Scientific journal

Advances in current natural sciences

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,775

По данным государственного отчетного доклада Минприроды РФ «О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации» в Центральном федеральном округе обеспеченность населения ресурсами водного стока невысокая и составляет 2,090 тыс. м3/год на человека по сравнению со средним значением по стране 31,700 тыс. м3/год на человека [1]. Белгородская область располагает еще более ограниченными водными ресурсами малых рек и имеет самый минимальный уровень обеспеченности водными ресурсами: 1,600 тыс. м3/год на человека. В то же время в Белгородской области интенсивно развиваются разные отрасли хозяйствований, включая сельскохозяйственную отрасль, отходы которой могут оказывать негативное влияние на качество и состояние воды малых речных бассейнов области [2]. Поэтому постоянный экологический контроль качества водных ресурсов необходим для разработки программы устойчивого развития территорий Белгородской области в целях безопасного водопользования и качественного водообеспечения.

Информационными временными индикаторами загрязнения водных ресурсов могут быть качественные и количественные показатели состояния донных речных отложений [3, 4]. На малых реках результаты антропогенной деятельности проявляются более заметно, что приводит к деградации водных экосистем. Донные отложения в течение длительного времени, с одной стороны, аккумулируют загрязнители, но, с другой стороны, одновременно являются источниками вторичного загрязнения водоемов. В научной литературе отмечено, что в донных отложениях различных водоемов происходят концентрирование органического вещества, свинца, кадмия и марганца и рассеяние других микроэлементов [5]. Малые реки, являющиеся частью урбоэкосистемы, постоянно подвержены техногенному загрязнению, в их донных осадках аккумулируется значительное количество плохо растворимых в воде органических загрязнителей, включая фенолы и нефтепродукты [6]. В Белгородской области в 2018 г. сброс загрязненных сточных вод без очистки в водоемы составил 0,35 млн м3, что было на 38 % меньше, чем в 2017 г., но на 46 % больше, чем в 2010 г. Следовательно, процесс накопления в воде и в донных отложениях загрязнителей не уменьшается, а нерастворимые токсиканты вследствие седиментации на взвешенных частицах усиливают общее загрязнение водоемов и влияют на живые организмы и природную среду. Поэтому необходима их химико-экологическая оценка с применением методов биотестирования и биоиндикации [7]. В работах ряда авторов показано, что наблюдения за особенностями корневой системы лука репчатого (Allium cepa L.) могут давать информацию о присутствующих в экосистеме потенциально опасных генотоксичных веществах [8]. Растения A. cepa L. широко распространены, недорогие, не требуют сложного хранения, выращивания и ухода. В связи с вышесказанным целью нашей работы было изучение химико-экологического состояния качества воды и донных отложений реки Валуй Белгородской области. Задачи исследований включали выявление генотоксичных и мутагенных свойств донных отложений на тест-объекте корневой системы Allium cepa L.

Материалы и методы исследования

Река Валуй является левым притоком реки Оскол, имеет протяженность 56,8 км и полностью располагается на территории южной части Белгородской области. Ширина бассейна реки составляет 25 км, а площадь – 1337,7 км2 [9]. Анализ структуры водотоков бассейна реки Валуй позволяет сделать вывод, что в ближайшие годы часть водотоков будет исчезать, так как в настоящее время их длина не более 4–5 км, они характеризуются небольшой глубиной и прогрессирующим заиливанием и зарастанием. Большую часть русла занимают влаголюбивые растения осока и рогоз (рис. 1).

Рис. 1. Фото отбора проб в верхнем течении истока реки Валуй

Левобережный склон реки Валуй пологий, слабо расчленен оврагами и балками, почвы – черноземы, поэтому широко используется для сельскохозяйственной деятельности. На территории бассейна реки Валуй расположены населенные пункты: Валуйки, Казинка, Рождествено, Ливенка, Насоново и некоторые другие. На водосборной площади бассейна реки Валуй находятся пять свинотоварных комплексов, что предполагает существенную нагрузку на территорию бассейна.

Отбор проб из воды бассейна реки Валуй проводился в соответствии с ГОСТ 31861-2012. Пробы донных отложений из водных объектов отбирали вручную специальными пробоотборниками с применением одноразовых емкостей. В табл. 1 представлены пункты отбора воды для гидрохимических испытаний.

Таблица 1

Пункты отбора проб воды для гидрохимического анализа

Химические испытания образцов воды и донных отложений проводили по методам: ГОСТ 31861, М-МВИ-80, ПНД Ф 16.1:2.3:3.44, ПНД Ф 16.1:2:2.2:3.51, ГОСТ 26423-85, ГОСТ 26424-85, ПНД Ф 16.2.2:2.3:3.30-02, ПНД Ф 16.1:2:2.2:3.67-10, ГОСТ 26424-85, М-МВИ-80-2001, ГОСТ 26213-91, ПНД Ф 16.1:2:2.2:3.52-08. Биоиндикацию качества донных отложений проводили на тест-объекте корневой системы лука репчатого (Allium cepa L.) сорта Штуттгартен Ризен методом приготовления давленых ацетокарминовых препаратов зоны роста корней и расчета митотического индекса (МИ). Луковицы диаметром 1,5–2,0 см очищали от верхнего слоя, высаживали по 12 штук в четырех повторностях в емкости с донными отложениями и контрольный вариант с прокаленным песком и дистиллированной водой (рис. 2).

Рис. 2. Фото посадка севка лука в емкости с донными отложениями

Проращивание луковиц проводили при комнатной температуре и естественном освещении. Через 72 ч культивирования луковицы просматривали, проводили замеры (определяли общую длину и число корешков от донца, число и длину пера луковицы) и изучали митотическую активность клеток корневой меристемы.

Результаты исследования и их обсуждение

В табл. 2 представлены средние результаты физико-химических испытаний воды реки Валуй.

В результате химических испытаний в образцах поверхностных вод реки Валуй обнаружены превышения ПДКвр для ряда загрязняющий веществ, таких как: взвешенные вещества, ионы аммония, БПК5 и минеральные элементы. По уровню содержания в воде загрязняющих веществ река Валуй относится к категории «загрязненные». Превышения значений ПДКвр по иону аммония (1,7ПДКвр) в летнее и осеннее время свидетельствуют о происходящих процессах биохимической деградации белковых соединений, возможно, и разложения мочевины. Отметим, что амплитуда загрязнения речной воды ежегодно посезонно усиливается в среднем на 5,0–5,4 %. Источниками длительного загрязнения реки Валуй, очевидно, являются стоки с сельскохозяйственных угодий, животноводческих ферм и хозяйственно-бытовые сточные воды населенных пунктов.

В соответствии с требованиями глобальной системы мониторинга состояния окружающей среды нитрит- и нитрат-ионы входят в программы обязательных наблюдений за составом питьевой воды и являются важными показателями трофического статуса водного объекта. В поверхностных водах реки Валуй концентрация нитрит-иона превысила норму ПДКвр на 0,02 мг/дм3 в летний период 2017 г. Превышение концентрации данного вещества обусловлено усилением процессов медленного разложения неживого органического вещества при повышении температуры и активизацией фитопланктона. Одновременное повышение концентрации ионов аммония и нитритов обычно указывает на свежее загрязнение и ухудшение санитарного состояния водного объекта в целом. В то же время пороговая концентрация накопления нитратов, влияющая на санитарный режим водоема (10 мг/дм3), не превышена. Невысокий уровень нитратов объясняется тем, что в эвтрофном водоеме фитопланктон и денитрифицирующие бактерии используют их как источник кислорода. Выявлено, что БПК5 превышает нормативы в среднем на 0,19 мг/дм3, что составляет 1,1 ПДКвр. Концентрации фосфат-ионов составляла 0,3 ПДКвр, нитрит-ионов – 0,6 ПДКвр, фенола – 0,6 ПДКвр. Содержание в речной воде ряда металлов также превышает нормативы ПДКвр в среднем: по железу – 4,1 ПДКвр, по меди – 5,2 ПДКвр, по марганцу – 8,8 ПДКвр, по цинку – 1,1 ПДКвр. С учетом низкого регионального геохимического фона в сельскохозяйственных землях Белгородской области валовых и подвижных форм марганца и цинка их значительное превышение ПДКвр можно объяснить загрязнением сточными водами с сельскохозяйственных угодий и животноводческих ферм, содержащими остаточное количество минеральных удобрений, и присутствием фекального загрязнения. Содержание взвешенного вещества в речной воде превышало значения ПДКвр в 1,1–2,6 раза. С увеличением количества взвешенных частиц нарушаются гидрохимический режим и биологическая жизнь водоема, а также усиливаются процессы формирования донных отложений.

В табл. 3 представлены средние результаты физико-химических показателей качества донных отложений реки Валуй. Из-за отсутствия утвержденных экологических нормативов для характеристики донных отложений использовали ПДК для почв.

Анализ данных показывает, что в пробах донных отложений реки Валуй не обнаружено превышений значений ПДК, за исключением свинца (1,8 ПДК), марганца (1,8 ПДК) и фосфат-ионов (1,3 ПДК). Свинец относится к соединениям первого класса опасности, и его влияние на гидробионты представляет определенную опасность. Основные источники загрязнения реки металлами – это транспорт и минеральные удобрения, которые могут содержать до 3 % тяжелых металлов. По литературным данным известно, что фитопланктон может активно сорбировать биогенные минеральные элементы. В донных отложениях обнаружено высокое содержание марганца, меди и цинка. Высокое содержание азота и фосфора можно объяснить как природными особенностями Белгородской области, так и поступлением сточных вод, загрязненных в результате антропогенной деятельности. Сравнительный анализ показателей в поверхностных водах и отложениях на дне водоема может свидетельствовать, что загрязнение воды реки Валуй происходит длительно и постоянно. Например, концентрация нитритов может достичь критического значения для жизни биоты. Уровень нитритов в донных отложениях превышает их количество в воде реки Валуй в разные сезоны года в 2–10 раз. Накопление в донных осадках биогенных металлов меди, марганца и цинка свидетельствует об их происхождении из фитопланктона, уровень меди в донных осадках выше содержания в воде в среднем в 500 раз, цинка – в 1000 раз, марганца – в 3000 раз. В донных осадках реки Валуй обнаружено невысокое содержание фенолов. В естественных условиях фенолы образуются в процессах метаболизма водных организмов при биохимическом распаде и трансформации органических веществ, протекающих как в водной толще, так и в донных отложениях.

Биологическая оценка донных отложений по показателям цито- и генотоксичности корневой меристемы лука представлена в табл. 4.

По морфологической характеристике все корни лука были определены как нормальные белого, желтоватого и кремового цвета. Данные таблицы свидетельствуют, что донные отложения из мест отбора № 1 и № 3 проявляют свойства биостимуляции роста луковичных корешков и листьев по сравнению с донными отложениями из точки отбора № 2 и контролем с дистиллированной водой. Стимулирующие свойства донных осадков объясняются аккумуляцией питательных веществ и биогенных элементов. Донные отложения из истока реки и центрального пляжа с регулярной чисткой речного дна не имели генотоксичных свойств. Донные отложения из места отбора слияния рек Валуй и Оскол обнаруживали проявление токсичных свойств. В процессе проращивания лука на данных донных осадках уцелели в 1,3 раза меньше луковиц по сравнению с другими вариантами опыта. Часть луковиц остановились в росте и загнили, у другой части хуже развивались корешки и перо листа. Митотический индекс как отношение числа клеток с нарушениями митоза к общему количеству делящихся клеток оказался тоже минимальным для этих донных отложений. Следовательно, донные отложения из места слияния рек Валуй и Оскол имеют мутагенные свойства и накопили потенциально опасные для гидробионтов генотоксичные вещества. Отметим, что в бассейне территории места впадения реки Валуй в Оскол расположены ОАО «Валуйский комбинат растительных масел», поселок, проходят железнодорожные пути и расположена станция «753 Километр».

Заключение

Результаты проведенных нами исследований указывают на процессы свежего и старого загрязнения речной воды реки Валуй. Категория реки Валуй – «загрязненная». Обнаруженный участок реки Валуй в месте слияния с рекой Оскол, имеющий донные отложения с мутагенными свойствами, представляет экосистему с угрозами для жизни флоры и фауны реки. Результаты исследований позволяют заключить, что индикаторные параметры лукового теста обладают достаточной чувствительностью для определения качества донных отложений и могут использоваться для биотестирования.