Исторически сложилось так, что Донецк является одним из мест, где сосредоточены различные отросли промышленности (металлургическая, коксохимическая, угольная и другие), отсюда существенное последствие – возникновение негативной экологической ситуации в регионе. Экологически негативная ситуация сложилась и с водными ресурсами Донецка. Это связано с тем, что предприятия в своей деятельности используют водный потенциал, при этом в реку сбрасываются уже использованные, недостаточно очищенные сточные воды, которые и являются основными загрязнителями рек. В воде практически всех рек региона имеет место высокая концентрация солей, нитритов, азота аммонийного, взвешенных веществ, органических веществ. В магистерской работе основное внимание будет направлено на изучение экологического состояния реки Кальмиус, в особенности, будет затронута проблема нахождения тяжелых металлов в реке и влияние данных элементов на живые организмы. Проблема изучения тяжелых металлов, как загрязнителей реки Кальмиус, связана с тем, что тяжелые металлы обладают кумулятивностью и токсичностью, накапливаясь в окружающей среде, они практически не исчезают. В водоеме же они сорбируются илом, донными отложениями, процесс очистки при этом очень длителен, что порой, водоем не успевает от таких загрязнений очиститься. Источниками поступления тяжелых металлов в реку Кальмиус могут служить шахтные воды, воды от металлургических производств, поверхностный сток. Исследование тяжелых металлов в воде дает характеристику загрязнений в данный момент, исследование донных отложений позволяет получить интегральные во времени средние значение содержания данных элементов, при этом суммируя эти данные можно определить экологическое состояние водоема.

ХАРАКТЕРИСТИКА СОСТОЯНИЯ РЕКИ КАЛЬМИУС.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О РЕКЕ КАЛЬМИУС.

Река Кальмиус длиной 209 километров впадает в Азовское море. Площадь водосбора – 5070 квадратных километров. Средний уклон поверхности – 1%. Бассейн реки расположен в трех геоморфологических районах: верхняя часть, в пределах южного склона Донецкого кряжа, средняя – в Приазовской кристаллической гряде и южная, приустьевая, на приазовской низменности. Рельеф бассейна равнинный, умеренно пересеченный оврагами и балками. Коэффициент с учетом густоты речной сети составляет – 0,11, русло реки разветвленное, извилистое, местами сильно извилистое, шириной до 20 метров. Скорость течения то 0,4м/с до 1,5м/с. Дно каменистое и глинистое, прикрытое слоем ила, глубина реки составляет от 2,5 до 10 метров. Основным источником питания реки являются талые воды, дождевые и грунтовые воды имеют второстепенное значение. Ледостав реки устанавливается в первой декаде декабря. Наибольшая толщина льда 0,7 метров, средняя 0,2 – 0,3 метра. Во второй половине марта река полностью очищается от льда.

В состав реки Кальмиус входят притоки и водохранилища (порядка 18). В Донецкой области выделяют: Верхне-Кальмиуское – это резервное питьевое; Нижне-Кальмиуское, расположено в городе Донецк. И предназначено для рыбалки и отдыха населения, Павловское, основное предназначение этого водохранилища – это обеспечение технической водой промышленных предприятий города Мариуполя.

Таблица 1. Динамика изменения ТМ в сточных водах.

Год	Gr_3	Fe	Mn	Pb	Al	Cu	Zn	Ni	Gr_6
1996	0,098	154,90	1,894	0,058	2,82	0,984	3,204	1,312	0,698
1997	0,098	124,80	4,321	0,984	2,91	1,41	4,84	1,284	1,841
1998	0,150	103,20	5,938	1,073	2,147	4,161	5,652	1,050	2,075
1999	0,22	98,22	11,22	0,953	1,572	2,171	3,086	1,120	0,247
2000	0,672	93,44	10,50	0,90	2,788	1,861	7,438	1,384	1,723
2001	1,677	87,11	9,86	0,194	2,147	3,346	5,180	1,384	1,723
2002	1,885	129,0	20,05	0,0	2,257	4,779	10,09	1,132	0,188

Содержание тяжелых металлов в сточных водах с каждым годом увеличивается, это связано прежде всего, возможно, не только с расширение производства, но и с недостаточной при этом степенью очистки.

ОЦЕНКА ИСТОЧНИКОВ ЗАГРЯЗНЕНИЯ РЕКИ КАЛЬМИУС ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ (ТМ).

Основными источниками поступления ТМ в р. Кальмиус (в черте г. Донецка) являются: сточные воды, поступающие из ливнеотстойника электросталеплавильного цеха (ЭСПЦ) Донецкого металлургического завода (ДМЗ);шахтные воды ш/у им. Горького и АП шахты им. А.Ф. Засядько;поверхностный сток с территории города; расположенные вблизи реки породные отвалы и свалки бытового мусора.

Поверхностный сток с территории города является существенным источником загрязнения и засорения водных одъектов. Поверхностный сток включает в себя дождевые, снеговые и поливомоечные сточные воды. Основными источниками загрязнения поверхностного стока на городских территориях являются: мусор с поверхности покрытий, продукты загрязнения дорожных покрытий, продукты эрозии грунтовых поверхностей, выбросы веществ в атмосферу промышленными предприятиями, автотранспортом, площадь для сброса бытового мусора. Оценку выноса веществ с поверхностным стоком производят на основе ориентировочных данных о составе и количестве поверхностного стока. При определении количества веществ, поступающих в водный объект, необходимо знать его состав и расход. Количество дождевых и снеговых вод зависит от количества выпавших атмосферных осадков и характеристик водосборной территории.

По данным лабораторных исследований проб воды, проведенных управлением экологии и природных ресурсов, после сброса сточных вод пруда-осветлителя шахты им. А.Ф. Засядько, было установлено превышение содержания свинца, марганца, никеля.

В сбросах ДМЗ ЭСПЦ за 2002 год установлено превышение ПДС (предельно допустимый сброс) по марганцу в 1,7 раз до ЭСПЦ и по хрому в 2 раза – после ЭСПЦ. В сбросах шахты им. А.Ф. Засядько имеется превышение по свинцу в 1,2 раза. В настоящее время можно количественно оценить поступление ТМ со сточными водами предприятий, в то же время поверхностный ливнесток с территории города не поддается учету. Основными источниками загрязнения поверхностного стока на городских территориях являются: мусор с поверхности асфальтного покрытия, продукты эрозии грунтовых поверхностей, выбросы веществ в атмосферу промышленных предприятий, автотранспорт. Так, в поверхностном дождевом стоке с урбанизированных территорий процентное содержание ТМ составляет от 35-54% - для Mn, Zn, Pb, 86% для Cu (литературные данные), т.о поверхностный сток вносит весомый вклад в загрязнение реки ТМ.

ОЦЕНКА СОДЕРЖАНИЯ ТМ В РЕКЕ КАЛЬМИУС.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ТМ КАК ЗАГРЯЗНИТЕЛЕЙ.

Термин "тяжелые металлы" связан с высокой атомной массой. Эта характеристика обычно отождествляется с представлением о высокой токсичности. Одним из признаков, позволяющим относить металлы к тяжелым, является их плотность (больше пяти). По биологической роли в живых организмах тяжелые металлы включают в себя как типичные микроэлементы (кобальт, медь, цинк, молибден, хром, марганец, никель), биохимические функции которых подробно изучены, так и металлы (металлоиды), чья биологическая роль в живых организмах не столь многогранна и важна или вообще сомнительна (скандий, титан, кадмий, родий, сурьма, таллий). Вместе с тем все тяжелые металлы обладают одним общим свойством: они могут быть биологически активными. Вследствие этого, попадая в результате антропогенной деятельности в природные среды в миграционно-активном состоянии, они начинают мигрировать, включаясь в той или иной степени в биологический круговорот, и при определенных биогеохимических условиях и концентрациях начинают оказывать токсическое воздействие на живые организмы.

ВЛИЯНИЯ ХИМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ НА ИЗМЕНЕНИЕ ТОКСИЧНОСТИ ТМ В ВОДОЕМЕ.

Токсичность природных вод в самом общем виде определяется, в первую очередь, составом и концентрацией химических компонентов, находящихся в воде. Все формы химических элементов в водоеме делят на две группы: физико-химические формы, содержащиеся в определенных фракциях поверхностных вод, которые в свою очередь подразделяются по их размеру, или по их лабильности относительно используемой аналитической техники; химические формы, характеризующиеся или определенными химическими соединениями, или валентным состояниям.

В природных водоемах содержится множество органических веществ, 80% которых составляют высокоокисляемые полимеры типа гуминовых веществ, проникающих в воду из почв. Остальная часть органических веществ растворимых в воде, представляет собой продукты жизнедеятельности организмов (полипептиды, полисахариды, аминокислоты), или же подобные по химическим свойствам примеси антропогенного происхождения. Гуминовые вещества связывают ионы металлов, участвующих в катионном обмене, содержат свободные радикалы, адсорбируют гидроокиси металлов, полипептиды, углеводороды. Связание ионов металлов с гуминовыми и фульвокислотами осуществляется через непрерывно образующие ионы функциональных групп и особенно в результате хелатирования.

На изменения содержания ТМ в водоеме влияют pH, жесткость и температура воды. При прочих равных условиях с ростом температуры среды токсичность растворенной меди и цинка возрастает, что, возможно, прежде всего связано с активизацией биологических процессов в экосистемах, в том числе процессами аккумуляции металлов. Влияние pH сводится к тому, что в кислых водах токсичность меди и цинка проявляется при более низких концентрациях, чем в щелочных. Это связано с более высоким уровнем ионных форм меди, цинка в кислых водах, чем в щелочных.

МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ТОКСИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ТМ ВОДНУЮ РАСТИТЕЛЬНОСТЬ.

ИЗМЕНЕНИЕ БИОПРОДУКТИВНОСТИ ПРОЦЕССОВ.

В зависимости от биомассы, заключенной в единицы объема водяного столба(удельной массы), концинтрация металлов в этой биомассе и в воде, в которой она находится, будет меняться. Эксперимент проводился в 500-миллиметровой колбе. Водоросли, после культивирования помещали в экспериментальные среды, содержащие Cd, где выдерживали 24 часа, концентрация Cd=100мг/л, что меньше ПДК (предельно допустимая концентрация). Как показали эксперименты, на содержания Cd в водорослях влияет pH. Проведенные статистические расчеты показали, что поглощение Cd при pH=7,5 составляет 37,1мг/г сухого вещества биомассы водорослей, при pH=8,5 биомасса составила 47,3мг/г. Также следует отметить, что процесс аккумуляции Cd водорослями фактически не связан с метаболическими процессами, а определяется в основном процессами физико-химической сорбции на поверхности клеток, по крайне мере на начальных этапах воздействия металла на водоросли. Прямым подтверждением этого заключения служат данные, свидетельствующие о том, что, при добавлении металлических ингибиторов в среду, характер аккумуляции металлов водорослями не изменяется, а промывка водорослей в растворе ЭДТА ведет к уменьшению уровней содержания металлов в водорослях.

ВЛИЯНИЕ ТМ НА ФОТОСИНТЕЗ.

Оценка уровня загрязнения реки ТМ является актуальной проблемой. Это связано с тем, что ТМ обладают кумулятивностью и токсичностью для всех живых организмов и гидробионтов в частности. Токсичность ТМ в значительной степени зависит от физико-химических факторов, таких как температура, pH, жесткость воды, содержание органических веществ, а гидробионты в свою очередь проявляют чувствительность к накоплению ТМ в реке. Данное состояние гидробионтов зависит от их способности синтезировать в клетках металлотеионины – белки, содержащие много сульфгидрильных групп, что обуславливает их активность в связании ионов металлов. Обзор литературы по данному вопросу показал, что наиболее важный механизм токсического действия ТМ на живые организмы заключается в подавлении активности многих ферментных систем. Это обусловлено, способностью ТМ вступать в химическое взаимодействие с сульфгидрильными (-SH) группами протеинов живых организмов, в первую очередь ферментных, а также других белковых структур. Изменение их конформационного состояния приводит к блокированию течения ряда биохимических процессов.

Особое значение имеет влияние ТМ на различные сообщества фитопланктона, представляющие собой начальное звено пищевых цепей, так как они являются первичными продуцентами органического вещества в водной экосистеме. Согласно литературным данным ТМ оказывают существенное влияние на процесс фотосинтеза у водорослей, а также соответственно на количество выделенного ими кислорода. Количество растворенного кислорода в воде является жизненно важным параметром водных экосистем, влияющих на процессы самоочищения. В качестве тест реакции на воздействие ТМ служила фотосинтетическая активность водорослей, о которой судили по количеству растворенного кислорода в среде, определяемого с помощью портативного термооксиметра. В качестве комплексообразующих веществ были испытаны следующие соединения: ЭДТА, тиосульфат натрия. Время экспозиции водорослей в растворах составило 24 часа, а время контакта комплексонов с растворами ТМ – 30 минут. Известно, что токсичность ТМ уменьшается в присутствии хелатообразователей – веществ, образующих с ними прочные неионизирующие водо-растворимые комплексы. В результате исследований было установлено, что эффективность защитного действия комплексонов значительно варьируется в зависимости от вида металла. Сравнение результатов, полученных на зеленых и синезеленых водорослей, показало, что чувствительность последних для наиболее токсичных металлов значительно превосходит такову у зеленых водорослей.