Закономерности формирования химического состава озерных вод урбанизированной среды в Арктике (на примере озер города Мурманска)

Марина Алексеевна Постевая, Владимир Андреевич Даувальтер, Захар Иванович Слуковский, Marina Postevaya, Vladimir Dauvalter, Zakhar Slukovskii

Аннотация


Представлены результаты анализа закономерностей формирования химического состава озерных вод в условиях городской среды. Объектами исследования послужили восемь озер г. Мурманска, в различной степени подверженных антропогенному воздействию. Установлено, что химический состав вод исследованных озер определяется комплексным воздействием природных и антропогенных факторов. На основе результатов факторного анализа методом главных компонент установлено четыре значимых фактора: 1) региональные особенности района исследования (геологическое строение водосборных территорий, влияние морских аэрозолей); 2) поступление аллохтонного органического вещества из почвенного покрова; 3) процесс эвтрофикации озер, а также окислительно-восстановительные условия внутри водоемов; 4) антропогенная нагрузка на водоемы и их водосборы (сжигание мазутного топлива, деятельность автомобильного транспорта, разрушение инфраструктуры). При проведении корреляционного анализа выявлены закономерные зависимости величин pH, минерализации, кислотонейтрализующей способности вод от содержания главных ионов, а также щелочных и щелочноземельных металлов в исследованных озерах. Установлена связь между косвенными показателями содержания органического вещества (ТОС, цветность, гумусность) и концентрациями типоморфных (Fe, Al) и редкоземельных элементов (Y, La, Pr, Nd, Sm, Gd).


Ключевые слова


малые озера; гидрохимия; факторный анализ; корреляционный анализ; урбанизация; Арктика

Полный текст:

PDF

Литература


Алекин О. А. Основы гидрохимии. Л.: Гидрометеоиздат, 1970. 442 с.

Атлас Мурманской области. Ред. В. Д. Милосердов и др. Москва: ГУГК НИГЭИ ЛГУ, 1971. 33 с.

Базова М. М. Геохимические закономерности формирования вод малых озер кольского региона в условиях аэротехногенного загрязнения: дис. … канд. геол.-минер. наук. М., 2016. 170 с.

Гашкина Н. А. Пространственно-временная изменчивость химического состава вод малых озер в современных условиях изменения окружающей среды: дис. ... д-ра географ. наук. Москва, 2014. 207 с.

Горленко В. М., Дубинина Г. А., Кузнецов С. И. Экология водных микроорганизмов. М.: Наука, 1977. 289 с.

Григорьев С. В. О некоторых определениях и показателях в озероведении // Труды Карельского филиала АН СССР. 1959. Вып. 18. С. 29-45.

Гусева Н. В., Копылова Ю. Г., Леушина С. К. Распространенность редкоземельных элементов в природных водах междуречья Юньяхи и Ензорьяхи (восточный склон Полярного Урала) // Вода: химия и экология. 2012. № 12. С. 121-129.

Даувальтер В. А. Исследование физического и химического состава донных отложений при оценке экологического состояния водоёмов. Учеб. пособие по дисциплине «Геохимия окружающей среды». Мурманск: Изд-во МГТУ, 2006. 84 с.

Даувальтер В. А., Кашулин Н. А. Геоэкология озер Мурманской области: монография. В 3 ч. Ч. 2. Гидрохимия водоемов. Мурманск: Изд-во МГТУ, 2014. 222 с.

Даувальтер В. А., Слуковский З. И., Денисов Д. Б., Черепанов А. А. Особенности химического состава воды городских озер Мурманска // Вестник Санкт-Петербургского университета. Науки о Земле. 2021. Т. 66, № 2. С. 252-266. doi: 10.21638/spbu07.2021.204

Дину М. И., Баранов Д. Ю. Роль органических веществ гумусовой природы в формировании равновесных форм элементов в водах озер Кольского полуострова: экспериментальные исследования и расчетные результаты // Геохимия. 2022. Т. 67, № 1. С. 57-68. doi: 10.31857/S0016752522010058

Ильченко В. Л., Афанасьева Е. Н., Каулина Т. В., Лялина Л. М., Ниткина Е. А., Мокрушина О. Д. Лицевское рудопроявление урана (арктическая зона Фенноскандинавского щита): новые результаты петрофизических и геохимических исследований // Записки Горного института. 2022. Т. 255. С. 393-404. doi: 10.31897/PMI.2022.44

Казак Е. С., Лебедева Е. Г., Харитонова Н. А., Челноков Г. А., Еловский Е. В. Фракционирование редкоземельных элементов и иттрия в водных средах: роль органотрофных бактерий // Вестник Московского университета. Серия 4. Геология. 2021. № 3. С. 99-112.

Ким Д. О. Факторный, дискриминантный и кластерный анализ. М.: Финансы и статистика, 1989. 215 с.

Кошелева О. Ю. Оценка запечатанности почвенного покрова города Волгограда // Вестник ВГУ. Серия: География. Геоэкология. 2019. № 1. С. 12-18. doi: https://doi.org/10.17308/geo.2019.1/2280

Лозовик П. А. Гидрогеохимические критерии состояния поверхностных вод гумидной зоны и их устойчивости к антропогенному воздействию: диссертация. … д-ра хим. наук. Петрозаводск, 2006. 481 с.

Лозовик П. А., Рыжаков А. В., Бородулина Г. С. [и др.]. Аналитические, кинетические и расчетные методы в гидрохимической практике. Спб.: Нестор-История, 2017. 272 с.

Лопух П. С., Якушко О. Ф. Общая лимнология: пособие для студентов геогр. фак. Минск: БГУ, 2011. 366 с.

Моисеенко Т. И., Даувальтер В. А., Родюшкин И. В. Геохимическая миграция элементов в субарктическом водоеме (на примере озера Имандра). Апатиты: Изд-во КНЦ РАН, 1997. 127 с.

Моисеенко Т. И., Даувальтер В. А., Лукин А. А. [и др.]. Антропогенные модификации экосистемы озера Имандра. М., Наука. 2002. 487 с.

Моисеенко Т. И., Калабин Г. В., Хорошавин В. Ю. Закисление водосборов арктических регионов // Известия Российской академии наук. Серия географическая. 2015. № 2. С. 49-58. doi: https://doi.org/10.15356/0373-2444-2012-2-49-58

Моисеенко Т. И., Дину М. И. Феномен нарастания органических кислот в природных водах и их влияние на закисление вод // Доклады академии наук. 2015. Т. 460, № 5. С. 574-574. doi: 10.7868/S0869565215050205

Никаноров А. М. Гидрохимия. 2-е изд. СПб.: Гидрометеоиздат, 2001. 444 с.

Порунов А. Н. Методика приведения ненормально распределенного ряда к нормальному распределению и оценка методической ошибки // Прикладная информатика. 2011. № 2 (32). С. 3-11.

Рыжаков А. В., Вапиров В. В., Степанова И.А. Кремний в поверхностных водах гумидной зоны (на примере водных объектов Карелии) // Труды Карельского научного центра Российской академии наук. 2019. № 3. С. 52-60. doi: 10.17076/lim942

Сает Ю. Е., Ревич Б. А., Янин Е. П. [и др.]. Геохимия окружающей среды. М.: Недра, 1990. 335 с.

Слуковский З. И., Светов С. А. Геохимические индикаторы техногенного загрязнения донных отложений малых рек в урбанизированной среде // География и природные ресурсы. 2016. № 1. С. 38-45.

Слуковский З. И., Денисов Д. Б., Даувальтер В. А. [и др.]. Озера города Мурманска: гидрологические, гидрохимические и гидробиологические особенности. Апатиты: Издательство ФИЦ КНЦ РАН, 2023. 174 с.

Черногаева Г. М., Жадановская Е. А., Журавлева Л. Р. [и др.]. Загрязнение окружающей среды в регионах России в начале XXI века. Москва: ООО «ПОЛИГРАФ-ПЛЮС», 2019. 232 с.

Янин Е. П., Кузьмич В. Н., Иваницкий О. М. Региональная природная неоднородность химического состава поверхностных вод суши и необходимость ее учета при оценках их экологического состояния и интенсивности техногенного загрязнения // Проблемы окружающей среды и природных ресурсов. 2016. № 6. С. 3-72.

Agrawal H., Malloy Q. G. J., Welch W. A. [et al.]. In-use gaseous and particulate matter emissions from a modern ocean going container vessel //Atmospheric Environment. 2008. Vol. 42. № 21. P. 5504-5510. doi: https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2008.02.053

Algül F., Beyhan M. Concentrations and sources of heavy metals in shallow sediments in Lake Bafa, Turkey // Scientific reports. 2020. Vol. 10, № 1. P. 1782. doi: https://doi.org/10.1038/s41598-020-68833-2

Aschan O. Soluble humus material of northern fresh waters //J Prakt Chemie. 1908. Vol. 77. P. 172. doi: https://doi.org/10.1002/prac.19080770114 (In Turkish)

Ayala-Borda P., Lovejoy C., Power M., Rautio M. Evidence of eutrophication in Arctic lakes //Arctic Science. 2021. Vol. 7, № 4. P. 859-871. doi: ttps://doi.org/10.1139/as-2020-0033

Bazova M. M. Specifics of the elemental composition of waters in environments with operating mining and ore-processing plants in the Kola North. // Geochemistry International. 2017. Vol. 55, № 1. P. 131-143.doi: https://doi.org/10.1134/S0016702917010025

Biddau R., Cidu R., Frau F. Rare earth elements in waters from the albitite-bearing granodiorites of Central Sardinia, Italy // Chemical Geology. 2002. Vol. 182, № 1. P. 1-14. doi: https://doi.org/10.1016/S0009-2541(01)00272-8

Box G. E. P., Cox D. R. An Analysis of Transformations // Journal of the Royal Statistical Society. Series B (Methodological). 1964. Vol. 26, № 2. P. 211-252. doi: https://doi.org/10.1111/j.2517-6161.1964.tb00553.x

Camuffo D. Weathering of building materials // Urban Pollution and Changes to Materials and building surfaces. London: Imperial College Press, 2016. Р. 19-64. doi: https://doi.org/10.1142/9781783268863_0002

Catrouillet C., Guenet H., Pierson-Wickmann A. C. [et al.]. Rare earth elements as tracers of active colloidal organic matter composition // Environmental Chemistry. 2019. Vol. 17, № 2. P. 133-139. doi: https://doi.org/10.1071/EN19159

Clescerl L. S., Greenberg A. E., Eaton A. D. Standard Methods for Examination for Water and Wastewater, 20th ed. Washington: American Public Health Association USA, 1999. 2671 p.

Gomes P., Valente T., Marques R., Prudêncio M. I., Pamplona, J. Rare earth elements-Source and evolution in an aquatic system dominated by mine-Influenced waters // Journal of Environmental Management. 2022. Vol. 322. Р. 116125. doi: https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2022.116125

Gradilla-Hernández M. S. de Anda J., Garcia-Gonzalez A. [et al.]. Multivariate water quality analysis of Lake Cajititlán, Mexico //Environmental monitoring and assessment. 2020. Vol. 192, № 1. Р. 5. doi: https://doi.org/10.1007/s10661-019-7972-4

Henriksen A., Kämäri J., Posch M., Wilander A. Critical loads of acidity: Nordic surface waters // Ambio. 1992. Р. 356-363. doi: https://www.jstor.org/stable/4313961

Hwang H. M., Fiala M. J., Park D., Wade T. L. Review of pollutants in urban road dust and stormwater runoff: part 1. Heavy metals released from vehicles //International Journal of Urban Sciences. 2016. Vol. 20, № 3. Р. 334-360. doi: https://doi.org/10.1080/12265934.2016.1193041

Johannesson K. H., Tang J., Daniels J. M., Bounds W. J., Burdige D. J. Rare earth element concentrations and speciation in organic-rich blackwaters of the Great Dismal Swamp, Virginia, USA //Chemical Geology. 2004. Vol. 209, № 3-4. Р. 271-294. doi: https://doi.org/10.1016/j.chemgeo.2004.06.012

Kashulin N., Kashulina T., Bekkelund A. Long-term eutrophication and dynamics of bloom-forming microbial communities during summer HAB in large Arctic lake // Environments. 2021. Vol. 8, № 8. Р. 82. doi: https://doi.org/10.3390/environments8080082

Kaushal S.S., Duan S., Doody T.R. [et al.]. Human-accelerated weathering increases salinization, major ions, and alkalinization in fresh water across land use // Applied geochemistry. 2017. Vol. 83. Р. 121-135.doi: https://doi.org/10.1016/j.apgeochem.2017.02.006

Kaushal S. S., Wood K. L., Galella J.G. [et al.]. Making «chemical cocktails»–Evolution of urban geochemical processes across the periodic table of elements // Applied Geochemistry. 2020. Vol. 119. Р. 104632. doi: https://doi.org/10.1016/j.apgeochem.2020.104632

Khan M. S. I., Islam N., Uddin J. [et al.]. Khan M. S. I. et al. Water quality prediction and classification based on principal component regression and gradient boosting classifier approach //Journal of King Saud University-Computer and Information Sciences. 2022. Vol. 34, №. 8. Р. 4773-4781.doi: https://doi.org/10.1016/j.jksuci.2021.06.003

Khussain B., Brodskiy A., Sass A. [et al.]. Synthesis of vanadium-containing catalytically active phases for exhaust gas neutralizers of motor vehicles and industrial enterprises // Catalysts. 2022. Vol. 12, № 8. Р. 842. doi: https://doi.org/10.3390/catal12080842

Kritzberg E.S., Ekström S.M. Increasing iron concentrations in surface waters–a factor behind brownification? //Biogeosciences. 2012. Vol. 9, № 4. Р. 1465-1478. doi: https://doi.org/10.5194/bg-9-1465-2012

Lafrenière M. C., Lapierre J. F., Ponton D. E., Guillemette F., Amyot M. Rare earth elements (REEs) behavior in a large river across a geological and anthropogenic gradient // Geochimica et Cosmochimica Acta. 2023. Vol. 353. Р. 129-141. doi: https://doi.org/10.1016/j.gca.2023.05.019

Li G., Li X., Jiang X. [et al.]. Occurrence and source analysis of heavy metals and dissolved organic matter in Nanyi Lake, Anhui Province // Environmental Monitoring and Assessment. 2023. Vol. 195, №. 6. – Р. 660. doi: : https://doi.org/10.1007/s10661-023-11226-5

Moiseenko T. I. Anthropogenic processes in continental waters of Arctic regions and criteria for their assessment // Water resources. 2018. Vol. 45. Р. 578-588. doi: 10.1134/S032105961804017X

Moiseenko T. I., Dinu M. I., Gashkina N. A., Kremleva T. A., Khoroshavin V. Y. Geochemical Features of Elements Distributions in the Lake Waters of the Arctic Region // Geochemistry International. 2020. Vol. 58, № 6. P. 613-623. doi: 10.31857/S0016752520060084

Moiseenko T. I., Gashkina N. A., Dinu M. I. [et al.]. Water chemistry of Arctic lakes under airborne contamination of watersheds // Water. 2020. Vol. 12, № 6. Р. 1659. doi: https://doi.org/10.3390/w12061659

Moiseenko T. I., Bazova M. M., Gashkina N. A. Development of lake from acidification to eutrophication in the arctic region under reduced acid deposition and climate warming // Water. 2022. Vol. 14, № 21. Р. 3467. doi: https://doi.org/10.3390/w14213467

Neubauer E., Köhler S. J., von der Kammer F., Laudon H., Hofmann T. Effect of pH and stream order on iron and arsenic speciation in boreal catchments // Environmental science & technology. 2013. Vol. 47, № 13. Р. 7120-7128. doi: https://doi.org/10.1021/es401193j

Oliver B.G., Thurman E.M., Malcolm R.L. The contribution of humic substances to the acidity of colored natural waters // Geochimica et Cosmochimica Acta. 1983. Vol. 47, № 11. Р. 2031-2035. doi: https://doi.org/10.1016/0016-7037(83)90218-1

Osadchyy V., Nabyvanets B., Linnik P. [et al.]. Processes determining surface water chemistry. Switzerland: Springer International Publishing, 2016. 265 р. doi: 10.1007/978-3-319-42159-9

Peltier R.E., Lippmann M. Residual oil combustion: 2. Distributions of airborne nickel and vanadium within New York City // Journal of Exposure Science & Environmental Epidemiology. 2010. Vol. 20. P. 342-350. doi: https://doi.org/10.1038/jes.2009.28

Postevaya M. A., Slukovskii Z. I., Dauvalter V. A., Bernadskaya D. S. Estimation of heavy metal concentrations in the water of urban lakes in the Russian Arctic (Murmansk) // Water. 2021. Vol. 13, № 22. Р. 3267 doi: https://doi.org/10.3390/w13223267

Postevaya M., Dauvalter V., Slukovskii Z., Kudryavtseva L. Chemical composition and trophic status of urban lakes of the Arctic zone of the Russian Federation (Murmansk) // Ecohydrology. 2023. Vol. 16, № 2. Р. e2505. doi: https://doi.org/10.1002/eco.2505

Sahoo M. M., Patra K. C., Khatua K. K. Inference of water quality index using ANFIA and PCA // Aquatic Procedia. 2015. Vol. 4. Р. 1099-1106. doi: https://doi.org/10.1016/j.aqpro.2015.02.139

Sephton M. G., Webb J. A. Application of Portland cement to control acid mine drainage generation from waste rocks // Applied Geochemistry. 2017. Vol. 81. Р. 143-154. doi: https://doi.org/10.1016/j.apgeochem.2017.03.017

Shafer M. M., Toner B. M., Overdier J. T. [et al.]. Chemical speciation of vanadium in particulate matter emitted from diesel vehicles and urban atmospheric aerosols // Environmental science & technology. 2012. Vol. 46, № 1. Р. 189-195. doi: https://doi.org/10.1021/es200463c

Shapiro J. Effect of yellow organic acids on iron and other metals in water //Journal‐American Water Works Association. 1964. Vol. 56, № 8. Р. 1062-1082.ьdoi: https://doi.org/10.1002/j.1551-8833.1964.tb01303.x

Sholkovitz E. R. The aquatic chemistry of rare earth elements in rivers and estuaries //Aquatic geochemistry. 1995. Vol. 1. Р. 1-34. doi: : https://doi.org/10.1007/BF01025229

Skjelkvåle B. L. Bishop K., Laudon H., Wilander A., Yakovlev V. Effects on freshwater ecosystems // AMAP Assessment 2006: Acidifying Pollutants, Arctic Haze, and Acidification in the Arctic. Arctic Monitoring and Assessment Programme, Oslo: Norway. 2007. 112 р.

Slukovskii Z., Dauvalter V., Guzeva A., Denisov D. [et al.]. The hydrochemistry and recent sediment geochemistry of small lakes of Murmansk, Arctic Zone of Russia // Water. 2020. Vol. 12, № 4. Р. 1130. doi: https://doi.org/10.3390/w12041130

Slukovskii Z. Uranium in Lake Sediments of Humid Zone: A Case Study in the Southeast Fennoscandia (Karelia, Russia) // Water. 2023. Vol. 15, № 7. Р. 1360.doi: https://doi.org/10.3390/w15071360

Tang J., Johannesson K.H. Speciation of rare earth elements in natural terrestrial waters: assessing the role of dissolved organic matter from the modeling approach // Geochimica et Cosmochimica Acta. 2003. Vol. 67, № 13. Р. 2321-2339. doi: https://doi.org/10.1016/S0016-7037(02)01413-8

Wright I. A., Davies P. J., Findlay S. J., Jonasson O. J. A new type of water pollution: concrete drainage infrastructure and geochemical contamination of urban waters // Marine and Freshwater Research. 2011. Vol. 62, № 12. Р. 1355-1361. doi: https://doi.org/10.1071/MF10296

Xiao Y., Riise G. Coupling between increased lake color and iron in boreal lakes // Science of the Total Environment. 2021. Vol. 767. Р. 145104. doi: https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.145104

Xiao Y.H., Räike A., Hartikainen H., Vähätalo A.V. Iron as a source of color in river waters // Science of the Total Environment. 2015. Vol. 536. Р. 914-923. doi: 10.1016/j.scitotenv.2015.06.092

Yevtushenko N. Y., Dudnyk S. V., Rudyk-Leuska N. Y. [et al.]. Factors Determining the Degree of Heavy Metals' Toxicity to Fish (a Review) // Hydrobiological Journal. 2021. Vol. 57, №. 4. Р. 75-85. doi: 10.1615/HydrobJ.v57.i4.70

Zoller W. H., Gordon G. E., Gladney E. S., Jonesl A.G. The sources and distribution of vanadium in the atmosphere // Trace Elements in the Environment. Chapter 3. Washington: American Chemical Society, 1973. Chapter 3. P. 31-47. doi: 10.1021/ba-1973-0123.ch003




DOI: http://dx.doi.org/10.17076/lim1936

Ссылки

  • На текущий момент ссылки отсутствуют.


© Труды КарНЦ РАН, 2014-2019