ЭЛЕМЕНТНЫЙ СОСТАВ СОЛЕВЫХ ОБРАЗОВАНИЙ ИЗ ПРИРОДНЫХ ПРЕСНЫХ ВОД КАК ИНДИКАТОР ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ВОДОПОЛЬЗОВАНИЯ

Список сокращений 4
Введение 5
Глава 1. Солеобразование при многократном кипячении воды 16
Глава 2. Краткая физико-географическая, геологическая,
гидрологическая, экологическая характеристика Павлодарской области 22
2.1 Ландшафтные особенности 25
2.2 Геологическая характеристика 27
2.3 Гидрогеологическая изученность территории 29
2.4 Геоэкологическая обстановка на территории 36
Глава 3. Материалы и методы исследования 41
3.1 Методика отбора проб 41
3.2 Экспериментальные данные 44
3.3 Методы лабораторных испытаний и анализа проб 47
3.4 Методика обработки данных 53
Глава 4. Оценка качества вод по данным изучения состава солевых образований из природных пресных вод в населенных пунктах Павлодарской области 55
4.1 Взаимосвязь состава накипи с гидрогеохимическими
особенностями воды 55
4.2 Содержание урана в питьевых водах 59
Глава 5. Элементный состав солевых отложений природных пресных вод в населенных пунктах Павлодарской области 71
5.1 Общая геохимическая характеристика солевых отложений из
природных пресных вод 71
5.2 Пространственное распределение химических элементов в
солевых отложениях из природных пресных вод и районирование территории по суммарному показателю накопления компонентов 93
Глава 6. Взаимосвязь химического состава солевых образований из природных пресных вод и уровня заболеваемости населения Павлодарской области 109
6.1 Анализ взаимосвязи химического состава накипи с
заболеваемостью взрослого населения 126
6.2 Анализ взаимосвязи химического состава накипи с
заболеваемостью детского населения 130
Заключение 134
Список литературы 136

Купить

Актуальность исследования. Вода одно из важных химических соединений, распространенных повсеместно, которое играет особую роль во всех природных процессах, в том числе происходящих в живом организме (Вернадский, 1933). Поскольку эта субстанция является поставщиком многих элементов, качество ее химического состава вызывает определенную обеспокоенность среди населения. Человек всегда должен быть уверен в экологической безопасности используемых водных ресурсов. Под «экологической безопасностью водопользования» понимается комплекс состояний отношений между населением, экосистемами, хозяйством и водными объектами, при котором выполняется ряд определенных требований (Алексеевский и др, 2011; Романова и др., 2011; Попов В.К. и др., 2002). Одно из которых, заключается в потребности населения воде в необходимом объеме и с приемлемым качеством. Основой для осуществления эффективной экологической безопасности водопользования является Водный кодекс и Водная стратегия в Российской Федерации и Концепция экологической безопасности Республики Казахстан.
Химический состав вод находится в рамках определенных закономерностей, подчиненных геологическому строению, тектонике, истории геологического развития планеты и отдельных геологических структур, рельефу, климату, гидрологическому режиму регионов (Кирюхин и др., 1993; Основы гидрогеологии.. .,1982 и др.) и антропогенному воздействию (Орлов, 1988; Зекцер, 2011; Романовская, 2005 и др.).
Употребление недоброкачественной питьевой воды ведет к ухудшению состояния здоровья человека (Боев и др. 1995, 1998; Большаков и др. 1999; Брукс, 1982; Давыдов, 1998; Маймулов и др. 1998; Рослый и др. 2000; Сидоренко, Кутепов, 1994 и др.). И, как следствие, приводит к снижению естественной сопротивляемости организма, а также ранними неблагоприятными функциональными изменениями в различных физиологических системах (Кабалова и др., 1995; Демин, 2000; Петин и др., 2006; Гусева и др., 2000; Муравьев, 2000 и др.).
При использовании воды в бытовых условиях и для питья, она подвергается неоднократному кипячению, при котором в результате происходящих сложных электрохимических процессов, кристаллизации, зависящей от комплекса факторов, приводит к накипеобразованию (Шаов и др., 2005). Прежде всего, этот процесс связан с распадом бикарбонатов кальция и магния при нагреве воды, которые превращаются в малорастворимые образования, т.е. когда растворимость таких веществ падает с увеличением температуры (карбонаты кальция, магния, железа, гидрооксид магния, оксид магния). В условиях, когда карбонатная жесткость, превышает определенные уровни в воде, то она склонна к накипеобразованию.
Существует много исследований, касающихся разработки способов избавления от накипи в промышленных и хозяйственно-бытовых условиях, (Gromoglasov, 1990; Присяжнюк, 2003; Дорошенко, 2005; Высоцкий, 2013), изучения механизма кинетики и кристаллизации (Klepetsanis, 1999; Линников, 2012), однако есть и те, которые затрагивают применение данного объекта в контексте работ эколого-геохимического и прогнозно-металлогенического характера (Эколого-геохимические ..., 2006; Язиков и др., 2002, 2004, 2007; Tapkhaeva et al., 2010; Монголина и др., 2011; Робертус и др, 2014; Соктоев и др., 2011, 2014). По раннее проведенным исследованиям известно, что накипь несет важную геохимическую информацию, которая отражает не только специфику ландшафтно-геохимических и геолого-металлогенических особенностей территории, но и взаимосвязь между уровнем заболеваемости населения и содержанием химических элементов в накипи. Накипь как объект изучения вызывает множества вопросов, затрагивающие процессы от самого механизма ее образования до методических подходов к интерпретации полученных результатов. Необходимы дополнительные исследования, касающейся использования его как вещества при определении качества воды и влияния на здоровье человека, что обуславливает актуальность данной работы.
Цель работы: изучить элементный состав солевых отложений из природных пресных вод (накипи) для определения медико-экологической безопасности водных ресурсов, используемых в хозяйственно-питьевых целях на примере Павлодарской области.
Для реализации поставленной цели необходимо выполнение следующих задач:
1. Провести системное опробование солевых образований (накипи) в населенных пунктах Павлодарской области;
2. Оценить уровни накопления химических элементов солевых отложений природных пресных вод в различных административных районах Павлодарской области;
3. Определить уровень накопления урана в используемых питьевых водах и оценить их качество по этому показателю;
4. Сопоставить уровень накопления урана в накипи и питьевых водах региона;
5. Сравнить оценки средних содержаний химических элементов в солевых образованиях Павлодарского региона с таковыми для изученных по этим показателям районов;
6. Установить возможные причины формирования геохимической специализации солевых отложений из природных пресных вод региона;
7. Составить карты-схемы распределения химических элементов в солевых отложениях природных пресных вод и провести районирование территории по уровням их накопления в накипи;
8. Собрать материал по специфике нозологической структуры заболеваемости детского и взрослого населения по районам Павлодарской области за период 2010-2014 гг.;
9. Выполнить анализ взаимосвязи заболеваемости взрослого и детского населения с элементным составом накипи.
Фактический материал и методы исследования. Исследование было проведено в период 2011-2015 годов, материалы, которых были отобраны лично автором.
На территории Павлодарской области (9 районов и 3 городских округа) отобрано 207 проб накипи и 147 проб питьевых вод. Для определения химических элементов в изучаемых природных и природно-техногенных образованиях использовались высокочувствительные современные аналитические методы.
Солевые отложения из природных пресных вод (накипь) анализировались методом инструментального нейтронно-активационного анализа (ИНАА) в лаборатории ядерно-геохимических исследований Международного
инновационного научно-образовательного центра «Урановая геология» кафедры ГЭГХ ТПУ (аналитики Судыко А.Ф., Богутская Л.В.).
Лаборатория аккредитована (аттестат № РОСС RU.0001.518623 от 10.10.2011 г.). Анализы выполнялись по аттестованным методикам с проведением внутреннего и внешнего контроля. Количественно определялось 27 химических элементов (барий, бром, гафний, европий, железо, золото, иттербий, кальций, кобальт, лантан, лютеций, мышьяк, натрий, рубидий, самарий, серебро, скандий, стронций, сурьма, тантал, тербий, торий, уран, хром, цезий, церий, цинк). Качество выполняемых анализов определялось методом сопоставления с составом стандартных образцов сравнения МАГАТЭ (морской ил), и Института геохимии СО РАН (байкальский ил (БИЛ)) (таблица 1).
Таблица 1-Контроль достоверности результатов INAA с национальными и международными паспортными данными
Элемент БИЛ - 1 (Россия) SD-M2/TM
(МАГАТЭ) Элемент БИЛ - 1 (Россия) SD-M2/TM
(МАГАТЭ)
п-рт ЯГЛ п-рт ЯГЛ п-рт ЯГЛ п-рт ЯГЛ
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Натрий 1,93 1,74 1,35 1,35 Церий 81,5 70 54,3 50,3
Кальций 1,86 6,76 11,2 7,9 Самарий 7,9 6,79 4,27 4,78
Скандий 13 16 10,3 10,5 Европий 1,65 1,96 0,85 0,92
Хром 67 69 77,2 79,0 Тербий 0,95 0,94 0,52 0,58
Железо 7,01 7,13 2,71 2,87 Иттербий 3 2,44 1,62 1,69
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Кобальт 18,5 17 13,6 14,4 Лютеций 0,44 0,46 0,243 0,26
Рубидий 96 118 99,7 104 Тантал 0,9 0,9 0,84 0,95
Сурьма 1,5 1,52 0,99 1,19 Г афний 4,1 5,13 2,83 2,95
Цезий 5,9 6,7 8,05 8,3 Торий 12 12,5 8,15 8,2
Барий 670 864 252 247 Уран 12 10,7 2,49 2,76
Лантан 51 40 26,2 27,2
Примечание: натрий, кальций, железо в %.

Питьевая вода, отобранная в пунктах сбора солевых образований, исследовалась на гидрогеохимические показатели при помощи ряда методов (потенциометрия, ионная хроматография, титриметрия, фотоколориметрия, кондуктометрия), элементный состав воды анализировался методом масс- спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (ICP-MS). Все анализы воды выполнялись на базе научно-образовательного центра «Вода» кафедры ГИГЭ ТПУ (руководитель к.г.-м.н, доцент Хващевская А.А.), имеющей аккредитацию (аттестат № РОСС.ВП.0001.511901 от 12.07.2011 г.) по аттестованным методикам.
При отборе проб воды в полевых условиях измерялись показатели pH и температура с использованием прибора «pH-200».
Кроме того, определение урана в питьевой воде (135 проб) осуществлялось с помощью люминесцентного метода на анализаторе жидкости «Флюорат-02- Панорама». Все аномальные концентрации урана в воде перепроверялись, а в отдельных случаях выполнялись другими аналитиками. Сопоставимость определения урана данным методом и методом ICP-MS была
удовлетворительной.
Минеральный состав накипи определялся при помощи метода рентгеновской дифрактометрии на приборе «Bruker D2 Phaser» кафедры ГЭГХ (специалист - к.х.м. Путилин С.Н.).
В пробах с аномально высокой концентрацией химических элементов выполнялся качественный и количественный анализ вероятных форм их нахождения с использованием сканирующей электронной микроскопии на приборе («Hitachi S-3400N») кафедры ГЭГХ с энергодисперсионной приставкой («Bruker XFlash 4010») (аналитик лаборатории электронно-микроскопической диагностики Ильенок С.С.).
Статистическая обработка полученных данных осуществлялась с помощью пакета прикладных программ: Microsoft Ехсе1, Statistika 6.0, 10.0. При построении карт и графических схем было использовано программное обеспечение ArcGIS.
Основные защищаемые положения:
1. Геохимическая специфика элементного состава солевых отложений из природных пресных вод на территории Павлодарской области проявляется в повышенных концентрациях Ta, Ag, U. Выявлена значимая положительная корреляционная связь между уровнем накопления урана в накипи и его концентрацией в воде. Содержание урана в воде превышает предельнодопустимые уровни, что представляет потенциальную экологическую опасность для здоровья человека, проживающего на определенных территориях.
2. Пространственный анализ уровня накопления редкоземельных элементов, их суммы и тория в накипи из природных пресных вод позволил выделить район (Иртышский), в котором максимальное их содержание, обусловлено геолого- металлогеническими особенностями территории, развитием специализированных гранитоидных комплексов горных пород. Техногенная составляющая геохимической специфики солевых отложений, возможно, обусловлена поступлением Cr в Аксу-Павлодарской зоне, связанной с деятельностью ферросплавного комбината, и концентрированием в накипи Au, Ag, Zn - в районе разработки руд в Майкаин-Алпыском рудном узле.
3. Установлены некоторые взаимосвязи геохимических показателей солевых отложений из природных пресных вод с определенными нозологическими типами заболеваемости. Так, в районах с высоким содержанием в накипи редкоземельных элементов, особенно их суммы, отмечается повышенная заболеваемость костно-мышечной, пищеварительной систем,
пороков развития, систем кровообращения, количеством новообразований у взрослого населения. Обратная взаимосвязь наблюдается между содержанием кальция, брома в накипи с болезнями систем кровообращения и пищеварительной у взрослого населения.
Научная новизна:
1. Впервые установлены особенности вещественного и элементного состава солевых отложений из природных пресных вод на территории Павлодарской области;
2. Выявлена взаимосвязь элемента в системе «вода-накипь» на примере урана, которая нашла свое подтверждение на территории Павлодарской области;
3. Выполнено районирование Павлодарской области по уровню накопления элементов в накипи из природных пресных вод и построены карты-схемы;
4. Сделана попытка теоретической интерпретации природы повышенных содержаний некоторых элементов в накипи;
5. Установлена взаимосвязь между содержанием химических элементов в накипи и некоторыми видами заболеваемости взрослого населения.
Практическая значимость.
Проведено ранжирование районов области по суммарному показателю накопления элементов в солевых отложениях из природных пресных вод Павлодарской области, отражающего общую экологическую безопасность используемых для водопользования источников.
Установлено, что районы, занимающие первые места в этом ряду, характеризуются максимально неблагоприятным уровнем развития заболеваемости.
Полученные данные могут быть использованы для проведения регулярных системных природоохранных мероприятий на территориях с аномально высоким содержанием химических элементов в накипи природных пресных вод.
В процессе проведения работы было доказано о перспективности использования накипи для оценки экологической безопасности источников водопользования и в медико-биологических целях, соответственно это может 11
послужить основой для создания методической базы проведения комплексного экологического мониторинга состояния окружающей среды на территории Павлодарской области.
Аналитические данные и карты-схемы распространения элементов в накипи природных пресных вод используются Павлодарским областным территориальным управлением окружающей среды, Иртышским департаментом экологии в качестве дополнительного материала к ранее проведенным исследованиям по изучению снегового покрова, волос, листьев, овощных культур, почвы.
Данные по взаимосвязи элементного состава накипи и заболеваемости населения приняты к вниманию Медицинским информационно аналитическим центром Павлодарской области.
Выделенные аномальные участки и зоны по концентрированию урана и ряда других элементов в накипи переданы в ОАО «Волковгеология» НАК «Казатомпром» для последующей геологической заверке.
Материалы диссертационной работы используются при чтении курсов «Геоэкология», «Геоэкологический мониторинг», «Геохимический мониторинг природных сред», «Медицинская геология».
Личный вклад автора заключается в непосредственном отборе проб, пробоподготовке, проведении статистического анализа результатов исследования и интерпретации полученной информации, составлении графиков и карт-схем, формулировке основных защищаемых положений.
Достоверность полученных результатов обеспечена представительным количеством проб, анализ, которых осуществлялся современными высокочувствительными методами, по аттестованным методикам на базе аккредитованных лабораторий и обоснована глубиной проработки фактического материала.
Апробации работы и публикации. Результаты работы докладывались на международной научно-практической конференции «Тяжелые металлы, радионуклиды и элементы-биофилы в окружающей среде» (г. Семипалатинск), 12
XV, XVI, XVII Международном научном симпозиуме студентов и молодых ученых им. академика М.А. Усова (г. Томск), международной научнопрактической конференции и тренинг-семинаре «Орхусская конвенция в свете концепции по переходу Республики Казахстан к «зеленой экономике» в секторе использования водных ресурсов Северного Казахстана» (г. Петропавловск), IX Международной биогеохимической школе «Биогеохимия техногенеза и современные проблемы геохимической экологии» (г. Барнаул), V международной конференции «Радиоактивность и радиоактивные элементы в среде обитания человека». По теме работы были опубликованы 18 статей и тезисов, в том числе в 2 журналах, рецензируемых ВАК России, в 2 журналах, включенных в перечень изданий ККСОН МОН Республики Казахстан, 2 - на английском и казахском языках.
Структура и объем работы. Диссертационная работа объемом 151 страниц машинописного текста, состоит из введения, глав и заключения со списком литературы в 156 наименований, иллюстрирована 17 таблицами и 95 рисунками.
Во введении обоснована актуальность исследования. Обозначены цели и задачи диссертационной работы. Определены основные защищаемые положения, отражена научная новизна и практическая значимость работы.
В первой главе определяется возможность использования индикаторного значения солевых отложений природных пресных вод при определении качества природных вод, а также в контексте медико-географических исследований.
Во второй главе описаны физико-географическая, геологическая, гидрологическая и геоэкологическая характеристика территории исследования.
В третьей главе охарактеризованы методологические основы исследования, заключающейся в обоснованности отбора проб на территории области, описании пробоподготовки, основных используемых методов, которое подкреплено внутренним контролем, проведением экспериментов, а также статистической и графической обработкой данных.
В четвертой главе описана взаимосвязь химических элементов, содержащихся в накипи с общими гидрохимическими показателями, с элементным составом воды. Качество воды определялось по данным изучения урана на территории области.
Пятая глава об элементном составе солевых отложениях природных пресных вод Павлодарской области, геохимической специфике, характере накопления, пространственного распространения химических элементов.
В шестой главе определена взаимосвязь здоровья человека с элементным составом накипи природных пресных вод на территории исследования. В заключении представлены основные выводы по диссертационной работе.
Благодарности. Автор выражает огромную признательность учителю, наставнику, научному руководителю профессору, доктору геологоминералогических наук Леонид Петровичу Рихванову за ценные советы, всестороннюю поддержку и помощь на всех этапах написания диссертационной работы.
Автор выражает благодарность за проведение лабораторных исследований, профессионализм и консультативную помощь аналитикам лаборатории ядерно- геохимических исследований А.Ф. Судыко, Л.В. Богутской.
Автор признателен сотруднику лаборатории электронно-микроскопической диагностики С.С. Ильенку за помощь при анализе и обработке результатов исследования.
Огромная благодарность за консультацию при проведении аналитических измерений Г.А. Бабченко, к.х.н. Н.А. Осиповой, к.г.-м. н. Е.А. Филимоненко.
За обработку полученных результатов рентгеноструктурной дифрактометрии автор выражает благодарность специалисту фирмы «Bruker AXS GmbN» к.х.н. Путилину С.Н.
Автор выражает благодарность за предоставленный статистический материал по уровню заболеваемости руководителю Медицинского информационно-аналитического центра Павлодарской области Черкасову А.Н.
Автор безмерно благодарен за помощь, ценные советы, внимание к работе к.б.н. Н.П. Корогод и д.б.н. Н.В. Барановской.
Автор выражает благодарность П.Г. Каюкову, бывшему главному экологу ОАО «Волковгеология» за обсуждение первых полученных результатов и высказанные ценные пожелания и замечания.
Автор искренне благодарен преподавателям кафедры ГЭГХ и ГИГЭ за консультации и ценные замечания д.г.-м.н. Е.Г. Язикову, д.г.-м.н. С.И. Арбузову, д. г.-м.н. В.К. Попову, к. г.-м.н. И.С. Соболеву, к.г.-м.н.А.В. Таловской, к.г.-м.н. Д.В. Юсупову, к.г.-м. н. Б.Р. Соктоеву.
Автор выражает признательность за веру, терпение, поддержку моим близким и родным.
Купить