Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,831

СОДЕРЖАНИЕ БИОГЕННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В ВОДЕ БЕССТОЧНЫХ ОТКРЫТЫХ ВОДОЕМОВ ТЮМЕНСКОЙ ОБЛАСТИ

Кайгородов Р.В. 1, 2
1 Тобольская комплексная научная станция УрО РАН
2 ФГАОУ ВО «Пермский государственный национальный исследовательский университет»
Поверхностные водоемы испытывают существенную антропогенную нагрузку, проявляющуюся не только в накоплении токсичных элементов и ксенобиотиков, но и связанную с процессами эвтрофирования за счет избыточного поступления биогенных элементов. Исследовано накопление биогенных элементов азота (аммонийная, нитратная и нитритная формы) и фосфора (фосфат-ион) в бессточных озерах и старицах реки Тобол, расположенных в Тюменской области. Кроме того, проведен анализ хлорид-ионов, уровня рН и содержания взвешенных веществ в исследуемых водоемах. Для сравнения был проведен анализ гидрохимических показателей в воде прибрежной зоны основного русла р. Тобол. В исследовании использованы стандартные методы ионометрии, комплексонометрии и гравиметрии, применяемые при исследовании водных объектов. Для оценки состояния водоемов по исследуемым показателям использовали ПДК, установленные для водоемов рыбохозяйственного назначения. Установлено превышение ПДК по содержанию нитратного азота и фосфора в старицах р. Тобол, расположенных вблизи с. Новолыбаево на сопредельных с пахотными угодьями территориях. В старицах р. Тобол вблизи с. Ярково и в озере Имбиряй превышение ПДК наблюдалось по показателям рН и взвешенным веществам. Вода озера Чигиркуль, расположенного на удалении от населенных пунктов и сельскохозяйственных предприятий, соответствовала нормативам по всем исследованным показателям. Рассчитаны показатели гидрохимической трансформации исследованных водных объектов. Установлены существенные гидрохимические нарушения в старицах р. Тобол вблизи с. Новолыбаево. Во всех исследованных объектах по содержанию нитратов в прибрежной зоне отмечен высокий уровень гидрохимической трансформации. В воде основного русла р. Тобол содержание биогенных элементов, уровень рН и количество взвешенных веществ не превышали нормативных значений.
водные экосистемы
вода
бессточные водоемы
биогенные элементы
эвтрофирование
1. Ашихмина Т.Я., Кутявина Т.И., Домнина Е.А. Изучение процессов эвтрофикации природных и искусственно созданных водоёмов (литературный обзор) // Теоретическая и прикладная экология. 2014. № 3. С. 6–13.
2. Корнилов А.Л., Петухова Г.А., Коваленко А.И. Ответные биохимические реакции растений из прибрежной зоны водоемов г. Тюмени // Современные проблемы науки и образования. 2012. № 3. [Электронный ресурс]. URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id = 6419 (date of the application: 14.12.2021).
3. Перечень рыбохозяйственных нормативов предельно допустимых концентраций (ПДК) и ориентировочно безопасных уровней воздействия (ОБУВ) вредных веществ для воды водных объектов, имеющих рыбохозяйственное значение. М.: ВНИРО, 1999. 304 с.
4. Горохова О.Г. Разнообразие планктонных альгоценозов малых эвтрофных водоёмов ООПТ Самарской области (Россия) // Актуальные проблемы современной альгологии: Тезисы докладов IV Международной конференции. Киев, 2012. С. 82–83.
5. Макаренкова Н.Н. Изменение фитопланктона озера Воже как показатель его эвтрофирования // Актуальные проблемы биологии и экологии: Материалы докладов XIX Всероссийской молодежной научной конференции. Сыктывкар, 2012. С. 153–155.
6. Охапкин А.Г. Особенности структурной организации фитопланктона водоёмов разного типа бассейна Средней Волги (Россия) // Актуальные проблемы современной альгологии: Тезисы докладов IV Международной конференции. Киев, 2012. С. 228–229.
7. Романкевич Ю.А. Эколого-геохимическая оценка технологических водоемов в малых городах Беларуси // Природопользование. 2014. Вып. 25. С. 98–108.
8. Овчарова Е.П., Кадацкая О.В. Геоэкологические критерии для целей реабилитации водных объектов на урбанизированных территориях // Природопользование. 2014. Вып. 26. С. 25–30.
9. Цветкова Л.И., Неверово-Дзиопак Е. Как оценить опасный уровень антропогенного эвтрофирования пресноводных экосистем // Вестник гражданских инженеров. 2019. № 6 (77). С. 262–270.
10. ГОСТ 31861-2012. Вода. Общие требования к отбору проб. М.: Стандартинформ, 2019. 32 с.
11. Оксиюк О.П., Жукинский В.Н., Брагинский Л.П. Комплексная экологическая классификация поверхностных вод суши // Гидробиологический журнал. 1993. Т. 29. № 4. С. 62–72.

Повышенное поступление биогенных элементов, главным образом азота и фосфора, в водоемы является одним из ведущих факторов развития негативных процессов эвтрофирования [1]. Источниками миграции азота и фосфора в поверхностные и грунтовые воды служат предприятия сельского хозяйства, коммунальные и промышленные сточные воды, естественная и антропогенная эрозия почв [2].

Исследования эвтрофирования касаются, как правило, водоемов, используемых в водоснабжении и рыбном хозяйстве. Эвтрофирование естественных водоемов исследовано, на наш взгляд, недостаточно.

Целью исследований являлось изучение накопления минеральных форм азота и фосфора в бессточных открытых водоемах Тюменской области для первичной оценки их чувствительности к эвтрофикации прямым способом, т.е. по физико-химическим показателям водных объектов.

Содержание аммонийной, нитратной и нитритной форм азота, а также фосфат-ионов и хлоридов подлежит нормированию в природных водоемах, поскольку влияет на качество и безопасность воды, используемой для водоснабжения и в рыбных хозяйствах [3].

Минеральный состав воды выступает одним из ведущих факторов экологического состояния водоемов, определяет видовое разнообразие и соотношения отдельных групп гидробионтов [4, 5]. В процессе эвтрофирования наблюдается снижение видового разнообразия, упрощение трофической системы водоемов, увеличение численности и биомассы цианобактерий [6].

Ведущими абиотическими факторами эвтрофирования водоемов выступают содержание биогенных веществ, кислотность, температурный режим, освещенность водоема [7].

Ряд авторов рассматривает содержание аммонийного, нитратного, нитритного азота, фосфат-ионов и хлоридов в качестве первичных индикаторов геохимической трансформации водоемов [8].

Процессы эвтрофирования могут быть связаны и с естественными процессами поступления биогенных элементов в водоемы. Однако в отличие от естественной эвтрофикации, которая протекает чрезвычайно медленно, антропогенные процессы повышения трофности водоемов, зачастую с изменениями других параметров, например повышение температуры воды или изменение темпов водообмена, характеризуются высокими темпами нарушения химического состава и экологического состояния водоемов [9].

Материалы и методы исследования

Характеристика территории

Исследуемые нами водные объекты находятся в юго-западной части Тюменской области. Места расположения исследуемых участков представлены в табл. 1.

Таблица 1

Географическое расположение исследуемых водных объектов и участков отбора образцов воды

№ объекта

Тип и название водного объекта

Ближайшие

населенные пункты

Географические координаты

1

старица р. Тобол

с. Новолыбаево

N 56,292386; Е 66,211838

2

старица р. Тобол

с. Новолыбаево

N 56,294294; Е 66,232040

3

старица р. Тобол

с. Ярково

N 57,2359; Е 67,0256

4

оз. Имбиряй

г. Ялуторовск

N 56,3915; Е 66,2150

5

оз. Чигиркуль

с. Новоатьялово

N 57,0050; Е 66,3344

6

русло р. Тобол

с. Новолыбаево

N 56,3015; Е 66,2303

7

русло р. Тобол

с. Новолыбаево

N 56,2835; Е 66,2213

Почвы, прилегающие к исследуемым водным объектам, относились к следующим типам: прибрежная зона русла и стариц р. Тобол (участки № 1–3 и № 6, 7) – аллювиальные дерновые слоистые, прибрежная зона озер (участки № 4 и № 5) – дерново-глеевые.

Донные отложения исследуемых стариц и озер обладали илисто-глинистым гранулометрическим составом. Донные отложения в русле р. Тобол имели тонко-песчано-глинистый гранулометрический состав.

Визуальных признаков эвтрофирования водоемов (зарастание прибрежной зоны, «цветение» воды) в период проведения исследований не отмечено.

Методы

Отбор и подготовка проб воды к анализу. Образцы воды из исследуемых водоемов отбирали в июле 2021 г. в соответствии с требованиями ГОСТ 31861-2012 [10]. На каждом участке воду из водоема отбирали в пятикратной повторности на расстоянии не менее 25 м друг от друга в прибрежной мелководной зоне на удалении 1,0–1,5 м от уреза воды.

Определение ионов аммония, нитрит-ионов, нитрат-ионов, фосфатов и рН проводили на иономере «Экотест-120» с использованием соответствующих ионоселективных электродов.

Определение хлоридов проводили меркурометрическим методом.

Определение содержания взвешенных веществ в воде проводили гравиметрическим методом.

Математическая обработка данных

Математическую обработку результатов проводили в программе Past 3.16 с использованием методов описательной статистики и дисперсионного (показатель наименьшей существенной разности – НСР) анализа на 95 % уровне значимости. Достоверность результатов оценивали по критерию Стьюдента.

Результаты исследования и их обсуждение

Данные гидрохимических исследований бессточных водоемов и основного русла р. Тобол представлены в табл. 2.

Таблица 2

Гидрохимические показатели исследованных водных объектов

Объект

NH4+, мг/л

n = 5

NO3-, мг/л

n = 5

NO2-, мг/л

n = 5

PO43-, мг/л

n = 5

Cl-, мг/л

n = 5

pH,

ед. рН

n = 5

Взвешенные вещества, мг/л

n = 5

№ 1 старица р. Тобол

0,27 ± 0,07

12,3 ± 0,4

0,010 ± 0,003

0,35 ± 0,09

25,2 ± 0,5

8,7 ± 0,1

0,62 ± 0,11

№ 2 старица р. Тобол

0,30 ± 0,06

13,6 ± 0,4

0,010 ± 0,002

0,32 ± 0,08

35,6 ± 0,7

8,6 ± 0,2

0,53 ± 0,10

№ 3 старица р. Тобол

0,17 ± 0,04

5,2 ± 0,2

0,002 ± 0,001

0,12 ± 0,04

21,2 ± 0,6

8,7 ± 0,2

0,83 ± 0,12

№ 4 оз. Имбиряй

0,16 ± 0,05

4,6 ± 0,2

0,003 ± 0,001

0,10 ± 0,04

15,2 ± 0,4

8,6 ± 0,2

0,86 ± 0,09

№ 5 оз. Чигиркуль

0,07 ± 0,02

2,2 ± 0,1

0,004 ± 0,001

0,04 ± 0,02

10,3 ± 0,5

7,6 ± 0,1

0,29 ± 0,08

№ 6 русло р. Тобол

0,02 ± 0,01

1,1 ± 0,02

0,001 ± 0,001

0,02 ± 0,01

2,4 ± 0,05

6,7 ± 0,3

0,15 ± 0,03

№ 7 русло р. Тобол

0,03 ± 0,01

0,8 ± 0,03

0,002 ± 0,001

0,03 ± 0,01

3,1 ± 0,06

6,6 ± 0,4

0,18 ± 0,04

НСР05

0,08

2,1

0,001

0,04

4,0

0,85

0,2

ПДК[3]

0,39

9,1

0,02

0,2

300

6,5-8,5

0,75

Примечание. ± – стандартная ошибка, НСР05 – показатель наименьшей существенной разности при 5 %-ном уровне вероятности.

В прибрежной зоне стариц р. Тобол на участках № 1 и № 2 вблизи с. Новолыбаево установлено превышение ПДК по содержанию нитрат-ионов в 1,4–1,5 раза. В этих же участках содержание фосфатов превышало ПДК в 1,6–1,8 раза. Близкое расположение населенного пункта и пахотных угодий обусловило, вероятно, избыточное поступление и накопление нитратов и фосфатов в исследованных бессточных старицах.

Содержание аммонийного азота и нитрит-ионов в прибрежной мелководной зоне во всех исследованных водных объектах не превышало ПДК.

Превышение ПДК установлено по уровню рН во всех объектах за исключением оз. Чигиркуль.

В старице р. Тобол на участке № 3 и в оз. Имбиряй (участок № 4) содержание взвешенных веществ превышало ПДК в 1,2 раза. Взвешенные вещества существенным образом воздействуют на помутнение воды и играют важную роль в развитии и угнетении тех или иных групп гидробионтов, например положительно влияя на рост диатомовых водорослей за счет обогащения вод минеральными веществами. По данным некоторых исследований загрязнение водоемов биогенными элементами вызывает изменение в пигментном аппарате прибрежных и прибрежно-водных групп растений [2].

В прибрежной зоне оз. Чигиркуль (участок № 5) и в основном русле р. Тобол (участки № 6 и № 7) исследованные гидрохимические показатели не превышали ПДК.

Для оценки состояния водных объектов, на основании градации предложенной авторами Е.П. Овчаровой, О.В. Кадацкой [8], нами были рассчитаны баллы гидрохимической трансформации водных объектов (табл. 3).

Таблица 3

Балльная оценка степени гидрохимической трансформации исследованных водных объектов

Исследуемый объект

NH4+

NO3-

NO2-

PO43-

Cl-

Сумма баллов

№ 1 старица р. Тобол

2

4

2

3

3

14

№ 2 старица р. Тобол

2

4

2

3

3

14

№ 3 старица р. Тобол

1

4

1

2

2

10

№ 4 оз. Имбиряй

1

4

1

2

2

10

№ 5 оз. Чигиркуль

1

4

1

1

1

8

№ 6 русло р. Тобол

1

3

1

1

1

7

№ 7 русло р. Тобол

1

2

1

1

1

6

Содержание аммонийного азота, нитритов и фосфатов оценивается по следующей балловой системе: 1 балл – содержание менее 0,5 ПДК, 2 балла – содержание 0,5–1 ПДК, 3 балла – содержание 1–2 ПДК, 4 балла – содержание более 2 ПДК. Для оценки содержания нитратов и хлоридов предложены следующая градация: 1 балл – содержание менее 0,05 ПДК, 2 балла – содержание 0,05–0,1 ПДК, 3 балла – содержание 0,1–0,2 ПДК, 4 балла – содержание более 0,2 ПДК. Баллы по содержанию пяти индикаторов (аммонийный, нитритный, нитратный азот, фосфаты и хлориды) суммируются для каждого водного объекта, превышение суммарного балла 10 свидетельствует о превышении ассимиляционного потенциала водной экосистемы, в этом случае происходит нарушение геохимического равновесия в водоеме и [8].

Согласно проведенным расчетам (табл. 3) существенная гидрохимическая трансформация установлена в прибрежной зоне стариц р. Тобол вблизи с. Новолыбаево (участки № 1 и 2). В этих водных объектах суммарный балл трансформации составляет более 10 единиц, что в соответствии с подходами Е.П. Овчаровой, О.В. Кадацкой [8] свидетельствует о превышении порога ассимиляционного потенциала водной экосистемы. В этом случае водный объект требует мероприятий по снижению антропогенной нагрузки.

Все исследованные бессточные водные объекты проявили очень сильную гидрохимическую трансформацию по содержанию нитрат-ионов (4 балла), несмотря на соответствие объектов № 3, 4 и 5 требованиям нормативов (ПДК), предъявляемым к рыбохозяйственным водоемам. Согласно данным некоторых авторов [11] содержание нитратного азота 0,5 мг/л (в 18 раз ниже ПДК) является пороговым для начала процессов эвтрофикации. В исследованных нами водных объектах это пороговое значение превышено в 27–4 раза. Следует отметить, что нормативные требования по качеству воды в водоемах рыбохозяйственного назначения являются более строгими (установлены более низкие ПДК по многим параметрам), чем в водоемах хозяйственно-питьевого назначения.

Продолжение исследований процессов эвтрофирования изучаемых водных объектов видится нам в анализе гидробиологических показателей, главным образом в оценке видового разнообразия и биомассы фитопланктона.

В основном русле р. Тобол гидрохимические показатели свидетельствуют о благоприятном экологическом состоянии в прибрежной мелководной зоне исследованных участков. В отличие от бессточных водоемов в русле рек за счет течения и более интенсивного водообмена негативные процессы избыточного накопления биогенных элементов и чувствительность к эвтрофированию выражены в меньшей степени.

Заключение

Как показали проведенные исследования, в прибрежной мелководной зоне стариц р. Тобол, расположенных вблизи населенного пункта (с. Новолыбаево) и пахотных полей, наблюдается превышение ПДК для водоемов рыбохозяйственного назначения по содержанию нитратов, фосфатов и по уровню рН. Суммарный балл гидрохимической трансформации [8] в этих объектах превышал отметку 10, что свидетельствует о превышении порога устойчивости водной экосистемы к накоплению биогенных элементов.

В остальных исследуемых бессточных водоемах установлено повышенное накопление нитратов (4 балла) согласно балльной гидрохимической оценке.

Таким образом, прибрежная мелководная часть бессточных водоемов разного типа (старицы и озера) с замедленным водообменом является числительной к процессам эвтрофирования.

В отличие от бессточных водоемов в основном русле р. Тобол на исследуемых участках вблизи населенного пункта содержание биогенных элементов, ионов хлора, показатели рН и количество взвешенных веществ не превышало значений ПДК. Суммарный балл гидрохимической трансформации свидетельствует об отсутствии процессов эвтрофирования.

Период проведения отбора образцов воды пришелся на очень жаркий и засушливый сезон, что могло негативно сказаться на концентрации биогенных веществ в исследуемых водных объектах, особенно в прибрежной мелководной их части.

Проведенные исследования представляют собой первичную оценку экологического состояния бессточных водных объектов в условиях юго-западной части Тюменской области, не используемых человеком в хозяйственных целях. Состояние данных водоемов не представляет прямой угрозы для безопасности водоснабжения и рыбных хозяйств. Изучаемые водоемы могут рассматриваться в качестве модельных водных объектов по исследованию динамики эвтрофирования естественных бессточных пресных водоемов. В дополнение к проведенным гидрохимическим анализам необходимо добавить оценку сезонной динамики более широкого перечня параметров (например, концентрация растворенного кислорода, биологическое поглощение кислорода, содержание общего фосфора и азота, соотношение этих элементов, содержание органического вещества, сульфат-ионов, температура, мутность воды и др.). В комплексе с гидрохимическими исследованиями необходимо также провести гидробиологические исследования структуры и динамики биомассы фитопланктона и других гидробионтов.

Статья подготовлена при финансовой поддержке ФАНО России в рамках темы «Антропогенная трансформация пойменных экосистем Обь-Иртышского бассейна» (№ НИОКТР АААА-А19-119012190088-0).


Библиографическая ссылка

Кайгородов Р.В. СОДЕРЖАНИЕ БИОГЕННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В ВОДЕ БЕССТОЧНЫХ ОТКРЫТЫХ ВОДОЕМОВ ТЮМЕНСКОЙ ОБЛАСТИ // Успехи современного естествознания. – 2021. – № 12. – С. 127-131;
URL: https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=37747 (дата обращения: 08.02.2023).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.685