Гидрохимия активных солей азота в реках Курской области
В. Л. Бочаров, А. С. Посредников¸ Воронежский государственный университет
Круговорот азота представляет собой диалектическое единство процессов синтеза и распада вещества в ходе перемещения этого элемента между живыми и неживыми, органическими и неорганическими фондами трех фаз планеты. Общепланетарный запас азота составляет 2, 170 · 1017 т, при этом в литосфере локализовано 2, 127 · 1017, в атмосфере 0, 425 · 1017 и в биосфере 1, 804 · 1016 т [1]. Азот литосферы практически неподвижен и не участвует в обменных процессах с другими фазами, за исключением небольшого количества, поступающего с вулканическими извержениями. Биогеохимически «активный» азот распределен по фондам следующим образом, в атмосфере содержится 99, 4 %, в гидросфере 0, 5 %, в почве 0, 05 % и 0, 005 % в биомассе. Хотя в биосфере аккумулировано лишь 0, 01 % общего запаса азота, процессы круговорота азота здесь более разнообразны, а их ход имеет более выраженную интенсивность. В условиях современной антропогенной нагрузки глобальный круговорот азота приобрел ряд специфических особенностей, проявляющихся в увеличении вклада источников технического азота и в активизации потоков азота между компонентами биосферы. Глобальный цикл азота складывается из ряда подциклов, происходящих во всех компонентах биосферы, в каждом из которых поддерживается определенный баланс приходных и расходных статей вследствие протекания взаимно направленных процессов. В свою очередь, каждый из процессов круговорота азота имеет свою определенную цикличность [1–4].
По своей природе основные процессы азотного цикла подразделяются на биогенные и абиогенные. В земных и водных экосистемах азотный цикл складывается преимущественно из биогенных процессов трансформации, а в атмосфере преобладают химические и фотохимические реакции.
К абиогенным процессам круговорота азота относятся улетучивание аммиака и других газообразных соединений (хемоденитрификация); фиксация NH4 + минералами и органическим веществом; миграция NO3 – c внутрипочвенными и грунтовыми водами; отложение органических форм азота в виде природных осадков [5; 6].
Образование, транспорт и аккумуляция нитратов в компонентах биосферы является одним из этапов природного цикла азота, тесно связанного с совокупностью процессов, вовлекающих в круговорот и другие азотосодержащие соединения.
Принципиальным механизмом образования и накопления нитратов в наземных и водных экосистемах служит процесс нитрификации, который рассматривается как конечный этап круговорота. При благоприятных для нитрификации геоэкологических условиях возрастает вероятность потерь азота в результате вымывания и денитрификации, что ограничивает потенциальную продуктивность растений и несет угрозу эколого-санитарному состоянию природных вод либо приводит к накоплению нитратов в воде, почвах и растенях в количествах, опасных для здоровья человека и животных. В свою очередь, скорость образования нитратов и уровень их содержания косвенно зависят от процессов фиксации молекулярного азота и аммонификации органических соединений, связывания нитратного азота высшими растениями или микроорганизмами и денитрификации. Образование нитратов в атмосфере происходит в ходе различных фотохимических и термических реакций, в которые вовлекаются молекулярный азот и его окислы природного или антропогенного происхождения.
Природные источники нитратов представлены в основном геологическими породами и отложениями, органическими азотосодержащими соединениями почвы и донных отложений, образование нитратов из которых создает естественный фон во всех фазах биосферы, а в некоторых случаях ведет к локальному повышению их концентрации.
Основным источником нитратов в ненарушенных ландшафтах и агроландшафтах является органическое вещество почвы, минерализация которого обеспечивает постоянное образование нитратов. Скорость минерализации органического вещества зависит от его состава, совокупности экологических факторов, степени и характера землепользования. Поэтому динамика нитратов в земных экосистемах определенным образом связана с малым биологическим круговоротом азота [1].
Антропогенные источники нитратов подразделяются на аграрные (минеральные и органические удобрения, животноводческое производство и др.), индустриальные (отходы промышленного производства и сточные воды) и коммунальнобытовые. Роль каждого из этих источников в отдельных странах, регионах, областях неодинакова, что зависит от природных условий, соотношения аграрного и промышленного секторов, интенсивности их развития и масштабов производства, степени концентрации точечных источников нитратов и других факторов.
Азотные
удобрения представляют собой главный антропогенный источник азота, который по
своим масштабам приближается к биологической его фиксации на суше и по
некоторым прогнозам уже в ближайшие десятилетия превысит ее. К
Более опасные последствия для окружающей среды имеют потери азотных удобрений в ходе транспортировки, хранения и внесения, поскольку в этом случае азот удобрений целиком поступает в атмосферу или водоемы. Места разгрузки, тукосмешения и хранение удобрений могут быть точечным источником нитратов, приводящим к локальному загрязнению, что особенно вероятно при нарушении существующих технологических операций по хранению удобрений в случае поставки их в незатаренном виде и несоблюдении регламентированных требований по расположению складов, при использовании мало приспособленных технических средств для перевозки и заправки разбрасывателей и туковысеивающих машин удобрениями. В складах, как правило, отсутствуют площадки для мойки транспорта и тары, стоянки автотранспорта, перевозящего удобрения, в результате чего увеличиваются потери удобрения.
Основным источником компенсации расхода органического вещества почвы являются органические удобрения и растительные остатки, которые, подвергаясь процессам гумификации – минерализации, обеспечивают постепенное образование нитратов в почве. По обобщенным данным литературы, с растительными остатками разных культур в почву поступают от 25 до 150 кг/га азота. Наибольшее количество азота поступает с растительными остатками бобовых, узкое отношение C : N которых свидетельствует о подверженности их достаточно быстрой минерализации [2; 9; 10].
Скопления отходов животноводческого производства вблизи стационарных комплексов, откормочных и моечных площадок, а также в сооруженных для очистки стоках представляют собой точечный, концентрированный источник локального загрязнения нитратами, а в связи с расширением и концентрацией животноводческого производства в отдельных регионах данный источник приобретает решающее значение в насыщении поверхностных и грунтовых вод нитратами. Об интенсивности вклада животноводческого производства в антропогенное загрязнение окружающей среды нитратами свидетельствуют следующие примеры. В России ежегодно образуется 345 тыс. т жидкого навоза в результате удаления отходов методом гидросмыва.
Индустриальные и коммунально-бытовые отходы редко принимаются во внимание как источник нитратов по сравнению, например, с сельскохозяйственными, поскольку содержащийся в них азот представлен преимущественно аммонийной формой. В ходе биологической очистки уровень N–NO3 в промстоках возрастает, однако современные очистные схемы некоторых предприятий зачастую не предусматривают удаление нитратов – в результате в канализационную сеть и водоемы могут поступать обогащенные нитратами воды. Так как для приема отработанных сточных вод различных производств используются в основном малые реки, а также если учесть увеличивающиеся объемы сточных вод промышленных предприятий и канализационных стоков, количество которых составляет в целом по России 140 млрд м3 в год с образующимся осадком сточных вод 4 млн т, а в странах Западной Европы в размере 6 млн т сухого вещества, то данный источник нитратов может иметь в некоторых районах решающее значение в загрязнении водоисточников.
К неконцентрированным источникам нитратов следует отнести уличные дождевые стоки, в которых содержится примерно 6–34 мг/дм3 общего, 2–14 мг/дм3 аммонийного и 0, 35–1 мг/дм3 нитратного азота. Однако отмечены случаи, когда поверхностный сток с территории крупного аэропорта содержал 600 мг/дм3 общего азота и 100 мг/дм3 N–NO3, что было связано с применением азотосодержащих солей в качестве противогололедных препаратов [1; 11].
Промышленные и хозяйственно-бытовые сточные воды проходят цикл очистки в стационарных сооружениях, после чего поступают в городскую канализацию, сбрасываются в водоемы либо вносятся с целью очистки и утилизации на поля или в заболоченные участки. В ходе механической и биохимической очистки и постепенного разбавления содержание общего азота в сточных водах уменьшается на 50 %, а при биологической доочистке концентрированных сточных вод и на 80–90 %, однако большая часть водорастворимых соединений, в том числе нитраты, остаются в стоках. Поступление последних в поверхностные и грунтовые воды может быть уменьшено, если в схему очистки сточных вод включены этапы нитрификации, денитрификации и дальнейшей их утилизации на полях [2; 12].
Поступление азота с атмосферными осадками является одним из источников поддержания нитратного бюджета в наземных экосистемах. Концентрация азотистых соединений отражает уровень их содержания в атмосфере, поэтому увеличение размеров поступления NO3ˉ и NH4 + с осадками свидетельствует о загрязнении атмосферы аммиаком. Атмосферный фонд азота пополняется газообразными соединениями азота, образующимися в ходе природных процессов трансформации органического вещества почвы и азота удобрений, вулканических извержений, грозовых разрядов, а также в результате разнообразной хозяйственной деятельности человека.
Основной вклад в загрязнение атмосферы окислами азота и аммиаком вносят газопылевые выбросы химической, металлургической, машиностроительной промышленности, тепловые электростанции, транспортные средства, а в последние годы и сельскохозяйственное производство. При сгорании топлива в стационарных установках в атмосферу поступает около 50 %, на долю транспортных средств приходится примерно 35 % азотосодержащих выбросов, за счет потерь газообразных соединений при промышленном производстве азотных удобрений в атмосферу поступает 12 % азота от общего количества антропогенных источников [1; 2].
В грунтовых водах количество нитратов несколько выше, чем в воде рек, однако годовая динамика содержания азота нитратов оказалась примерно одинаковой. Вымывание нитратов из почвы в осеннее-зимне-весенний период приводит к увеличению их количества в грунтовых водах. При внесении минеральных удобрений содержание азота в воде резко возрастает, что стимулирует развитие водорослей и высших растений.
Вследствие высокой подверженности поверхностных вод антропогенному загрязнению возрастает значение грунтовых и артезианских вод в обеспечении населения питьевой водой [13; 14].
Однако до сих пор в большинстве регионов России хозяйственно-питьевая потребность населения удовлетворяется за счет поверхностных вод. Хотя подземные воды отличаются, как правило, более низким уровнем нитратов, чем поверхностные, в последние годы отмечена тенденция усиления их загрязнения азотными соединениями [14; 15].
По санитарно-гигиеническим нормам в некоторых странах предельные концентрации нитратов составляют более высокие величины (в Австрии, Бельгии 100–150 мг/дм3). Примерно такой же, как и в России, уровень ПДК установлен в США, Германии, Швейцарии. Самое низкое значение ПДК (15 мг/дм3) установлено в Сербии (табл. 1). Согласно стандартам ВОЗ, содержание нитратов в питьевой воде не должно превышать в пересчете на азот 11, 3 мг/дм3; недопустимой считается концентрация нитратов 22, 6 мг/дм3 [2; 5].
Учитывая различные аспекты отрицательного действия нитратов и в целях соблюдения интересов всех водопотребителей и сохранения экологического благополучия водоемов, предлагается устанавливать уровень ПДК нитратов на едином эколого-гигиеническом подходе, беря за основу не гигиеническую, а более низкую экологическую норму предельного содержания нитратов. Такой подход потребует более строгого соблюдения требований к очистке сбрасываемых сточных вод в водоемы, уменьшит подверженность вод эвтрофикации, снизит риск негативного действия нитратов на организм человека и животных.
Таким образом, усиление антропогенной нагрузки на экосистемы влияет на химический состав поверхностных и грунтовых вод, вызывая увеличение содержания аммонийной и нитратной форм азота, что приводит к нарушению санитарно-гигиенического состояния водоисточников, ухудшению качества воды. Повышение содержания нитратов в поверхностных и грунтовых водах обусловлено увеличением размеров поступления азотистых соединений с внутрипочвенных и поверхностных стоков из агроландшафтов, сбросом недостаточно очищенных или не прошедших стадию биологической очистки промышленных и коммунально-бытовых вод в водоемы, случайным попаданием азотосодержащих продуктов в водоемы. Наиболее опасными источниками поступления нитратного азота в воду являются животноводческие комплексы, а также применение их стоков и жидкого навоза в повышенных дозах в качестве удобрений. Достаточно велики негативные последствия нерационального применения минеральных азотных удобрений, использование которых увеличивает в свою очередь поступление в водоисточники азота почвенного происхождения [1; 2; 8].
Курская область обладает достаточно хорошо развитой речной сетью [13; 14; 16]. Главными водоносными артериями являются р. Сейм, пересекающая территорию области в меридиональном направлении, а также р. Свапа, Тускарь, Усожа (бассейн р. Сейм), Псел. На северо-востоке области наиболее крупными водными артериями являются р. Олым и Тим (бассейн р. Сосна). По химическому составу речные воды не отличаются большим разнообразием. Это преимущественно гидрокарбонатно-кальциевые, кальциевонатриевые, сульфатно-гидрокарбонатные кальциево-натриевые воды с минерализацией от 0, 18 до 0, 35 г/дм3 [15; 16]. Такой химический состав воды и содержание в ней минеральных компонентов свидетельствуют о преобладающем воздействии на формирование их гидрохимического облика атмосферных осадков. Довольно высокое содержание сульфат-иона указывает на определенное влияние в формировании химического состава литологического состава водовмещающих пород (присутствие карбонатов кальция в северных и северо-западных участках бассейна р. Сейм.
Активные соли азота, отличающиеся, как известно, повышенной миграционной способностью, присутствуют во всех гидрохимических типах речных вод. Однако их абсолютные количества не выходят, как правило, за пределы сотых– десятых долей мг/дм3 (табл. 2). Эти содержания не превышают границы предельно допустимых концентраций. Так, аммоний-ион по весьма представительному количеству определений образует содержание от 0, 05 до 0, 2 мг/дм3. Нитрит-ион также практически не превышает величин, установленных действующими нормами и правилами, определяющими качество водной среды. Его количества находятся в пределах 0, 03–0, 22 мг/дм3. Нитрат-ион, так же как и ранее охарактеризованные активные соли азота, образует довольно устойчивые концентрации, находящиеся значительно ниже уровня предельно допустимых концентраций (9, 0–24, 6 мг/дм3). При этом наблюдается прямая, довольно устойчивая корреляция между тремя формами активных солей азота.
Вместе с тем, наблюдается существенное отклонение содержаний солей азота в пределах ряда промышленных районов, таких как Курский, Михайловский горнопромышленный, Олымско-Касторненский, Обоянский, Рыльско-Льговский. Нитраты, так же как и другие соединения азота, здесь образуют повышенные концентрации, что сразу же отражается и на возрастании минерализации. Так, в районе г. Курска содержание нитрат-иона в р. Сейм увеличивается до 35, 2– 38, 8 мг/дм3, нитрит-иона – до 0, 22–0, 26 мг/дм3, аммоний-иона – до 0, 18–0, 30 мг/дм3. В пределах Михайловского горнопромышленного района (р. Усожа, Песочная, водохранилище Михайловского ГОКа) на фоне возрастающей минерализации (0, 37–0, 78 г/дм3) содержание солей азота возрастает соответственно для нитрат-иона – от 40, 4 до 52, 2 мг/дм3, нитрит-иона – от 0, 42 до 0, 82 мг/дм3, аммоний-иона – от 0, 20 до 0, 24 мг/дм3. Подобная картина наблюдается и для других районов области (см. табл. 2). В ряде сельских поселений по берегам рек отмечаются также повышенные содержания активных солей азота, однако они, как правило, не превышают предельно допустимых концентраций. Здесь увеличение концентраций азотистых соединений можно связывать с наличием в прибрежных участках животноводческих комплексов, способствующих генерации органического загрязнения.
Можно считать, что источниками соединений азота в реках Курской области являются как аграрные, так и в большей степени промышленные факторы. Однако разделить минеральные и органические источники поступления соединений азота можно только с помощью изотопного анализа азота, что весьма затруднительно как с технической, так и с финансовой точек зрения.
В целом, можно отметить, что реки Курской области не представляют собой экологической опасности с точки зрения загрязнения их соединениями азота. Речные воды, за исключением промышленных районов, пригодны для всех видов сельскохозяйственного и технического водоснабжения. По сравнению с водами бассейнар. Дон на территории Липецкой области отмечается несколько повышенный геохимических фон соединений азота [17]. Это может быть связано с вариациями температурного режима в период отбора проб. Как известно, при более высоких температурах воздуха накопление нитрат-, нитрит- и аммоний-ионов в водной среде происходит активнее.
Несмотря на благоприятную в целом ситуацию в отношении азотистого загрязнения, представляется целесообразным принятие мер по снижению техногенной нагрузки на водную среду в пределах промышленных районов области, где основное загрязнение рек происходит за счет неупорядоченных отходов промышленного производства и коммунально-бытовых стоков.
Список литературы
1. Соколов О. А. Нитраты в окружающей среде / О. А. Соколов, В. М. Семенов, В. А. Агаев. – Пущино : ОНТИ НЦБИ АН СССР, 1990. – 316 с.
2. Кудеяров В. Н. К вопросу о загрязнении природных вод соединениями азота / В. Н. Кудеяров, В. Н. Башкин // Агрохимия. – 1978. – № 3. – С. 19–27.
Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://www.vestnik.vsu.ru/
Дата добавления: 07.07.2012
