Объекты исследования лаборатории проблем геохимического картирования и мониторинга

Объектами исследования являются компоненты окружающей среды Байкальского региона – коренные породы, почвы, донные осадки, поверхностная вода, снег, дождевая вода, атмосферный воздух, биота и др. Объекты исследований расположены в различных местах Иркутской области и Республики Бурятия (рис. 1).

Рис. 1.

Исследования выполнялись по следующим направлениям:

- геохимия коренных пород, почв, донных осадков и поверхностных вод Байкальского полигона.

На (рисунке 2) показан пример создания геохимических карт распределения химических элементов.

Рис. 2. Распределение цинка в аллювиальных почвах Байкальского полигона.

- региональная геохимия приоритетных эндемичных и антропогенных веществ и связанные с ними экологические риски

На основе анализа информационной геохимической базы данных «Региональная геохимия окружающей среды (Байкальский регион)» и опубликованной информации разработана схема систематизации приоритетных ресурсных, энзимных и токсичных химических элементов Байкальского региона (рис. 3). Для большинства из них получены оценки параметров распределения и регионального фона в основных компонентах окружающей среды (коренные породы, почвы, донные осадки, вода, снег).

Рис. 3. Приоритетные химические элементы окружающей среды Байкальского региона. Красным показаны элементы, с которыми связаны эндемические нарушения здоровья населения. Оранжевым – элементы, в потоках которых существенное значение имеет техногенная эмиссия.

- мониторинговые исследования макро- и микрокомпонентного состава воды истока реки Ангары (озеро Байкал).

Река Ангара (рис. 4) является единственным поверхностным стоком озера Байкал, соответственно можно полагать, что вода истока Ангары отражает средний химический состав воды озера Байкал или его южной части. Озеро Байкал объявлено ЮНЕСКО объектом мирового наследия и проводимые нами мониторинговые исследования очень важны в связи с возрастающим антропогенным воздействием на экосистему Байкала в период техногенеза.

Цель нашей работы: оценить и сравнить происходящие за последние 60 лет изменения макрокомпонентного и за последние 7 лет микрокомпонентного состава воды истока реки Ангары.

С 1997 г. в Институте геохимии СО РАН П.В. Ковалем были начаты мониторинговые наблюдения за составом воды в истоке реки Ангары (Коваль и др., 2003, 2005), которые продолжаются и в настоящее время.

По концентрации ионов водорода (pH) вода истока реки Ангары изменяется от нейтральной – 6,2 до слабо щелочной – 8,5.

Согласно данных всех исследователей, вода истока Ангары низкоминерализованная, гидрокарбонатно-кальциевого состава. Сумма растворенных солей в течение года варьирует в незначительных пределах. В последние годы наблюдается некоторое снижение годовой амплитуды колебаний значений минерализации (рис. 4), о чем свидетельствует уменьшение коэффициентов вариации. Максимальный интервал изменения минерализации воды (89,8-102,4 мг/л) был отмечен в 1998 г. Средняя минерализация за изученный период составляет 95,46 мг/л. Относительно пониженная минерализация чаще всего отмечается в январе-феврале. Сезонные изменения состава воды происходят на фоне межгодовых, циклических изменений минерализации, обусловленных преимущественно гидрокарбонат-ионом. Статистический анализ показал наличие отчетливой корреляции между гидрокарбонат-ионом и минерализацией (0,82), а также между калием и натрием (0,74), более слабо выражена корреляция минерализации и сульфат-иона (0,47).

Рис. 4. Межгодовое изменение минерализации в воде истока реки Ангары за период 1997-2011 гг.

Проведенные систематические наблюдения свидетельствуют о несущественных изменениях ионного состава воды истока реки Ангары, в основном связанных с сезоном года, с природными катаклизмами (землетрясения, ураганы) и с изменениями уровня Байкала. Влияние антропогенного воздействия на макросостав воды в настоящее время не установлено, что объясняется буферирующей ролью самого Байкала (Глазунов, 1963; Грачев, 2002. При этом И.В. Глазунов считал, что «время средней сменяемости его воды около 400 лет» (Глазунов, 1963, стр. 68). - исследование микрокомпонентного состава воды Братского водохранилища и истока реки Ангары.

Для выявления уровня загрязнения вод микроэлементами используются действующие в настоящее время величины предельно допустимых концентраций для водоемов рыбохозяйственного и питьевого назначения (ПДКрбх и ПДКпв). Существующие ПДК микроэлементов природных вод малоприемлемы не только для такого относительно чистого региона, как Байкальский (рис. 5). Проводимые исследования микроэлементного состава вод Братского водохранилища показали, что содержания микроэлементов меньше этих предельных значений, несмотря на то, что Братское водохранилище загрязнено стоками химпредприятий.

Рис. 5. Сопоставление содержаний некоторых элементов-загрязнителей в водах Братского водохранилища с ПДК и их значениями в истоке р. Ангара.

В связи с этим актуальной задачей является не только выбор оцениваемых элементов, но и достоверное определение их фоновых содержаний для Байкальского региона, либо природными фоновыми объектами считать чистые озеро Байкал и его сток – реку Ангару. Анализ повышенных концентраций некоторых микроэлементов в воде истока р. Ангары не позволил установить определенной тенденции в изменении их величин. Периодичность чередования максимумов и минимумов в концентрациях микроэлементов отсутствует, нет явной приуроченности к сезонам года. Непостоянны во времени геохимические ассоциации элементов с повышенными концентрациями в воде. Превышения концентраций микроэлементов, вероятно, отражают не колебания случайных величин, а имеют причинную связь – вариации во времени в водной системе могут отражать естественную периодическую изменчивость окружающей среды.

Рис. 6. Средние концентрации микроэлементов в воде истока реки Ангары, Среднего Байкала и озера Байкал в целом.

Сравнительный анализ показал хорошую сопоставимость средних значений содержаний микроэлементов в воде истока Ангары с данными по химическому составу воды озера Байкал (рис. 6). Концентрации большинства рассматриваемых элементов не превышают их базовых уровней для байкальской воды, а для таких элементов, как V, Fe, Cu, As, Se, Hg, U очень близки к ним. Исключение составляют Sc и Mn, концентрации которых заметно выше приводимых в работах (Ветров, Кузнецова, 1997; Склярова, 2011). Содержания ряда элементов (V, As, Br, Rb, Sr, Mo, Sb, Cs, Ba, U) практически полностью совпадают с данными по Среднему Байкалу (Склярова, 2011). Концентрации остальных элементов занимают промежуточное положение между значениями, приведенными в рассматриваемых литературных источниках.

- мониторинговые геохимические исследования водохранилищ Ангарского каскада ГЭС.

Начиная с 1996 г. проводятся ежегодные мониторинговые биогеохимические исследования основных компонентов окружающей среды экосистем Иркутского, Братского, Усть-Илимского водохранилищ (поверхностные и поровые воды, донные отложения, атмосферный воздух, сообщества микроорганизмов, фито- зоопланктон, водные растения, бентос, ихтиофауна и др.).

По результатам проведенных геохимических, биологических, микробиологических анализов производится оценка состояния окружающей среды водохранилищ, создаются геохимические карты распределения химических элементов в различных средах, определяются формы нахождения элементов и источники их поступления, выделяются отдельные локальные участки, как комплексного загрязнения, так и отдельными тяжелыми металлами (рис. 7).

Рис. 7. Карты загрязнения ртутью донных осадков и рыбы ангарской части Братского водохранилища.

- йод в поверхностных и подземных водах Байкальского региона.

В Институте геохимии СО РАН начаты исследования по распределению йода в различных водоисточниках Прибайкалья. Объектами исследования являются поверхностные (реки, озера) и подземные (родники, колодцы, скважины) воды питьевого и сельскохозяйственного назначения.

Уровень содержания йода 0,010 мг/дм³ по данным П.С. Савченко (1961) достаточен для отсутствия развития йоддефицитных заболеваний у местного населения, использующего воду. Практически во всех изученных нами реках Прибайкалья концентрация йода меньше этого уровня. Исключение составляет р. Баяндайка. Кроме того, содержание йода в воде р. Орда приближается к необходимому уровню для питьевых вод.

Аналогичная ситуация с низкими содержаниями йода характерна для воды озера Байкал и для истока реки Ангары – водозабора в пос. Листвянка, где содержания его либо ниже предела обнаружения метода – < 0, 0010 мг/дм³, либо незначительны: от 0, 0010 до 0,0024 мг/дм³, что практически ниже в 10 раз необходимого уровня для питьевых вод.

Рис. 8. Содержание йода в подземных водах.

Изученные подземные воды представлены родниками, водой из колодцев и скважин различной глубины. Концентрация йода в исследованных водоисточниках варьирует в широких пределах (рис. 8). Наибольшие содержания отмечены для скважин в п. Тургеневка (расположен по трассе п. Баяндай – залив Мухор) и в п. Бурдугуз (Байкальский тракт). Самые низкие содержания йода наблюдаются в родниковых водах. Полученные данные по распределению йода в поверхностных и подземных водах свидетельствуют о том, что Байкальский регион на большей части территории является йододефицитным.

- влияние техногенного загрязнения в Иркутской области и отражение его в биосубстратах человека.

Исследование влияния экологической нагрузки в промышленных городах Иркутской области на элементный состав волос его жителей показало, что содержание Al, Mn, Cd и Pb более чем на порядок превышают установленные физиологические нормативные значения, а такие токсичные элементы, как кадмий и свинец в высоких концентрациях волос жителей Свирска и Братска привели к дефициту цинка и обогащению железом, что привело к общему нарушению баланса микроэлементов (рис. 9).

Оценка значимости загрязнения среды по составу образцов волос показала интегральное влияние промышленных комплексов и отходов производства, в том числе неидентифицированных загрязнителей на нарушение баланса микроэлементов у жителей Иркутской области.

Рис. 9. Содержание элементов в волосах жителей Иркутской области. Красным на рисунке отображены статистически значимые различия в содержании элементов относительно референтных значений; синим - содержание элементов в пределах референтных значений; пунктирными линиями – уровни референтных значений.

- Исследования миграции макро- и микроэлементов и формы их нахождения в системе «почва – растение» в природно – техногенных системах Прибайкалья.

Проведены модельные эксперименты по изучению влияния живых ризосферных бактерий Azotobacter и Bacillus, входящих в состав биопрепаратов азотобактерина, фосфобактерина и кремнебактерина, на особенности поведения As Cd, Pb в системе «почва-растение». Работа проведена совместно с Сибирским Институтом физиологии и биохимии растений СО РАН Эксперименты проведены на примере техногенных почв г. Свирска, где основным источником загрязнения окружающей среды является бывший металлургический завод по производству мышьяка. Установлено значительное снижением содержаний As Cd, Pb в растениях, выращенных на техногенной почве с ризосферными бактериями (рис. 10). Прослеживается явное воздействие ризосферных бактерий на миграцию и биодоступность тяжелых металлов и мышьяка в системе «почва-растение», что может иметь большое практическое значение при использовании новых биотехнологий в растениеводстве и для биоремедиации почв.

Рис. 10. Среднее содержание тяжелых металлов и мышьяка в растениях (пшеница, овес, горох, редис), выращенных на техногенных почвах в исходном (контроль) и с добавлением ризосферных бактерий (опыт), (мг/кг сухого вещества).

- мониторинговые геохимические исследования снегового покрова в Прибайкалье.

Для оценки степени техногенного загрязнения на территории Прибайкалья с 1992 г. проводится ежегодная снегогеохимическая съемка с детальным опробованием промышленных центров (г.г. Иркутск, Шелехов, Усолье-Сибирское, Ангарск, Байкальск, Слюдянка, Черемхово, Зима, Саянск, Свирск) и таких участков, как залив Мандархан (в районе западной части оз. Байкал), пос. Листвянка, Залари, Кутулик, Бол. Луг, Бол. Голоустное.

Источником поступления металлов в воздушную среду служат как продукты сжигания угля, так и отходы переработки нефтепродуктов.

Аномально высокие содержания ртути в пылевой составляющей снега и во всех компонентах окружающей среды в районе г. Усолье-Сибирское и г. Зима являются следствием воздействия предприятий «Усольехимпром» и «Саянскхимпласт». В других городах также сказывается влияние промышленных предприятий или большое количество автотранспорта: повышенные содержания Be, F, Al и Cd отмечены в г. Шелехове, As, Pb, Zn, Cu – в г. Свирске, Cu, Zn, Cd – в г. Иркутске и т.д. В поселках основное влияние на загрязнение окружающей среды оказывают ТЭЦ и котельные, использующие уголь с повышенными содержаниями Hg, Zn и других металлов. Следует отметить, что многие элементы (макрокомпоненты, тяжелые металлы) отмечаются в повышенных содержаниях в снеговом покрове рядом с интенсивными транспортными магистралями и особенно - автозаправками (0-50 м от них). Повышенные содержания ряда элементов (Cu, Zn, Pb, Be, Cd, Hg) в водной фазе снега свидетельствуют о загрязнении воздушного бассейна над промышленными городами и их окрестностями водорастворимыми соединениями металлов.

По результатам многолетних исследований определяются особенности атмосферного переноса (дождевые и снеговые осадки) ртути (рис. 11) и других тяжелых металлов как в глобальном, так и региональном масштабах, создаются геохимические карты распределения химических элементов в дождевой, снеговой воде и твердом осадке снега.

Рис. 11. Содержание ртути в снеговой воде в 2008-2009 гг. на территории Прибайкалья.

- инженерно-экологические изыскания по оценке состояния компонентов окружающей среды.

Сотрудники лаборатории проводят специализированные геоэкологические исследования в составе проектов инженерно-экологических изысканий (ИЭИ) и мониторинга совместно с ООО «ФРЭКОМ», Москва (рис. 12):

- мониторинг ртутного загрязнения Братского водохранилища;

- ИЭИ площади ООО «Усольехимпром» и прилегающих территорий;

- ИЭИ и экологический мониторинг строительства газопровода КГКМ-Жигалово;

- ИЭИ трассы конденсатопровода КГКМ-пос.Окунайский;

- ИЭИ трассы нефтепровода ВЧНГКМ-ВСТО;

- ИЭИ территории ВЧНГКМ;
- ИЭИ, мониторинг Левобережного и Ангаро-Ленского газоконденсатных месторождений;

- фоновые оценки, мониторинг Могдинского, Преображенского, Даниловского, Восточно-Сугдинского, Умоткинского, Западно-Чонского, Верхне-Ичерского лицензионных участков.

Рис. 12. Карта-схема расположения участков проведения геоэкологических исследований на севере Иркутской области.