Heavy metal content in surface waters of small rivers on the western slope of the Irendik Ridge

Cover Page

Abstract

This paper studies the content of heavy metals (Cu, Zn, Pb, Cd – metals-toxicants and Fe) in the surface natural waters of small rivers on the western slope of the Irendik ridge in the Baimak District of the Republic of Bashkortostan. The western slope of the Irendik ridge from Lake Talkas to Lake Grafskoe is characterized by the absence of significant anthropogenic sources of environmental pollution in contrast to the eastern slope of the Irendik ridge at the same latitude. The studied rivers are located on this section of the western slope and are left tributaries of the upper reaches of the Tanalyk River. It is these small rivers that determine the chemical composition of the water in the upper section of the Tanalyk River. The content of heavy metals in the waters was determined by atomic absorption spectrometry. For the environmental assessment of waters, the multiplicity of exceeding the maximum permissible concentrations of heavy metals for fisheries reservoirs was used. The studies have shown that in the waters of small rivers on the western slope of the Irendik ridge there is an increased content of a number of heavy metals, namely copper, iron, zinc, lead and cadmium. Increased concentrations of heavy metals in the waters of the studied rivers are caused by geochemical factors.

Full Text

Введение

Горный хребет Ирандек – один из отрогов Уральских гор, является самым восточным хребтом Республики Башкортостан (РБ). Длина хребта – 140 км, высшая точка – гора Кузгунташ (Вороний камень) – 987 м [1, с. 258–259]. В геологическом отношении хребет представляет собой массы осадочных образований и изверженных горных пород, возникших в результате подводных извержений вулканов, когда-то поднимавшихся на дне моря [2, с. 169]. Со склонов Ирандека сбегают многочисленные ручьи, их долины покрыты травянистой и кустарниковой растительностью. Преобладающими видами являются черемуха, ольха, смородина, малина, а на сухих водоразделах – дикая вишня, рябина и др.

В пресных водоемах наиболее распространенными загрязнителями являются тяжелые металлы. Многие из них высокотоксичны, способны к накоплению в живых организмах и во внешней среде. В поверхностные водные объекты тяжелых металлов попадают вследствие выщелачивания различных руд и минеральных соединений [3, с. 11]. В зависимости от окислительно-восстановительных реакций, уровня водородного показателя металлы могут входить в состав разнообразных неорганических и органических соединений с различными степенями окисления. На участках контакта природных вод с раздробленной породной массой происходит закисление природных вод и обогащение их тяжелыми металлами и сульфатами [4, с. 11]. Кислоты, впадая в осадок, способствует уменьшению водородного показателя и переходу металлов из связанного состояния в свободное.

Воды малых рек западного склона хребта Ирандек не исследованы. Известно, что исследуемый регион характеризуется отсутствием значительных антропогенных источников загрязнения окружающей среды: г. Сибай расположен в 20 км к востоку, г. Баймак – 5–22 км к югу. Загрязнение поверхностных вод тяжелыми металлами в условиях техногенного воздействия достаточно хорошо исследованы в реках восточного склона хребта Ирандек (р. Худолаз, р. Карагайлы, р. Камышлы-Узяк). Анализ литературных источников показал, что на истоке реки Худолаз содержание металлов превышали ПДКрыб.хоз.: Cu – 12 раз, Fe – 3 раза, Zn – 18 раз [5, с. 186]. В водах реки Карагайлы концентрация меди превышала ПДКрыб.хоз. – 33–199 раз, цинка – 81,9–107,3 раза, железа – 4,59–30,97 раз, кадмия – 6–10 раз [6, с. 824; 7, с. 26]. Содержание меди в водах реки Камышлы-Узяк превышало 3–44 ПДК, цинка – 1,7–13,6 ПДК, железа – 2,3–20,4 ПДК, кадмия – 1,6 ПДК [8, с. 69; 9, с. 390; 10, с. 54]. В связи с этим мониторинг поверхностных природных вод наиболее ценного в природоохранном плане участка Ирандека от озера Талкас до озера Графское является актуальным. Впервые нами определены концентрации тяжелых металлов (Cu, Zn, Fe, Pb, Cd) в поверхностных природных водах малых рек западного склона хребта Ирандек.

Цель исследования: анализ содержания тяжелых металлов в поверхностных водах малых рек западного склона хребта Ирандек на территории Баймакского района Республики Башкортостан.

Объекты исследования

Исследования проводились в августе 2016 года в 8 точках отбора проб (ТО): ТО-1 – р. Шугур; ТО-2 – р. Таналык, мост в д. Бахтигареево; ТО-3 – р. Улак-1; ТО-4 – р. Улак-2; ТО-5 – р. Тукмак; ТО-6 – р. Таналык, мост в д. Мерясово; ТО-7 – р. Акменды; ТО-8 – р. Таналык после оз. Графское (рис. 1).

 

Рисунок 1 – Карта-схема расположения точек отбора проб. Точки отбора проб: 1 – р. Шугур; 2 – р. Таналык, мост в д. Бахтигареево; 3 – р. Улак – 1; 4 – р. Улак – 2; 5 – р. Тукмак; 6 – р. Таналык, мост в д. Мерясово; 7 – р. Акменды; 8 – р. Таналык после оз. Графское

 

Материалы и методика исследований

Отбор проб воды производился согласно общепринятой методике. Массовые концентрации тяжелых металлов (Cu, Zn, Fe, Pb, Cd) в образцах воды определяли методом атомно-абсорбционной спектрометрии [10]. Оценивали качество вод кратностью превышения предельно допустимых концентраций металлов для водоемов рыбохозяйственного назначения (ПДКрыб.хоз.) [11, с. 11–19; 12, с. 53].

Опыты производили в одной повторности в восьми точках отбора. Полученные данные отобразили в виде графиков, построенных в программе Excel. Статистический анализ результатов проведен с использованием программы Statistica 6.0. В качестве вариационного ряда использовали содержание тяжелых металлов в реках западного склона хребта Ирандек. Нами были вычислены среднее арифметическое значение признака (М), стандартное отклонение (δ). Для выяснения изменчивости содержания тяжелых металлов в водах рек был вычислен коэффициент вариации (Cᵥ, %) по следующей формуле:

Cᵥ = δ / M × 100,

при этом учитывали, что если Cᵥ до 10% – низкая изменчивость признаков; от 11% до 20% – средняя; от 21% и выше – высокая [13, с. 7–89].

Результаты исследований и их обсуждение

Проведенное исследование показало, что за летний период во всех точках отбора зафиксировано превышение допустимой нормы по содержанию меди от 19,8 до 938,8 раза (рис. 2). В воде рек Тукмак (ТО-5) и Акменды (ТО-7) зарегистрированы наибольшие концентрации Cu, а минимальные – в р. Улак – 1 (ТО-3). Поймы нижних течений исследуемых рек характеризовались заболоченностью. По мнению Г.С. Коновалова, В.И. Корнеевой, заболоченность территории способствует интенсивному поступлению Cu в речные воды, что поднимает уровень концентрации элемента в природных водах [14, с. 11–21].

Высокое содержание концентраций меди в водных объектах обусловлено природными факторами (выщелачивание медьсодержащих почв и горных пород) [15, с. 26].

Концентрации цинка в водах малых рек хребта Ирандек в летний период превышали ПДКрыб.хоз. (0,01 мг/дм³) в точках отбора 3, 4, 5, 7. Максимальное значение цинка было зарегистрировано в р. Акменды, где превышение составило 3,6 ПДКрыб.хоз. (рис. 3). В точках 1, 2, 6 содержание цинка соответствовало нормативным требованиям для водоемов рыбохозяйственных объектов. По литературным источникам [15, с. 24], цинк в поверхностные пресные воды поступает в результате выветривания горных пород и минералов (например, сфалерит ZnS, смитсонит).

Во всех исследуемых точках отбора зафиксировано превышение допустимой нормы по содержанию железа от 2,55 до 3,6 раза (рис. 4). Максимальная концентрация этого элемента отмечена на р. Таналык около моста д. Мерясово Баймакского района (ТО-6). В летний период в водоемах отмечается увеличение концентрации железа, что связано с высокой биологической продуктивностью.

В результате химического выветривания горных пород ионы железа, вступая в реакцию с содержащимися в природных водах минеральными и органическими веществами, образуют сложные комплексные соединения [16, с. 428].

Концентрация железа может увеличиться до нескольких мг/дм³ в пресных поверхностных водных объектах, вблизи болот [17, с. 199].

Содержание свинца в водах рек изменяются от 0,0132 до 0,0546 мг/дм³. Концентрации свинца в природных водах превышают ПДКрыб.хоз. (0,006 мг/дм³) (рис. 5) во всех точках отбора от 2,2 до 6,08 раза. Максимальное значение свинца обнаружено на р. Улак – 2 (ТО-4), минимальное – на р. Улак – 1 (ТО-3).

Реки и озера могут загрязняться свинцом как естественным, так и антропогенным путем. Естественное загрязнение свинцом наблюдается в ходе разложения минералов, содержащих свинец. Наиболее распространенными свинецсодержащими рудами являются галенит, англезит, церуссит [18, с. 46].

Концентрации кадмия в пробах воды рек превышают ПДКрыб.хоз. (0,005 мг/дм³) в точках отбора 1, 3, 5, 7 от 1,16 до 1,4 раза. Максимальный показатель содержания кадмия был зарегистрирован точке отбора 1, где составил 0,007 мг/дм³, а минимальный – во второй точке – 0,0008 мг/дм³. Превышение нормы также наблюдаются в ТО-3 – 0,0063 мг/дм³, ТО-5 – 0,0067 мг/дм³, ТО-7 – 0,0064 мг/дм³ (рис. 6). В этих же точках и отмечается высокое содержание цинка. В рудных месторождениях кадмий, как правило, содержится вместе с цинком [19, с. 28]. Кадмий в природные воды может попадать при выветривании горных пород, в ходе смыва почвенного горизонта после обильных атмосферных осадков в летний период и с талыми водами весной.

 

Рисунок 2 – Содержание меди в поверхностных водах малых рек западного склона хребта Ирандек

 

Рисунок 3 – Содержание цинка в поверхностных водах малых рек западного склона хребта Ирандек

 

Рисунок 4 – Содержание железа в поверхностных водах малых рек западного склона хребта Ирандек

 

Рисунок 5 – Содержание свинца в поверхностных водах малых рек западного склона хребта Ирандек

 

Рисунок 6 – Содержание кадмия в поверхностных водах малых рек западного склона хребта Ирандек

 

Зауральский регион Республики Башкортостан представляет собой природно-техногенную геохимическую аномалию с избытком многих металлов, особенно Cu и Zn. Это и обусловливает поступление металлов в речную сеть хребта Ирандек.

Выявлено, что содержание Cu (в 19,8–938,8 раза), Fe (в 2,55–3,60 раза), Pb (в 2,2–6,08 раза) превышали установленные значения ПДКрыб.хоз. во всех обследованных точках отбора. Содержание Zn превышало нормы (в 1,54–3,6 раза) в точках отбора 3, 4, 5, 7, 8 и Cd (в 1,16–1,4 раза) – в точках 1, 3, 5, 7.

Среднестатистические значения тяжелых металлов (мг/дм³) в водах малых рек западного склона хребта Ирандек убывали в ряду: Fe (0,362) ˃ Cu (0,242) ˃ Pb (0,029) ˃ Zn (0,016) ˃ Cd (0,004).

Содержание Cu (99,9%), Zn (66,25%), Fe (53,75%), Pb (44,91%), Cd (67,5%) в воде рек западного склона хребта Ирандек характеризовались высокой изменчивостью (Cᵥ более 21%).

Исследованные нами реки приносят свои воды в р. Таналык. Превышения концентраций тяжелых металлов отмечались в фоновом створе р. Таналык, в зоне непромышленного освоения. Это объясняется их повышенной фоновой концентрацией в данном регионе [20, с. 24]. Таким образом, по результатам исследований видно, что содержание тяжелых металлов повышенное, что обусловливается геохимическими факторами. Значительные превышения существующего норматива ПДКрыб.хоз. свидетельствуют о высоких концентрациях тяжелых металлов в малых реках западного склона хребта Ирандек.

Выводы

  1. Исследовано содержание тяжелых металлов (Pb, Cd – металлы-токсиканты и Cu, Zn, Fe – микроэлементы-биофилы) в поверхностных природных водах малых рек западного склона хребта Ирандек на территории Баймакского района Республики Башкортостан.
  2. Концентрации тяжелых металлов в малых реках западного склона хребта Ирандек превышают существующие нормативы ПДК рыбохозяйственного назначения. Главным фактором, определяющим повышенные концентрации ингредиентов, является геохимический природный фон.
×

About the authors

Safargali Iskandarovich Yanturin

Sibay Institute (Branch) of Bashkir State University

Email: ecologiasibgu@mail.ru

doctor of biological sciences, professor, senior researcher of Natural Sciences Department; Sibay Institute (Branch) of Bashkir State University (Sibay, Republic of Bashkortostan, Russian Federation)

Russian Federation, Sibay

Alsyu Yusupovna Khisametdinova

Sibay Institute (Branch) of Bashkir State University

Author for correspondence.
Email: hisamay@mail.ru

senior lecturer of Natural Sciences Department; Sibay Institute (Branch) of Bashkir State University (Sibay, Republic of Bashkortostan, Russian Federation)

Russian Federation, Sibay

Gulsina Gilmanovna Buskunova

Sibay Institute (Branch) of Bashkir State University

Email: gulsina_busk@mail.ru

candidate of biological sciences, associate professor of Natural Sciences Department; Sibay Institute (Branch) of Bashkir State University (Sibay, Republic of Bashkortostan, Russian Federation)

Russian Federation, Sibay

References

  1. Баймакская энциклопедия. Уфа: Башкирская энциклопедия, 2013. 639 с.
  2. Хисаметдинова А.Ю., Янтурин С.И. Формирование химического состава воды в верхнем течении реки Таналык в Башкирском Зауралье. Т. 1. Уфа: РИК УГАТУ, 2020. С. 169–172.
  3. Евтухова В.О., Князева Т.В. Тяжелые металлы в малых реках Краснодарского края // Современные проблемы гидрохимии и мониторинга качества поверхностных вод: мат-лы науч. конф. с междунар. уч. Ч. 2. Ростов-на-Дону, 8–10 сентября 2015 г. Ростов-на-Дону, 2015. С. 11–15.
  4. Кутляхметов А.Н. Геоэкологические состояние природно-технических систем районов золотодобычи в Башкирском Зауралье: автореф. дис. … д-ра геол.-минерал. наук. Екатеринбург, 2015. 43 с.
  5. Хабирова Ю.Р. Исследование содержания тяжелых металлов в воде реки Худолаз // Эколого-биологические и медицинские проблемы регионов России и сопредельных территорий: мат-лы всерос. конф. (г. Сибай, 8–19 октября 2014 г.). Уфа: РИЦ БашГУ, 2014. С. 185–187.
  6. Бактыбаева З.Б., Сулейманов Р.А., Ямалов С.М., Кулагин А.А., Валеев Т.К., Рахматуллин Н.Р. Оценка содержания тяжелых металлов в компонентах речных экосистем горнорудных территорий Республики Башкортостан // Гигиена и здоровье. 2016. Т. 95, № 9. С. 822–827.
  7. Бактыбаева З.Б., Сулейманов С.М., Мукашева М.А., Валеев Т.К., Рахматуллин Н.Р., Кулагин А.А. Экологическая оценка содержания тяжелых металлов в компонентах речных экосистем горнорудных территорий Республики Башкортостан // Вестник Карагандинского университета. 2016. Т. 81, № 1. С. 24–28.
  8. Ильбулова Г.Р., Хасанова Р.Ф., Суюндуков Я.Т., Бускунова Г.Г., Семенова И.Н. Содержание тяжелых металлов в компонентах речных экосистем горнорудных территорий Республики Башкортостан // Теоретические проблемы экологии и эволюции. Качество воды и водные биоресурсы (VII Любищевские чтения). Тольятти: Анна, 2020. С. 67–71.
  9. Бускунова Г.Г., Хасанова Р.Ф., Ильбулова Г.Р., Рафикова Ю.С. Содержание тяжелых металлов в воде и донных отложениях реки Карагайлы в условиях техногенного загрязнения // Аграрные ландшафты, их устойчивость и особенности развития: сб. науч. тр. междунар. науч. экол. конф. Краснодар: КубГАУ, 2020. С. 386–388.
  10. Бактыбаева З.Б., Кадырова В.А., Гуламанова Г.А. Видовой состав водорослей и цианопрокариот рек Карагайлы и Камыш-Узяк // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2011. Т. 13, № 5 (2). С. 52–55.
  11. Методика выполнения измерений массовых концентрация железа, кобальта, марганца, меди, никеля, серебра, хрома и цинка в пробах питьевых, природных и сточных вод методом атомно-абсорбционной спектрометрии. М., 1998. 20 с.
  12. Об утверждении нормативов качества воды водных объектов рыбохозяйственного значения, в том числе нормативов предельно допустимых концентраций вредных веществ в водах водных объектов рыбохозяйственного значения: Приказ Министерства сельского хозяйства Российской Федерации от 13.12.2016 № 552.
  13. Зайцев Г.Н. Методика биометрических расчетов. Математическая статистика в экспериментальной ботанике. М.: Наука, 1973. 256 с.
  14. Коновалов Г.С., Коренева В.И., Коренев А.П., Добровольская Н.И. Микроэлементы в воде замыкающих створов рек Европейской территории СССР в 1976–1978 гг. // Гидрохимические материалы. 1979. Т. 75. С. 11–21.
  15. Шилова Н.А. Влияние тяжелых металлов на представителей пресноводного фито- и зоопланктона в условиях засоления: дис. … канд. биол. наук. Саратов, 2014. 133 с.
  16. Вредные химические вещества. Неорганические соединения V–VIII групп: справ. изд. / под ред. В.А. Филова и др. Л.: Химия, 1989. 592 с.
  17. Зимонин Д.В., Бурмакина Г.В., Бондарева Л.Г., Жижаев А.М., Рубайло А.И. Определение железа в поверхностных и питьевых водах Красноярского региона методами вольтамперометрии // Журнал Сибирского федерального университета. Химия. 2012. Т. 5, № 2. С. 198–208.
  18. Гармашова И.В., Колоцей Е.В., Пополина А.А. Определение физико-химических показателей в поверхностных и донных водах реки Невы // Молодой ученый. 2015. № 21 (101). С. 43–49.
  19. Будников Г.К. Тяжелые металлы в экологическом мониторинге водных систем // Соросовский образовательный журнал. 1998. № 5. С. 23–29.
  20. Бактыбаева З.Б., Суюндуков Я.Т., Ямалов С.М., Юнусбаев У.Б. Загрязнение тяжелыми металлами экосистемы реки Таналык, сообщества водных макрофитов и возможности их использования для биологической очистки / под ред. чл.-корр. АН РБ Б.М. Миркина. Уфа: АН РБ, Гилем, 2011. 208 с.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. Figure 1 - Schematic map of sampling points location. Sampling points: 1 - p. Shugur; 2 - p. Tanalyk, bridge in the village of Bakhtigareevo; 3 - p. Ulak - 1; 4 - p. Ulak - 2; 5 - p. Tukmak; 6 - p. Tanalyk, bridge in the village of Meryasovo; 7 - p. Akmenda; 8 - p. Tanalyk after the lake. Grafskoe

Download (17KB)
2. Figure 2 - Copper content in surface waters of small rivers on the western slope of the Irandek ridge

Download (14KB)
3. Figure 3 - The content of zinc in the surface waters of small rivers on the western slope of the Irandek ridge

Download (14KB)
4. Figure 4 - Iron content in the surface waters of small rivers on the western slope of the Irandek ridge

Download (15KB)
5. Figure 5 - Lead content in surface waters of small rivers on the western slope of the Irandek ridge

Download (14KB)
6. Figure 6 - The content of cadmium in the surface waters of small rivers on the western slope of the Irandek ridge

Download (15KB)

Statistics

Views

Abstract: 80

PDF (Russian): 33

Dimensions

Article Metrics

Metrics Loading ...

PlumX

Refbacks

  • There are currently no refbacks.

Copyright (c) 2021 Yanturin S.I., Khisametdinova A.Y., Buskunova G.G.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies