Modeling Heavy Metal Distribution in the Water Phase and Bottom Sediments of the Azov Sea
DOI:
https://doi.org/10.52575/2712-7443-2025-49-3-405-419Keywords:
the Azov Sea, heavy metals, pollution, bottom sediments, secondary pollution, modelingAbstract
The Sea of Azov has the status of a fishery water body of the highest category and holds a high economic and recreational potential, so the study of its pollution seems to be an urgent task. Bottom sediment resulting from anthropogenic activity plays a significant role in the processes that take place in water bodies, and tends to accumulate heavy metals. A change in the physical and chemical properties of the water may trigger secondary pollution, that is, the reverse flow of heavy metals from bottom sediments into pore and surface water. An assessment of these processes requires a study into the redistribution of these elements among various forms in the solid phase of the bottom sediment and in water. As there is little research on the specificity of this phenomenon in the Sea of Azov, this study is the first attempt to address the problem from this perspective. The research aims to assess the risk of secondary pollution of the Azov Sea with heavy metals at the contact of water column and bottom sediments using modern calculation methods in the PhreeqC 2.18 software code. The calculations show that indices of solid mineral phase saturation with heavy metals tend to almost always remain negative, with the exception of lead, which means that the formation of mineral phases is not predicted. The study allows concluding that sorption, and possibly, biosorption, is the main mechanism determining the concentration of heavy metal ions in the aqueous phase, with all the heavy metals considered being in the sorbed state rather than in the form of mineral phases. As the salinity of the Azov Sea water does not undergo significant changes, the sorption behavior will not practically change, hence, all heavy metals lifted from the bottom with suspended sediments will also be re-deposited. The results of the study into the chemical behavior of heavy metals in the water body are important for control over water ecosystem pollution, provided respective administrative dumping control measures are taken.
Downloads
References
Список источников
Об утверждении нормативов качества воды водных объектов рыбохозяйственного значения, в том числе нормативов предельно допустимых концентраций вредных веществ в водах водных объектов рыбохозяйственного значения: приказ Министерства сельского хозяйства России № 552 от 13.12.2016 г.. URL: http://publication.pravo.gov.ru/Document/View/0001201701160006 (дата обращения: 28.12.2024).
Экологический атлас Азовского моря. 2011. Под ред. Г.Г. Матишова. Ростов-на-Дону, ЮНЦ РАН, 328 с.
Chemical Equilibrium Diagrams. Electronic resource. URL:https://sites.google.com/site/chemdiagr/ (date of access: 20.12.2024)
Список литературы
Болдырев К.А., Кузьмин В.В., Куранов Н.П. 2016. Методика расчета выхода тяжелых металлов из слоя донных отложений водоемов. Водоснабжение и санитарная техника, 6: 43–48.
Болдырев К.А., Уткин С.С., Казаков С.В. 2017. Особенности прогнозирования распределения металлов между водной фазой и донными отложениями (на примере радионуклидов стронция и цезия). Водоснабжение и санитарная техника, 3: 27–32.
Боровская Р.В., Ломакин П.Д., Панов Б.Н., Спиридонова Е.О. 2009. Выявление признаков придонной гипоксии в Азовском море и Керченском проливе на базе контактных и спутниковых данных. Геология и полезные ископаемые Мирового океана, 4: 71–78.
Буфетова М.В. 2015. Загрязнение вод Азовского моря тяжелыми металлами. Юг России: экология, развитие, 10(3): 112–120.
Буфетова М.В. 2018. Оценка потоков тяжелых металлов (Pb, Cd) в абиотических компонентах экосистемы Азовского моря. Проблемы региональной экологии, 4: 70–73. https://doi.org/10.24411/1728-323X-2018-14070
Гаррелс Р.М., Крайст Ч.Л. 1968. Растворы, минералы, равновесия. М., МИР, 368 с.
Давыдова О.А., Коровина Е.В., Ваганова Е.С., Гусева И.Т., Красун Б.А., Исаева М.А., Марцева Т.Ю., Мулюкова В.В., Климов Е.С., Бузаева М.В. 2016. Физико-химические аспекты миграционных процессов тяжелых металлов в природных водных системах. Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Химия, 8(2): 40–50. https://doi.org/10.14529/chem160205
Липатникова О.А. 2011. Экспериментальное исследование и термодинамическое моделирование форм нахождения микроэлементов в донных отложениях Иваньковского водохранилища. Автореф. дис. … канд. геол.-мин. наук. Москва, 25 с.
Михайленко А.В., Федоров Ю.А., Доценко И.В. 2018. Тяжелые металлы в компонентах ландшафта Азовского моря. Таганрог, Южный федеральный университет, 214 с.
Михеева Т.Н., Шайдулина Г.Ф., Кутлиахметов А.Н., Сафарова В.И., Кудашева Ф.Х., Курбангалиев В.С. 2012. Количественная и качественная оценка роли донных отложений в процессах формирования состава контактирующих с ними водных масс. Георесурсы, 8(50): 51–56.
Папина Т.С. 2001. Транспорт и особенности распределения тяжелых металлов в ряд: вода – взвешенное вещество – донные отложения речных экосистем. Экология. Серия аналитических обзоров мировой литературы, 62: 1–58.
Пивоваров С.А. 2003. Физико-химическое моделирование поведения тяжелых металлов (Cu, Zn, Cd) в природных водах: комплексы в растворе, адсорбция, ионный обмен, транспортные явления. Автореф. дис. … канд. хим. наук. Москва, 22 с.
Решетняк О.С., Закруткин В.Е. 2016. Донные отложения как источник вторичного загрязнения речных вод металлами (по данным лабораторного эксперимента). Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Естественные науки, 4(192): 102–109.
Соколова О.В. 2008. Экспериментальное исследование и термодинамическое моделирование миграции тяжелых металлов в системе «вода – донные отложения» в зоне антропогенного воздействия. Автореф. дис. … канд. техн. наук. Москва, 23 с.
Соколова О.В., Шестакова Т.В., Гринчук Д.В., Шваров Ю.В. 2006. Термодинамическое моделирование форм нахождения тяжелых металлов в системе «вода – донные отложения» при автотранспортном загрязнении. Вестник Московского университета. Серия 4. Геология, 3: 36–45.
Федоров Ю.А., Доценко И.В., Михайленко А.В. 2015. Поведение тяжелых металлов в воде Азовского моря во время ветровой активности. Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Естественные науки, 3(187): 108–112.
Экосистемные исследования Азовского моря и побережья. 2002. Отв. ред. Матишов Г.Г. Апатиты, КНЦ РАН, 447 с.
Mueller B., Duffek A. 2001. Similar Adsorption Parameters for Trace Metals with Different Aquatic Particles. Aquatic Geochemistry, 7: 107–126. https://doi.org/10.1023/A:1017598400001.
Parkhurst D.L., Appelo C.A.J. 2013. Description of Input and Examples for PHREEQC Version 3-a Computer Program for Speciation, Batch-Reaction, One-Dimensional Transport, and Inverse Geochemical Calculations. US geological survey techniques and methods, 6 (А43): 497.
Popova N., Artemiev G., Zinicovscaia I., Yushin N., Demina L., Boldyrev K., Sobolev D., Safonov A. 2023. Biogeochemical Permeable Barrier Based on Zeolite and Expanded Clay for Immobilization of Metals in Groundwater. Hydrology, 10(1): 1–10. https://doi.org/10.3390/hydrology10010004.
Warmer H., van Dokkum R. 2002. Water Pollution Control in the Netherlands. Policy and Practice 2001, RIZA Report 2002.009, Lelystad: 77 p.
References
Boldyrev K.A., Kuz'min V.V., Kuranov N.P. 2016. The Method of Calculating Heavy Metal Release from the Layer of Water Body Bottom Deposits. Water supply and sanitary technique, 6: 43–48 (in Russian).
Boldyrev K.A., Utkin S.S., Kazakov S.V. 2017. Specificities of Predicting Metal Distribution Between Aqueous Phase and Bottom Sediments (by the Example of Strontium and Cesium Radionuclides). Water supply and sanitary technique, 3: 27–32 (in Russian).
Borovskaya R.V., Lomakin P.D., Panov B.N., Spiridonova E.O. 2009. Vyyavlenie priznakov pridonnoj gipoksii v Azovskom more i Kerchenskom prolive na baze kontaktnyh i sputnikovyh dannyh [Detection of Benthic Hypoxia in the Sea of Azov and Kerch Strait Based on Contact and Satellite Data]. Geologiya i poleznye iskopaemye Mirovogo okeana, 4: 71–78.
Bufetova M.V. 2015. Pollution of Sea of Azov with Heavy Metals. South of Russia: ecology, development, 10(3): 112–120 (in Russian).
Bufetova M.V. 2018. Estimation of Heavy Metal Fluxes (Pb, Cd) in the Abiotic Components of the Azov Sea Ecosystem. Regional Environmental Issues, 4: 70–73 (in Russian). https://doi.org/10.24411/1728-323X-2018-14070
Garrels R.M., Krajst Ch.L. 1968. Rastvory, mineraly, ravnovesiya [Solutions, minerals, equilibria]. Moscow, Pabl. MIR, 368 p.
Davydova O.A., Korovina E.V., Vaganova E.S., Guseva I.T., Krasun B.A., Isaeva M.A., Marceva T.Yu., Mulyukova V.V., Klimov E.S., Buzaeva M.V. 2016. Physical-Chemistry Aspects of Migratory Processes of Heavy Metals in Natural Aqueous Systems. Bulletin of the South Ural State University. Series «Chemistry», 8(2): 40–50 (in Russian). https://doi.org/10.14529/chem160205
Lipatnikova O.A. 2011. Eksperimental'noe issledovanie i termodinamicheskoe modelirovanie form nahozhdeniya mikroelementov v donnyh otlozheniyah Ivan'kovskogo vodohranilishcha [Experimental Study and Thermodynamic Modeling of Trace Elements Forms in Bottom Sediments of Ivankovskoye Reservoir]. Abstract dis. … cand. geol.-min. sciences. Moscow, 25 p.
Mihailenko A.V., Fedorov Yu.A., Docenko I.V. 2018. Tyazhelye metally v komponentah landshafta Azovskogo moray [Heavy Metals in Landscape Components of the Azov Sea]. Taganrog, Pabl. Yuzhnyy federalnyy universitet, 214 p.
Miheeva T.N., Shaydulina G.F., Kutliahmetov A.N., Safarova V.I., Kudasheva F.H., Kurbangaliev V.S. 2012. Qualitative and Quantitative Evaluation of the Bottom Sediments Role in the Formation of Water Masses Composition Contacting with Them. Georesources, 8(50): 51–56 (in Russian).
Papina T.S. 2001. Transport and Peculiarities of Heavy Metals Distribution in the Row: Water – Suspended Substance – River Ecosystems Sludge. Ekologiya. Seriya analiticheskikh obzorov mirovoy literatury, 62: 1–58 (in Russian).
Pivovarov S.A. 2003. Fiziko-himicheskoe modelirovanie povedeniya tyazhelyh metallov (Cu, Zn, Cd) v prirodnyh vodah: kompleksy v rastvore, adsorbciya, ionnyj obmen, transportnye yavleniya [Physicochemical Modeling of the Behavior of Heavy Metals (Cu, Zn, Cd) in Natural Waters: Complexes in Solution, Adsorption, Ion Exchange, Transport Phenomena]. Abstract. dis. … cand. chem. sciences. Moscow, 22 p.
Reshetnyak O.S., Zakrutkin V.E. 2016. Bottom Sediments as a Source of Secondary Water Pollution by Metals (According to the Laboratory Experiment). Bulletin of Higher Education Institutes. North Caucasus Region. Natural Sciences, 4: 102–110.
Sokolova O.V. 2008. Eksperimental'noe issledovanie i termodinamicheskoe modelirovanie migracii tyazhelyh metallov v sisteme «voda – donnye otlozheniya» v zone antropogennogo vozdejstviya [Experimental Study and Thermodynamic Modeling of Heavy Metals Migration in the System “Water – Bottom Sediments” in the Zone of Anthropogenic Impact]. Abstract dis. … cand. techn. sciences. Moscow, 23 p.
Sokolova O.V., Shestakova T.V., Grinchuk D.V., Shvarov Yu.V. 2006. Termodinamicheskoe modelirovanie form nahozhdeniya tyazhelyh metallov v sisteme «voda – donnye otlozheniya» pri avtotransportnom zagryaznenii [Thermodynamic Modeling of Heavy Metals Forms in the System “Water - Bottom Sediments” at Motor Transport Pollution]. Vestnik Moskovskogo universiteta. Seria 4. Geologiya, 3: 36–45.
Fedorov Yu.A., Dotsenko I.V., Mihailenko A.V. 2015. The Behaviour of Heavy Metals in Water of the Sea of Azov During a Wind-Driven Activity. Bulletin of Higher Education Institutes. North Caucasus Region. Natural Sciences, 3(187): 108–112 (in Russian).
Ecosystem Investigations of the Sea of Azov and Its Coastal Zone. 2002. Ed. by Matishov G.G. Apatity, Pabl. KNC RAN, 447 p. (in Russian).
Mueller B., Duffek A. 2001. Similar Adsorption Parameters for Trace Metals with Different Aquatic Particles. Aquatic Geochemistry, 7: 107–126. https://doi.org/10.1023/A:1017598400001.
Parkhurst D.L., Appelo C.A.J. 2013. Description of Input and Examples for PHREEQC Version 3-a Computer Program for Speciation, Batch-Reaction, One-Dimensional Transport, and Inverse Geochemical Calculations. US geological survey techniques and methods, 6 (А43): 497.
Popova N., Artemiev G., Zinicovscaia I., Yushin N., Demina L., Boldyrev K., Sobolev D., Safonov A. 2023. Biogeochemical Permeable Barrier Based on Zeolite and Expanded Clay for Immobilization of Metals in Groundwater. Hydrology, 10(1): 1–10. https://doi.org/10.3390/hydrology10010004.
Warmer H., van Dokkum R. 2002. Water Pollution Control in the Netherlands. Policy and Practice 2001, RIZA Report 2002.009, Lelystad: 77 p.
Abstract views: 97
Share
Published
How to Cite
Issue
Section
Copyright (c) 2025 Regional Geosystems
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
