Помощь студентам в учебе
НАНОРАЗМЕРНЫЕ ЧАСТИЦЫ В ВОДЕ И ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЯХ ВОДНЫХ ЭКОСИСТЕМ
|
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
1.1 Основные источники поступления и природа мелкоразмерных частиц
водных объектах
1.2 Основные проблемы, связанные со свойствами и безопасностью
наноразмерных частиц для гидробионтов и здоровья человека
1.3 Методы измерения гранулометрического состава мелкоразмерных частиц
в воде и донных отложениях
ГЛАВА 2 ОБЪЕКТ, МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ....
2.1 Объекты исследования
2.2 Материалы и методы исследования
2.3 Обработка результатов
ГЛАВА 3 РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
3.1 Озеро Большое Глубокое: ^пространственное распределение
характеристика мелкоразмерны частиц по горизонтам водоема
3.1.1 Гидрохимический режим
3.1.2 Кислородная и температурная стратификация
3.1.3 Пространственное распределение субмикронных частиц минеральных примесей по вертикальному профилю водной толщи водоема
3.1.4 Элементный состав поверхности частиц минеральных примесей по вертикальному профилю водной толщи водоема
3.2 Ладожское озеро
3.2.1 Гидрохимия: поверхностные глубинные воды
3.2.2 Донные отложения: классификация, уровень загрязнения
стратиграфических слоев кернов донных наносов
Количество и распределение мелкоразмерных частиц в стратиграфических слоях кернов донных наносов
ВЫВОДЫ
ЛИТЕРАТУРА
ГЛАВА 1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
1.1 Основные источники поступления и природа мелкоразмерных частиц
водных объектах
1.2 Основные проблемы, связанные со свойствами и безопасностью
наноразмерных частиц для гидробионтов и здоровья человека
1.3 Методы измерения гранулометрического состава мелкоразмерных частиц
в воде и донных отложениях
ГЛАВА 2 ОБЪЕКТ, МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ....
2.1 Объекты исследования
2.2 Материалы и методы исследования
2.3 Обработка результатов
ГЛАВА 3 РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
3.1 Озеро Большое Глубокое: ^пространственное распределение
характеристика мелкоразмерны частиц по горизонтам водоема
3.1.1 Гидрохимический режим
3.1.2 Кислородная и температурная стратификация
3.1.3 Пространственное распределение субмикронных частиц минеральных примесей по вертикальному профилю водной толщи водоема
3.1.4 Элементный состав поверхности частиц минеральных примесей по вертикальному профилю водной толщи водоема
3.2 Ладожское озеро
3.2.1 Гидрохимия: поверхностные глубинные воды
3.2.2 Донные отложения: классификация, уровень загрязнения
стратиграфических слоев кернов донных наносов
Количество и распределение мелкоразмерных частиц в стратиграфических слоях кернов донных наносов
ВЫВОДЫ
ЛИТЕРАТУРА
Актуальность. Стремительное развитие нанотехнологий и появление нового вида нанотехнологических загрязнений (промышленных, медицинских и других), вызывает обоснованное беспокойство специалистов по поводу безопасности наноматериалов для здоровья человека и окружающей среды (Концепция., 2007; Поздняков и др., 2011). Количество наноматериалов, используемых в мире в настоящее время и поступающих неизбежно в окружающую среду, составляет приблизительно 1,000-2,000 т в год, и существует прогноз, что их количество увеличиться до 10,000-100,000 т к 2020 г. (Румянцев и др., 2015), что может оказывать негативное воздействие на здоровье человека. Этому способствуют высокий сорбирующий потенциал наноразмерных частиц в силу большой площади активной поверхности и наличия дополнительных ^-физических эффектов, повышающих активную сорбцию материалов, а также высокая проникающая способность как через существующие фильтры стандартных очистных установок, так и через ткани человеческого организма и их биологическая активность (Gregory, 2006; Концепция., 2007).
Исследование взвешенных наносов водного объекта в широком диапазоне размеров является важнейшей составной частью работ, связанных с комплексной оценкой его экологического состояния. Природные водные объекты содержат частицы разной природы (минеральные, биологические, техногенные) и широкого размерного диапазона, включая наночастицы, которые способны оставаться во взвешенном состоянии неопределенно продолжительное время, поддерживаясь в толще воды за счет броуновского
движения, как показано исследованиями на водных объектах Санкт-Петербурга и Ленинградской области, где были зафиксированы частицы размером меньше 1мкм (Румянцев и др., 2010). Показано, что распределение частиц по размеру в природных водах определяется размером частиц: с уменьшением размера частиц их количество возрастает экспоненциально (Peternelj, 2009). Частицы различаются не только по размерам, но и по происхождению и составу: неорганические; органические, живые и отмершие организмы и их части (Gregory, 2006). Минеральные частицы являются продуктом выветривания горных пород (глины, кремний, кальцит и ряд других минеральных веществ). Частицы органического происхождения - продуктами распада растений и животных, гуминовыми и фульвокислотами, а также частицами антропогенного (техногенного) происхождения. Кроме этого, в воде присутствуют одноклеточные микроорганизмы, которые классифицируются как частицы и входят в наномасштабный диапазон. Некоторые из них являются патогенными и могут оказывать негативное воздействие на здоровье человека особенно в условиях высокого уровня загрязнения водного объекта.
В связи с этим целью данной работы является характеристика и оценка отложениях водных экосистем.
Объекты исследования: Озеро Большое Глубокое (г. Казань) и Ладожское озеро (г. Санкт-Петербург), различающиеся физико-географическими условиями, морфометрическими параметрами, видом водопользования и др.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
Определить гидрохимические показатели проб воды озера Глубокое, отобранных по горизонтам с интервалом в 1 м. Изучить кислородную и температурную стратификацию озера.
Определить флуктуации гранулометрического состава частиц минеральных примесей по вертикальному профилю водной толщи.
5. Оценить уровень загрязнения стратиграфических слоев донных отложений Ладолжского озера тяжелыми металлами (Pb, Cu, Ni, Zn, Cr, Fe, Co, Al, Fe).
6. Определить размер и распределение мелкоразмерных частиц в исследованных кернах донных отложений, разделенных на пробы по 2 см по глубинам.
Оценена изменчивость гранулометрического состава частиц минеральных примесей в воде озера Большое Глубокое с расширением анализируемых частиц в сторону субмикронного диапазона размеров с помощью лазерного анализатора размеров частиц Microtrac. Наименьшие из разноразмерных глинистых фракций - илистые субмикронные частицы вносят небольшой вклад до 2-2,5 %. Их содержание в составе взвеси несколько повышается ниже глубины 1-2 м, и далее сохраняется равномерное распределение по глубине водной толщи.
Впервые на растровом (сканирующем) электронном микроскопе получены спектры элементного состава частиц минеральных примесей во всех основных зонах стратифицированного озера (эпи-, мета- и гиполимнионе). Помимо характерных для всех основных зон стратифицированного озера частиц минералов (оксидов биогенных элементов (кремния), оксидов металлов; хлоридов и бромидов щелочных металлов; минералов водовмещающих пород), в исследуемых пробах по мере снижения величины Eh обнаруживаются минерал пирит (FeS2) - самый распространенный в природе сульфид как продукт процесса сульфатредукции в глубинных слоях и следовые количества цинка и меди (до 1 %), вероятно, как результат их сорбции, в том числе на поверхности субмикронных частиц ила, количество которых повышается на глубине ниже 1-2 м.
Химико-аналитические исследования проб воды, отобранных по горизонтам на 5 станциях в акватории Ладожского озера, позволили охарактеризовать состав поверхностных и глубинных вод, определить преимущественную форму соединений фосфора, поступающих в водоем, и распределение трудно окисляемых органических соединений (по ХПК) и легко окисляемых органических соединений (по БПК) в озерной воде по глубине.
Впервые выполнен анализ содержания и количества частиц субмикронного диапазона (от 20 до 300 нм) в исследованных кернах донных отложений, отобранных на 5 станциях Ладожского озера и разделенных на пробы по 2 см по глубинам. Уровень загрязнения стратиграфических слоев донных отложений Ладожского озера до глубины 1,25 м тяжелыми металлами (Pb, Cu, Ni, Zn, Cr, Fe, Co, Al, Fe) охарактеризован с помощью геоэкологического показателя Zc как допустимый.
С использованием лазерного анализатора размеров частиц Microtrac впервые выполнен анализ содержания и количества частиц субмикронного диапазона (от 20 до 300 нм) в исследованных кернах донных отложений. Выявлено существенное варьирование органической составляющей состава проб донных отложений и содержания тяжелых металлов по глубине, однако для мелкодисперсных фракций донных отложений по глубине в пределах тех же кернов показана стабильность распределения, высказано предположение о стремлении к определенному стабильному равновесному '^состоянию в распределении мелкодисперсных фракций по глубине донных отложений.
Практическая значимость работы
Полученные результаты будут способствовать прогнозированию экологического состояния водных экосистем и исключению негативных последствий неконтролируемого распространения загрязнений в процессе взвешивания и перемещения частиц мелкой взвеси водным потоком, связанными с проявлениями поверхностных эффектов, характерных для мелкодисперсных частиц. Материалы данных исследований необходимы для проектирования и строительства любых сооружений на водных объектах и решения различных водохозяйственных проблем.
Материалы исследований могут быть рекомендованы для использования в учебном процессе подготовки кадров по направлению 05.04.06 - Экология и природопользование и подготовке учебных пособий по курсам «Экологический мониторинг» и «Геохимия и геофизика окружающей среды».
Личный вклад автора. Автор принимал участие в разработке темы, планировании и проведении исследований, формулировании выводов и написании статьи. Доля участия автора в выполнении полевых и лабораторных исследований - 90 %.
Благодарность. Автор приносит благодарность инженеру Выборновой Ирине Борисовне за методическую помощь в освоении методики определения гранулометрического состава частиц с использованием лазерного дифрактометра Microtrac Bluewave (США) на базе лаборатории Экологические инновации Института экологии и природопользования КФУ.
Исследование взвешенных наносов водного объекта в широком диапазоне размеров является важнейшей составной частью работ, связанных с комплексной оценкой его экологического состояния. Природные водные объекты содержат частицы разной природы (минеральные, биологические, техногенные) и широкого размерного диапазона, включая наночастицы, которые способны оставаться во взвешенном состоянии неопределенно продолжительное время, поддерживаясь в толще воды за счет броуновского
движения, как показано исследованиями на водных объектах Санкт-Петербурга и Ленинградской области, где были зафиксированы частицы размером меньше 1мкм (Румянцев и др., 2010). Показано, что распределение частиц по размеру в природных водах определяется размером частиц: с уменьшением размера частиц их количество возрастает экспоненциально (Peternelj, 2009). Частицы различаются не только по размерам, но и по происхождению и составу: неорганические; органические, живые и отмершие организмы и их части (Gregory, 2006). Минеральные частицы являются продуктом выветривания горных пород (глины, кремний, кальцит и ряд других минеральных веществ). Частицы органического происхождения - продуктами распада растений и животных, гуминовыми и фульвокислотами, а также частицами антропогенного (техногенного) происхождения. Кроме этого, в воде присутствуют одноклеточные микроорганизмы, которые классифицируются как частицы и входят в наномасштабный диапазон. Некоторые из них являются патогенными и могут оказывать негативное воздействие на здоровье человека особенно в условиях высокого уровня загрязнения водного объекта.
В связи с этим целью данной работы является характеристика и оценка отложениях водных экосистем.
Объекты исследования: Озеро Большое Глубокое (г. Казань) и Ладожское озеро (г. Санкт-Петербург), различающиеся физико-географическими условиями, морфометрическими параметрами, видом водопользования и др.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
Определить гидрохимические показатели проб воды озера Глубокое, отобранных по горизонтам с интервалом в 1 м. Изучить кислородную и температурную стратификацию озера.
Определить флуктуации гранулометрического состава частиц минеральных примесей по вертикальному профилю водной толщи.
5. Оценить уровень загрязнения стратиграфических слоев донных отложений Ладолжского озера тяжелыми металлами (Pb, Cu, Ni, Zn, Cr, Fe, Co, Al, Fe).
6. Определить размер и распределение мелкоразмерных частиц в исследованных кернах донных отложений, разделенных на пробы по 2 см по глубинам.
Оценена изменчивость гранулометрического состава частиц минеральных примесей в воде озера Большое Глубокое с расширением анализируемых частиц в сторону субмикронного диапазона размеров с помощью лазерного анализатора размеров частиц Microtrac. Наименьшие из разноразмерных глинистых фракций - илистые субмикронные частицы вносят небольшой вклад до 2-2,5 %. Их содержание в составе взвеси несколько повышается ниже глубины 1-2 м, и далее сохраняется равномерное распределение по глубине водной толщи.
Впервые на растровом (сканирующем) электронном микроскопе получены спектры элементного состава частиц минеральных примесей во всех основных зонах стратифицированного озера (эпи-, мета- и гиполимнионе). Помимо характерных для всех основных зон стратифицированного озера частиц минералов (оксидов биогенных элементов (кремния), оксидов металлов; хлоридов и бромидов щелочных металлов; минералов водовмещающих пород), в исследуемых пробах по мере снижения величины Eh обнаруживаются минерал пирит (FeS2) - самый распространенный в природе сульфид как продукт процесса сульфатредукции в глубинных слоях и следовые количества цинка и меди (до 1 %), вероятно, как результат их сорбции, в том числе на поверхности субмикронных частиц ила, количество которых повышается на глубине ниже 1-2 м.
Химико-аналитические исследования проб воды, отобранных по горизонтам на 5 станциях в акватории Ладожского озера, позволили охарактеризовать состав поверхностных и глубинных вод, определить преимущественную форму соединений фосфора, поступающих в водоем, и распределение трудно окисляемых органических соединений (по ХПК) и легко окисляемых органических соединений (по БПК) в озерной воде по глубине.
Впервые выполнен анализ содержания и количества частиц субмикронного диапазона (от 20 до 300 нм) в исследованных кернах донных отложений, отобранных на 5 станциях Ладожского озера и разделенных на пробы по 2 см по глубинам. Уровень загрязнения стратиграфических слоев донных отложений Ладожского озера до глубины 1,25 м тяжелыми металлами (Pb, Cu, Ni, Zn, Cr, Fe, Co, Al, Fe) охарактеризован с помощью геоэкологического показателя Zc как допустимый.
С использованием лазерного анализатора размеров частиц Microtrac впервые выполнен анализ содержания и количества частиц субмикронного диапазона (от 20 до 300 нм) в исследованных кернах донных отложений. Выявлено существенное варьирование органической составляющей состава проб донных отложений и содержания тяжелых металлов по глубине, однако для мелкодисперсных фракций донных отложений по глубине в пределах тех же кернов показана стабильность распределения, высказано предположение о стремлении к определенному стабильному равновесному '^состоянию в распределении мелкодисперсных фракций по глубине донных отложений.
Практическая значимость работы
Полученные результаты будут способствовать прогнозированию экологического состояния водных экосистем и исключению негативных последствий неконтролируемого распространения загрязнений в процессе взвешивания и перемещения частиц мелкой взвеси водным потоком, связанными с проявлениями поверхностных эффектов, характерных для мелкодисперсных частиц. Материалы данных исследований необходимы для проектирования и строительства любых сооружений на водных объектах и решения различных водохозяйственных проблем.
Материалы исследований могут быть рекомендованы для использования в учебном процессе подготовки кадров по направлению 05.04.06 - Экология и природопользование и подготовке учебных пособий по курсам «Экологический мониторинг» и «Геохимия и геофизика окружающей среды».
Личный вклад автора. Автор принимал участие в разработке темы, планировании и проведении исследований, формулировании выводов и написании статьи. Доля участия автора в выполнении полевых и лабораторных исследований - 90 %.
Благодарность. Автор приносит благодарность инженеру Выборновой Ирине Борисовне за методическую помощь в освоении методики определения гранулометрического состава частиц с использованием лазерного дифрактометра Microtrac Bluewave (США) на базе лаборатории Экологические инновации Института экологии и природопользования КФУ.
1. На основе результатов полевых и лабораторных химических и физико-химических исследований проб воды озера Глубокое, отобранных на станции, расположенной в центральной самой глубокой (12 м) части озера, по вертикальному профилю водной толщи с интервалом в 1 м, определено изменение рН, Ей, Т, минерализации, О2 (раств); показано, что озеро являются типичными стратифицированным водоемом, характеризующимся понижением температуры с глубиной.
2. Проведенные исследования флуктуаций гранулометрического состава частиц минеральных примесей с расширением анализируемых частиц в сторону субмикронного диапазона размеров (<1 мкм) с помощью лазерного дифрактометра Microtrac по вертикальному профилю водной толщи показывают, что основным компонентом частиц в водной толще озера являются разноразмерные глинистые фракции, наименьшие из них - субмикронные частицы вносят небольшой вклад до 2-2,5 %. Ниже глубины 1-2 м их содержание в составе частиц минеральных примесей несколько повышается и далее сохраняется постоянство распределения размеров илистой фракции, включая субмикронные частицы ила.
3. Для трех проб частиц минеральных примесей, относящихся к эпи-, мета- и гиполимниону, на растровом (сканирующем) электронном микроскопе проведен анализ элементного состава поверхности частиц минеральных примесей по вертикальному профилю водной толщи водоема. Помимо характерных для основных зон стратифицированного озера частиц (оксидов биогенных элементов (кремния), оксидов металлов; хлоридов и бромидов щелочных металлов; минералов водовмещающих пород), в исследуемых пробах по мере снижения величины Ehобнаруживаются минерал пирит (FeS2) - самый распространенный в природе сульфид как продукт процесса сульфатредукции в глубинных слоях и следовые количества цинка и меди (до 1 %), вероятно, как результат их сорбции, в том числе на поверхности субмикронных частиц ила, количество которых повышается на глубине ниже 1-2 м.
4. Химико-аналитические исследования проб воды, отобранных по горизонтам на 5 станциях в акватории Ладожского озера, показали, что они относятся к гидрокарбонатному классу кальциевой группы с низкой минерализацией вод, благоприятным кислородным режимом. Преобладающий вклад (85-100 %) общих форм фосфора в поверхностных водах свидетельствует о поступлении фосфора в водоем, главным образом, в составе органических соединений. Концентрация трудно окисляемых органических соединений (по ХПК) практически равномерно распределена по глубине, концентрация легко окисляемых органических соединений (по БПК) в озерной воде по глубине снижается, вероятно, отражая соотношение скоростей продукционно-деструктивных процессов.
5. Донные отложения Ладожского озера представлены песками, глинами, тонкими глинами, илами, илами (субмикроннными частицами), сформированными в зависимости от особенностей аллохтонных частиц, поступающих в водоем от природных и антропогенных источников, и автохтонных частиц, образующихся в результате внутриводоемных процессов; крупность частиц донных отложений заключена в пределах 2000¬0,0128 мкм. Уровень загрязнения стратиграфических слоев донных отложений озера Ладожское до глубины 1,25 м тяжелыми металлами (Pb, Cu,
Ni, Zn, Cr, Fe, Co, Al, Fe) характеризуется как допустимый (суммарный показатель загрязнения Zc<16).
6. С использованием лазерного анализатора размеров частиц Microtrac впервые выполнен анализ содержания и количества частиц субмикронного диапазона (от 20 до 300 нм) в исследованных кернах донных отложений, разделенных на пробы по 2 см по глубинам. Исследование показало определенную стабильность распределения гранулометрического состава донных отложений по глубине в пределах одного керна. Характер распределения мелкодисперсных фракций донных отложений по глубине на других станциях качественно отличается. Это может быть связано с различием формирования поверхностного стока на различных частях водосбора с учетом гидродинамических особенностей Ладожского озера. Но стабильность пространственного распределения мелкодисперсных фракций по глубине сохраняется на всех станциях.
7. На фоне выявленной стабильности пространственного распределения мелкодисперсных фракций по глубине имеет место существенное варьирование органической составляющей состава проб донных отложений и их элементного состава по глубине в пределах одного керна. Высказано предположение о стремлении к определенному стабильному равновесному состоянию в распределении мелкодисперсных фракций донных отложений по глубине, что требует дальнейших исследований.
2. Проведенные исследования флуктуаций гранулометрического состава частиц минеральных примесей с расширением анализируемых частиц в сторону субмикронного диапазона размеров (<1 мкм) с помощью лазерного дифрактометра Microtrac по вертикальному профилю водной толщи показывают, что основным компонентом частиц в водной толще озера являются разноразмерные глинистые фракции, наименьшие из них - субмикронные частицы вносят небольшой вклад до 2-2,5 %. Ниже глубины 1-2 м их содержание в составе частиц минеральных примесей несколько повышается и далее сохраняется постоянство распределения размеров илистой фракции, включая субмикронные частицы ила.
3. Для трех проб частиц минеральных примесей, относящихся к эпи-, мета- и гиполимниону, на растровом (сканирующем) электронном микроскопе проведен анализ элементного состава поверхности частиц минеральных примесей по вертикальному профилю водной толщи водоема. Помимо характерных для основных зон стратифицированного озера частиц (оксидов биогенных элементов (кремния), оксидов металлов; хлоридов и бромидов щелочных металлов; минералов водовмещающих пород), в исследуемых пробах по мере снижения величины Ehобнаруживаются минерал пирит (FeS2) - самый распространенный в природе сульфид как продукт процесса сульфатредукции в глубинных слоях и следовые количества цинка и меди (до 1 %), вероятно, как результат их сорбции, в том числе на поверхности субмикронных частиц ила, количество которых повышается на глубине ниже 1-2 м.
4. Химико-аналитические исследования проб воды, отобранных по горизонтам на 5 станциях в акватории Ладожского озера, показали, что они относятся к гидрокарбонатному классу кальциевой группы с низкой минерализацией вод, благоприятным кислородным режимом. Преобладающий вклад (85-100 %) общих форм фосфора в поверхностных водах свидетельствует о поступлении фосфора в водоем, главным образом, в составе органических соединений. Концентрация трудно окисляемых органических соединений (по ХПК) практически равномерно распределена по глубине, концентрация легко окисляемых органических соединений (по БПК) в озерной воде по глубине снижается, вероятно, отражая соотношение скоростей продукционно-деструктивных процессов.
5. Донные отложения Ладожского озера представлены песками, глинами, тонкими глинами, илами, илами (субмикроннными частицами), сформированными в зависимости от особенностей аллохтонных частиц, поступающих в водоем от природных и антропогенных источников, и автохтонных частиц, образующихся в результате внутриводоемных процессов; крупность частиц донных отложений заключена в пределах 2000¬0,0128 мкм. Уровень загрязнения стратиграфических слоев донных отложений озера Ладожское до глубины 1,25 м тяжелыми металлами (Pb, Cu,
Ni, Zn, Cr, Fe, Co, Al, Fe) характеризуется как допустимый (суммарный показатель загрязнения Zc<16).
6. С использованием лазерного анализатора размеров частиц Microtrac впервые выполнен анализ содержания и количества частиц субмикронного диапазона (от 20 до 300 нм) в исследованных кернах донных отложений, разделенных на пробы по 2 см по глубинам. Исследование показало определенную стабильность распределения гранулометрического состава донных отложений по глубине в пределах одного керна. Характер распределения мелкодисперсных фракций донных отложений по глубине на других станциях качественно отличается. Это может быть связано с различием формирования поверхностного стока на различных частях водосбора с учетом гидродинамических особенностей Ладожского озера. Но стабильность пространственного распределения мелкодисперсных фракций по глубине сохраняется на всех станциях.
7. На фоне выявленной стабильности пространственного распределения мелкодисперсных фракций по глубине имеет место существенное варьирование органической составляющей состава проб донных отложений и их элементного состава по глубине в пределах одного керна. Высказано предположение о стремлении к определенному стабильному равновесному состоянию в распределении мелкодисперсных фракций донных отложений по глубине, что требует дальнейших исследований.