Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Объекты и методика исследования 12
1.1. Краткая физико-географическая и лимнологическая характеристика объектов исследования 12
1.1.1. Онежское озеро 12
1.1.2. Ладожское озеро 15
1.2. Методические основы оценки антропогенного влияния на озерные экосистемы по показателям состава и свойств донных отложений 19
1.3. Сбор полевого материала 24
1.4. Методика отбора и обработка проб 29
1.4.1. Отбор и первичная обработка проб воды и донных отложений 29
1.4.2. Методы химического анализа воды и донных отложений 30
1.4.3. Методы оценки поступления веществ из донных отложений в воду 32
1.4.4. Сравнение методов анализа донных отложений 33
1.4.5. Методика постановки экспериментов по определению потребления кислорода илом 36
1.4.6. Методика разделения фосфорных фракций донных отложений 37
1.4.7. Методика определения окислительно-восстановительного состояния донных отложений 37
Глава 2. Формирование донных отложений Онежского и Ладожского озер в условиях антропогенного воздействия 44
2.1. Онежское озеро 44
2.1.1. Антропогенное воздействие на экосистему Онежского озера 44
2.1.2. Условия осадконакопления 46
2.1.3. Современное состояние донных отложений Онежского озера 47
2.2. Ладожское озеро 54
2.2.7. Антропогенное воздействие на Северную часть Ладожского озера 54
2.2.2 Условия осадконакопления 54
2.2.3. Современное состояние донных отложений северной части Ладожского озера 56
Глава 3. Изменение химического состава и окислительно восстановительного состояния донных отложений под влиянием антропогенных факторов 61
3.1 Типы донных отложений 61
3.2. Естественная влажность и пористость осадка 62
3.3. Окислительно-восстаноиительное состояние донных отложений 65
3.3.1. Кислород в донных отложениях 65
3.3.2. Показатель концентрации водородных ионов (рН) 71
3.3.3 Окислительно-восстановительный потенциал (Eh) донных отложений 73
3.4. Органическое вещество донных отложений 77
3.4.1. Органическое вещество поверхностного слоя донных отложений 77
3.4.2. Вертикальное распределение органического вещества в донных отложениях. 81
3.5. Азот донных отложений 84
3.6. Фосфор в донных отложениях 86
3.6.1 Седиментация и накопление фосфора в осадке 86
3.6.2 Состав фосфорных фракций донных отложений 88
3.6.3 Вертикальное распределение фосфора и фосфорных фракций в донных отложениях 91
3.7. Железо и марганец 96
3.8. Тяжелые металлы, нефтепродукты, фенолы 98
3.9. Поровые воды 101
3.10. Поступление веществ из донных отложений в воду 112
Глава 4. Ретроспективная оценка состояния Кондопожскои губы Онежского озера по донным отложениям за многолетний период 117
4.1. Краткая физико-географическая и лимнологическая характеристика Кондопожскои губы Онежского озера 117
4.2. Антропогенная нагрузка на Кондопожскую губу Онежского озера 118
4.3. Общая характеристика донных отложений Кондопожскои губы 122
4.4. Изменение химического состава донных отложений Кондопожскои губы под воздействием сточных вод ЦБП 124
Выводы 135
Литература 139
- Методические основы оценки антропогенного влияния на озерные экосистемы по показателям состава и свойств донных отложений
- Современное состояние донных отложений северной части Ладожского озера
- Вертикальное распределение фосфора и фосфорных фракций в донных отложениях
- Изменение химического состава донных отложений Кондопожскои губы под воздействием сточных вод ЦБП
Методические основы оценки антропогенного влияния на озерные экосистемы по показателям состава и свойств донных отложений
Глубокая перестройка экосистемы озера в результате антропогенного воздействия приводит к ухудшению качества воды, подрыву полезной продуктивности, а иногда и к полной утрате природных ресурсов водоемов. Огромные усилия и средства затрачиваются во всем мире на снижение уровня поступления загрязняющих веществ и на разработку и реализацию программ по восстановлению озер. Особенность ситуации, а именно то, что на сегодняшний день изменения в окружающей среде опережают темпы развития методов контроля состояния среды, диктует необходимость поиска новых параметров с целью адекватной оценки состояния водной экосистемы и описания внутриводоемных химико-биологических процессов в условиях влияния на них антропогенных воздействий, прогнозирования и предотвращения неблагоприятных явлений. Современное нормирование антропогенных воздействий на водные экосистемы должно базироваться на всестороннем анализе данных по всей совокупности важнейших структур, процессов, функций и т.п. исследуемой экосистемы. Многие исследователи (Россолимо, 1975; Страхов, 1962; Семенович, 1966, 1973; Хатчинсон, 1969 и другие) использовали для характеристики состояния водной среды и изменений экосистемы озера под воздействием антропогенных факторов методы оценки, основанные на изучении химического состава донных отложений и протекающих в них физико-химических процессов.
Возможности и эффективность применения характеристик качественного состава (содержание органического вещества, биогенных элементов, глинистых минералов, ряда металлов), а также физико-химических характеристик донных отложений (гранулометрический состав, окислительно-восстановительный потенциал (Eh), активная реакция (рН), температура и другие) для оценки антропогенного воздействия существенно различаются.
Гранулометрический состав современных осадков и распределение обломочных частиц по размеру позволяют судить о динамической обстановке процесса седиментации или среды накопления (Романовский, 1977). Картирование гранулометрических параметров донных отложений и их стратиграфия позволяют оценить антропогенное изменение ландщафтной структуры водосборов и береговой линии водоема (Поляков, 1975; Жуховицкая & Генералова, 1991). Разные количественные и качественные сочетания кластогенного, биогенного и хемогенного вещества определяют вертикальную стратификацию осадочных образований, возникшую как закономерный результат истории развития озера.
По содержанию и вариациям основных осадкообразующих элементов судят о климатических (Давыдова & Субетто, 2000) и литологических изменениях на водосборах. Например, увеличение концентраций кремния и алюминия в колонках донных отложений Ладожского озера Н.И. Семенович (1966) связывает с периодом активного выветривания и интенсивной эрозии. Увеличение концентраций натрия и калия и, следовательно, доли неорганического вещества в донных отложениях Маккереш (Mackereth, 1966) интерпретировал как следствие сведения лесов и распашки земель на водосборах озер Англии.
Органическое вещество, характеризующее баланс продукционно-деструкционных процессов в водной массе, изменяется в соответствии с особенностями развития водоема. Обладая восстановительными свойствами и создавая определенную среду при диагенезе, органическое вещество способствует миграции химических элементов, их переходу из одних форм в другие, трансформируется само, что также может служить показателем условий осадкообразования. Увеличение доли ОВ в разрезах отложений часто трактуется как развитие процессов эвтрофирования водоемов. Элементный состав органического вещества может служить показателем роли автохтонного и аллохтонного материала в ОВ донных отложений: отношение C:N широко колеблется (20 - 80) в различных водных макрофитах и довольно мало в планктоне (до 10). Состав органического вещества донных отложений изучен слабо. Наиболее часто ОВ характеризуют по группам соединений, последовательно выделяя битумоиды, легкогидролизуемые воднорастворимые, гуминовые, трудногидролизуемые вещества и нерастворимый остаток. По изменению содержания и состава выделяемых фракций авторы многих работ судят о генезисе и источниках ОВ (Казаков, 1953; Выхристюк, 1975; Бондарь и др., 1982). Многие гидрофобные органические соединения, поступающие в озеро (человеком в настоящее время синтезировано более пяти миллионов ОВ), сорбируются на взвесях н выводятся из водного объема, накапливаясь в донных отложениях. Определение содержания токсических органических веществ (хлорорганических пестицидов, полициклических ароматических углеводородов, длинно-цепочных углеводородов и т.п.) в донных отложениях входит в программы мониторинга природных вод многих стран (Резников и Лобов, 1992; Frumin & Krylenkova,1997; van de Plassche et al,, 1997; Baker & Eisenreich, 1989;Eadie, 1983 и др.).
Тяжелые металлы и радионуклиды относятся к токсическим веществам, концентрации которых также определяются в донных осадках с целью оценки степени антропогенного воздействия на водоем (Hakanson & Jansson, 1983; Даувальтер, 1994, 1995). Разнообразие донных осадков, формирующихся в результате сложного взаимодействия климатических, гидрологических, механических, физических, химических, биологических и других факторов, является причиной того, что в настоящее время не существует единой шкалы ПДК токсических веществ для донных отложений. Например, уровень концентраций тяжелых металлов для стран Западной Европы и Канады колеблется в широких пределах: Cd - от 0,596 до 29; РЬ - от 35 до 4700; Hg - от 0,17 до 26; Си - от 35,7 до 600; Ni - от 9,4 до 200; Zn - от 123 до 2000 мг-кг" сухого веса (van de Plassche Е. et al, 1997). Для Ладожского озера по данным разных авторов: Cd - от 0.02до3.6;РЬ-от0.6до143; Hg-отОдо 1.4; As-от 3.2 до 15;Сг-от1 до 125; Си от 0.3 до 80; Ni от 0.1 до 74; Zn от 9 до 250 (Иванов и Гуревич, 1995; Ristola etal., 1996; Sergeeva, 1995; Экологическая..., 1998).
Контроль за содержанием в донных отложениях биогенных элементов при оценке и прогнозировании последствий антропогенного воздействия на водоем обязателен. Увеличение объема промышленных, сельскохозяйственных и бытовых сточных вод, приводящее к избыточному поступлению в водоемы биогенных элементов (в первую очередь фосфора), обусловливает повышение интенсивности первичного продуцирования органического вещества, стимулирует рост водорослей и высших водных растений. Развитие процесса эвтрофирования в настоящее время угрожает сохранению запасов пресной воды на земном шаре. Им охвачено около 90 % озер мира (Россолимо, 1975; Антропогенное... 1983; Vollenweider, 1980; Vollenweider & Kerekes, 1980), в том числе крупнейшие из них (Beeton, 1966; Pollution ..., 1969; Schelske & Roth, 1973; Verduin, 1969;). К числу крупных озер мира, где наблюдаются процессы антропогенного эвтрофирования, следует отнести и два крупнейших пресноводных водоема Европы - Ладожское и Онежское озера (материалы Ладожских симпозиумов 1993, 1996, 1999 гг. (Report..., 1994; The First..., 1996; Proceedings..., 2000; Ладожское..., 1999).
По мнению Шиндлера (Schindler et al, 1977), при увеличении внешней фосфорной нагрузки на озеро изменение его трофического статуса происходит не сразу, а с некоторым опозданием вследствие некоторой устойчивости озерной экосистемы к антропогенному воздействию. Соответствие трофического уровня донных отложений трофическому уровню водной массы в ходе эвтрофирования водоема происходит с запаздыванием, и на начальном этапе эвтрофирования процессы седиментации сдерживают быстрое развитие этого процесса, поскольку большая часть фосфора, поступающего в озеро в течение года захороняется в донных отложениях. Но по мере развития процесса эвтрофирования поступление в донные отложения значительных количеств органического вещества способствует более быстрому осадконакоплению и аккумуляции продуктов неполного окисления органических веществ, созданию в осадках восстановительных условий и сдвигу равновесных процессов на границе вода-дно в том числе и обменных процессов, вследствие чего доля веществ вторично-поступающих из донных отложений в воду заметно возрастает.
Современное состояние донных отложений северной части Ладожского озера
Донные отложения Ладожского озера были детально исследованы Н.И. Семеновичем с сотрудниками (1966). Распределение иловой толщи носит "очаговый" шрактер и связано с морфометрией озерной котловины. Так, во впадинах в северной іасти озера в зоне максимального осадконакопления мощность озерных осадков может достигать 10 м и более, в то время как на "порогах" они могут практически отсутствовать. На крутых подводных склонах и склонах островов, а также в районе Валаамского архипелага встречаются выходы на поверхность дна ленточных глин. По гранулометрической характеристике донные отложения Ладожского озера можно разделить на: 1. глыбы и валуны разной крупности; 2. гальку и гравий; 3. песок разной крупности; 4. крупноалевритовый ил; 5. мелкоалевритовый ил; 6. алевритово-пелитовый ил; 7. пелитовый ил (Семенович, 1966).
Характеристика формирования донных отложений северной части Ладожского озера в современных условиях антропогенного воздействия проводится в настоящей работе на основе сравнения данных химического состава осадков, полученных автором в 1992-1997 гг., с литературными данными (Семенович, 1966).
Донные отложения исследованных районов северной части Ладожского озера/тредставлены главным образом илами с примесью руды, глины и продуктов антропогенного происхождения.
Наибольшему антропогенному влиянию подвержены заливы Хиденселькя (п. Ляскеля) и Якимварский (г. Лахденпохья), районы городов Питкяранта и Сортавала (станции R, 11, 7, 9, 10, 5, 8, N, 1). Для всех проб, отобранных в зоне максимального осадконакопления, характерно наличие тонкого слоя окисленного наилка (не больше 1см), толщина которого уменьшается до О при возникновении сезонного дефицита кислорода в придонных водах (ст. 11, 8, 5 август 1992 г.). Глубже расположен темно-серый глинистый л (ст. 11) или темно-коричневый ил (ст. 1) с примазками гидротроилита по всей длине олонки. На станции R обнаружена слоистость от черного до белого цвета (толщина слоев т 0.7 до 1 см) до глубины 14 см, на ст. N под 0.5 см коричневого окисленного слоя бнаружено чередование слоев черного и серого цветов (толщина слоев 10- 12 см). азрезы иловых колонок, отобранных на ст. 13, Н в заливе вблизи о. Путсари и ст. 14 в 1кимварском заливе, отличаются от остальных шхерных станций. Донные отложения ст. 4 представлены серым глинистым илом с черными и бурыми рудными прослойками. На ;танциях Ни 13 в верхнем 4 см слое светло-коричневого ила обнаружены черные (крапления руды в виде гранул.
Для тонкодисперсных отложений открытой части озера (алевритовых и пелитовых шов) свойственна ярко выраженная слоистость. Как правило, верхний слой толщиной 4-5 :м для деклинальной и профундальной зон (ст. С, D, О, Р, Е, F, 4, G, 12) и 0.2-4 см для гльтропрофундальной зоны (ст. К, М, Q, 2) имеет коричневую окраску благодаря присутствию гидроокислов трехвалентного железа. Глубже осадок окрашен в серый или Зежево-серый цвет часто с черными прослоями и примазками гидротроилита. Под бурым экисленным слоем осадка часто расположена одна или несколько рудных корочек (ст. L, 12, 6, 3). Это довольно плотные и четко обособленные слои осадка красновато-эурого, черного и коричневого цвета. Корковидные руды, по мнению НИ. Страхова [1962, 1979), формируются на базе кларковых содержаний Fe и Мп. Иногда эти образования состоят из двух слоев: верхнего черного и нижнего красновато-бурого (ст. 14). В первом из них преобладают окислы и гидроокислы марганца - псиломелан и вад, во втором - окислы и гидроокислы железа - лимонит и гидрогетит (Страхов, 1962). Наличие аналогичных рудных прослоек отмечалось как в озерных, так и морских донных отложениях, среди них осадки озер Онтарио (Manning, 1987; Manning & Lum, 1983; Manning & Mayer, 1987), Байкал, Красное, Карское море (цит. по Семеновичу, 1966), пелагические осадки Атлантического океана (Wilson et al, 1986).
Донные отложения шхерной и глубоководной частей различны, так как заливы Хнденселькя и Якимварский, район города Питкяранта подвержены наибольшему влиянию приточных вод с водосбора и точечных источников загрязнения. В заливе Хнденселькя и в районе г. Питкяранта в зонах седиментации твердой части техногенных взвесей предприятий п. Ляскеля, лесозавода п. Харлу и Питкярантского целлюлозного завода в донных отложениях обнаружены древесные отходы, волокно, на поверхности присутствует черный маслянистый хлопьевидный наилок с запахом. В районе п. Ляскеля толщина слоя с древесными остатками достигает одного метра. По мере удаления от мест выпуска сточных вод мощность антропогенного слоя уменьшается. Содержание органического углерода в поверхностном слое донных отложений указанных заливов величилось в три раза по сравнению с 1965 г. (Семенович, 1966) и составляет в среднем % (Табл. 2.6, Рис. 2.2). Максимальные концентрации ОВ в поверхностном слое осадков афиксированы в пробах, отобранных в августе 1993 и 1994 годов (ст. 11-7.2 % Сорг„ ст.8 10.8 %), когда в Сортавальском и Пнткярантском заливах наблюдалось сильное щветение» воды. В составе органического вещества доминируют гуминовые кислоты 10%), величина атомного отношения C:N колеблется от 16.4 до 18.7. Растительные шгменты в пересчете на ОВ достигают больших величин 0.15-0.20 %. Из неорганических [юрм азота преобладает аммонийная. На долю фосфора органического приходится 1.4-1.6 /о. Величина отношения С:Р составляет 9-13. Относительно много в нлах и іегкоподвижного фосфора. Донные отложения данных районов загрязнены юфтепродуктами (до 0.1 %), максимум содержания которых отмечен вблизи городов ортавала, Лахденпохья и Питкяранта. Основными источниками загрязнения по зидимому являются склоновый и дренажный стоки и водный транспорт. По данным шектрального анализа концентрации металлов, таких как Pb, Ni, Сг, Zn и Си, превышают спарковые значения в два раза. Особенностью всех исследованных осадков Ладожского эзера являются высокие концентрации железа.
Поступление речных, сточных и дренажных вод в указанные заливы способствует эолее быстрому осадконакоплению и аккумуляции продуктов неполного окисления эрганических веществ, созданию восстановительных условий в донных отложениях и усилению потока железа, марганца, фосфора и токсичного сероводорода из осадков в воду. Наиболее ярко эта картина наблюдалась в районе г. Сортавала, где донные отложения представлены темно-серыми илами с черными прослойками сульфидного железа - гидротроилита. По данным А.А. Матвеева с соавторами (1990) интенсивность сульфат-редукции здесь колеблется в интервале 0.017-0.190 мг НгЗ-дм"3 в сутки. В данной зоне в 1997 -1998 гг. отмечались большие градиенты концентраций фосфатов, NH4+, Fe2+, Fe3+ на границе осадок-вода.
Глубоководная область озера представляет собой зону накопления, где влияние динамического фактора сведено до минимума. Донные отложения представлены серыми и коричневыми глинистыми илами с алевритовым коричневым наилком, толщиной 0.1 - 0.5 см, в большинстве осадков обнаружены толстые железистые корки и прослойки. Особенностями илов этого района являются высокие значения окислительно-восстановительного потенциала (Eh до +464 мв), невысокое содержание органических веществ, сформировавшихся, в основном, из остатков растительных и животных организмов. Величина атомного отношения C:N колеблется от 1.5 до 6.3. Органическое вещество обогащено азотом (20 % N в ОВ) и фосфором, растительных пигментов немного (Рис. 2,2). Минеральные формы биогенных элементов определены в небольшом оличестве. Содержание нефтепродуктов 0.001-0.003 %, концентрации металлов аходятся в пределах кларков.
Донные отложения, отобранные в открытой части на удалении 12 км от г. Іиткяранта, отличаются от отобранных на других станциях этого района как тратиграфией, так и химическим составом. Концентрация ОВ в 8 раз больше, чем реднее содержание по району, а преобладание гуминовых кислот, величины оотношений C:N = 8.8; С:Р = 55 указывают на его аллохтонное происхождение. ;одержание Мп превышает кларк в 4 раза, концентрации Ni, Си и РЬ также несколько [ревышают кларковые значения, что объясняется как влиянием сточных вод г. Титкяранты, так и аккумуляцией аллохтонных веществ, приносимых течением вдоль юсточного берега Ладожского озера.
Вертикальное распределение фосфора и фосфорных фракций в донных отложениях
Вид вертикального концентрационного профиля является результатом процессов тзансформации фосфорсодержащих органических и неорганических соединений в толще сложений и зависит от многих факторов, важнейшими из которых являются тип донных этложений, темп осадконакопления, морфометрия озерной котловины, состав іллохтоНноГ0 материала, условия осадконакопления в предыдущие годы, активность Зентических организмов.
Полученные вертикальные концентрационные профили можно разделить на 4 группы (рис. 3.13 а, б).
Профили первой группы близки по форме к экспоненциально убывающей по глубине осадка кривой (ст. D - выход из Сортавальского залива и ст. О - выход из Питкярантского залива). Убывание содержания Робщ. идет за счет уменьшения концентрации Рорр. вследствие восходящей диффузии фосфат-ионов, образующихся в результате минерализации фосфорсодержащего органического вещества и десорбции при восстановлении гидроокислов железа в восстановительной зоне отложений. Содержание Рорг. в слое 0-1 см достигает 61 % от Робщ. для ст. О и 78 % для ст. D, на глубине 10 см концентрации органического фосфора понижаются до 20 и 33 % от Робщ, соответственно. Несмотря на одинаковый характер убывания Робщ. по глубине в осадке, различия во ракционном составе позволяют констатировать, что для станции D высвобождающийся в гзультате минерализации ОВ фосфор связывается с кальцием (содержание Рса на глубине О см увеличивается в 5 раз по сравнению с поверхностью, содержание PF не зменяется), в то время как для ст. О обе фракции (Рса иРре) в соотношении 1:1 проходят ерез максимум на границе окисленного слоя (слой 3-5 см).
На вертикальных концентрационных профилях фосфора, относящихся ко второй руппе, выявлено наличие локальных максимумов, что свидетельствует об интенсивных иагенетических преобразованиях ОВ в зоне геохимического барьера на оксред-границе. 1а станциях В, С, Е, F, 4, К, Р, Q, G, М отмечен небольшой максимум в слое 3-5 см за счет величения содержания всех неорганических фракций, особенно PFe (в 2 раза) и Рса (в 1.5 (аза). Необходимо отметить отсутствие органического фосфора в этом слое для станции Л.
Наиболее резкий максимум в слое 3-5 см отмечен на станции А (концентрация фосфора превышает содержание в прилежащих слоях в 3 и 6 раз за счет увеличения Рса в I раза, PFe в 5 раз). Для станции Н максимум концентрации фосфора наблюдаются в слое 5-10 см за счет увеличения содержания Рорг., что, возможно, говорит о более высоких жоростях осадконакопления в предшествующий период по сравнению с настоящим зременем.
Наличие рудной прослойки на глубине 3 см на станции L резко изменяет вертикальную стратификацию фосфора (третий тип профиля, рис. 3.13 б). На глубине 2-3 гм и 5-10 см отмечены максимумы Рорг., а в слое 3-5 см идет накопление неорганических форм фосфора, причиной которого и является рудная прослойка, замедляющая вертикальную миграцию соединений фосфора в осадке.
К четвертой группе относятся концентрационные профили в колонках отложений, отобранных в заливах, подверженных наибольшему антропогенному влиянию (ст. 11, R, N). Верхний 0-1 см слой обогащен фосфором, в слое 1-2 см его содержание уменьшается вдвое и далее по глубине практически не изменяется, что говорит о более высоких скоростях минерализации ОВ на поверхности донных отложений по сравнению с толщей. По фракционному составу, для осадка ст. N характерно более высокое содержание органической фракции (соотношение форм Рорг. : Риеорг в слое О-1 см для ст. N равно 0.7, для ст. R 0.2, для ст.11 0.5). В целом, с глубиной происходит рост доли неорганической фракции и уменьшение доли органического фосфора.
Более высокая концентрация фосфора в слое 5-Ю см для ст. N (1.3 %) по равнению с прилежащими слоями (1.1 %) говорит о более высоких скоростях адконакопления в предыдущие годы, зависящих от объемов сброса сточных вод еллюлозным заводом.
Вертикальное распределение фосфора и фосфорных фракций также изучалось втором на Кондопожской губе Онежского озера (станции разреза 8, 11, 18). Тенденция меньщения содержания фракции органического фосфора с глубиной осадка дновременно с накоплением железо-связанного фосфора (фракция NaOH) ;рослеживается в донных отложениях всех исследованных станций (рис. 3.14). Удержание лабильного фосфора (фракция NH4CI) во всех пробах незначительно, [аибольщая его концентрация (0.8 % от Робщ.) обнаружена в поверхностном 1 см слое Т.8. Только на станции 11 в поверхностном слое (0-1 см) содержание фосфора общего іьіше, чем в толще осадка, причем, 33% от Робщ составляет фракция NaOH. Столь 1начительное накопление железо-связанного фосфора закономерно может привести к !алповому поступлению фосфат-иона в водную толщу при дефиците кислорода в 1ридонньїх водах. Интенсивное накопление фосфора в основном за счет фракции железо связанного фосфора выше (слой 2-3 см) и ниже оксред-границы (слой 5-Ю см) на глубоководной центральной станции 18 можно рассматривать как показатель штропогенного эвтрофирования Кондопожской губы вследствие ее загрязнения сточными водами ЦБК. Для сравнения можно указать, что накопление фракции железо-связанного фосфора (до 8 мг-г в.сн.) наблюдалось и в донных отложениях оз. Сайма в зоне воздействия сточных вод целлюлозно-бумажной промышленности (Sandman et а/., 2000).
Изменение химического состава донных отложений Кондопожскои губы под воздействием сточных вод ЦБП
Основной тенденцией, наблюдаемой на протяжении 40 лет исследований является )степенное увеличение площади дна, занятой загрязненными осадками, причем, !менение химического состава осадков по основным параметрам тесно связано как с )ъемами производства, так и с качественным составом сточных вод комбината.
Тип загрязнения определил выбор основных характеристик наблюдения: (держание органического вещества и его качественный состав, концентрации биогенных [ементов, железа, марганца. Изменение химического состава поверхностного (5 см) ;адка для различных районов губы за период наблюдения с 1964 по 1999 год вставлено на рисунке 4.1.
До начала 60" годов загрязнению была подвержена лишь вершинная часть губы. К )70 году площадь дна, занятая отходами ЦБК, увеличилась с 3 до 17 км и занимала тактически всю северо-западную часть губы и далее она распространялась более узкой шосой вдоль западного берега по понижениям рельефа дна. В работе Ю.К. Полякова 975), выполненной с целью оценки масштабов загрязнения донных отложений, доведено подробное картирование дна, исследован механический состав осадков, дано шсание монолитов (характер их строения, цвет осадков). Скорости седиментации, [меренные в разных частях губы (от 0,01 до 5 мм в год) показали разную степень [тропогенного влияния на формирование донных отложений губы. Все это позволило ієнить площадь загрязнения отметить слабую гидродинамическую активность ІХНОГЄНнЬІХ осадков и показать (на тот момент) локальный характер загрязнения эндопожской губы.
Сброс сточных вод ЦБК в Кондопожскую губу через глубинный рассеивающий шуск после введения в строй СБО в конце семидесятых - начале восьмидесятых годов жвел к увеличению зоны антропогенного влияния. В 1982 г. по условиям формирования лли выделены три фациальные области: северная, центральная и южная (выход из губы в крытое озеро). В донных отложениях первой области ОВ образуется, в основном, за [ет техногенного материала, поступающего со сточными водами. Во второй - доли (тохтонного, техногенного и аллохтонного ОВ примерно равны. Считалось, что в )етьей области (центральный район губы) формирование ОВ донных отложений юисходит за счет внутриводоемных процессов.
Результаты последних исследований (1992-2001гг.) показали постепенное іспространение загрязнения по всей площади дна губы и изменение характера эрмирования ОВ донных отложений центрального района.
В районе ЦБК, где оседает большей частью основная часть взвешенного вещества эчных вод (ст. 8), концентрация и качественный состав ОВ почти не изменился с 1982 ца, когда впервые здесь было зафиксировано интенсивное накопление отходов ЦБК. (Держание органического вещества (по величине потери при прокаливании) - от 40 до 70 органического углерода - от 17 до 35 %, фенолов - до 0.006 %. Содержание азота в эм районе самое высокое - 0.98 % в.с.н., треть его приходится на азот аммонийный, азот ганический составляет здесь 1.4 % от ОВ (содержание Сорт в донных отложениях этой шции в 1970 году составляло - 5.3 % в.с.н.). Максимальные концентрации фосфора в ионе сброса сточных вод в начале 90х годов (см. рис. 4.1 а) приходится на период падки БОПС, когда в губу сбрасывалось до 109 т фосфора в год. Пуск рассеивающего [пуска сточных вод повлиял на кислородный режим вершинной части губы. В отличие от " годов, когда наблюдались отсутствие или острый дефицит (до 90%) кислорода в идонных слоях воды в течение длительного периода времени, в настоящее время юилизация кислородного режима вод определяет аэробные процессы разложения ОВ на шице вода-дно. Процессы анаэробного разложения органических веществ тропогенного происхождения: разрушение целлюлозы, денитрификация, монификация, сульфатредукция, метанообразование происходят в толще донных пожений. Продукты разложения ОВ, мигрируя в воду, частично окисляются на верхности донных отложений, что снижает токсическое воздействие техногенных адков на водную экосистему залива. При отсутствии кислорода в придонном горизонте тан, меркаптаны, сероводород, сульфиты, тиосульфаты, сульфаты, лигносульфонаты, НОЛЫ и др. поступают из донных отложений в воду в значительных количествах.
По мере ослабления антропогенного фактора, содержание ОВ в воде и донных южениях снижается. Для станций 10 и 11, находящихся на удалении 4 и 9 км от выпуска )чных вод зафиксирован рост концентрации С, Р, N, Fe в донных отложениях (см. рис. б). Величина окислительно-восстановительного потенциала поверхностного слоя їдка (порядка +100; +150 мв) свидетельствует о некотором затухании ;становительных процессов, мощность окисленного слоя донных отложений гличивается. Уменьшается содержание аммонийного азота, появляются нитраты в ровых водах. Появление нитритных, нитратных, тиосульфатных ионов в воде и донных гюжениях отражает различные этапы трансформации аккумулированных осадками рязнений. Значительные накопления серы в донных отложениях этого района (3-7 мг-г" С.н.), высокий градиент концентрации сульфатов на границе вода-дно (концентрация в ровых водах [слой - см] - мг-л 4 ), а также активность донного населения этих угренней нагрузки. Это предположение подтверждается и токсикологическими :периментами, проведенными Н.М. хчалинкиной (лаборатория гидробиологии wmiu). t цных вытяжках из донных отложений на ст. 11 вследствие понижения рН до 3.63 ОЛЮДалсіСЬ ГИбеЛЬ раЧКа S.sеГГШаШа в первые суТКИ, а на СТ. 10 уЭЛ-ЧЛ8) - 100/0 ертность отмечена на 4 сутки. В обеих вытяжках отмечено высокое содержание ііьфат-иона (1УО и ij8 мг/л, соответственно). Высокое содержание растительных гментов (от 109 до 500 мкгт в.с.н), состав и характер распределения фосфорных акций в донных отложениях (уменьшение содержания фракции органического фосфора оисходит с накоплением железо-связанного фосфора (см. рис. 3Л4) указывают на более тенсивное развитие процессов эвтрофирования в этом районе.
Специфический характер течений в определенные фазы гидрологического цикла шяется стимулирующим фактором, способствующим аккумуляции продуктов :хногенного происхождения в мелкодисперсных илах центрального района. В среднем щержание органических веществ и фосфора в осадках глубоководного района $еличилось за период наблюдений в ю раза, железа - в 3 раза. Общее содержание Сорг шеблется в пределах от 6 до 9 /о, азота - от 0.3 до I).7 /о в.с.н., концентрация л diiri"есivui о doотci wrixUriJidL/b С/ 6-1 0 /о \ 1J/7\J г.) до 1-2 /о от \_/о, что обусловливает более лсокие величины с IN по сравнению с ранее наблюдаемыми (10 - 40). Особенно зменился химический состав донных отложений глубоководной впадины (рис. 4. 1 в): держание UB, со времени пуска БОПС и рассеивающего выпуска увеличилось почти J,DVJе (с 5 /О до 9,D /oj, Величина соотношения V :IN, изменившаяся с 7 до JT, и низкие іачения гуминового коэффициента (Кгум.—Сгум.:Сорг.=0.09) подтверждают хногенный характер органического вещества осадка. По мере продвижения в сторону крытого озера содержание ОВ и аммонийного азота резко падает, возрастает нцентрация нитратов и органического азота, снижается величина отношения C:N. личина окислительно-восстановительного потенциала здесь колеблется от +340 до +200 3. Количество органического углерода и азота в толще отложений уменьшается от рхних горизонтов к нижним. Несмотря на активную диффузию кислорода в донные ложения глубоководных станций (величина окисленного слоя колеблется от 1.5 до 5 i), низкие температуры у дна в течение года тормозят процессы минерализации ОВ, шадающего здесь малыми запасами легкогидролизуемых форм, ослабляют 1трификационньїе процессы. Содержание NO3" в норовых водах окисленного слоя осадка іавнимо с концентрациями NO2" и не превышает 7% от М0бщ. поровых вод, 70 % )торого приходится на азот органический. Указанные факторы способствуют ікоплению загрязняющих веществ в донных отложениях центрального района губы, 13витию анаэробных процессов в толще осадка и созданию условий для вторичного грязнения.
На выходе из губы наблюдения за химическим составом донных отложений зоводились на ст. 24, расположенной в динамической зоне. За последние 20 лет, шцентрации С, Р, Fe в донных отложениях также увеличились в 2-3 раза (рис. 4./.г). оминирующей частью в составе ОВ являются гуминовые вещества - 46 %, содержание орг. в ОВ составляет 14 %.
