Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор литературы 11
1.1 Физико-химические свойства и область применения фталатов 11
1.2 Методы определения фталатов в объектах окружающей среды 14
1.3 Уровни содержания фталатов в объектах окружающей среды
1.3.1 Атмосферные осадки 19
1.3.2 Природные воды 22
1.3.3 Донные отложения 25
1.3.4 Гидробионты
1.4 Процессы распада фталатов в условиях окружающей среды 29
1.5 Токсичность фталатов для живых организмов и человека
1.5.1 Эксперименты по исследованию токсичности 31
1.5.2 Токсичность для гидробионтов
1.5.2.1 Микроорганизмы 34
1.5.2.2 Водоросли 34
1.5.2.3 Беспозвоночные 35
1.5.2.4 Рыба 35
1.5.3 Токсичность для человека 36
1.6 Экологический мониторинг содержания фталатов в водных экосистемах 38
Выводы по Главе 1 43
ГЛАВА 2. Объекты и методы исследования 45
2.1 Река Обь (в районе г. Барнаула) 45
2.2 Новосибирское водохранилище 49
2.3 Методы исследования
2.3.1 Отбор проб 53
2.3.2 Пробоподготовка 54
2.3.3 Хроматографический анализ 57
2.3.4 Контроль правильности используемых методик анализа
ГЛАВА 3. Загрязнение фталатами компонентов экосистем верхней Оби 63
3.1 Загрязнение фталатами р. Обь (в районе г. Барнаула) 64
3.1.1 Вода 64
3.1.2 Донные отложения 68
3.1.3 Рыба 70
3.1.4 Снежный покров 72
3.2 Загрязнение фталатами Новосибирского водохранилища 82
3.2.1 Вода 82
3.2.2 Донные отложения 86
3.2.3 Рыба 88
3.3 Бердский залив 89
3.3.1 Вода 89
3.3.2 Донные отложения 90
Выводы по Главе 3 92
ГЛАВА 4. Экологический мониторинг фталатов в компонентах водных экосистем (на примере верхней оби) 94
4.1 Источники и пути поступления фталатов в водные экосистемы р. Обь (в районе г. Барнаула) и Новосибирского водохранилища 95
4.2 Оценка уровней загрязнения фталатами элементов экосистем р. Обь на исследуемых участках
4.3 Обоснование выбора объектов мониторинга 109
4.4 Обоснование внутригодовой периодичности отбора проб 111
4.5 Обоснование выбора метода анализа 111
4.6 Схема мониторинга фталатов (на примере р. Обь (в районе г. Барнаула) и Новосибирского водохранилища) 112
Выводы по Главе 4 117
Основные выводы 119
Список сокращений и условных обозначений 121
Список литературы
- Методы определения фталатов в объектах окружающей среды
- Новосибирское водохранилище
- Загрязнение фталатами Новосибирского водохранилища
- Схема мониторинга фталатов (на примере р. Обь (в районе г. Барнаула) и Новосибирского водохранилища)
Методы определения фталатов в объектах окружающей среды
Основные методы анализа, используемые в практике экомониторинга стойких органических загрязнителей, это - газовая хроматография (ГХ) с масс-спектрометрическим (МСД) и пламенно-ионизационным (ПИД) детектированием, а также высокоэффективная жидкостная хроматография (ВЭЖХ) с ультрафиолетовым (УФ) и масс-спектрометрическим (МС) окончанием. При подготовке проб к инструментальному анализу используются различные методы выделения, концентрирования и очистки экстрактов, наиболее используемые из которых приведены на рисунке 1.2.1.
Пробоподготовка является наиболее долгим и трудоемким процессом при анализе объектов окружающей среды на органические ксенобиотики. Поэтому для каждой матрицы подходят только один-два типа экстракции, при этом каждый из них может иметь свои достоинства и недостатки. Такие методы концентрирования, как жидкость-жидкостная экстракция (ЖЖЭ) [Grollert et al., 1997; Yasuhara et al, 1997; Holadova and Hajslova, 1995] и твердофазная экстракция (ТФЭ) [Castillo et al, 1999; Jara et al., 2000; Castillo and Barcelo, 2001] уже давно широко используются для определения фталатов в пробах воды, в том числе в государственных регламентированных методиках по мониторингу состояния окружающей среды (например, американских [ЕРА: Wastes... [Электронный ресурс]]). В настоящее время спектр методов экстракции веществ расширен за счет введения новой техники, такой как твердофазно-жидкостная экстракция, дисперсионная жидкость-жидкостная микроэкстракция, микроэкстракция одной каплей, твердофазная микроэкстракция на магнитную мешалку и др. [Sample preparation..., 2013].
Различные виды экстракции растворителями (в аппарате Сокслета, ультразвуковая экстракция (УЗВ), микроволновая экстракция (МВЭ), сверхкритическая флюидная экстракция (СФЭ)) используются для определения фталатов в пробах донных отложений, почв, шламов и твердых отходов [Yuanetal, 2002; Bartolome et al., 2005; Cortazar et al, 2005; Bamabe et al., 2008; Adeniyi et al, 2011; Bizkarguenaga et al, 2012]. В случае, если матрица пробы многофазная, - может быть добавлен этап ТФЭ для очистки и концентрации экстрактов [Regueiro et al., 2008; Grigoriadou and Schwarzbauer, 2011].
Так как фталаты распространены повсеместно [Gomez-Hens and Aguilar-Caballos, 2003], то важно исключить загрязнение ими пробы в процессе пробоподготовки и анализа. Так, при использовании ТФЭ следует сначала исключить возможность фонового загрязнения пробы из материала картриджей. Лабораторная посуда и материалы (дозаторы, септа для виал автосэмплера, растворители, хроматографические сорбенты, осушители и стеклянная посуда) могут внести дополнительный вклад в загрязнение пробы. Для избежания данного риска существуют следующие рекомендации [Berset and Etter-Holzer, 2001]:
Фталаты обладают как летучестью, так и термостабильностью, т.е. качествами необходимыми для определения их методом ГХ. Большинство методов ГХ основано на использовании капиллярных колонок с диметилполисилоксаном и/или фенил-метилполисилоксаном в качестве неподвижной жидкой фазы (НЖФ). Данные фазы обеспечивают хорошее разрешение пиков и низкий фон при высоких температурах по сравнению с другими фазами, например, полиэтиленгликолями. Разделение фталатов на ГХ-системе требует широкого диапазона программирования температуры. Пламенно-ионизационный детектор (ПИД) довольно часто используется при определении фталатов, так как исторически он был первым использован в большинстве методик. Детектор электронного захвата используется чаще (например, в методиках ЕРА и ISO), однако он более чувствителен к галогенсодержащим соединениям. В случае фталатов именно МСД лучше всего подходит для их определения, т.к. работает в широком диапазоне температур и позволяет определять искомые вещества в сложных матрицах [Jonsson et al., 2003; Bartolome et al., 2005; Gao et al., 2011]. Обычно МСД работает в режиме заданного иона (single ion mode, SIM) при массовых числах: 163 для ДМФ, 149 для ДЭФ, ДИБФ, ДБФ, ББФ и ДЭГФ, 293 для ДИНФ и ДИДФ [Petrovic et al, 2001].
ВЭЖХ выступает как альтернативный метод при определении фталатов в природных объектах [Castillo and Barcelo, 2001; Cespedes et al., 2004; Latini et al., 2009; Olujimi et al, 2010]. Данный метод обеспечивает более качественное разделение изомеров, а также не требует дериватизации при определении моно-фталатов (первичных метаболитов). Например, отечественными исследователями был разработан метод прямого концентрирования ДЭГФ на аналитической колонке с обращенно-фазовым сорбентом для анализа водных проб методом микроколоночной ВЭЖХ [Барам и др., 2000]. Данная методика подходит для определения фталатов в пробах поверхностных вод и осадков (предел обнаружения 0,1 мкг/л).
Новосибирское водохранилище
Река Обь занимает 1 и 7 место в Евразии и 6 и 16 место в мире по площади водосбора и протяженности соответственно. Ее протяженность 3676 км, средний годовой сток 394 км3, водосборная площадь - 2 990 000 км2. Обь представляет собой типично равнинную реку с малым падением уклона, обширной долиной и поймой. По условиям формирования речного стока река преимущественно снегового питания: доля снегового питания Оби составляет в среднем 49 %, дождевого - 27 %, грунтового - 16 %, ледникового - 8 % [Догановский и Малинин, 2004].
Скорость течения в среднем варьирует от 0,8 до 2 м/с. Длительность половодья составляет 83-140 дней. По характеру уровенного режима верхнее течение реки Обь относится к Алтайскому типу (по классификации Б.Д. Зайкова), отличающемуся невысоким, обычно гребенчатого вида половодьем, повышенным осенним и низким зимним стоком. Подъем уровня воды происходит в середине -конце апреля. Ранний подъем бывает в конце марта, а поздний - в начале мая. Средние сроки наступления максимального уровня воды приходятся на конец апреля или начало мая. Продолжительность весеннего ледохода колеблется от 1 до 15 суток [Рельеф..., 1988].
По химическому составу воды р. Оби являются гидрокарбонатными кальциевыми, при этом соотношение концентраций главных ионов, в основном, соответствует второму типу по классификации О.А. Алекина, что указывает на формирование макрокомпонентного состава речных вод преимущественно при взаимодействии с различными осадочными породами [Алекин, 1970; Справочник..., 1989]. По величине рН воды Оби, в среднем, относятся к нейтральным водам, а в летне-осенний период - к нейтральным и слабощелочным. Величина рН изменяется от 8,0 до 6,6. Максимальные значения рН приходятся на период зимней межени. Это объясняется тем, что кислая и слабокислая реакция водной среды формируется в период открытой воды, когда питание рек осуществляется за счет кислых поверхностно-склоновых и почвенно-грунтовых вод на заболоченных водосборах. В период ледостава единственным источником питания рек становится подземное питание, в результате чего сглаживающее поверхностное влияние прекращается и рН возрастает до щелочных значений, характерных для нарушенных участков водотоков с преимущественно рекреационной нагрузкой.
Начиная с 50-х годов XX века, поверхностные воды Оби испытывают прогрессирующую антропогенную нагрузку, связанную с интенсивной урбанизацией, освоением и эксплуатацией объектов нефтегазового комплекса, созданием обширной и разноплановой инфраструктуры. Характерными загрязняющими веществами бассейна Оби являются соединения железа, меди, цинка, азота аммонийного, нефтепродуктов и фенолов [Савичев, 2003]. Помимо антропогенной нагрузки река подвергается действию специфических режимов: длительный ледостав (низкие концентрации кислорода в конце зимы), растянутое весенне-летнее половодье с несколькими пиками, преимущественно снеговое/дождевое питание и т.п. Качественный и количественный состав органических веществ (ОВ) в водах р. Обь отличается исключительным разнообразием - от фульво- и гуминовых кислот (ФК и ГК) в количестве несколько десятков мг/л до следовых концентраций эфиров карбоновых кислот, аминокислот, пестицидов и других микропримесей [Шварцев и др., 1996; Папина и Третьякова, 1997; Туров и др., 1998; Конторович и др., 2000].
Барнаул, как и все крупные промышленные города, характеризуется большой концентрацией антропогенных объектов на ограниченной территории. Большая часть города относится к территориям с напряжённым экологическим состоянием. Основное количество предприятий Барнаула не имеет локальной очистки стоков и сбрасывает свои сточные воды на очистку в городскую канализацию. В городе существует два комплекса очистных сооружений - КОС-1 и КОС-2. Выпуски КОСов расположены на левом берегу р. Обь. Также по левому берегу в районе Речного вокзала в р. Обь впадает р. Барнаулка, которая в черте города подвержена антропогенному загрязнению. В р. Барнаулку впадает р. Пивоварка, также протекающая по городской территории.
В этой связи выбор створов и точек наблюдения в районе г. Барнаула производился нами с учетом изменения антропогенной нагрузки на разных участках реки. Поэтому мониторинговая сеть отбора проб включала точки, не испытывающие заметного влияния города (1), испытывающие максимальное влияние города (2-7) и испытывающие остаточное влияние города (8 и 10) (Рисунок 2.1.1).
Пробы на выбранных створах и точках отбирали в следующие даты: пробы воды 15-16.06.09, 6-7.10.09, 21-22.03.11, 9-10.08.11, 27-28.09.11, 01-02.03.12, 26-27.03.13, 24-25.02.14; пробы донных отложений (ДО) 15-16.06.09, 6-7.10.09, 9-10.08.11, 27-28.09.11; пробы снега 02-03.03.12, 04-05.03.13, 22-23.02.14.
Пробы воды и донных отложений отбирали по отработанной схеме (Рисунок 2.1.2.), где X - номер створа, а цифра после точки - вертикаль отбора (1 - левый берег, 2 - середина, 3 - правый берег); 0,2 h, 0,6 h, 0,8 h - горизонт отбора (где h - глубина); ДО - донные отложения.
Отбор проб снега проводили со льда в русле реки в черте города, а также на территории города и в фоновых точках, удаленных от города, в период максимального снегонакопления (конец февраля - начало марта) (Рисунок 2.1.1). Некоторые точки отбора снега в русле реки совпадали с точками отбора проб в период открытой воды.
Загрязнение фталатами Новосибирского водохранилища
В отличие от низкомолекулярных высокомолекулярные фталаты мигрируют в водном потоке в основном на взвешенном веществе, что уменьшает их доступность для бактериопланктона. Дополнительно, в июне 2010 г. на эти даты отбора проб приходилась вторая волна паводка [ФГУП «Центр... [Электронный ресурс]] и благоприятные условия для максимального развития бактериопланктона еще не установились. Следовательно, повышение содержания высокомолекулярных фталатов в нижней части водохранилища в это время может быть связано как с их поступлением с водосборной площади во время паводкового периода, так и с низкой скоростью их биоразложения.
Максимальные концентрации фталатов в августе 2010 г. обнаружены в верхней части водохранилища, а сравнительно невысокое их общее содержание и снижение в нижней части может быть связано с высокой самоочищающей способностью водоема, так как максимум продукции бактериопланктона в водоемах такого типа приходится на этот период времени [Олейник и др., 1996]. Максимальные концентрации фталатов в сентябре 2010 г. наблюдались в нижней части водохранилища, что связано со снижением стоковых течений в нижней части водохранилища, а также с уменьшением продукции бактериопланктона (спад которой начинается с середины августа) и понижением температуры воды до+11 С.
Для оценки вклада основных источников поступления фталатов (речной сток через входной створ и смыв с водосборной площади) и процессов их разложения (в первую очередь биодеградации) был рассчитан сток фталатов на различных участках Новосибирского водохранилища за период полного водообмена в разные сезоны 2010 года. В качестве исходных данных были использованы полученные нами концентрации фталатов, объемы участков водохранилища [Федорова и др., 2010] и расходы воды на входном створе на даты отбора проб [ФГУП «Центр... [Электронный ресурс]]. Так как 2010 год был многоводный [ФГУП «Центр... [Электронный ресурс]], то для расчета был взят средний коэффициент водообмена, равный 9,4, при котором вода в водохранилище, в среднем, менялась каждые 1,27 месяца.
Полученные результаты (Таблица 3.2.1.2) показали, что в июне во время второй волны половодья вклад смыва с водосборной площади водохранилища очень высокий (почти в 4 раза выше вклада речного стока), а низкие скорости самоочищения приводят к увеличению концентрации фталатов вдоль водохранилища. речной сток на входном створе за период водообмена В августе месяце при максимальной самоочищающей способности и существенном снижении поступления фталатов с водосборной площади (сток из водохранилища в 3 раза ниже стока через входной створ) концентрации фталатов в водохранилище снижаются. В сентябре при низком речном стоке фталатов и снижении самоочищающей способности повышение концентрации фталатов в нижнем участке водохранилища может быть связано с локальным смывом с водосборной площади.
На Новосибирском водохранилище скорость осадконакопления оценивается в среднем 5-7 см/год [Назаров, 2009]. При этом основная масса взвешенного вещества привносится во время паводка. Следовательно, можно предположить, что, в первом приближении, основное загрязнение фталатами донных отложений происходит в период половодья. Однако, согласно полученным нами данным, содержание фталатов постоянно меняется по длине водохранилища в течение всего изучаемого периода. Это, скорее всего, связано с перераспределением осадков внутри ложа водохранилища [Назаров, 2009].
При сравнении содержания фталатов в ДО, в зависимости от месяца отбора, прослеживаются следующие тренды:
В июне высокие концентрации фталатов наблюдались в верхней и нижней частях водохранилища. В данном случае основными (и противодействующими) факторами являются скорость осадконакопления и скорость течения. Вне зависимости от гидрологического сезона, соотношение скоростей течения в водохранилище остается примерно одинаковым [Васильев и др., 2000]. Поэтому в июне основным фактором будет скорость осаждения твердого вещества, смытого с водосбора. В августе, во время максимального развития бактериопланктона, высокие содержания фталатов наблюдались в створах 5 и 7, что может быть связано с антропогенным влиянием.
Рыба, отловленная в Новосибирском водохранилище, была представлена двумя видами - щукой {Esox lucius) (n = 2) и лещом {Abramis bramd) (n = 4). Возраст особей варьировал в интервале от 3 до 10 лет (Приложения А-В).
В составных пробах мышечной ткани и полостного жира из всех исследованных фталатов были обнаружены только ББФ (в двух пробах) и ДЭГФ (во всех пробах) (Таблица. 3.2.3.1). Корреляция между жирностью пробы и содержанием ДЭГФ была слабая (КК = 0,479). Корреляция между содержанием ДЭГФ и возрастом рыбы очень слабая (КК = 0,243), также, как и между ДЭГФ и коэффициентом упитанности (КК = 0,180), что может быть связано с небольшой величиной выборки данных.
Значения коэффициентов биоаккумуляции (КБА) ДЭГФ для разных видов рыб Новосибирского водохранилища составили: для щуки {Esox lucius) 3,0-8,0 (среднее - 5,5), для леща {Abramis brama) 10,6-106 (среднее - 41,0). Значения КБА для проб исследованной рыбы Новосибирского водохранилища (также, как и для рыб Оби) не превышали установленный Европейским Союзом уровень для веществ, склонных к биоаккумуляции.
Схема мониторинга фталатов (на примере р. Обь (в районе г. Барнаула) и Новосибирского водохранилища)
Мониторинг фталатов в природных водах представляет собой сложную задачу, т.к. загрязнение поступает из различных, как правило, рассредоточенных источников, поэтому составляющие этого загрязнения имеют разные пространственно-временные характеристики. Согласно полученным нами данным, наиболее часто и в высоких концентрациях в исследуемых объектах содержатся ДБФ и ДЭГФ. Прежде всего, это связано с высоким валовым производством данных фталатов и широким спектром их использования в промышленности и народном хозяйстве. Поэтому данные вещества предлагается использовать в качестве целевых при мониторинге фталатов в объектах окружающей среды.
Основными объектами мониторинга фталатов являются поверхностные и подземные воды, донные отложения, гидробионты, атмосферный воздух [Bjorklund et аі., 2009]. Для Сибирских регионов к источникам загрязнения также необходимо отнести снежный покров в пойме реки и ливневый сток, которые могут являться одними из основных источников загрязнения поверхностных вод по фталатами Мониторинг воздушной среды может проводиться на имеющихся постах наблюдений, расположенных в районах города с высокими уровнями загрязнения воздуха, а также на отдельных участках - рядом с заводами, строящимися объектами и т.п. Скорость фотодеградации фталатов составляет один день, однако это касается дней с высокой солнечной активностью. С другой стороны, при сорбции на твердых частицах, фталаты могут мигрировать на достаточно большие расстояния. Поэтому, для таких водных объектов как озера и водохранилища, воздушный перенос может быть одним из факторов загрязнения воды.
Биоразложение фталатов в поверхностных водах протекает в среднем за несколько дней, поэтому уровни их содержания могут отражать «свежее» загрязнение. В подземные воды фталаты могут попадать через верховодку или неиспользуемые скважины. Донные отложения могут давать интегральную долгосрочную оценку уровня загрязнения водного объекта фталатами (до нескольких лет, если речь идет о северных территориях), поэтому их исследование может дать дополнительную ретроспективную информацию о загрязнении.
Следует отметить, что р. Обь в верхнем течении образует излучины и многочисленные рукава, при этом происходит значительное внутригодовое перераспределение донных отложений по руслу реки [Дьячков, 1986; Брюханов, 1986; Колосов, 1992]. Поэтому при отборе кернов донных отложений следует выбирать заводи или рукава реки с невысокими скоростями течений.
Мониторинг биообъектов представляет собой отдельную задачу в структуре комплексной экологической оценки водных объектов. Рыба является последним звеном в пищевой цепи перед человеком, а бентосные организмы могут отражать перманентность загрязнения донных отложений. При исследовании рыб следует учитывать тип питания видов, а также возраст особей. Коэффициент Фультона (Q) является удобной и достаточно надежной величиной при построении корреляционных зависимостей между содержанием фталатов в мышечной и жировой тканях рыб и типом питания.
При организации мониторинговых работ особое значение имеет внутригодовая периодичность отбора проб. В случае фталатов наиболее экологически неблагоприятным периодом (максимальные концентрации фталатов в водных объектах) является весеннее половодье. Это связано с таянием снежного покрова, аккумулирующего за зиму большое количество СОЗ, и поступлением талых снеговых вод с водосбора непосредственно в реку. Половодье в Верхней Оби относится к Алтайскому типу, т.е. имеет несколько пиков. Поэтому в данный гидрологический период следует проводить как минимум три отбора проб воды и донных отложений - в начале, на пике и в конце паводка. Далее, один-два отбора в летне-осеннюю и зимнюю межень для учета уровней в данные периоды, а также оценки возможного загрязнения (например, ливневой сток). При выборе мест отбора проб следует исходить из знания местоположения возможных источников загрязнения, таких как свалки мусора, выпуски очистных сооружений и т.п. Боковые притоки и рукава могут быть приемниками диффузного загрязнения (ливневой сток, несанкционированные свалки мусора). К местам выраженного антропогенного загрязнения можно отнести выпуски очистных сооружений, городские свалки мусора, шламоотвалы и т.п. К местам невыраженного антропогенного воздействия относятся населенные пункты, мосты, лодочные станции и т.п.
При достаточно большом количестве проб различных типов (вода, донные отложения и пр.) необходим экспрессный и точный метод определения веществ, позволяющий работать с широким диапазоном концентраций. Хроматография является на сегодняшний день единственным методом анализа природных объектов на органические ксенобиотики, сочетающим в себе необходимые достоверность, комплексность и экспрессность. За один анализ в пробе может быть количественно определено более ста веществ. При этом разделение смеси на приборе происходит в среднем за 25 мин. Существующие методы пробоподготовки позволяют работать со всеми основными объектами мониторинга: воздух, вода (в том числе и сточные воды), донные отложения, почва, биообъекты. Например, в случае анализа природных вод, могут быть использованы концентрирующие патроны с фазами различной степени полярности. Для десорбции аналитов с патронов можно, в свою очередь, варьировать степень полярности элюента для выделения отдельных классов веществ.
Для мониторинга фталатов в природных объектах наиболее оптимальным методом анализа является метод ГХ-МС с различными видами выделения и концентрирования (в зависимости от объекта исследования): воздух - метод ТФЭ (сорбционные трубки с активированным углем или другим подходящим сорбентом), вода - методы ЖЖЭ или ТФЭ (в зависимости от уровня загрязнения), почвы и ДО - методы УЗЭ или МВЭ.
