Пространственное распределение химических элементов в водотоке штольни 504 площадки "Дегелен"

Abstract

Актуальность работы обусловлена необходимостью получения современных данных о концентрации химических элементов в системе "вода-почва-растения" на припортальном участке штольни 504 площадки "Дегелен" бывшего Семипалатинского испытательного полигона. В период весеннего половодья возможен вынос элементов за пределы площадки штольни 504. Цель: изучение пространственного распределения химических элементов в системе «вода-почва-растения» в водотоке штольни 504. Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи: 1) определить уровни концентрации химических элементов в воде; 2) изучить уровни концентрации химических элементов в почве; 3) выявить особенности накопления химических элементов в растениях штольни 504. Методы. Элементный состав воды определялся методами масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (Elan 9000 "Perkin Elmer SCIEX"), атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой ("iCAP 6300 Duo" Thermo Scientific). Анализ таких показателей, как общая минерализация, содержание сульфатов, гидрокарбонатов, хлоридов, кальция, магния и натрия, проводился титриметрическими, колориметрическими, потенциометрическими методами в соответствии с ГОСТ. Результаты. Анализ данных, полученных по воде, показал высокое содержание таких элементов, как Li, Be, Al, Mn, Zn, Rb, Sr, Cd, Cs, La, Ce, U, среднее содержание которых в несколько раз превышает показатель кларка в подземных водах аридного климата (сульфатные воды). Также для воды замечено превышение предельно допустимых уровней для таких элементов, как Be (2800 ПДК), Mn (260 ПДК), Al (76 ПДК), U (70 ПДК) и Cd (50 ПДК). По последним данным выявлено, что содержание таких элементов, как Li, Be, Al, в воде увеличилось в 2 раза, тогда как Co, Ni и Cu - в десятки раз. Пространственное распределение исследуемых элементов в почве штольни 504 неоднородно, большая часть элементов концентрируется в грунте севернее русла водотока. На данном участке выявлено повышенное содержание таких элементов, как Be, Mn, Cu, Zn, Мо, Cd, Cs, Pb и U, превышающих показатель кларка литосферы. Индекс превышения значения кларка литосферы составил для концентрации урана 1000 раз. Сравнение полученных данных на загрязненных участках со значением предельно-допустимых концентраций химических элементов для почвы выявило превышение у Pb (26 ПДК), Mn и Cu (9 ПДК). Химический состав воды и почвы штольни 504 является уникальным по содержанию редкоземельных элементов. Среднее содержание РЗЭ в воде в тысячу раз превышает показатель кларка в подземных водах аридного климата и подземных водах СИП. Замечено превышение предельно допустимого уровня концентрации для самария в воде. Характерным является преобладание группы легких РЗЭ с ярко выраженной церий-лантановой специализацией. Для большинства видов растений штольни 504 на загрязненном участке выявлено повышенное содержание Be, Сd, Cs, Pb, U и ряда РЗЭ. Концентрация исследуемых элементов в таких видах растений, как тростник и вейник, на сравниваемых участках менялась незначительно, что, видимо, обусловлено наличием физиолого-биохимических механизмов, препятствующих их поступлению. Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод, что пространственное распределение элементов на площадке штольни 504 связано, прежде всего, с выносом химических элементов штольневыми водами. В воде штольни 504 выявлено порядка десяти элементов, превышающих значения кларка и предельно допустимые уровни.

Relevance of the research is caused by the necessity of obtaining up-to-date data on concentrations of chemical elements in the "water- soil-plant" system on the near-entry spot of tunnel 504 of "Degelen" site at the former Semipalatinsk Test Site. During flooding in spring, elements may be carried out beyond tunnel 504. The main aim of the research is to study spatial distribution of chemical elements in the "water-soil-plant" system in the streamflow of tunnel 504. To achieve this goal, the following tasks were set: 1) determine concentration levels of chemical elements in water; 2) study concentration levels of chemical elements in soil; 3) identify features of chemical elements accumulation in plants of tunnel 504. Methods. The ultimate composition of water was determined by inductively-coupled plasma mass-spectrometry (Elan 9000 "Perkin Elmer SCIEX"), inductively-coupled plasma atomic emission spectrometry ("iCAP 6300 Duo" Thermo Scientific). The analysis of such indicators as total mineralization, the content of sulfates, hydrocarbonates, chlorides, calcium, magnesium and sodium was carried out using titrimetric, colorimetric, potentiometric techniques in accordance with GOST. Results. The analysis of the data obtained for water showed a high content of such elements as Li, Be, Al, Mn, Zn, Rb, Sr, Cd, Cs, La, Се, U the average content of which exceeds the clarke several times for groundwater of the arid climate (sulfate water). The excess of maximum permissible levels of such elements as Be (2800 MPC), Mn (260 MPC), Al (76 MPC), U (70 MPC) and Cd (50 MPC) has been registered for water. According to the latest data, the content of such elements as Li, Be, Al in water was found to increase by 2 times whereas that of Co, Ni and Cu - by dozens of times. Spatial distribution of elements of interest in soil of tunnel 504 is non-uniform. Most of elements are concentrated in soil to the north of the streamflow bed. An elevated content of such elements as Be, Mn, Cu, Zn, Мо, Cd, Cs, Pb and U was detected in this area exceeding the clarke of lithosphere. The high index of lithosphere clarke value excess was found for uranium concentration (1000 times). Comparison of findings for contaminated areas with values of maximum permissible concentrations of chemical elements in soil showed the excess for Pb (26 MPC), Mn and Cu (9 MPC). Chemical composition of water and soil of tunnel 504 is unique by the content of rare-earth elements. The average content of REE in water exceeds the clarke by thousand times in ground water of the arid climate and STS ground water. The excess of the maximum permissible concentration level of samarium was observed in water. Predominance of light REE is characteristic, with a pronounced cerium-lanthanum feature. This fact shows that metals in water originate from natural sources. For most plant species of tunnel 504 an elevated content of Be, Сd, Cs, Pb, U and a number of REE was detected in the contaminated area. Concentrations of elements of interest in such plant species as reed and bluejoint in areas being compared, varied insignificantly which is apparently attributed to some physiological and biochemical mechanisms that impede the intake. Based on the above, one can conclude that spatial distribution of elements at tunnel 504 is first of all related to chemical elements carried out by tunnel water. About ten elements exceeding clarke values and maximum permissible levels were detected in water of tunnel 504.