анализу и методики для фонового мониторинга ртутеподобных микроэлементов.
Получены количественные оценки взаимодействия водных экосистем бассейна Оби с водосборной площадью (модуль химического стока веществ, концентрационные коэффициенты абиотического и биотического концентрирования).
Выявлены неблагополучные участки основного водотока сравнительным анализом собственных натурных данных анализа микроэлементов в речных водах, имитации по данным водной вытяжки элементов из почв регионального фона.
Новизна аналитических разработок подтверждена патентами РФ.
Практическая значимость. Разработан новый способ жидкофазного концентрирования с помощью расслаивающихся систем для оптимизации извлечения микроэлементов (Hg, Си, Cd, Pb, Zn) из водных растворов, присутствующих в них в виде гидроксохлоридных комплексов. Комбинирование жидкостной экстракции форм элементов в расслаивающиеся системы без органического растворителя с возможностями вольтамперометрии как полиэлементного и недорогого гибридного метода анализа имеет реальную аналитическую перспективу для недорогих систем фонового мониторинга.
Создан новый экстракционный способ подготовки аналитических образцов взвесей, донных осадков, почв для определения микроэлементов (Cd, Pb, Hg, Se), основанный на принципах расслаивания систем вода-пиразолон-кислота и свойствах фазы системы органической по составу и ионной по природе, для быстрого и эффективного извлечения микроэлементов из твердых (консервативных) компонентов водных объектов. Практическая перспектива такого жидкостного экстрагирования из биологических объектов состоит в селективном извлечении неорганических форм микр оэлементов.
Рекомендован метод концентрационных, в том числе, мольных коэффициентов имеет практическое значение для количественных экологических оценок, идентификации антропогенных и природных источников микроэлементов в экосистемах, особенно когда атомные веса элементов существенно различаются.
Рекомендуется имитационное моделирование по результатам анализа водных вытяжек из почв практически значимо для оценок химических нагрузок при проведении мониторинговых исследований крупных водотоков с большими поверхностями водосбора, особенно в экстремальных условиях: подтопление, паводки, ливни и т.д.
Результаты диссертационной работы используются на химическом факультете Алтайского государственного университета в преподавании специальных курсов «Анализ воды», «Анализ подстилающей поверхности Земли», «Источники загрязнения природной среды», «Мониторинг среды обитания человека» при подготовке специалистов химиков и безопасности жизнедеятельности в техносфере. Положения, выносимые на защиту:
-
Закономерности формирования химического состава поверхностных вод в экстремальные фазы водного режима (весеннее половодье, межень) как результат влияния типа и мощности химических источников водосбора, выявленных на основе обобщающих результатов исследований микроэлементов в бассейне реки Оби.
-
Новые способы подготовки жидких, твердых, в том числе биологических проб, при исследованиях водных объектов, направленные на улучшение аналитической процедуры и достоверности результатов мониторинга экосистем.
-
Методология количественных оценок состояния крупных бассейнов рек Сибири по химическим индикаторам: новые представительные эко-аналитические данные, включающие мольные концентрационные коэффициенты, удельные величины химического содержания (модуль химического стока, региональный фон), последующий сравнительный анализ, имитационное моделирование взаимодействия водотока с водосбором по водной вытяжке почв.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 27 статей в журналах, сборниках и материалах, монография объемом 336 с, 4 патента РФ.
Вклад автора. Автор участвовал лично в экспедиционных исследованиях бассейна Оби как старший научный сотрудник ИВЭП СО РАН с 1989 по 2002 , являлся организатором экспедиционных и лабораторных исследований. Большинство первичных материалов получено автором лично, в том числе выполнены тысячи элементо-
определений в образцах различных природных объектов. Экспедиционные исследования выполнялись в содружестве с центром экспедиционных исследований (начальник д.г.н. В.М. Савкин, директор Новосибирского филиала, к.ф.-м.н. А.А.Атавин) и другими подразделениями Института водных и экологических проблем СО РАН, лабораторией качества природных вод ФГУ «ВерхнеОбьрегионводхоз», кафедрой аналитической химии Алтайского госуниверситета (проф. Б.И.Петров), где и работает в настоящее время автор в качестве зав. кафедрой.
Апробация работы. Основные результаты обсуждены и доложены на Всесоюзном симпозиуме «Ртуть в реках и водоемах» (Новосибирск, 1990), 5, 6, 7 региональных конференциях «Аналитика Сибири и Дальнего Востока» 1996, 2002, 2004 гг., международном симпозиуме «Гидрологические и экологические процессы в водоемах и их водосборных бассейнах»(Новосибирск, 1995), республиканской конференции «Региональное природопользование и экологический монитор инг»(Барнаул, 1996), региональной конференции «Состояние водных экосистем Сибири и перспективы их использования»(Томск, 1998), 4 Международной «Природные условия, история и культура Западной Монголии и сопредельных регионов» (Томск, 1999), International Symposium on Instrumentalized Analytical Chemistry and Computer Technology(Dusseldorf, 1999), Fifth Asian Conference on Analytical Science "Asiananalysis V" (Xiamen, China, 1999), Международной научно-практической конференции «Тяжелые металлы и радионуклиды в окружающей среде», «Тяжелые металлы, радионуклиды и элементы биофилы в окружающей среде», «Актуальные проблемы геохимической экологии» (Семипалатинск, 2000, 2002, 2005, 2006), International Conference on Heavy Metals in Environment (USA, Michigan, 2000), Международной научной конференции «Фундаментальные проблемы воды и водных ресурсов на рубеже третьего тысячелетия»(Томск, 2000), Международной научной конференции «Великие реки-аттракторы локальных цивилизаций»(Дубна,2002), Международном форуме «Аналитика и аналитики»(Воронеж, 2002), II Всероссийской конференции «Химия и химическая технология на рубеже тысячелетий» (Томск, 2002), III Всероссийской конференции «Химия и химическая технология на рубеже тысячелетий» (Томск, 2004), II Всероссийской конференции «Новые достижения в химии и химической технологии растительного сырья»(Барнаул, 2005), III Международной конференции «Экстракция органических соединений»(Воронеж, 2005), I Международной научно-практической конференции «Безопасность жизнедеятельности: экологические, производственные, правовые, медико-биологические и социальные аспекты» (Новокузнецк, 2005), Международной научной конференции «Химия, химическая технология и биотехнология на рубеже тысячелетий (Томск, 2006), VI Всероссийской конференции по анализу объектов окружающей среды «Экоаналитика - 2006» (Самара, 2006), Российской научно-практической конференции «Современная химия(теория, практика). Экология»(Барнаул, 2006), Всероссийской конференции «Техническая химия. Достижения и перспективы» (Пермь, 2006), 4-th Black Sea Basin Confearence on analytical Chemistry(4-thBBCAC, Bulgaria, Sofia,2007), Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Москва, 2007), Десятой международной конференции «Физико-химические процессы в неорганических материалах» (Кемерово, 2007), Общероссийской с международным участием научной конференции«Полифункциональные химические материалы и технологии»(Томск, 2007).
Структура диссертации; диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, списка цитируемой литературы из 389 источников. Материал работы изложен на 326 страницах, содержит 80 рисунков, 82 таблиц, 4 приложения.
