Исследовательская работа по химии "Химический состав озер ВУРСа"

Челябинская область богата озерами. Размещены озера неравномерно, наибольшее их количество находиться в северной и восточной части области. Малые озера  являются природными системами – индикаторами, то есть наиболее чутко и быстро реагирующими на антропогенное влияние.  Территория, на которой расположены исследуемые малые озера, была подвержена в 1957 году радиоактивному загрязнению.

 Радиоактивное загрязнение Челябинской области и радиоэкологическая обстановка на ее территории обусловлены в основном деятельностью производственного объединения “Маяк”. В сентябре 1957 года в результате химического взрыва емкости с радиоактивными отходами из хранилища были выброшены радионуклиды общей активностью 20 млн. Ки, 2 млн. из которых поднялись в атмосферу и образовали облако, прошедшее над территорией Челябинской, Свердловской, Тюменской областей и образовавшее Восточно-Уральский радиоактивный след (ВУРС).

На осевой территории следа (площадью около 1000 км²) расположены 30 озер. Большинство из озер имели промысловое значение. История химического состава  озер ВУРСа довольно трудно поддается восстановлению. Трудность восстановления гидрохимического режима озер заключается в отсутствии сведений по химическому составу воды за длительный период. В обзорных работах, посвященных радиоэкологическому состоянию озер в зоне ВУРСа, как правило, приводятся гидрохимические данные, полученные в 1960-1970-х гг.  В настоящее время встает вопрос о возвращении водоемов Восточно-Уральского радиоактивного следа в хозяйственное использование. Однако имеются отдельные исследования уровней загрязнения воды радионуклидами, но химический состав этих озер мало изучен. В результате  не было сделано никаких конкретных выводов о возможности использования озер ВУРСа, тем более нет практически никаких официальных рекомендаций.

В данной работе представлены данные о современной химической и радиоэкологической обстановке на озерах Куяныш и Шаблиш , находящихся на осевой части Восточно-Уральского радиоактивного следа.

.

Цель исследования: изучить химический состав вод озер  Куяныш и Шаблиш Восточно-Уральского радиоактивного следа   Челябинской области (а именно  содержание основных ионов, биогенных элементов и радионуклидов)

В соответствии с поставленной целью были  определены следующие задачи:

1.Отбор и изучение литературы по данной тематике;

2. Пробоподготовка воды

3.Отработка методик и проведение количественного анализа для определения основных ионов и биогенных элементов в  исследуемых озерах.

5.Статистическая обработка данных и результатов анализов, составление таблиц и диаграмм;

6.  Предложить рекомендации по практическому использованию водоемов, при необходимости -  охранные мероприятия вод  исследуемых озер.

     Предметом исследования является химический состав вод озер  Куяныш и Шаблиш  Восточно-Уральского радиоактивного следа  Челябинской области.

Объектом исследования являются озера  Куяныш, Шаблиш   Восточно-Уральского радиоактивного следа  Челябинской  области.

Практическая значимость:  В результате работы определен современный химический состав в озёрной воде,  выявлена  возможная зависимость между химическим составом и  содержанием радионуклидов в воде,  предложены рекомендации по практическому использованию водоемов.

   Структура работы: работа состоит из введения, двух глав теоретического содержания и одной главы экспериментального содержания по определению химического состава исследуемых озер, заключения, списка изученной литературы, который включает 50 источников, и приложения.

Материалы и методика.

В основу данной  работы положены химические исследования, проведенные в 2003году и  радиоэкологические исследования, проведенные в 2001-2003 годах на озерах Куяныш и Шаблиш.

Описываемые в данной работе озера  Куяныш и Шаблиш находятся на одинаковом  удалении от центра аварии

Озера Шаблиш, Куяныш относятся к бассейну реки Багаряк. Озеро   Куяныш   расположено   в   2—3 км   западнее   оз.  Травяного, у поселка Гаево. Водосбор сложен конгломератами, доломитами, известняками, песчаниками, глинистыми сланцами с прослойками углей. Основное питание озер осуществляется за счет вод местного подземного и поверхностного стоков. Формирование химического состава воды происходит за счет выщелачивания почв и пород водосборных площадей.

 Для определения содержания основных ионов, биогенных элементов и радионуклидов проведена серия химических анализов. Анализ отобранных проб осуществлялся на базе физико-химической лаборатории естественно-технологического факультета, лаборатории геоэкологии Института минерологи УрОРАН. Радиометрию проб проводили в Уральском научно-практическом центре радиационной медицины.

Результаты анализов, проведенных в ходе исследовательской работы, представлены в диаграммах и таблицах. Определе­ние большинства компонентов проводилось согласно  стандартных мето­дик

Определение кальция и магния  проводили  методом атомно-абсорбционной спектроскопии согласно действующим стандартным методикам на атомно-абсорбционный спектрофотометре Реrkin Еlmer-3110 в пламенном варианте, регистрация спек­тра при длине волны нм.  Радио­нуклиды ⁹⁰Sr и ¹³⁷Сs из­меряли на малофоновой установке УМФ-2000.

Выход носителя Sr кон­тролировался пламенно-фотометрическим методом. Погрешность определения ⁹⁰Sr и ¹³⁷Сs не превышала 20 и 15%, соответственно

Результаты исследования и их обсуждение.

Содержание основных ионов.

Вода в озере Куяныш  прозрачная, по химическому составу  гидрокарбонатно-хлоридная магниево-натриевая содового (1)   типа,  в озере Шаблиш вода гидро­карбонатная магниево-натриевого содового (I) типа.

Содержание основных ионов в воде исследуемых озер представлены на рис. 1  и 2.

Рис.1. Содержание основных ионов в воде оз. Шаблиш.

Рис.2. Содержание основных ионов в воде озере Куяныш

Среди анионов значительно преобладают гидрокарбонаты, содержание сульфатов и хлоридов незначительно. Количество гидрокарбонатов  в озерах колеблется от 232.1 мг/л  (оз. Куяныш) до 299 мг/л (оз.Шаблиш).

Низкое содержание хлоридов и сульфатов, и наряду с этим повышенное содержание гидрокарбонатов свидетельствуют о том,  что воды озера имеют повышенное  значение pH.По значению pH вода классифицируется как щелочная.

Повышенное содержание гидрокарбонатов в водах озер можно  объяснить тем, что  в основном формирование химического состава воды происходит за счет выщелачивания почв и пород водосборных площадей, которые сложены доломитами, известняками, например:

CaCO₃ + CO₂ + H₂O = Сa²⁺ + 2HCO₃^-;

MgCO₃ + CO₂ + H₂O = Mg²⁺ + 2HCO₃^-.

Среди катионов доминирует натрий 48 мг/л (оз. Куяныш) и 52.5 мг/л (оз.Шаблиш). ( табл. 6)

Таблица 6.  Соотношение основных катионов в поверхностных водах озер, мг/л (2003год)

ОЗЕРО	Ca2+	Mg2+	Na+	K+	Na+
Куяныщ	14.6	37.1	48,0	6.9	48,0
Шаблиш	20.8	38.5	52,5	6.9	52,5

Повышенное содержание  натрия и магния также предполагает повышенное значение  pH.

Концентрация  в воде озер  ионов калия (6.9 мг/л) незначительна.    Для калия характерна склонность сорбироваться на высокодисперсных частицах почв, пород, донных отложений и задерживаться растениями в процессе их питания, роста. Это приводит к меньшей подвижности калия по сравнению с натрием, и поэтому возможно предположить, что калий находится в озерных  водах, в более низкой концентрации, чем натрий.  Большую роль в поступление натрия в озеро играют биологические процессы, протекающие на водосборе, в результате которых образуются растворимые соединения натрия.

Среди щелочноземельных   металлов   преобладает   магний 37,1 мг/л (оз. Куяныш) и 38.5 мг/л (оз.Шаблиш).   Концентрации в воде ионов калия, а также магния  примерно одинаковы во всех изучаемых водоемах. Основные различия в солевом составе воды обусловлены разным содержанием хлоридов и сульфатов. В целом характерно преобладание ионов магния над кальцием и хлоридов над сульфатами. Количество сульфатов в озерах колеблется от 3.9 мг/л (оз.Куяныш) до 17.7мг/л (оз.Шаблиш). Увеличение содержания сульфатов в озерной воде может быть связано с поступлением их с атмосферными осадками и разложением растительных остатков как на водосборе, так и в озере. Главным источником сульфатов в поверхностных водах являются процессы химического выветривания и растворения серосодержащих минералов, в основном гипса, а также окисления сульфидов и серы. Пониженное содержание сульфатов в водах озера Куяныш   возможно объясняется тем, что озеро сточ­ное: из него вытекает небольшой  ручей. Благодаря  данному стоку легко растворимые сульфаты уносятся, и их концентрация в водах озера  понижается. С момента радиоактивного  загрязнения отмечена тенденция изменения химического состава воды  озер, в основном, в сторону увеличения щелочных и щелочноземельных элементов, так как на содержание радионуклидов оказывают влияние элементы- аналоги изотопов (для ⁹⁰Sr-- Ca, а для ¹³⁷Cs--K)

Содержание биогенных элементов.

К этой группе относят соединения, необходимые для жизнедеятельности водных организмов и образующиеся ими в результате обмена веществ. Это, в первую очередь, минеральные и органические соединения азота. Органические формы азота представлены белками и продуктами их распада. Неорганические соединения азота (NH₄⁺, NO₂^-, NO₃^-) могут образоваться при разложении азотсодержащих органических соединений, или же поступают в поверхностные воды с атмосферными осадками, при вымывании удобрений из почвы (аммонийный азот, нитраты).

Биогенные вещества в водах озер встречаются в виде: NH₄⁺, N0₂^- , N0₃^-. Робщ.

Содержание и преобладание различных форм азота зависит от условий поступления азотсодержащих соединений в воду и режима водоёма.

Концентрация биогенных элементов  приведена в табл. 2.

Таблица 2. Содержание  биогенных элементов в поверхностных водах озер, мг/л

озеро	нитраты			нитриты			аммонийный    ион
	ПДК р/х	ПДК х/б	проба	ПДК р/х	ПДК х/б	проба	ПДК р/х	ПДК х/б	проба
Куяныш	9,0	45,0	1.25	0,02	3,3	<0,002	0,4	2,0	0,18
Шаблиш	9,0	45,0	1.0	0,02	3,3	<0,002	0,4	2,0	0,33

1.Аммонийный азот.

Концентрация аммонийный азота в воде исследуемых озер невелика,  в период исследования она составила: оз. Шаблиш-0,33 мг/л, оз. Куяныш-0,18мг/л. (рис.5)

 Рис.5. Содержание катион - аммония

 Азот может быть использован лишь после его фиксации в био­логической системе; в гидросфере такой системой, по-видимому, являются сине-зеленые водоросли. При этом происходит образо­вание аммиака.

N₂  —» 2N (фиксация)

2N + ЗH₂ = 2NН₃

В воде аммиак существует в аммониевой форме NH₄⁺ .

Основным источником поступления аммонийного азота в озера служат поверхностные стоки в период кратковременного весеннего половодья с сельхозугодий в случае использования аммонийных удобрений и животноводческие фермы.  В связи с этим можно предположить, что наиболее высокое содержание приходится на весну, когда с водосборной площади смывается значительное количество биогенных и органических веществ. Изучая  распределения  аммонийного азота в озерах, следует отметить, что вода в озере Шаблиш богаче аммонийным азотом по сравнению с другим озерам. Это объясняется, очевидно, тем, что оно расположено вблизи животноводческих ферм.

2.Нитритный азот.

Содержание нитритного азота, промежуточного звена в круговороте минеральных форм азота в озерах, регулируется главным образом интенсивностью биохимических процессов. В поверхностных водах нитриты находятся в растворенном виде. В воде исследуемых озер нитриты присутствовали в концентрациях оз. Шаблиш- > 0,002мг/л, оз. Куяныш-- > 0,002 (рис.3), по-видимому с небольшими максимумами зимой и в период весеннего половодья, когда талые воды несут с собой значительное количество аммонийного органического азота, который в результате нитрификации переходит в нитриты: 

  2NН₃ + ЗО₂   =  2Н⁺+ 2NO₂^- + 2Н₂О. 

Рис. 3. Содержание нитрит - ионов

Повышенное содержание нитритов указывает на усиление процессов разложения органических веществ в условиях более медленного окисления нитритов в нитраты, что указывает на загрязнение водного объекта, т.е. является важным санитарным показателем.

3.Нитратный азот.

Нитраты являются конечным продуктом биохимического окисления аммиака, образующегося главным образом в результате распада белковых веществ.
В поверхностных водах нитраты обычно присутствуют в заметных количествах за исключением периода интенсивного развития фитопланктона в водоемах, когда содержание нитратов может падать до исчезающих малых величин.  Наибольшая его концентрация 1.25мг/л обнаружена в озере Куяныш, наименьшая 1мг/л в озере Шаблиш. (рис.10.)

Рис.7.Содержание нитрат-ионов

 Это  следует рассматривать как доказательство физиологического потребления их водной растительностью, но расход их на биологические процессы в определенной мере компенсируются за счет окисления NH₄⁺ и разложения органического вещества растительных и животных организмов:

2NН₃ + ЗО₂   =  2Н⁺+ 2NO₂^- + 2Н₂О  нитрозомонас

2NO₂^- + О₂  = 2NO₃^-   азотобактера

4.Фосфор.

Наиболее высокая концентрация общего фосфора обнаруживается в воде озера Шаблиш-0,018 мг/л. В воду озер соединения фосфора могут поступать в виде фосфорной кислоты, и ее ионов, мета-, пиро-, полифосфата, а также в виде разнообразных фосфорсодержащих органических соединений. Естественные формы фосфора в гидросфере зависят от pH               

                                  H₃ PO₄ = H⁺ +  H₂ PO₄^-

                                              H₂ PO₄^-= H⁺ +  HPO₄^2-

                                                  HPO₄^2- = H⁺ +  PO₄^3-

При pH, характерном для водных систем, преобладает форма HPO₄^2- с примесью H₂PO₄^-. Соединения минерального фосфора поступают в природные воды в результате выветривания и растворения пород, содержащих ортофосфаты (апатиты и фосфориты) и поступления с поверхности водосбора в виде орто-, мета-, пиро- и полифосфат-ионов, а также образуются при биологической переработке остатков животных и растительных организмов. Избыточное содержание фосфатов в воде, может быть отражением присутствия в озере примесей удобрений, компонентов хозяйственно-бытовых сточных вод, разлагающейся биомассы.

       Таким образом, содержание и режим минеральных форм азота и фосфора в исследуемых озерах определяется целым комплексом факторов, главным из которых можно считать речной сток, потребление азота и фосфора на биологические процессы, разложение органических веществ, окисление NH₄⁺   до  NO₃^- .

Содержание радионуклидов

Необходимо отметить,   что  в настоящее время основной вклад в радиацион­ное загрязнение местности вносят долгоживущие изо­топы ⁹⁰Sr и ¹³⁷Сs.

Попадая в водоемы, многие радионуклиды быстро поглощаются биотой и сорбируются донными отложениями, в результате чего содержание их в воде соответственно уменьшается. Процессы  «самоочищение» не проводят к полной дезактивации озерной воды, так как в водоеме образуется некоторое равновесное состояние между водой и донным слоем, следствием которого является длительное и устойчивое радиоактивное загрязнение воды

В послеаварийный период радиационная обстановка на озерах изменялась под влиянием ряда факторов, из которых следует отметить сток с территории водосбора, естественный радиоактивный распад поступивших в водоем радионуклидов, перераспределение последних между основными компонентами водоемов, поступление радионуклидов вследствие ветрового подъема и переноса ила с берегов оз. Карачай в 1967 году.

Основными депонирующими средами для радио­нуклидов, главными из которых являются ⁹⁰Sr и ¹³⁷Сs, служат почвы, донные отложения и высшая расти­тельность озер. При этом вода озер является как транспортной средой (поверхностный и внутрипочвенный сток в прибереговых экосистемах), так и суб­стратом, в котором протекают первые процессы трансформации форм радионуклидов.

Результаты исследования показывают, что   с течением времени произошло снижение содержания радионуклидов в воде озер. При анализе динамики содержания радионуклидов в водоемах были получены прямые спада радиоактивности  Sr-90 и Cs-137  в воде.

Рис.3 Динамика изменения содержания  Sr-90 и Cs-137  в воде оз. Куяныш

  Рис.4. Динамика изменения содержания  Sr-90 и Cs-137  в воде оз. Шаблиш.

Уменьшение содержания радионуклидов объясняется динамикой  перераспределения радионуклидов между водой и дном и во многом - зависит от скорости заглубления радионуклида в донных почвах.

Выводы

1.     По химическому составу воду озер Куяныш и Шаблиш можно отнести к гидрокарбонатному классу содового (I) типа группы натрия.

2.     Содержание биогенных и основных ионов в озерах не превышает предельно - допустимых  концентраций.

3.     Поступление биогенных элементов в озёра происходит за счёт вод местного поверхностного стока.

4.     Поступление основных ионов в озера происходит в основном за счет выщелачивания почв и пород водосборных площадей.

5.     Значительную роль в формировании химического состава вод озер играет водосборная территория.

6.     В обследованных водоемах наблюдается устойчивое снижение содержания         радионуклидов, которое определяется динамикой их перераспределения между водой и донным грунтом. Существующее динамическое равновесие между различными компонентами водоемов устойчиво, поэтому нарушение целостности донных отложений не приведет к заметному загрязнению рыбы. Уровень радиоактивного загрязнения  воды водоемов ниже ПДК  по    нормам    радиационной    безопасности данные озера можно включить в хозяйственное пользование.                                                                       

Автор выражает глубокую благодарность старшему научному сотруднику отдела окружающей среды УНЦП РМ Поповой И.Я., доценту кафедры географии и МПГ, к.г.н. Захарову С.Г., руководителю лимнолого-экологического центра ЧГПУ, доценту, к.г.н. Дерягину В.В., зав. Лаборатории геоэкологии института Минералогии УраРАН  к.г.м.н. Удачину В.Н., Земеровой  З.П. и студентам, принимавших участие в работе,  за помощь  в проведении исследовательской работы.