Тяжелые металлы в компонентах ландшафта Азовского моря

А. В. Михайленко

Монография посвящена исследованию закономерностей распределения уровней концентраций ряда приоритетных тяжелых металлов в воде, взвешенном веществе, донных отложениях Азовского моря и почвах его бассейна. Проведен анализ и обобщение данных по температуре воды, солености, содержанию кислорода, значениям Eh и рН в поверхностном и придонном слое воды на станциях мониторинга в периоды ветровой активности и стагнации водных масс. Работа представляет интерес для широкого круга ученых и специалистов в области географии, геохимии, океанологии, гидрохимии, экологии и охраны окружающей среды, марикультуры, промысловой океанографии. Полученные результаты могут быть положены в основу разработки стратегии мониторинга за загрязнением акватории Азовского моря с учетом гидрометеорологической обстановки. Она будет полезна преподавателям, бакалаврам, специалистам, магистрам и аспирантам, обучающимся по направлениям и специальностям в области естественных наук, в качестве учебного пособия.

У берегов,

Где крепь кремней,

Где солнце кинуло поводья, —

Атакой взмыленных коней

Своё ты гонишь половодье.

И в шуме волн, где бьёшься ты,

Взрывая грудь,

Вздымая смерчи, —

Скользнули водные пути

От Мариуполя до Керчи.

Петр Шамов, 1929

Введение

Природные условия в Азовском море всегда были исключительно благоприятны. Климатические условия в регионе, мелководность водоема, обилие питательных веществ и другие характеристики делали Азовское море одним из самых биологически продуктивных и богатых рыбными ресурсами водоемов в мире. Однако современный этап его развития отличается сокращением биоресурсов, снижением биоразнообразия. В комплексе причин, обусловливающих эти процессы, не последнюю роль играет снижение качества водной среды, связанное в частности с ее загрязнением.

К числу наиболее значимых в экологическом отношении поллютантов, поступающих в акваторию Азовского моря, относятся тяжелые металлы (ТМ). Эти элементы активно участвуют в биогеохимических процессах изучаемой экосистемы и во многом их контролируют. В своей основной массе они имеют как природное, так и антропогенное происхождение. В содержаниях, не превышающих ПДК (предельно допустимые концентрации в растворенной форме), они не представляют угрозы для существования гидробионтов. В случае превышения этого порогового значения находящиеся в воде ТМ могут оказать токсическое воздействие на водные организмы. Для оценки воздействия на гидробионты важно знать не только концентрации металлов, но и преимущественные формы их нахождения и миграции. В свою очередь последние тесно связаны с соленостью и физико-химической обстановкой на границе раздела вода — донные отложения, которые контролируются динамикой водных масс, содержанием взвешенного вещества, а также скоростью седиментации и ресуспензирования верхнего слоя осадков.

Сгонно-нагонные ветры восточных и западных румбов, характеризующиеся быстрой изменчивостью во времени и по акватории, ураганы, приводящие к штормовой обстановке, изменению уровня моря, поступлению микроэлементов из донных отложений при их взмучивании, а также при развитии береговой и донной абразии могут существенно ухудшить экологическую ситуацию в Азовском море. Наводнения, возникающие при штормовых нагонах, нередко приводят к затоплению обширных участков побережья и причиняют серьезный ущерб хозяйственным комплексам. При сгонах уменьшаются глубины в портах, на барах и судоходных каналах, что осложняет навигационную обстановку. Знание режимных характеристик уровня необходимо при проектировании и эксплуатации гидротехнических, портовых и береговых сооружений, проведении геологической разведки и других видов изысканий в прибрежной зоне и в открытом море. Кроме того, определенную роль в процессе изменения экологической обстановки могут играть пыльные бури на прилегающих территориях, которые зачастую имеют исключительную силу и переносят на дальние расстояния большие объемы твердых частиц.

Важность изучения распределения, миграции, трансформации и осаждения тяжелых металлов была подчеркнута в работах сотрудников кафедры физической географии, экологии и охраны природы Института наук о Земле ЮФУ (бывший РГУ), Института океанологии им. П. П. Ширшова РАН, Южного научного центра РАН, Азовского научно-исследовательского института рыбного хозяйства и др. В настоящее время актуальность подобных исследований не только сохраняется, но и постоянно растет. Следует отметить, что ранее, несмотря на обширные и разносторонние исследования известных российских ученых, синхронных и комплексных исследований Азовского моря при различной гидрометеорологической обстановке не проводилось. В то же время учет особенностей распределения и поведения тяжелых металлов во время сгонно-нагонных явлений, может внести коррективы в существующую методику мониторинга Азовского моря. В основу монографии положены результаты по комплексному изучению воды, взвешенного вещества, донных отложений и почв, физико-химических условий и уровней концентраций приоритетных тяжелых металлов (ртуть, медь, цинк, кадмий, свинец) в компонентах ландшафта Азовского моря.

Целью работы явилось изучение распределения и поведения тяжелых металлов в компонентах ландшафта Азовского моря. В соответствии с поставленной целью были сформулированы следующие задачи:

Установление особенностей изменения физико-химических параметров в поверхностном и придонном слоях воды Азовского моря при различной ветровой обстановке.

Изучение закономерностей пространственного распределения концентраций тяжелых металлов в воде и взвешенном веществе Азовского моря.

Исследование распределения различных миграционных форм ТМ в воде и взвешенном веществе как компонентах ландшафта Азовского моря.

Анализ распределения ТМ по площади акватории, а также по вертикальному разрезу донных отложений.

Изучение почв дельты реки Дон как источника поступления ТМ в донные отложения.

Была применена комплексная методика изучения компонентов ландшафта Азовского моря, включающая определение физико-химических характеристик, синхронный отбор проб воды, взвешенного вещества, донных отложений с последующим определением в них содержания тяжелых металлов; выявлено изменение окислительно-восстановительного потенциала и водородного показателя на границе раздела компонентов ландшафта «вода — донные отложения» и дано объяснение их асинхронному поведению; впервые разработана и реализована модель, демонстрирующая поведение объемного содержания ТМ во взвешенном веществе и их удельных концентраций в зависимости от содержания взвеси в воде Азовского моря; доказано существование тесной связи между содержанием ртути и органического вещества в донных отложениях Азовского моря.

Работа содержит оригинальный фактический материал, полученный в результате ряда комплексных экспедиционных работ, проводимых сотрудниками кафедры физической географии, экологии и охраны природы Института наук о Земле Южного федерального университета (бывший РГУ), в том числе авторами. Работы проводились в период с 1995 по 2014 гг. Использованы результаты анализов проб воды, донных отложений и взвешенного вещества на содержание таких микроэлементов, как ртуть, медь, свинец, кадмий, хром, никель, марганец и цинк. Обобщено более 2500 данных, проведено 2250 оригинальных определений содержания тяжелых металлов, органического вещества и физико-химических параметров.

Авторы выражают глубокую благодарность доц., к.г.н. А. Н. Кузнецову, к.г.н. Д. Н. Гарькуше., с.н.с, д.г.-м.н. Л. Л. Деминой, к.г.н. В. О. Хорошевской за ценные советы и полезную дискуссию, преп. М. Е. Трофимову за ряд предоставленных фотографий. Авторы признательны всем участникам комплексных экспедиций 2006 г., в особенности проф., д.г.н., В. В. Сапожникову, а также всему коллективу кафедры физической географии, экологии и охраны природы Института наук о Земле Южного федерального университета.