Техногенные частицы в донных отложениях

На фото, сделанном при помощи сканирующего электронного микроскопа, вы видите сферическую частицу шлака (оксида железа) с характерным узором на поверхности. Шлак — это побочный продукт металлургического производства, в данном случае — медно-никелевого производства Кольской горно-металлургической компании. Частицу мы нашли в современных донных отложениях озера Комсомольского, расположенного в центре Мончегорска в Мурманской области, в пяти километрах от медно-никелевого комбината. Комбинат здесь работает с конца 1930-х годов.

Вид на озеро Комсомольское в Мончегорске Мурманской области 27 июля 2018 года

И эта шлаковая частица, и другие подобные ей техногенные минеральные образования попадают в водные объекты, находящиеся вокруг металлургического производства, через воздух, снег или почву. Частицы имеют красивый округлый вид с узором (как на главном фото), но бывают и неправильной формы.

Шлаковые частицы неправильной формы из донных отложений озер Комсомольское и Нормальное, Мончегорск, Мурманская область

Исследования, аналогичные нашим, ранее уже проводили североамериканские ученые: они искали шлаковые частицы на территориях вокруг города Садбери в Канаде, в окрестностях Мончегорска и Никеля в России. Причем частицы из мончегорского снега они выделяли зимой 1995–1996 годов. Это значит, что в донные отложения озера Комсомольского могли попасть те же самые частицы, которые 25 лет назад находили в своих пробах канадцы. По крайней мере, диапазон размеров частиц совпадает — от нескольких микрометров до первых сотен.

В основном шлаковые частицы из донных отложений представлены оксидами железа с примесью кремния, алюминия, серы и тяжелых металлов — никеля, меди, кобальта, свинца, кадмия и других. Именно исследования тяжелых металлов, являющихся одними из самых опасных загрязнителей окружающей среды, в основном интересуют экологов. Дело в том, что в донных отложениях водных объектов тяжелые металлы могут находиться в разных формах (фракциях) — минеральных, формах, связанных с органическим веществом или с оксидами железа, подвижных и водорастворимых формах. Исследование связей загрязнителей с разными веществами дает представление об их опасности для водных обитателей (бентоса, планктона, рыб) и всей экосистемы в целом (см. статью Опасные связи, или Что нужно знать об экологии северных озер). Если же речь идет об использовании донных отложений озер в сельском хозяйстве или медицине, то анализ форм нахождения тяжелых металлов важен и с точки зрения их потенциального влияния на человека — через пищу или даже напрямую.

Многочисленные исследования озер на Севере России позволяют говорить о том, что наиболее распространненная форма нахождения тяжелых металлов в донных отложениях — минеральная. Однако в условно-чистых озерах, расположенных вдали от прямых источников антропогенных выбросов, металлы заключены в кристаллические решетки природных минералов, попавших в озера в результате выветривания горных пород территории водосбора. А в озерах городских территорий и промышленных зон потенциальные загрязнители связаны как с природными минералами, так и с техногенными минеральными образованиями — пылью, частицами кровель домов, дорожных покрытий и деталей автотранспорта, а также металлургическими шлаками. В отличие от природных минералов и их способности высвобождать тяжелые металлы, техногенные минеральные образования донных отложений изучены слабо, поэтому они представляют большой интерес для экологов, занимающихся исследованиями озерных экосистем и их современных состоянием.

Колонки донных отложений, собранные в озерах Мончегорска, на фоне дымящих труб Кольской ГМК

Чем же опасны найденные частицы? Считается, что шлаковые образования плохо растворимы в воде и тем более — в среде донных отложений в условиях pH, характерных для природных вод на Севере. Значение pH там равно семи или чуть ниже. Однако, как утверждает заведующий лабораторией разработки и внедрения процессов химической технологии Института химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. В. И. Тананаева КНЦ РАН, кандидат химических наук Александр Касиков, даже значения pH воды и донных отложений озер вблизи Мончегорска, равные 4,5–5, не дают активно расворяться подобным частицам. В этой связи неудивительно, что крупные частицы шлака были обнаружены и в отложениях озера Имандра, на берегу которого расположен Мончегорск, в 30 км от труб комбината. Вероятно, они попали туда с внутренними течениями этого крупнейшего озера Мурманской области. Таким образом, главной экологической опасностью шлаковых частиц, захороненных в донных отложениях озер, может быть их заглатывыние крупными беспозвоночными и рыбами, питающимися бентосом. Слевательно, несмотря на малую вероятность высвобождения тяжелых металлов из техногенных шлаков металлургического производства обратно в воду, часть загрязнителей теоретически может мигрировать дальше — через пищевые цепи живых организмов.

Частицы шлака (оксид железа с примесью кремния, алюминия, магния и других элементов) с характерным узором из донных отложений озера Имандра Мурманской области

Кроме шлаковых частиц, где превалирует оксид железа, в донных отложениях озер вблизи Мончегорска можно также обнаружить частицы, целиком состоящие из никеля и меди или оксидов и сульфидов этих металлов с небольшой примесью свинца, цинка, серебра, мышьяка и селена. Чаще всего это пыли (брызги), образующиеся в результате переработки медного, никелевого или медно-никелевого сырья, или, проще, частицы перерабатываемой руды. Эти частицы обычно меньше шлаковых, и поэтому их самые мелкие представители, вплоть до наноразмерных, могут перемещаться по воздуху на большие расстояния, исчисляемые сотнями километров. Правда, частицы меньше микрометра уже довольно тяжело распознать с помощью электронного микроскопа, но масс-спектральный анализ общего содержания никеля и меди в донных отложениях лесных озер на севере Карелии дает основание полагать, что медно-никелевое производство в Мончегорске влияет на условно-чистые водоемы соседнего региона России.

Техногенная частица из донных отложений озера Нюдъявр (Мончегорск) с содержанием никеля от 84 до 94% и окисленной внешней оболочкой

Кстати, растворимость частиц руды в водной среде выше, чем растворимость шлаковых образований. Особенно это относится к оксидам меди — они обнаруживаются в снеге, но затем практически исчезают в донных отложениях, что связано с тем, что они растворяются и связываются с органическим веществом донных отложений озер. Никель также высвобождается из частиц, но с органикой связывается хуже, чем медь, поэтому исследования показывают, что этот тяжелый металл имеет высокую долю в подвижной форме в донных отложениях озера Комсомольского и других подобных водоемов. Этот факт делает никель более опасным загрязнителем озер вблизи металлургического производства, чем медь и железо, из которых преимущественно состоят частицы шлака.

Фото Захара Слуковского из статьи Z. I. Slukovskii et al., 2020. Geochemistry features of sediments of small urban arctic Lake Komsomolskoye, Murmansk region (в статье в подписи к фото частица ошибочно названа оксидом никеля). Изображения этой и остальных частиц получены в Институте геологии Карельского научного центра РАН. Работа ведется в рамках проекта РНФ.

Захар Слуковский