Особенности загрязнения малых рек на урбанизированных территориях

В результате протекающих  в водоеме процессов испарения, сорбции, биохимического и химического  окисления концентрация нефтепродуктов может существенно снижаться, при  этом значительным изменениям может  подвергаться их химический состав (Хотунцев Ю.Л.,2001).

Нефтепродукты находятся  в различных миграционных формах: растворенной, эмульгированной, сорбированной на твердых частицах взвесей и донных отложений, в виде пленки на поверхности воды. Обычно в момент поступления масса нефтепродуктов сосредоточена в пленке. По мере удаления от источника загрязнения происходит перераспределение между основными формами миграции, направленное в сторону повышения доли растворенных, эмульгированных, сорбированных нефтепродуктов. Количественное соотношение этих форм определяется комплексом факторов, важнейшими из которых являются условия поступления нефтепродуктов в водный объект, расстояние от места сброса, скорость течения и перемешивания водных масс, характер и степень загрязненности природных вод, а также состав нефтепродуктов, их вязкость, растворимость, плотность, температура кипения компонентов. При санитарно-химическом контроле определяют, как правило, сумму растворенных, эмульгированных и сорбированных форм нефти (Соколова В.Н.,1992).

Содержание нефтепродуктов в речных, озерных, морских, подземных  водах и атмосферных осадках  колеблется в довольно широких пределах и обычно составляет сотые и десятые  доли мг/дм³.

В незагрязненных нефтепродуктами  водных объектах концентрация естественных углеводородов может колебаться в морских водах от 0,01 до 0,10 мг/дм³ и выше, в речных и озерных водах от 0,01 до 0,20 мг/дм³, иногда достигая 1-1,5 мг/дм³. Содержание естественных углеводородов определяется трофическим статусом водоема и в значительной мере зависит от биологической ситуации в водоеме (Беспамятнов Г.П.,1987).

Неблагоприятное воздействие  нефтепродуктов сказывается различными способами на организме человека, животном мире, водной растительности, физическом, химическом и биологическом  состоянии водоема. Входящие в состав нефтепродуктов низкомолекулярные  алифатические, нафтеновые и особенно ароматические углеводороды оказывают  токсическое и, в некоторой степени, наркотическое воздействие на организм, поражая сердечно-сосудистую и нервную системы. Наибольшую опасность представляют полициклические конденсированные углеводороды типа 3,4-бензапирена, обладающие канцерогенными свойствами. Нефтепродукты обволакивают оперение птиц, поверхность тела и органы других гидробионтов, вызывая заболевания и гибель (Хотунцев Ю.Л.,2001)

Отрицательное влияние нефтепродуктов, особенно в концентрациях 0,001-10 мг/дм³, и присутствие их в виде пленки сказывается и на развитии высшей водной растительности и микрофитов.

В присутствии нефтепродуктов вода приобретает специфический  вкус и запах, изменяется ее цвет,рН, ухудшается газообмен с атмосферой.

ПДК_в нефтепродуктов составляет 0,3 мг/дм³ (лимитирующий показатель вредности - органолептический), ПДК_вр - 0,05 мг/дм³ (лимитирующий показатель вредности - рыбохозяйственный). Присутствие канцерогенных углеводородов в воде недопустимо (Беспамятнов Г.П.,1987).

2. СПАВ (Синтетические поверхностно-активные вещества)

СПАВ представляют собой обширную группу соединений, различных по своей структуре, относящихся к разным классам. Эти вещества способны адсорбироваться на поверхности раздела фаз и понижать вследствие этого поверхностную энергию (поверхностное натяжение). В зависимости от свойств, проявляемых СПАВ при растворении в воде, их делят на анионоактивные вещества (активной частью является анион), катионоактивные (активной частью молекул является катион), амфолитные и неионогенные, которые совсем не ионизируются. Из анионоактивных СПАВ широкое применение нашли соли сернокислых эфиров (сульфаты) и соли сульфокислот (сульфонаты). Катионоактивные СПАВ к ним относятся четвертичные аммониевые соли. Амфолитные СПАВ ионизируются в водном растворе различным образом в зависимости от условий среды: в кислом растворе проявляют катионоактивные свойства, а в щелочном - анионоактивные. Неионогенные СПАВ представляют собой высокомолекулярные соединения, которые в водном растворе не образуют ионов (Соколова В.Н.,1992).

В водные объекты СПАВ поступают в значительных количествах с хозяйственно-бытовыми (использование синтетических моющих средств в быту) и промышленными сточными водами (текстильная, нефтяная, химическая промышленность, производство синтетических каучуков), а также со стоком с сельскохозяйственных угодий (в качестве эмульгаторов входят в состав инсектицидов, фунгицидов, гербицидов и дефолиантов).

В поверхностных  водах СПАВ находятся в растворенном и сорбированном состоянии, а также в поверхностной пленке воды водного объекта. Главными факторами понижения их концентрации являются процессы биохимического окисления, сорбция взвешенными веществами и донными отложениями. Степень биохимического окисления СПАВ зависит от их химического строения и условий окружающей среды. По биохимической устойчивости, определяемой структурой молекул, СПАВ делят на мягкие, промежуточные и жесткие с константами скорости биохимического окисления, соответственно не менее 0,3 сутки-1; 0,3-0,05 сутки-1; менее 0,05 сутки-1. К числу наиболее легко окисляющихся СПАВ относятся первичные и вторичные алкилсульфаты нормального строения. При понижении температуры скорость окисления СПАВ уменьшается и при 0-5°С протекает весьма медленно. Наиболее благоприятные для процесса самоочищения от СПАВ нейтральная или слабощелочная среды (рН 7-9). С повышением содержания взвешенных веществ и значительным контактом водной массы с донными отложениями скорость снижения концентрации СПАВ в воде обычно повышается за счет сорбции и соосаждения. При значительном накоплении СПАВ в донных отложениях в аэробных условиях происходит окисление микрофлорой донного ила. В случае анаэробных условий СПАВ могут накапливаться в донных отложениях и становиться источником вторичного загрязнения водоема. Максимальные количества кислорода (БПК), потребляемые 1 мг/дм³ различных ПАВ колеблется от 0 до 1,6 мг/дм³. При биохимическом окислении СПАВ, образуются различные промежуточные продукты распада: спирты, альдегиды, органические кислоты и др. В результате распада СПАВ, содержащих бензольное кольцо, образуются фенолы (Хотунцев Ю.Л.,2001; Алферова А.А.,1987).

В основе токсического действия СПАВ на биологические объекты лежит способность этих соединений взаимодействовать с плазматической клеточной мембранной, что приводит к нарушению ее функций.  СПАВ дезинтегрируют мембраны, нарушая ее естественную структуру, повышается мембранная проницаемость, что приводит к утечке из клетки низкомолекулярных метаболитов, изменяется ферментативная активность мембранных белков. С повышением концентрации деструкция мембраны увеличивается и может завершиться полным ее разрывом. СПАВ способны вызывать деструкцию вирусов.

Характерным последствием длительного воздействия СПАВ на организм теплокровных является нарушение метаболизма липидов. СПАВ обладают слабыми кумулятивными свойствами. Это свойство объясняется электронейральностью, обуславливающей в организме животного их устойчивостью к обезвреживающим влияниям.

СПАВ обладают способностью потенциировать в организме действие токсичных соединений. Они усиливают токсичность веществ, например,  пестицидов, в большем мере в случае соединений, плохо растворимых в воде. При длительном контакте с организмом СПАВ, независимо от пути их попадания, изменяется иммунный статус,  что приводит к развитию аллергических заболеваний – дерматитов, трахеитов, бронхитов, астмы и тд. (Мельников А.А., 2009).

3. Тяжелые металлы (ТМ)

Тяжелые металлы относятся  к приоритетным загрязняющим веществам, наблюдения за которыми обязательны  во всех средах.

Термин тяжелые металлы, характеризующий широкую группу загрязняющих веществ, получил в  последнее время значительное распространение (Соколова В.Н.,1992).

К тяжелым металлам относят более 40 металлов периодической системы Д.И. Менделеева с атомной массой свыше 50 атомных единиц: V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Cd, Sn, Hg, Pb, Bi и др(Орлов Д.С.,2002).

В качестве токсикантов в  водоемах обычно встречается: ртуть, свинец, кадмий, олово, цинк, марганец, никель, хотя известна высокая токсичность  других тяжелых металлов – кобальта, серебра, золота, урана и других. Высокая токсичность для живых существ – это характерное свойство соединений и ионов тяжелых металлов. В металлическом виде они не токсичны.

Тяжелые металлы поступают  в водоемы в токсических концентрациях  обычно со стоками горнодобывающих  и металлургических предприятий, а  также предприятий химической и  легкой промышленности, где их соединения используют в различных технологических процессах (Соколова В.Н.,1992).

Например, много солей хрома сбрасывают предприятия по дублению кожи, хром и никель используются для гальванического покрытия поверхностей металлических изделий. Соединения меди, цинка, кобальта, титана используются в качестве красителей и т.д. Тяжелые металлы легко образуют соединения и комплексы с органическими веществами в растворах и в организме, хорошо усваиваются организмами из воды и передаются по пищевой цепи.

В Пермском крае  в реке Кама среднегодовые значения концентраций, превышающих ПДК, отмечались по марганцу и железу. В 2010 и 2011годах по марганцу концентрация в реке Кама превысила 7 и 8 ПДК, по железу - 4 и 7 ПДК (www.permecology.ru )

Распределение тяжелых металлов в водоемах определяется  двумя  разнонаправленными процессами (автора):

1. Осаждением и адсорбцией нерастворимых органических соединений ТМ  на взвешенных частицах, в результате чего они выводятся из фазы раствора;
2. Комплексообразованием ТМ с органическими и неорганческими веществами, переходом комплексов в коллоид, вследствие чего увеличивается концентрация металлов в воде.

Большинство ТМ являются клеточными ядами, механизм действия которых достаточно хорошо изучен. Токсичность ТМ зависит  от того, в какой форме он находится  в воде: растворенная форма обычно токсичнее связанной; металлы, связанные  органическими соединениями, токсичнее  неорганических форм.

Морским организмам, водорослям, малоподвижным животным свойственно  накапливать токсиканты. Таким образом, тяжелые металлы как антропогенные  загрязнители, представляющие угрозу для гидробионтов в качестве клеточных  ядов.

В воде металлы адсорбируются  на содержащихся в ней твердых  частицах и осаждаются вместе с ними. Особенно активно процесс осаждения происходит в зоне смешивания речных рек.

При попадании металлов в  воду через атмосферу значительное их количество скапливается в поверхностной  пленке, способной концентрировать  металлы.

Может осуществляться детоксикация тяжелых металлов у морских организмов. Детоксикация ТМ в организме гидробионтов осуществляется при участии специализированных белков – металлотионеинов или путем включения металлов в гранулы и везикулы. Повышение содержания тяжелых металлов имеет негативное последствия, как для гидробионтов, так и для людей. ( Мельников А.А., 2009)

4. Пестициды

Пестициды составляют группу искусственно созданных веществ, используемых для борьбы с вредителями и  болезнями растений (Зилова Е.А.,2009).

Установлено, что пестициды, уничтожая вредителей, наносят вред многим полезным организмам и подрывают  здоровье биоценозов. В сельском хозяйстве  давно уже стоит проблема перехода от химических (загрязняющих среду) к биологическим (экологически чистым) методам борьбы с вредителями. В настоящее время более 5 млн. т. пестицидов поступает на мировой рынок. Около 1,5 млн. т. этих веществ уже вошло в состав наземных и морских экосистем водным путем. Промышленное производство пестицидов сопровождается появлением большого количества побочных продуктов, загрязняющих сточные воды.

Пестициды легко растворимы в жирах и поэтому накапливаются  в органах рыб, млекопитающих, морских  птиц. Будучи ксенобиотиками, т.е. веществами полностью искусственного происхождения, они не имеют среди микроорганизмов  своих "потребителей" и поэтому  почти не разлагаются в природных  условиях, а только накапливаются  в Мировом океане. Вместе с тем  они остротоксичны, влияют на кроветворную систему, подавляют ферментативную активность, сильно влияют на наследственность (Соколова В.Н.,1992).

Пестициды являются мощными  токсикантами, медленно разлагаются  во внешней среде, способны к кумуляции  и передаче по пищевой цепи.

Механизмы токсического действия пестицидов и формы его проявления различны: от нарушения развития икры или личинки до гибели животного. По химической природе большинство  пестицидов является липофильными веществами, которые сравнительно легко проникают в ткани и клетки, глее они с течением времени перераспределяются по субклеточным структурам. На этом уровне они влияют непосредственно на ферментативные клеточные системы и биологически активные вещества. Помимо непосредственного действия на биохимические процессы, протекающие в клетке, пестициды влияют на организм опосредованно, изменяя уровень различных регуляторных веществ (медиаторов, гормонов, кофакторов и пр.). (Мельников А.А.,2009).

4. Мониторинг и меры по борьбе с загрязнением водоемов

  Мониторинг водоемов – система последовательных наблюдений, сбора и обработки данных о состоянии водных объектов, а так же прогноза их изменений и разработки научно -  обоснованных рекомендаций для принятия управленческих решений по улучшению состояния вод.

Основными задачами мониторинга  является наблюдение, оценка и прогноз  качества воды. Система мониторинга  вод выполняет лишь информационную роль и охватывает элементы управления, т.к. является составляющей системы  мониторинга окружающей среды. Целью  внедрения системы наблюдений за водными объектами является получение  информации о естественном качестве воды и оценка изменения качества воды в результате влияния антропогенных факторов.

Загрязнение поверхностных  вод суши контролируется по всем основным водотокам и водоемам. Так, как  за год  отбирается и анализируется  до 40 тыс.проб воды, выполняется около 950 тыс.определений по 160 – 170 гидрохимическим показателям. Гидробиологическими наблюдениями охватывается более 200 водных объектов (Протасов В.Ф.,1999).

Качество поверхностных  вод в системе ГСМОС (Глобальныая система мониторинга окружающей среды) контролируют по правилам, устанавливающим единые требования к построению сети мониторинга, проведению наблюдений и обработке получаемых данных(Семин В.А.,2001).