Оценка загрязнения ртутью реки Нуры и близлежащей территории

Assessment of mercury pollution of the Nura River and surrounding area

Lyazzat  Shinetov

doctoral student, Eurasian national University. L. N. Gumilev, Kazakhstan, Astana

Saulemai  Bekeyeva

candidate of biological Sciences, acting Professor, Faculty of natural Sciences, Department of General biology and genomics, Eurasian national University. L.N. Gumilev, Kazakhstan, Astana

Аннотация. Ртуть относится к 10 чрезвычайно опасным химичес­ким веществам по данным Всемирной Организации Здравоохранения. Проблема загрязнения вод р. Нуры ртутью отнесена к экологическим приоритетам Республики Казахстан, и представляет серьезную опасность для здоровья населения Карагандинской области и г. Астаны. Загрязнение ртутью реки Нуры остается актуальной проблемой. Нура – крупнейшая река Нура-Сарысуйского бассейна. Одним из основных источников загрязнения ртутью р.Нура был завод «Карбид», расположенный в г. Темиртау. Исследование включало получение и анализ данных, свя­занных с загрязнением реки Нуры и близлежащей территории ртутью. Для определения содержания ртути в окружающей среде производился забор абиотических образцов воды. Для химического анализа были взяты пробы воды, почвы, донных отложений в районе с. Тегисжол, с. Ростовка, с. Гагаринское, с. Чкалово. На севере Центрального Казахстана, несмотря на очистные работы реки Нуры, патологический эффект ртути все еще сохраняется. Так во всех анализируемых пробах содержание ртути превышало предельно допустимую концентрацию.

Abstract. Mercury refers to 10 extremely hazardous chemicals according to the World Health Organization. The problem of water pollution r. Nura mercury attributed to the environmental priorities of the Republic of Kazakhstan and represents a serious danger to the health of the population of the Karaganda region and the city of Astana. Pollution by the mercury of the Nura River remains an urgent problem. The Nura is the largest river of the Nura-Sarysuysky basin. One of the main sources of mercury pollution in the Nura river was the “Carbide” plant located in Temirtau. The study included the acquisition and analysis of data related to the pollution of the Nura River and the surrounding area with mercury. To determine the mercury content in the environment, abiotic samples were taken water. For chemical analysis, samples of water were taken from Tegizzhol, Size, Gagarin, Chkalovo. In the north of Central Kazakhstan, despite the treatment of the Nura River, the pathological effect of mercury still persists. So in all analyzed samples, the mercury content exceeded the maximum permissible concentration.

Ключевые слова: ртуть; река Нура; химический анализ.

Keywords: mercury; Nura river; chemical analysis.

Научно-технические достижения и глобальная индустриализация способствуют увеличению техногенных выбросов в окружающую среду. Возрастающее влияние промышленных факторов на природные объекты несет в себе опасное воздействие на живые организмы, в том числе и на человека. Большая часть загрязняющих веществ приходится на химические соединения, или ксенобиотики, которые при поступлении в организм вызывают неблагоприятные реакции. Среди ксенобиотиков особое место занимают тяжелые металлы, такие как ртуть, свинец, кадмий. Они широко используются в различных видах промышленного производства и способны накапливаться в живых организмах [1].

Ртуть – экотоксикант, вызывающий широкий спектр изменений в организме и оказывающий вредное воздействие на здоровье человека [2]. Она широко используется в промышленности, сельском хозяйстве, медицине. В окружающей среде ртуть обнаруживается в трех основных формах: элементарной, неорганической и органической, которые могут легко трансформироваться друг в друга [3]. Ртуть включена в класс «металлических ядов», а ее токсичность зависит от химической формы и путей попадания в организм. Многочисленные исследования показали патологическое воздействие ртути на организм человека и, главным образом, на центральную нервную систему. Имеются сведения, что она вызывает повреждение генетического материала, иммунные дисфункции и биохимические нарушения [4-6].

Элементарная, или металлическая ртуть, в виде паров легко поглощается легкими и может задерживаться и накапливаться в легочной ткани [4]. В связи с растворимостью ртуть обладает высокой степенью диффузии и способна проходить через клеточные мембраны, а также гематоэнцефалический и плацентарный барьеры и достигать органы-мишени. Неорганическая ртуть, которая является двухвалентным соеди­нением, представляет собой токсичный вид ртути, осаждаемый в тканях человека после конверсии из других форм. Органическая ртуть, представленная метил- и этилртутью, поступает в организм человека с рыбными продуктами, мясом морских млекопитающих и ртуть­содержащими вакцинами [5].

В Казахстане одним из основных источников загрязнения ртутью окружающей среды был завод «Карбид», расположенный в г. Темиртау. С 1950 по 1997 гг. происходил сброс сточных вод ацетальдегидного производства ПО «Карбид» в реку Нуру. Появление ртути в пойме реки обусловлено главным образом летучей золой электростанции. Максимальная концентрация ртути была обнаружена в 15 км ниже источника загрязнения. Протяженность ртутной экспозиции вниз по течению составляла около 75 км, где по оценкам сосредотачивалось около 9,4 тонн ртути [3, 4]. Несмотря на то что проводились мероприятия по очистке реки Нуры от ртутного загрязнения, проведенные иссле­дования показали что все еще сохраняются высокие концентрации ртути в отложениях и почве, которые представляют собой риск для здоровья местного населения. Это частично вызвано прямым контактом с почвой или донными отложениями, но основной риск связан с абсорбцией ртути из культур, выращенных на загрязненных территориях, и потреблением рыбы [7-10]. Таким образом, целью нашего иссле­дования было оопределение и оценка загрязнения ртутью реки Нуры и близлежащей территории.

Материалы и методы исследования. Отбор проб воды. Исследование включало получение и анализ данных, связанных с загрязнением реки Нуры и близлежащей территории ртутью. Для опре­деления содержания ртути в окружающей среде производился забор абиотических образцов воды. Для химического анализа были взяты пробы воды в районе с. Тегисжол, с. Ростовка, с. Гагаринское, с. Чкалово. Забор образцов проводился в мае 2015 г. во время разлива реки Нуры (паводковый период). Пробы № 1-3 были собраны вдоль реки Нура в 2,8 км северо-восточнее с. Тегизжол. Пробы № 4-10 были собраны в окрестности с. Ростовка, № 11-20 – с. Гагаринское, № 21-30 – с. Чкалово (рисунок 1).

Пробы воды формировались из нескольких точечных проб, отобранных на различных участках конкретного местоположения. Отбор проб проводили согласно рекомендациям [11, 12]. Проводилась инструментальная привязка точек отбора с помощью GPS и точного описания места исследования.

Точечные пробы воды отбирались из поверхностного водного слоя (на глубине 10-15 см) исследуемого водоема в стеклянные бутыли (V=2000 мл) с закручивающимися крышками. Вода консервировалась в концентрированной HNO₃ до значения pH равному 2.

Рисунок 1. Карта экспонированной ртутью территории с указанием мест забора образцов

Для проведения анализа пробы транспортировались до места анализа и хранились в холодильнике при 4 ⁰C. Экстракция исследуемых веществ из проб производилась не позднее 24 часов после отбора.

Определение содержания ртути. Пробы воды для определения содержания ртути концентрировали выпариванием при температуре 50-60 ⁰С.

Содержание ртути в отобранных образцах анализировали в лабо­ратории мониторинга АО «Биомедпрепарат – инжиниринговый центр» Филиал НЦБ методом холодного пара с использованием ртутного спектрометра инъекционного потока (FIAS -100) и спектрометра AAnalyst 300 Perkin Elmer г. Степногорск.

Результаты исследования и их обсуждение. Пробы воды отбирались на прилегающих территории бассейна р. Нура следующих сел Тегисжол, Ростовка, Гагаринское и Чкалово. Всего было отобрано 20 проб воды. Описание забора образцов воды, характеристика образцов и содержание ртути приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Описание забора образцов воды из реки Нуры ее окрестностей

По результатам химического анализа воды (таблица 1), из 5 проб отобранных в районе с. Гагаринское в точке W₁₂ отмечалось макси­мальное содержание ртути, концентрациия которого составила 40,2 мкг/л, что превышает ПДК в 80 раз. В точке W₁₃ содержание ртути в воде составило 2,1 мкг/л, что превышает ПДК в 4,2 раза. Также в точке отбора воды W₁₉ отмечалось повышение ртути в 2,1 раз по сравнению с ПДК. В остальных точках W _14,11 наблюдались большее содержание ртути в воде, на 0,9-1 раз, соответственно, по сравнению с ПДК (рисунок 2).

Рисунок 2. Анализ воды на содержание ртути, с. Гагаринское

Химический анализ воды точки W₃ собранного из реки Нура на участке Самаркандского водохранилища до моста у п. Тегизжол показал повышенное содержание ртути (7 мкг/л), что превышает ПДК в 14 раз (рисунок 3).

Рисунок 3. Анализ воды на содержание ртути, п. Тегизжол

Далее, химический анализ проб воды на содержание ртути, отобран­ных из 9 точек в районе с. Чкалова показал следующие результаты. Самое максимальное содержание ртути в воде отмечалось в точке W₂₂. Концентрация ртути в воде составила 22,6 мкг/л, что превышает ПДК в 45 раз. Также значительное содержание ртути, превышающее ПДК, отмечалось в точках W₂₈ (7,2 мкг/л), W₂₅ (2,3 мкг/л), W₃₀ (1,4 мкг/л). В других точка отбора содержание ртути было следующим: W₂₇ (0,9 мкг/л), W₂₄ (0,5 мкг/л), W₂₉ (0,5 мкг/л). В других точках отбора проб воды, а именно W₂₆ (0,2 мкг/л), W₂₃ (0,3 мкг/л) содержание ртути имело незначительное превышение ПДК (рисунок 4).

Рисунок 4. Анализ воды на содержание ртути, с. Чкалово

Показатели воды, отобранные в районе с. Ростовка (14 пробы), имели незначительное содержание ртути в воде (W_4,6,10), кроме точки W₅. Так концентрация ртути в точке W₅ составило 2,5 мкг/л, что превышало ПДК в 5 раз. Следовательно, все отобранные пробы воды показали значительное содержание ртути от 0,3 до 4,5 мкг/л превышающие ПДК (рисунок 5).

Рисунок 5. Анализ воды на содержание ртути, с. Ростовка

По результатам химического анализа, максимальное содержание ртути в воде было отмечено в районе с. Гагаринское. Концентрация составила 40,2 мкг/л, что значительно превышает ПДК в 80 раз. Также в районе с. Чкалово концентрация ртути в воде составляет 22,6 мкг/л, что в 45 раз выше нормы. Содержание концентрации ртути в воде в поселке Тегизжол составила 7 мкг/л, с. Ростовка – 2,5 мкг/л, что превышает ПДК в 5-14 раз.

Следовательно, все отобранные пробы с поверхности воды вдоль реки Нура, показал значительное содержание ртути в реке.

Таким образом, результаты исследований содержания ртути в воде свидетельствуют о различном уровне и характере загрязнения ртути исследованных нами районов бассейна реки Нура, а в воде канала объединённого сброса сточных вод значительное превышение ПДК по ртути.

Проведенные исследования по определению содержания ртути в воде реки Нура и воде очистного сооружения, показывают, что наиболее загрязненной является вода, отобранная в районе сброса сточных вод в реку (с. Гагаринское).

Река Нура является основным источником питьевой воды города Темиртау и главной рекой Центрального Казахстана. Она берет свое начало в горах Кызылтас на западе и проходит через промышленную территорию г. Темиртау, а затем течет еще 260 км до столицы Астаны и международного национального парка Коргалжын. Общая длина реки составляет 978 км. Река представляет собой типичную степную реку: 80% потока вызывается весенней оттепелью. Вода широко используется для бытового водоснабжения, полива, промышленного использования, а также для отдыха и коммерческого рыболовства. Предполагаемый годовой натурализованный поток составляет 5,9 и 19,6 м³/с в городах Караганда и Астана, соответственно. Однако размер весеннего паводка чрезвычайно изменчив, а максимальный годовой расход может составлять от 40 до 980 м³/с [13, 14]. Загрязнение ртутью реки Нуры происходило в течение длительного времени с 1950-х годов. Ее источником был химический завод «Карбид», расположенный в городе Темиртау под Карагандой. Этот химический завод производил ацетальдегид путем прямой гидратации ацетилена в присутствии катализатора сульфата ртути. Сточные воды с высоким содержанием ртути из ацетальдегидного предприятия поступали в реку без переработки в течение примерно 25 лет. Осажденный осадок из отстойных резервуаров осаждался на полигонах тепловой электро­станции КарГРЭС-1, расположенной на берегах реки Нуры. В течение этого периода в реку Нура был произведен неконтролируемый выброс золы и шлама, содержащих ртуть. В течение 1980-х и большей части 1990-х годов примерно 1 тонна в год попадала в реку, скорее всего, в растворенной и элементарной форме. Производство ацетальдегида было прекращено в 1997 году, и основной источник загрязнения ртутью исчез [7].

Предварительные исследования степени загрязнения Нуры, проведенные в 1980-х годах, показали чрезвычайно высокий уровень загрязнения. Это нестатистическое исследование ртути в 33 образцах речного ила показало, что донные отложения сильно загрязнены, при этом средняя концентрация ртути превышает 200 мг/кг в первых 9 км ниже по течению от источника. Исходя из обнаруженных концентраций, было подсчитано, что общее количество ртути в слое реки может составлять порядка 140 тонн. В период, когда происходил сброс ртути, до 5 миллионов тонн летучей золы было также сброшено в реку местной электростанцией. В то же самое время завод Карбид выбрасывал отходы, содержащие гидроксид кальция, который при осаждении образовывал тысячи тонн карбоната кальция в донных отложениях. В 1992 году было обнаружено, что большая часть ртути в реке связывалась с щелочной золой, образуя новый тип химических осаждений. Во время весенних паводков большое количество этих сильно загрязненных отложений перемещалось по реке и рассеивалось по пойме, приводя к широкому загрязнению [3, 15].

С 1980-х годов был проведен ряд исследований по определению степени загрязнения и разработке соответствующих мер для ликвидации загрязнения. Эти исследования привели к проекту, предлагающему меры по очистке реки Нуры и болота Жаур с параллельной реализацией независимого проекта по очистке завода «Карбид» и мест депонирования отходов. Материал с концентрацией ртути, превышающей максимально допустимую величину, должен был быть удален.

Ввиду важности этих критериев в 2004 году были проведены расширенные исследования области ртутного загрязнения. Загрязненные территории были очищены в рамках проекта «The River Nura Clean-up Project» («Проект очистки реки Нуры»), финансируемого Всемирным банком и Республикой Казахстан в 2007-2011 годах. Критерии, изложен­ные в «Проекте очистки реки Нуры», были основаны на казахстанских гигиенических нормативах загрязнения почвы (от 29 ноября 1997 года) и международных уровнях загрязнения. Критерий 2,1 мг/кг применялся для сельскохозяйственных районов и населенных пунктов (например, садов, в которых выращиваются овощи и фрукты). Критерий очистки 10 мг/кг был принят для отложений речных русел, берегов рек, болота Жаур и пойм, а для более отдаленных районов – 50 мг/кг. Эти критерии были подтверждены Министерством здравоохранения Казахстана.

Основные выводы отчета заключаются в том, что предыдущие уровни ртути в почве и отложениях варьировали от 50 до 1500 мг/кг (на основе отбора проб и детального изучения загрязнения), а после очистки были подтверждены принятые критерии безопасного уровня [16].

В своем современном состоянии ртуть не представляет очевидного риска для здоровья населения городов Темиртау и Астаны при хозяйственно-питьевом и культурно-бытовом использовании реки даже во время сильных паводков, во время которых происходит значительное перераспределение ртутьсодержащих техногенных илов. Исключение составляет 50-60 км участок ниже места сброса сточных вод г. Темиртау. Жители сел Чкалово, Гагаринское, Самарканд, Тегиз-Жол, Ростовка, Кызыл-Жар, Молодецкое, Волковское и Актобе в течение двух месяцев во время весеннего паводка не имеют возможности безопасного водопотребления из реки Нуры (в настоящее время вода из реки Нуры используется в основном для полива и водопоя скота). В осенний период поверхностные воды реки Нура загрязнены ртутью ниже ПДК воды на всем своем протяжении. Однако на участке реки, загрязненном ртутью, наблюдается непрерывное вымывание ртути поверхностными водами и ее перенос вниз по течению. В период весеннего паводка уровень загрязнения поверхностных вод реки Нуры ртутью повышается и на отдельном участке превышает ПДК. Также значительно расширяется протяженность участка реки, на котором уда­ется наблюдать активный перенос ртути. Интумакское водохранилище даже в своем современном состоянии является эффективным отстойным бассейном и препятствует распространению ртутного загрязнения вниз по течению реки Нуры.

Река Нура является основной водной артерией питающей Тениз-Коргалжынскую систему озер – важнейшее во всей Центральной Азии водно-болотное угодье, для сохранения которого в 1968 г. был учрежден Коргалжынский Государственный природный заповедник, позже включенный в Рамсарский список водно-болотных угодий, имеющих глобальное значение. Конечным аккумулятором стока Нуры является озеро Тениз, включенное в 2002 г. в международную сеть «Живые озера», куда входят самые уникальные озера мира. Продолжающаяся миграция токсических соединений вниз по руслу Нуры является вполне реальным фактором, ведущим к ухудшению экологического состояния этого уникального природного комплекса. Учитывая тот факт, что донные отложения р. Нура могут перемещаться водой на прилегающие территории, было проведено обследование жителей поселков, располо­женных на пораженной ртутью территории вдоль реки Нуры. Обнаружено, что подгруппы, состоящие из мужчин старше 45 лет, в основном рыбаков, имеют высокий уровень ртути в волосах. Установлена связь между концентрацией ртути в волосах и частотой употребления в пищу речной рыбы [9].

Заключение. Проведенные исследования позволили определить степень загрязнения отдельных территорий вдоль реки Нура. Таким образом, результаты исследований содержания ртути в воде свидетель­ствуют о различном уровне и характере загрязнения ртути исследованных нами районов бассейна реки, а в воде канала объединённого сброса сточных вод значительное превышение ПДК по ртути. Проведенные исследования по определению содержания ртути в воде реки Нура, показывают, что наиболее загрязненной является вода, отобранная в районе сброса сточных вод в реку (с. Гагаринское).