Огляд існуючих досліджень
Підприємство масло-жирової промисловості як джерело забруднення довкілля
Діяльність заводу призводить до забруднення водойм очищеними виробничими і господарсько-побутовими стічними водами, а також викидами забруднюючих речовин, що осідають на поверхню ґрунту з повітряного басейну, які потрапляють в атмосферу в результаті проведення технологічного процесу отримання соняшникової олії [2].
На заводі по переробці насіння соняшника утворюються наступні категорії стічних вод:
- дощові (поталі) води;
- виробничі стічні води від відстійників цеху екстракції;
- виробничі стічні води від водопідготовки для бойлерів на установці нанофильтрації;
- виробничі стічні води від продувки градирні;
- виробничі стічні води від продувки казанів;
- господарсько-побутові стічні води від прибирання приміщень;
- господарсько-побутові стічні води від душу, умивальників, туалетів, їдальні і т.п.
Згідно [1] територія заводу по переробці насінь соняшника відноситься до підприємств першої групи. Поверхневий стік цих підприємств за складом забруднюючих речовин близький до поверхневого стоку селітебних територій і не містить специфічних речовин з токсичними властивостями. Основні забруднюючі речовини в дощовому стоці даного підприємства - завислі речовини і нафтопродукти. Слід зазначити, що з метою зниження капітальних витрат на очищення дощового стоку, підприємством проводиться лише часткове очищення даних вод, а саме - першої найбільш забрудненої порції дощових вод, що складає 18,7% від загальної розрахункової кількості дощових вод. Тому дощові стічні, що надходять без очищення до р. Осикова, вносять у неї завислі речовини, що сприяють замуленню дна ріки, а також нафтопродукти (які є поверхово активними речовинами), що сприяють порушенню газообміну в системі "вода - повітря".
Виробничі стічні води, що утворяться при продувці казанів, градирні і від установки нанофильтрації, відрізняються високою мінералізацією, яка у процесі очищення стічних вод знижується на 65%. Однак, варто врахувати те, що природні води Донецького регіону і так відрізняються підвищеною мінералізацією внаслідок наявності на території Донбасу карбонатних порід. Тому додаткове внесення в природні води мінеральних солей приводить до пригнічення розвитку гідробіонтів рік.
Стічні води від відстійників екстракції містять рослинні жири, зважені речовини (шрот, що залишився після видавлювання з насіння олії), гексан (застосовується в якості экстрагента). Ці води характеризуються високим значенням ХСК, БСК5. У процесі очищення стічних вод значення даних показників знижуються на 90 - 97%.
Господарсько-побутові стічні води підприємства характеризуються високими показниками ХСК, БСК5, а також високим змістом азотистих сполук, завислих речовин, присутні також жири і гексан. Залишкові концентрації даних речовин у стічних водах після очищення можуть служити евтрофуючим фактором, оскільки навіть незначна зміна складу вод для малих рік є істотною.
Таким чином, очищені стічні води підприємства по переробці насінь соняшника хоча і не містять канцерогенних і мутагенних речовин, однак їх компоненти можуть бути факторами евтрофування, замулення водотоку, а також порушення кисневого балансу ріки.
Слід також врахувати той факт, що у процесі роботи підприємства здійснюються викиди забруднюючих речовин у атмосферу, зокрема пил неорганічного і органічного походження (пил насіння та шроту), випаровування гексану із нещільностей обладнання та у результаті сушіння шроту, а також оксиди сірки, азоту та вуглецю, що викидаються з труби котельної, яка працює на лушпинні, також ці сполуки містяться у викидах автортанспорту, що перевозить на заводі сировину та продукцію. В результаті ці хімічні речовини осідають на територію заводу і оточуючих населених пунктів. А під час дощів ці сполуки можуть переходити у дощові води і з ними потрапляти до водотоку.
Об'єкт досліджень
Метою дослідження була еколого-токсикологічна оцінка якості вод і донних відкладів р. Осикова поблизу заводу з переробки насіння соняшника.
Завод з переробки насіння соняшника розташований у Петровському районі м. Донецька, у західній частині Донецько-Макіївського району. На відстані 1250 м на схід розташоване с. Мандрикине, а на відстані 350 м від огорожі заводу на північному сході розміщується найближче житлове поселення Петровського району м. Донецька, на південь та захід від майданчика - незабудована територія. Майданчик заводу розташовується на правому схилі долини ріки Осикова.
У гідрографічному відношенні територія Донецької області поділяється на три частини: північну (басейн Сіверського Дінця), південну (ріки Приазов'я), західну (басейн Дніпра). Розглянутий майданчик знаходиться в західній частині, що охоплює ріки, що відносяться до басейну ріки Дніпро.
По південній границі відведеної для заводу території площадка прилягає до балки Осикова, що є джерелом ріки Осикова - лівого притока ріки Вовча. Ріка Вовча впадає ліворуч у ріку Самару, що є лівим притоком ріки Дніпро.
Рельєф, кліматичні умови, геологічна будівля і гідрогеологічні особливості території обумовили основні риси гідрографічної мережі: помірковано круті, а місцями положисті схили долини, витягнуту грушоподібну форму басейну, що простирається з північного сходу на захід, хвилясту, злегка горбисту поверхню. Висота басейну змінюється від 230 м у джерелі до 114,7 м в усті. Гідрографічна мережа розвита слабко, коефіцієнт густоти річкової мережі дорівнює 0,29, площа водозбору - 197,6 км2, середньозважений ухил - 3,3 %, довжина ріки - 27,2 км.
У результаті розвитку господарської діяльності у вигляді гідрографії басейну відбулися значні зміни: схили долини на більшому її протязі забудовані, ближче до вододільної лінії розорані і використовуються для вирощування сільськогосподарських культур. У басейні р. Осикова розвите зрошуване землеробство. Розораність складає 45,4%. У результаті водяної і вітрової ерозії відзначається еродованість ґрунтового шару, що в басейні дорівнює 31%, урбанізованість - 22%.
У гідрологічному відношенні ріка Осикова мало вивчена. Для характеристики її режиму використані дані по ріках-аналогах: р.Дурна - с. Яснобродівка, р. Водяна - с. Нетайлово, водомірні пости на яких діяли у 1948 - 1973 р.р. Згідно даним спостережень встановлено, що р. Осикова відноситься до типу рік з переважно сніго-дощовим живленням.
Вище розрахункового створу ріка не зарегульована, нижче за течією побудовані ставки і водоймища загальним об'ємом 9998 тис.м3, що є джерелами зрошуваного землеробства в господарствах Мар,їнського району [2].
Ріка Осикова є прийомником очищених стічних вод ТОВ "Комбінат Каргілл". Крім того, в ріку Осикова здійснюються скидання мінералізованих шахтних вод шахт: Трудовська, ім. Челюскина і недостатньо очищених побутових стічних вод селищ Гострий, Максимільянівка, Олександрівка. Слід зазначити, що на всьому протязі ріки до нее потрапляє неочищений дощовий стік із прилеглої водозбірної площі [2].
Донні відклади як невід'ємна складова гідроекосистеми
При екологічній оцінці гідроекосистеми одним з найбільш інформативних об'єктів вивчення є донні відклади. Акумулюючи забруднення, що надходять в водойму на протязі тривалого періоду, донні відклади є індикатором екологічного стану території, своєрідним інтегральним показником рівня забрудненості.
Донні відклади являють собою нерозривну єдність складного комплексу мінералів і водного розчину, що просочує відклади. Саме цей водний розчин фізично і хімічно поєднує сукупність дискретних зерен, мінеральних фаз і органічних залишків у цілісну систему. Завдяки йому, через його посередництво здійснюється багатостороння взаємодія її частин. У ньому і на поверхнях його розділу з твердими частками протікають різноманітні хімічні реакції, відбувається перенос і перерозподіл розчинених компонентів. У водному розчині і на поверхні зерен живе донна мікрофлора, що здійснює істотний вплив па протікання хімічних процесів у донних відкладах і життєдіяльність організмів зообентосу.
Донні відклади - це відкрита фізико-хімічна система, через границі якої (водна товща-донні відклади) здійснюється матеріальний обмін з навколишнім середовищем [3].
Процес накопичення у водоймах поступаючих зважених наносів і розчинених елементів найбільш чітко виявляється у формуванні донних відкладів.
При нагромадженні донних відкладів (замуленні) змінюються морфометричні показники водойм та хімічні і біологічні процеси. Процеси, що відбуваються в донних відкладах і придонному шарі води приводять до змін складу води, а також її оптичних властивостей.
Донні відклади містять як автохтонні (що утворюються в самих водоймах), так і алохтонні (що надходять ззовні) частки. Автохтонні компоненти включають продукти руйнування (абразії) берегів, елементи, що випадають з розчину, залишки відмерлих гідробіонтів. Алохтонні компоненти приносяться стоком, вітром, можуть надходити в результаті господарської діяльності людини (скидання стічних вод).
Інтенсивність формування, потужність, гранулометричний і хімічний склад донних відкладів залежать від фізико-географічних умов басейну і сукупності процесів, що відбуваються в самих водоймах. В міру господарського освоєння водозборів і водойм усе більше значення у формуванні донних відкладів здобуває антропогенний вплив (оранка водозборів, скидання стічних вод і ін.) [4].
Накопичення забруднюючих речовин у донних відкладах
Донні відклади поверхневих водотоків традиційно використовуються як індикатор для виявлення складу, інтенсивності і масштабу техногенного забруднення. В істотній мірі це зумовлено тим, що руслові відклади, як найважливіші компоненти гідроекосистем, є кінцевою ланкою місцевих ландшафтних сполучень, у силу чого їхній склад відбиває геохімічні особливості водозбірних територій.
Особливо яскраво подібна залежність виявляється в басейнах річок урбанізованих районів, де більшість водотоків є основними приймачами стічних вод і забрудненого промисловими викидами, відходами і агромеліорантами поверхневого стоку з освоєних територій.
Це приводить до корінної зміни екологічного стану водотоків, що, зокрема, обумовлено формуванням у них протяжних і комплексних за складом геохімічних аномалій, що найбільш повно проявляються в сучасних руслових відкладах. Утворення техногенних відкладів обумовлене зміною умов формування твердого стоку рік і надходженням у водні об'єкти значних мас твердого матеріалу, що має специфічні геохімічні властивості. Саме техногенні відклади є концентраторами основної маси забруднюючих водні системи речовин, що значною мірою визначає необхідність детальних досліджень їхнього речовинного складу, геохімічних особливостей і екологічного значення.
Ці дослідження повинні проводиться з урахуванням наступних положень:
- донні відклади річок відіграють важливу роль у формуванні хімічного складу природних вод і визначають багато особливостей екології водяних систем;
- донні відклади річок служать надійним індикатором техногенного забруднення; вивчення їхніх літолого-геохімічних особливостей дозволяє визначити склад, установити масштаби й оцінити інтенсивність техногенного впливу на водотоки, виявити структурно-морфологічні особливості зон техногенного забруднення;
- масштаби й інтенсивність техногенного осадонакопичення в ріках промислово-урбанізованих районів настільки великі, що тут формується особливий тип алювіальних відкладень (техногенні відклади, або технопель), що визначають еколого-геохімічні особливості річкових систем, специфіку прояву руслових процесів і часто являють безпосередню загрозу всьому живому;
- техногенні відклади, депонуючи забруднюючі речовини, до визначеного ступеня знешкоджують токсичні викиди техногенезу, особливо на початкових етапах забруднення; однак буферна здатність відкладів стосовно полютантів не безмежна; навіть при повному припиненні скидання стічних вод у водотоки відклади тривалий час є вторинним джерелом забруднення водної маси, біоти, заплавних ландшафтів, а хімічні реакції і мікробіологічні процеси, що відбуваються в них, сприяють утворенню рухомих і токсичних сполук багатьох полютантів;
- оцінка екологічного стану річкових систем обов'язково повинна проводитись з урахуванням речовинного складу, геохімічних властивостей і токсикологічної небезпеки техногенних відкладів.
Техногенні відклади можуть бути охарактеризовані як складні органомінеральні утворення, речовинною основою яких служать матеріал, що надходить у водотоки переважно з промислово-побутовими стічними водами і русловий алювій. У більшості випадків саме техногенні відклади є концентраторами основної маси полютантів, активно впливають на хід руслового процесу і визначають екологічний стан річкових систем.
Можна вважати, що техногенні відклади, що формуються в руслах рік промислово-урбанізованих районів, являють собою специфічну техногенну фацію руслового алювію і є новим типом сучасних осадових утворень, сукупність процесів утворення яких може бути названа техногенним алювіальним седиментогенезом [5].
Поширюючись у водному середовищі, отруйні речовини (токсиканти) не тільки розчиняються у воді, а й частково інактивуються, вступаючи у взаємодію між собою (нейтралізація, комплексоутворення та інші реакції), або ж утворюють нові сполуки, більш токсичні, ніж вихідні. Значна частина токсикантів адсорбується завислими речовинами і під впливом гравітаційних сил осідає на дно, де накопичується (адсорбується) в донних відкладах, особливо мулі, включається в кругообіг речовин дна або ж мігрує в глибинні шари донних відкладів, де підлягає діагенетичним перетворенням.
Зростаючі темпи антропогенної дії на водні екосистеми призводять до значного накопичення забруднюючих речовин в твердофазних об'єктах водних екосистем (в донних відкладах і завислих речовинах).
Донні відклади - важливий компонент водних екосистем. Акумулюючи важкі метали, високотоксичні органічні речовини, донні відклади з одного боку сприяють самоочищенню водного середовища, проте з іншого - являють собою постійне джерело вторинного забруднення водойм.
Основна частина забруднюючих речовин в екосистемах із води переходить в донні відклади, в результаті чого ґрунти часто містять високі концентрації забруднюючих речовин, в той час як їх концентрація у воді може і не бути підвищеною.
Вплив токсикантів депонованих у донних відкладах на гідробіонтів
Внаслідок нагромадження різноманітних хімічних речовин, які виявляють токсичний вплив на водні організми, природна вода і донні відклади набувать нової властивості - токсичності. Із середовища, що підтримує життя, вода стає середовищем агресивним, отруйним для живих організмів [6].
Вплив токсикантів на біоту здійснюється через декілька основних процесів:
- біофільтрація (планктонні гіллястовусі ракоподібні, деякі веслоногі рачки-фільтратори, двостулкові молюски, товстолобик);
- біоакумуляція: а) сорбція па поверхні тіла, б) за рахунок осмотичного проникнення в тканини рослин і тварин - біосорбції (водорості, вищі водні рослини, планктонні та донні безхребетні);
- всмоктування кореневою системою водних квіткових рослин;
- передача по трофічних ланцюгах з наступним нагромадженням у вищих трофічних ланках, особливо в хижих і бентосоїдних рибах та рибоїдних птахах (магнифікація).
Описані процеси, з одного боку, відіграють позитивну роль, зумовлюючи самоочищення водних мас, а з іншого - призводять до прогресуючої інтоксикації біоти водойм. Зростання рівня акумуляції токсикантів у часі є фактором, що наближує екологічні катастрофи і спричиняє спершу непридатність риби і рибопродуктів для харчових і кормових цілей внаслідок перевищення санітарно-гігієнічних норм максимально припустимого їх вмісту, а потім - масову загибель риб від кумулятивного токсикозу [6]. Порушується також відтворювальна функція за рахунок акумуляції токсикантів у гонадах і руйнування генофонду риб.
Накопичення забруднень призводить до токсифікації водойм, що дає великий спектр біологічних реакцій, зокрема відгуків планктонних угруповань (планктоценозів), а для стоків багатокомпонентного складу викликає такі основні зміни в структурі та функціонуванні планктоценозів:
- при помірному забрудненні флуктуація видового складу, пригнічення відтворювальної здатності домінуючих видів, екстремальні коливання чисельності та біомаси;
- при підвищеному забрудненні, якщо в екосистемі відбуваються репараційні або детоксикаційні процеси, структура угруповань переходить в іншу якість, відбувається зміна домінант; різноманітність створюють нестійкі види, випадає зі складу планктону частина екологічних угруповань, підвищується представленість резистентних видів, переважають види з короткою тривалістю життя і високою репродуктивною стійкістю; змінюється розмірна структура угруповань у бік переважання популяцій малого розміру;
- у випадку найбільшого впливу стічних вод угруповання переходять в стан хаосу: спостерігаються їхня деструктурованість, агонія і загибель майже всієї фауни. Водна екосистема втрачає буферність, але вона все ж може залишатися досить стійкою, якщо на роль домінанти виходить популяція, резистентна до токсичних впливів (наприклад, Moina ectirostris) [6].
Перелік невирішених проблем і питань
Виходячи з аналізу матеріалів і розробок по темі, варто сказати, що найбільш вивченими є екосистеми великих рік, таких як Дніпро, Дністер, Дунай, Південний Буг, Сіверський Донець, Західний Буг [7]. Існує велика кількість методик для оцінки гідрохімічних показників природних вод. Однак, останнім часом усі частіше прибігають до гідробіологічних досліджень якості вод (методи біотестування і біоіндикації), оскільки вони можуть дати комплексну оцінку впливу внесених у водойму забруднень на функціонування екосистеми [8]. На відміну від фізико-хімічних методів визначення забруднюючих речовин, методи біоіндикації і біотестування в Україні ще мало вивчені. Для оцінки відносної токсичності води і донних відкладень національними нормативними документамии рекомендують використовувати лабораторну культуру Daphnia magna. Вищі судинні рослини - цибуля звичайна Allium cepa, салат посівний Lactuca sativa, запропоновані як чуттєві тест-об'єкти канадською лабораторією по програмі WaterTox. Дані методики описані в стандартах для країн ЄС. В Україні питаннями розробки методик біотестування займається Київський інститут гідробіології, співробітники якого запропонували мікроядерний тест як метод оцінки генотоксичности води.
Поточні і плановані результати
Проби води і донних відкладень були відібрані у квітні 2006 р. згідно зі стандартними методиками [9, 10].
Для досліджень проби води відбирали пластмасовим батометром Молчанова обсягом 4 л, донних відкладень - дночерпачем Петерсона з площею захвату 0,025 м2. Проби шару води відбиралися на глибині 5-10 см від поверхні. Відбирався поверхневий шар донних відкладень потужністю 1-5 см.
У такий спосіб було відібрано 3 проби вод і 3 проби донних відкладень: одна проба в точці скидання очищених виробничих стічних вод, дві інші точки - на 200 м вище і нижче першої точки відбору проб.
Аналіз проб проводився на базі Донецької філії Державного екологічного інституту міністерства охорони навколишньої природного середовища України в аналітичній лабораторії стічних вод і промислових відходів.
Гідрохімічний аналіз проводився за стандартними методиками: рН [11], сухий залишок [12], жорсткість [13], нітрати [14], нітрити [15], амоній [16], ХСК [17], БСК5 [18], важкі метали [19], нафтопродукти [20].
Отримані результати аналізу вод зведені в таблицю 1.
Таблиця 1 - Результати аналізу вод р. Осикова в квітні 2006 р.
| Показники якості води |
Вище скиду |
Скид |
Нижче скиду |
| pH |
7,6 |
8,0 |
7,4 |
| Завислі речовини, мг/дм3 |
14 |
9 |
18 |
| Сухий залишок, мг/дм3 |
2856 |
840 |
2550 |
| БСК5, мг О2/дм3 |
4,2 |
4,0 |
4,0 |
| ХСК, мг О2/дм3 |
31 |
29 |
28 |
| Азот амонійний, мг/дм3 |
менше 0,11 |
менше 0,11 |
менше 0,11 |
| Нітрати, мг/дм3 |
13,5 |
74,2 |
21,8 |
| Нітрити, мг/дм3 |
менше 0,03 |
менше 0,03 |
менше 0,03 |
| Розчинені ортофосфати, мг/дм3 |
менше 0,05 |
0,77 |
0,27 |
| Нафтопродукти та олії, мг/дм3 |
менше 0,3 |
менше 0,3 |
0,3 |
| Токсичність для Daphnia magna |
Відсутня |
Гостра |
Хронічна |
Донні відкладення були проаналізовані на зміст важких металів з метою визначення коефіцієнтів донної аккумуляциии.
Отримані результати аналізу донних відкладень зведені в таблицю 2.
Таблиця 2 - Результати аналізу донних відкладень р. Осыкова в квітні 2006 р.
| Показники якості донних відкладів |
Вище скиду |
Скид |
Нижче скиду |
| Сульфати, мг/кг |
5,2 |
7,4 |
7,6 |
| Нітрати, мг/кг |
33,2 |
- |
30,6 |
| Нафтопродукти, мг/кг |
538,0 |
16,0 |
6,2 |
| Цинк, мг/кг |
914,9 |
96,0 |
30,0 |
| Мідь, мг/кг |
46,39 |
5,50 |
0,40 |
| Свинець, мг/кг |
1,3 |
7,8 |
4,5 |
| Кадмій, мг/кг |
0,28 |
0,36 |
0,10 |
| Марганець, мг/кг |
7,7 |
5,5 |
2,5 |
| Хром, мг/кг |
1,7 |
0,5 |
0,3 |
| Нікель, мг/кг |
34,0 |
1,5 |
0,3 |
Для оцінки відносної токсичності води і донних відкладень використовували лабораторну культуру Daphnia magna, рекомендовану національними нормативними документами. Застосування цієї культури також рекомендується багатьма авторами [24, 25, 26].
Гострі тести на токсичність з використанням гіллястовусих ракоподібних Daphnia magna.
У гострих дослідах на гіллястовусих рачках в якості тест-організмів використовувалася синхронізована генетично однорідна лабораторна культура дафній, виведена з 1 самки з пойменних водойм Дніпра і підтримувана в лабораторних умовах вже протягом 35 років. Критерієм токсичності в гострих дослідах служила смертність тест-організмів відносно контролю. Паралельно з аналізом проб проводилося визначення придатності культури для біотестування. Діапазон реагування дафній для розчинів еталонної речовини - калію двохромовокислого (Сr6+) - 0,35-0,6 мг/дм3.
Згідно з [21] для перевірки токсичності використовувалася молодь дафній віком 1-2 доби. Для отримання необхідної кількості одновікових особин за 2 дні до постановки експерименту було проведено "розведення культури". Для цього в ємності з розчином поживного середовища об'ємом близько 1-1,5 л відбиралися за допомогою піпетки з широким носиком 12-20 вагітних самок.
Через 48 годин проводилася розсадка молодих дафній у досліджувані зразки вод і водних витяжок (по 10 шт. в один 50 мл стаканчик з досліджуваною водою), а також в контрольний розчин (штучне живильне середовище). Для кожного тестованого зразка проводилися три повторності.
Протягом експерименту дафнії не аерувалися і не годувалися.
Результати спостерігалися через 48 годин. Проводився обрахунок кількості загиблих за цей час тварин. За цим обчислювалося виживання (або смертність) об'єктів у різних пробах. Вода (водна витяжка) вважається гостро токсичною, якщо загибель тест-організмів за 48 год. становить 50 і більше відсотків.
Планується провести біотестування проб води і донних відкладень ще за двома методиками:
- Біотест на токсичність по зміні довжини корінців салату посівного Lactuca sativa L.;
- Біотестування проб на генотоксичність за допомогою цибулі звичайної (Allium cepa L.) [22, 27].
Метод біотестування на цибулі звичайній - легкий та чутливий спосіб визначення загальної токсичності, викликаної хімічним впливом, який проявляється в інгібіруванні росту корінців цибулин [22]. Метод доповнюється цитогенетичною оцінкою впливу на тест-об'єкт і дозволяє визначити існування або відсутність мутагенності проби. Мутагенність проб визначається в утворенні мікроядер в процесі мітозу клітин тест-об'єкта (рис. 1, 2).
