Соединенные Штаты добились огромных успехов в сокращении загрязнения воды, поскольку закон о чистой воде был принят почти 50 лет назад. Исчезли и перестали воспламеняться нефтяные пятна на поверхности воды, многие порты, которые когда-то были загрязнены сточными водами, теперь привлекают пловцов и лодочников.
Но, как приближается День Земли, важно осознать, что возникают новые, более сложные проблемы. В исследовании, опубликованном ранее в этом году, мы обнаружили, что коктейль химических веществ из многих видов деятельности человека делает реки США более солеными и более щелочными по всей стране. Удивительно, но дорожная соль зимой не является единственным источником: строительство, сельское хозяйство и многие другие виды деятельности также играют роли в разных регионах.
Эти изменения представляют серьезную угрозу для поставок питьевой воды , городской инфраструктуры и природных экосистем. Солевое загрязнение в настоящее время не регулируется на федеральном уровне, а государственный и местный контроль несовместимы.
Наши исследования показывают, что когда соли из разных источников смешиваются, они приобретают более широкие свойства, чем по отдельности. Исследования также показывают важность поддержки мониторинга качества воды по всей стране, с тем чтобы мы могли выявлять и решать другие проблемы загрязнения, которые еще предстоит признать.
Измененные воды
Наша группа изучает засоление пресноводных водоемов более 15 лет. В 2005 году мы опубликовали документ, в котором показано, что уровни содержания хлорида натрия (обычной поваренной соли) быстро растут в пресных водах северо-восточных Соединенных Штатов.
До настоящего времени ученые считали, что засоление является серьезной проблемой в основном в засушливых районах, где вода быстро испаряется, оставляя после себя соль. Но мы обнаружили, что это также влияет и на основные источники питьевой воды, превышающие токсичные уровни для некоторых водных организмов и сохраняющиеся в окружающей среде круглый год, даже во влажных регионах.
Главной причиной, которую мы обнаружили, было распространение асфальтированных поверхностей, таких как дороги и автостоянки. Сообщества в холодных регионах используют противообледенительные соли для очистки снега от дорог зимой, и чем больше дорог они строят, тем больше требуется вмешательство. Мы обнаружили, что 1-процентное увеличение поверхности с твердым покрытием может повысить концентрацию соли в близлежащих водоемах до уровней более чем в 10 раз выше, чем нетронутые лесные условия.
В 2013 году мы опубликовали еще одно исследование, свидетельствующее о том, что реки становятся более щелочными по регионам восточной части Соединенных Штатов. В тоже время дожди с повышенным содержанием кислоты в воде, вызванные загрязнением воздуха, в течение нескольких десятилетий были широко известным экологическим вопросом. Однако подщелачивание не было распознано на соответствующем уровне, и его последствия до сих пор плохо изучены.
Алкализация — это противоположность подкислению: она возникает, когда значение рН воды увеличивается, а не падает. Поскольку вода становится более щелочной, некоторые химические вещества, растворенные в ней, могут стать токсичными. Например, аммоний является питательным веществом в пресноводных экосистемах, но превращается в токсичный газ аммиака в значительных концентрациях в водах с высоким рН. Щелочные условия также усиливают выделение фосфора из донных отложений, что может вызвать неприятные вспышки водорослей и бактерий.
Мы обнаружили, что процесс, который мы назвали « ускоренным выветриванием », разрушал породы и выделял минералы в реки, которые делали их более щелочными. Процесс выветривания пород и минералов, которые попадают в реки, как правило, медленный, но мы показали, что десятилетия воздействия кислотных дождей ускоряли ее. Мы также предположили, что одним из факторов является широкое использование геологических материалов в удобрениях и бетоне.
Идентификация синдрома засоления пресной воды
В нашем исследовании, посвященном ускоренному выветриванию, было показано, что наряду с хлоридом натрия другие растворенные соли увеличиваются в пресной воде в больших регионах восточной части Соединенных Штатов. Это заставило нас задуматься, может ли быть связь с нашей предыдущей работой по засолению в этих регионах.
Мы начали понимать, что теоретически загрязнение солей и ускоренное выветривание могут направлять все большее количество солей, которые были щелочными в реки по всей стране, и что это могло бы повысить их уровень рН. Мы знали, что океанская вода имеет более высокий уровень pH, чем пресная вода, поскольку она накапливает высокие уровни щелочных солей. После большого анализа мы предположили, что подобные взаимосвязанные процессы могут влиять на соленость и рН в пресной воде.
Многие объекты выделяют в окружающую среду щелочные соли, в том числе выветривание непроницаемых поверхностей, удобрение и использование извести в сельском хозяйстве, дренаж шахт, оросительный сток и зимнее использование дорожной соли. Первоначально части этих щелочных солей связываются с почвой. Но когда они вступают в контакт с натрием — например, происходит избыток дорожной соли — химические реакции, выделяющие щелочные соли, которые затем смываются в пресноводные экосистемы.Мы назвали этот процесс синдромом пресноводного засоления, потому что он вызывал множественное воздействие на соли, щелочность и рН, которые являются фундаментальными химическими свойствами воды.
Различные причины по регионам
Изучение этого процесса — это командный проект, требующий знания лимнологии (изучение внутренних вод), геохимии и географии. Причины варьируются от одного места к другому, но результаты могут быть похожими.Например, реки становятся более солеными и щелочными в районах Северной Каролины, Флориды, Вирджинии и других штатов, которые мало используют или не имеют соли. Вероятно, это связано с ускорением выветривания в местах, богатых известняком (который растворяется при контакте с кислотной дождевой водой) и в урбанизированных районах с большим количеством бетонной инфраструктуры, а также загрязнением городской соли от сточных вод, умягчителей воды или удобрений.
Наши исследования были поддержаны Национальным научным фондом США и привлекли огромное количество данных мониторинга из экосистем в Соединенных Штатах, собранных главным образом Геологической службой США . Мы проанализировали долгосрочные тенденции в химии рек в течение пяти десятилетий и сравнили эти тенденции по различным основным речным системам и регионам.
Мы также проанализировали тенденции в крупных эстуариях (от лат. aestuarium — затопляемое устье реки), таких как река Гудзон и Чесапикский залив, для изучения того, могут ли все более щелочные поступления от рек потенциально влиять на химию прибрежных вод. Наши результаты показывают, что изменения в солях могут изменять концентрации загрязняющих веществ, таких как избыток фосфора и питательных веществ, которые связаны в отложениях на этих участках.
Управление солевым загрязнением
Засоление пресной воды влияет на снабжение питьевой водой во многих частях Соединенных Штатов. В некоторых случаях это изменяет вкус воды или угрожает здоровью людей с гипертонией.
Растет озабоченность по поводу того, что соли в пресной воде могут разъедать водопроводные трубы и выделять токсичные металлы, такие как свинец, в питьевую воду. Они также могут инициировать реакции, которые мобилизуют другие загрязняющие вещества и загрязняющие вещества из почв в реки.
Как показали другие ученые, смеси солей могут быть более токсичными для водных организмов, чем только одна соль. В настоящее время Агентство по охране окружающей среды не регулирует соли в качестве первичных загрязнителей в питьевой воде, а государственное и местное регулирование выбросов соли в широких областях от таких видов деятельности, как дорожная обработка, является редким и непоследовательным.
Мы считаем, что существует серьезная потребность в федеральных нормах и региональных планах по сокращению загрязнения солей в пресной воде . Одна из стратегий заключалась бы в сокращении использования содовых солей путем калибровки применения и корректировки скоростей применения на основе температуры. Кроме того, не все соли имеют одинаковые свойства: может быть более эффективным использование определенных солей в качестве деицеров при более низких температурах. Наконец, органические вещества для защиты от обледенения используют меньше соли, чем обычные версии.
Новые формы загрязнения воды постоянно появляются, и важно определить, как различные виды человеческой деятельности ускоряют геологические процессы в природе. Пресная вода составляет лишь около 3 процентов от общего объема Земли водного питания (остальное в океанах), и всегда будет существовать необходимость лучшего понимания и управление этого ценного ресурса.
