КНЦ РАН: редкоземельные элементы оказались индикаторами воздействия человека на водоемы

Геохимики Карельского научного центра РАН показали, что редкоземельные элементы можно использовать в качестве маркеров антропогенного влияния на водные объекты в городской черте. Авторы впервые исследовали содержание редкоземельных элементов в современных отложениях малых озер Северо-Запада России, а также описали закономерности их распределения в разных осадочных слоях.

Ранее такие соединения использовались в основном при анализе природных процессов, хотя они имеют большое распространение и в промышленности.

Результаты работы, поддержанной грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Applied Geochemistry.

Известно, что при антропогенном влиянии на окружающую среду, в том числе на водные экосистемы, в воде и донных отложениях накапливаются загрязняющие вещества. Наиболее известные среди них — тяжелые металлы, к которым, например, относятся свинец, ванадий и медь.

«Другие элементы, включая редкоземельные, в качестве индикаторов антропогенного влияния на природу рассматриваются редко, хотя в последние годы такие исследования все-таки появляются на страницах научных журналов. При этом следует отметить, что группу редкоземельных элементов в объектах окружающей среды геохимики изучают давно, но больше с позиций "классической" геологии при анализе природных процессов, влияющих на химический состав тех или иных горных пород и осадочных образований», — рассказывает руководитель проекта по гранту РНФ Захар Слуковский, кандидат биологических наук, заведующий лабораторией геоэкологии и рационального природопользования Арктики Института проблем промышленной экологии Севера Кольского научного центра РАН и старший научный сотрудник лаборатории геохимии, четвертичной геологии и геоэкологии Карельского научного центра РАН.

Исследователи Института проблем промышленной экологии Севера Кольского научного центра РАН (Апатиты), Института геологии Карельского научного центра РАН (Петрозаводск) и Института озероведения РАН (Санкт-Петербург) попробовали использовать редкоземельные элементы в качестве индикаторов антропогенного воздействия. Эти соединения обычны в природе, а также их активно применяют в самых разных отраслях промышленности, в основном в электронике.

В качестве основных объектов исследования ученые выбрали восемь озер на территории Мурманской области и одно — на территории Карелии. При этом пять водоемов расположены в зонах прямого антропогенного воздействия, то есть в городских и промышленных районах, а остальные четыре — на условно-фоновых (природных) территориях северо-запада России. Основным методом анализа донных отложений озер стали палеолимнологические реконструкции, основанные на послойном изучении озерных осадков, что дает представление о недавнем прошлом озер и территорий вокруг них. Так, в каждом озере образцы-керны донных отложений разделялись на слои толщиной по 1 см, а само вещество анализировалось при помощи масс-спектрометра с индуктивно связанной плазмой. Такой прибор позволяет получать данные о концентрациях большого числа химических элементов. В данном случае ученых интересовала группа редких земель, включающая в себя скандий, иттрий и все лантаноиды.

Результаты анализа показали, что в целом на уровень накопления редкоземельных элементов в озерных осадках влияет в первую очередь ландшафт, в котором расположены объекты. Самые большие средние концентрации элементов были установлены в озерах тундровой зоны (порядка 300 мг/кг), чуть меньшие — в лесотундровой (от 109,8 до 175,7 мг/кг), еще меньше — в зоне тайги (порядка 60 мг/кг). Такая зависимость объясняется тем, что в озера тундры и лесотундры с водосбора поступает больше обломочного материала, содержащего редкоземельные элементы, чем в озера лесных районов, где осадки имеют большее содержание органических веществ. Например, самое большое (302,4 мг/кг) среднее содержание редкоземельных элементов оказалось в озере Карху на полуострове Средний (Мурманская область), а самое маленькое (41,8 мг/кг) — в отложениях озера Малое Лендозеро (Терский район Мурманской области).

Однако не только природные факторы могут влиять на геохимию редкоземельных элементов в современных отложениях малых озер Севера России. В озерах Мурманска и Мончегорска (Мурманская область) динамика накопления редкоземельных элементов в индустриальное время развития водных объектов оказалась схожей с динамикой накопления тяжелых металлов. Во всех городских озерах установлено более высокое содержание редкоземельных элементов в верхних слоях отложений по сравнению с нижними (фоновыми) — в некоторых водоемах разница составила более девяти раз. Аналогично ведут себя и тяжелые металлы. Более того, установлена связь между концентрацией суммы редкоземельных элементов и содержанием в отложениях урбанизированных водоемов свинца, который является индикатором воздействия на окружающую среду транспорта (использование этилированного бензина) и промышленности (сжигание угля). Ни в одном из озер, расположенных на условно-фоновых территориях, подобного поведения редкоземельных элементов выявлено не было.

«Опираясь на опыт изучения геохимии городской пыли в других районах мира, мы полагаем, что именно пыль от выветривания почвы, разрушения четвертичных отложений (младше 2,58 миллионов лет), износа сооружений и дорожных покрытий является ключевым источником поступления редкоземельных элементов в отложения озер Мурманска и Мончегорска. На условно-фоновых территориях водные объекты могут подвергаться лишь влиянию дальнего атмосферного переноса загрязнителей от промышленных предприятий, поэтому концентрации редкоземельных элементов не увеличиваются в верхних слоях осадков. Более того, в некоторых озерах выявлены случаи, когда концентрации редкоземельных элементов, наоборот, увеличиваются в нижних слоях донных отложений, что связано с природным влиянием», — объясняет Захар Слуковский.

Результаты проведенных исследований имеют важную теоретическую и практическую значимость. С одной стороны, ученые расширили представление о числе химических элементов и веществ, по которым можно оценить степень антропогенной нагрузки на водные экосистемы городских территорий, и выяснили механизмы их поведения в современных отложениях. С другой стороны, озера городов часто используются в рекреационных целях и новые научные исследования дают представление о степени их безопасности для людей.