Изотопный анализ в мониторинге качества поверхностных вод

В мониторинге состояния окружающей среды наряду с традиционными методами исследования используется изотопный анализ, дающий возможность определять микросодержания различных веществ.

Изотопный анализ заключается в определении относительного содержания изотопов в исследуемом веществе. Изотопный состав выражают в виде отношения (R - R )/R = б, где R, R - относительная распространенность изотопов данного элемента в анализируемом веществе и в эталоне соответственно, или в виде отношений количеств определенных изотопов данного элемента к количеству какого-либо реперного нуклида этого элемента в образце (РД 52.24.626-2001).

Изотопный состав углерода - отношение количества нуклида углерода с массовым числом 13 (¹³С) к количеству нуклида углерода с массовым числом 12 (¹²С) в исследуемом веществе. Относительная распространенность изотопов - количество атомов данного нуклида, выраженного в процентах к общему количеству атомов всех изотопов химического элемента. Фоновые значения изотопного состава углерода органического вещества - значения изотопного состава углерода органического вещества в донных отложениях (ДО) на участках, не испытывающих влияния промышленных сточных вод источника загрязнения.

Основной предпосылкой использования изотопного состава веществ в мониторинге качества вод является тот факт, что изотопный состав отдельных химических веществ в объектах окружающей среды практически не изменяется. При производстве тех или иных промышленных продуктов, если предприятие работает на сырье из одного и того же источника, выбросы предприятия будут иметь близкий с сырьем изотопный состав. Это позволяет идентифицировать источник загрязнения, не внося инородных веществ и компонентов; определить долю техногенных элементов в объектах окружающей среды; определить ареал и характер распространения загрязнения с учетом гидрологических особенностей водного объекта (РД 52.24.626-2001).

Измерение изотопного состава углерода

Изотопный состав углерода измеряется на приборах, называемых масс-спектрометрами. Масс-спектрометры измеряют величину б ¹³С, характеризующую отклонение изотопного состава углерода исследуемого образца от изотопного состава углерода эталона. Эта величина выражается в процентах или промилле и рассчитывается по уравнению (РД 52.24.626-2001):

или

где R_o6p - относительная распространенность нуклида ¹³С

в исследуемом образце;

R - относительная распространенность нуклида ¹³С в эталоне.

Пример. Расчет доли содержания антропогенного органического вещества в донных отложениях (ДО). Загрязнение ДО озера Байкал промышленными сточными водами Байкальского целлюлозно- бумажного комбината (БЦБК) оценивают следующим образом. На основе измеренных значений б ¹³С органического вещества ДО рассчитывают долю содержания антропогенного органического вещества (ОВ) по формуле (РД 52.24.626-2001):

где А - доля содержания антропогенного органического вещества в ДО, %;

б ¹³С_фон - среднее фоновое значение б ¹³С ОВ в ДО, %о; б ¹³С - среднее значение б¹³С ОВ в источнике загрязнения

(древесные остатки ДО пруда-аэратора), %о; б¹³С_о6 - значение б ¹³С ОВ в образце ДО, %о.

Сточные воды БЦБК содержат различные химические вещества, большую часть которых (60-70 %) составляет органика, основными компонентами которой являются лигнин, волокна целлюлозы, смолистые вещества и органические кислоты, в сумме составляющие 78-84 %. Содержание лигнина составляет примерно третью часть растворенных ОВ, а вместе с продуктами его деструкции - фенолами, метанолом и серосодержащими веществами - до 40-47 %. Указанные вещества входят в группу безазотистых трудногидролизуемых ОВ, которые оседают на дно (РД 52.24.626-2001).

Изотопный состав углерода лигнина, основного компонента загрязняющих ДО в районе БЦБК веществ, характеризуется, наряду с изотопным составом углерода биогенных углеводородов, самым низким содержанием тяжелого нуклида ¹³С (Мониторинг ... 1991). Относительное содержание ¹³С закономерно возрастает в направлении углеводы + смоляные кислоты + жиры и затем - смолы + жиры + воск. Отсюда следует, что при повышении содержания лигнина в ОВ донных отложений последние будут иметь более легкий изотопный состав углерода.

Наиболее загрязненные участки ДО характеризуются самым большим содержанием целлюлозы и лигнино-гумусовых веществ. Отношение содержания органического углерода к содержанию лигниногумусовых веществ уменьшается с увеличением загрязнения ДО. Результаты исследований сотрудников Гидрохимического института (ГХИ), проведенные на озере Байкал в районе БЦБК в 1990-х гг., показали, что изотопный состав углерода ОБ донных отложений в значительной степени зависит от содержания в них лигнина. Обнаружена прямая связь между этими показателями в ДО (РД 52.24.626-2001).