Scientific journal

Advances in current natural sciences

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,775

В современный период поверхностные воды суши испытывают серьезную антропогенную нагрузку. Последствия такой нагрузки требуют регулярного изучения качественных характеристик воды, что особенно актуально для водохранилищ, так как они создавались, прежде всего, для обеспечение водохозяйственных нужд.

Цимлянское водохранилище – единственное водохранилище, созданное на реке Дон. Этот искусственный водный объект был введен в эксплуатацию в 1953 году. Создание водохранилища в значительной степени трансформировало гидролого-гидрохимический режим нижнего течения реки Дон. Площадь Цимлянского водохранилища составляет порядка 2702 км² при полном объеме около 23,8 км³. В настоящее время водохранилище испытывает серьезную антропогенную нагрузку, что в значительной степени ухудшает его экологическое состояние [1, 2].

Целями данной работы являлись изучение распределения микропластика в воде Цимлянского водохранилища, а также оценка качества воды в его акватории в современный период.

Материалы и методы исследования

Материалами исследования закономерностей распределения микропластика в воде Цимлянского водохранилища послужили данные, собранные в экспедиционном рейсе ЮНЦ РАН на ПТР «Денеб» в сентябре 2023 года. Всего было отобрано 3 пробы в верхней, центральной и нижней части Цимлянского водохранилища, а также 1 проба в его нижнем бьефе, расположенной вблизи ст-цы Романовской. Отбор проб производился с поверхностного горизонта (до 20 см) тралением нейстонной сети LADI, собранной по образцу Манта-трала. Использовалась сеть с размером ячеек 0,30 мм, что обусловило нижнюю границу отобранных частиц микропластика. В связи с тем, что проведение работ приходилось на период активной эвтрофикации водохранилища, пропускная способность используемой сети быстро снижалась из-за повышенного содержания в воде органического материала. Это приводило к потере фильтрационной способности сети, в связи с чем продолжительность траления составляла не более 10 минут. В результате был получен концентрат порядка 200–500 л воды, который хранился до пробоподготовки в стеклянной таре.

Лабораторный анализ проводился по модифицированному методу NOAA, состоящему из нескольких последовательных этапов, конечной целью которых является отделение микропластиковых частиц от прочих взвешенных составляющих, попавших в пробу. [3]. На первом этапе производится фильтрация концентрата через мелкоячеистую сеть (100 мкм) и вываривается при 75°C в пероксиде водорода (H₂O₂) с добавлением сульфата железа (FeSO₄). Количество циклов данной обработки пропорционально содержанию органических веществ. На следующем этапе полученная проба повторно фильтруется. При обнаружении в ней минеральных компонентов проба подвергается плотностному разделению в растворе хлористого цинка (ZnCl2). Далее проба вновь фильтруется, осадок на фильтре тщательно промывается дистиллированной водой и высушивается. Затем полученный сухой остаток сортируется под оптическим микроскопом для визуального определения частиц микропластика, изучения их морфологических и морфометрических характеристик, а также подсчета количества. В итоге искомое число микропластиковых частиц (количество в штуках) пересчитывалось в их концентрацию в объеме отобранной воды (шт./м3). Завершающим этапом исследования является идентификация состава частиц с применением Фурье-ИК-спектроскопии и рамановской спектроскопии.

Далее по полученным данным о химическом составе основных типов полимеров рассчитывался Индекс опасности (PHI – Polymer Hazard Index) [4, 5] по формуле:

PHI = ∑Pn × Sn,

где PHI – общий индекс опасности полимера, где 1 – наименее опасный, 5 – наиболее опасный; Pn – процент конкретных типов обнаруженных полимеров, а Sn – баллы их опасности по классификации [5].

Для проведения более комплексной оценки загрязненности воды Цимлянского водохранилища была также рассмотрена пространственно-временная изменчивость качества воды. Материалами для его оценки послужили режимно-справочные данные Гидрохимического института Росгидромета, в числе которых ГИС «Качество поверхностных вод Российской Федерации» [6].

Результаты исследования и их обсуждение

По итогам экспедиционных исследований в акватории Цимлянского водохранилища и лабораторного анализа отобранного материала микропластик был обнаружен во всех пробах. Его средняя концентрация по всем станциям наблюдений составила 12 шт./м3, в нижней и центральной частях водохранилища – 9 шт./м3, перед Волго-Донским каналом – 19 шт./м3. Содержание микропластика в нижнем бьефе Цимлянского гидроузла составляло 132 шт./м3 (рис. 1).

Рис. 1. Количество частиц микропластика на станциях, шт.

Для сравнения: при проведении съемки в Нижнем Дону в ходе аналогичного экспедиционного рейса максимальные концентрации были отмечены на этой же станции, при среднем содержании в реке на несколько порядков выше (94 шт./м3). Вероятно, высокое значение концентрации микропластика в этой точке наблюдений обусловлено сбросом вод с придонного слоя водохранилища. К тому же в условиях активного развития фитопланктона в процессе эвтрофирования происходит ускорение седиментации частиц микропластика в результате их обрастания органическим материалом.

В целом отмечалась закономерность более низкого уровня микропластикового загрязнения в водохранилище, чем в реке Дон, что можно связать, в первую очередь, с большей площадью рассеяния частиц, их осаждением и удаленностью основных источников загрязнения, приуроченных к береговой зоне.

По результатам предыдущих экспедиционных исследований [7, 8], проведенных в 2021–2022 гг. и охватывавших сравнительно большую площадь зеркала водохранилища, отмечалось увеличение количества частиц микропластика с продвижением к береговой линии (61 шт./л при среднем 33 шт./л; 18 шт./л при среднем 10 шт./л). Данная съемка проводилась иным (полнообъемным) методом, поэтому сравнение количества частиц производить некорректно, что подтверждается разницей в морфометрических параметрах частиц. Однако отмеченные закономерности в пространственном распределении частиц микропластика являются общими.

При определении морфологических и морфометрических характеристик было отмечено преобладания волокон микропластика – 71%, за которыми следовали фрагменты – 18% (рис. 2б). Частицы имели различный окрас, но в наибольшее их количество было прозрачным (рис. 2а). Размер большинства частиц находился в диапазоне от 0,5 до 2,0 мм (рис. 2в).

Используя несколько методов определения состава, а именно рамановскую и ИК-Фурье-спектроскопии, удалось с высокой достоверностью идентифицировать около 70% частиц. Полиэтилен и полиамид являются преобладающими, в меньшем количестве обнаружены полипропилен и полиэтилентерефталат (рис. 2г и 4). С некоторых образцов не удалось снять спектры основного полимера, но обнаружены примеси, например красители (рис. 3).

Согласно расчетам индекса PHI, большая часть полимеров относилась ко 2-му классу опасности, в единичном количестве представлены образцы более высоких классов опасности. Данный индекс, на наш взгляд, должен лечь в основу более комплексных оценок опасности, учитывающих весь ряд характеристик частиц, в первую очередь, потому что пластик химически инертен и его взаимодействие с живыми организмами и окружающей средой более сложное.

Рис. 2. Некоторые параметры обнаруженных частиц микропластика, %

Рис. 3. Рамановские спектры некоторых полимеров и примесей (а – краситель, б – нейлон (полиамид))

Рис. 4. ИК-спектры основных распространённых полимеров (а – полипропилен, б – полиэтилен)

Изменчивость качества воды Цимлянского водохранилища

При рассмотрении качества воды Цимлянского водохранилища по пятилетним периодам в нескольких пунктах наблюдений было выявлено, что наибольшая степень ее загрязненности отмечалась в точках отбора проб, расположенных ниже хутора Красноярский и ниже села Ложки (таблица).

Диапазон значений удельного комбинаторного индекса загрязненности воды находился в пределах от 2,39 до 5,06. В то же время степень загрязненности воды изменялась от «загрязненной» (класс 3А) до «грязной» (класс 4А). Согласно последним данным [6], качество воды Цимлянского водохранилища в последние годы сохраняется на уровне 3А – 4А. Какой-либо однозначной закономерности пространственно-временной изменчивости качества воды в Цимлянском водохранилище установить не удалось.

Заключение

По результатам проведенных исследований можно сделать следующие выводы.

Во всех точках наблюдений в воде Цимлянского водохранилища были обнаружены частицы микропластика, что свидетельствует об устойчивом загрязнении воды водохранилища этими техногенными частицами. В условиях водохранилища может в значительной степени увеличиваться скорость седиментации (осаждения) частиц микропластика.

Качество воды Цимлянского водохранилища в период 2000–2019 гг. находилось на уровне от «загрязненной» до «грязной».