Основным средством для проведения оценки экологического состояния водоема являются показатели качества воды, которые приведены в ГОСТ 17.1.3.07-82. Они характеризуют экологическое состояние лотических водных объектов и применяются для контроля качества природных вод по физическим, химическим и гидробиологическим показателям.
Впервые В.Б. Страдомским [1976] предложена логическая схема дифференциации групп показателей качества воды: общие показатели; минеральные вещества; органические вещества; показатели эвтрофирования; показатели токсичности; специфические загрязняющие вещества [4].
Другая классификация показателей состояния водоемов приведена в работах [1, 2]. Она включает: базовые показатели; геохимические (фоновые) показатели; показатели, характеризующие влияние антропогенной активности и хозяйственной деятельности на качество вод; гидробиологические показатели.
Анализируя эти классификации, Н.Н. Красногорская и др. [2011] подчеркивают характерную избыточность измеряемых параметров при их возможной взаимозаменяемости и утверждают, что оперативность оценки экологического состояния лотических водных объектов может быть достигнута путем мониторинга небольшого числа контролируемых и определяемых гидрохимических показателей, дающих интегральное представление о развитии негативных процессов – эвтрофирования, загрязнения и закисления.
Материал и методы исследования
Объектом нашего исследования явилась река Миасс – крупная водная артерия Челябинской области, используемая для промышленных и хозяйственно-бытовых нужд населения. За последние десятилетия ее русло подверглось сильному антропогенному воздействию, которое нарушило гидрохимический состав вод реки. Свыше 20 предприятий и организаций города сбрасывают в Миасс промышленные и хозяйственно-бытовые сточные воды.
Исследования проведены в 2011–2012 году в средней части бассейна реки Миасс. Общая протяженность маршрута составила более 260 км, в пределах которого были определены 8 станций забора проб, выбор которых определен расположением крупных промышленных предприятий вдоль русла реки, жилмассивов, санкционированных и несанкционированных мест отдыха населения.
Отбор проб для определения физико-химических параметров и гидрохимического анализа осуществлен в соответствии с требованиями ГОСТ Р 51592-2000. Аналитические работы проведены в аккредитованной лаборатории водных экосистем и технологий воды УНИЦ биотехнологий ЧелГУ.
Результаты исследования и их обсуждение
При оценке состояния вод реки Миасс учитывались следующие показатели: водородный показатель, концентрация хлорид-ионов, фосфат-ионов, нитрит- и нитрат-ионов, сульфат-ионов, аммоний-ионов, щелочность общая, окисляемость перманганатная, растворенный кислород, концентрация железа и марганца, БПК5, прозрачность и цветность.
Величины водородного показателя, определенного в ходе стационарных и лабораторных исследований, варьируются от 7,35 до 9,15. На семи ее значение водородного показателя находится в пределах нормативов ПДК и ОБУВ (для воды водных объектов, имеющих рыбохозяйственное значение рН = 6,5–8,5) и только на станции I – «Миасс» – наблюдается повышение показателя до 9,15. Вероятно, такое значение объясняется качеством сточных вод, сбрасываемых ЗАО «Миасский инструментальный завод».
Результаты аналитических исследований показали, что концентрация хлорид-ионов в реке Миасс не превышает ПДК и ОБУВ.
Важнейшим компонентом химического состава поверхностных вод являются сульфат-ионы. Как показали результаты исследований, их содержание находится в пределах от 28,4 до 45,52 мг/дм3, а на станциях VII (п. Першино, Челябинск) и VIII (с. Миасское) значение концентрации увеличивается до 95,63 и 109,1 мг/дм3 соответственно, что превышает предельно-допустимую концентрацию для водоемов с рыбохозяйственным назначением (100 мг/дм3). Такое резкое увеличение объясняется следующим: в реку Миасс сульфаты поступают главным образом за счет промышленных сбросов растворенных серосодержащих минералов.
Концентрация ионов аммония на трех из восьми станций превышает нормы ПДК и ОБУВ для рыбохозяйственных водных объектов и составляет 0,74 мг/дм3 для станций «Бутаки» и «Миасское», 0,56 мг/дм3 «Челябинск». Это указывает на наличие органических источников загрязнения, вызывающих увеличение содержания ионов аммония и соответственно повышение водородного показателя (рис. 1).
Рис. 1. Показатели концентрации аммоний-ионов, в мг/дм3
Анализ следует дополнить рассмотрением нитрат- и нитрит-ионов, т.к. в соответствии с требованиями глобальной системы мониторинга состояния окружающей среды/Global Environmental Monitoring System (ГСМОС/GEMS) они входят в программы обязательных наблюдений за составом питьевой воды и являются важными показателями степени загрязнения и трофического статуса природных водоемов.
Уровень нитрит-ионов в реке находится в пределах нормы ПДК и ОБУВ по рыбохозяйственным объектам. На станциях III, V, VI и VII они не обнаружены, на остальных участках забора проб их содержание не превысило 0,02 мг/дм3. Это объясняется щелочной реакцией среды и отсутствием процессов окисления.
Анализируя показатели содержания нитрат-ионов, можно отметить, что их значение на большинстве станций находится в пределах норм ПДК и ОБУВ и варьируется от 1,0 до 4,85 мг/дм3. Лишь на станции VIII – «Миасское» – значение возрастает до 40,9 мг/дм3. Превышение нормы, на наш взгляд, объясняется использованием азотных удобрений на опытно-экспериментальных полях и последующим стоком во время весеннего половодья.
Рис. 2. Показатели концентрации растворенного кислорода, мг/дм3
Следующий биогенный элемент, определяющий величину окислительно-восстановительного потенциала, а также направление и скорость процессов химического и биохимического окисления, в том числе нитритов и нитратов, – растворенный кислород (рис. 2).
Максимальные концентрации растворенного кислорода на станциях I, III, V, VII говорят об интенсивности окислительных процессов азота до нитратов, об этом же свидетельствуют и их количественные показатели, и отсутствие нитритов. Исключение составляет III станция, на которой зафиксирована незначительная концентрация нитрат-ионов, но она отлична от других чрезвычайно высокой численностью планктона, способного к нитрификации [5].
Минимальное содержание кислорода на II и VI станциях объясняется эвтрофированием водоема и болотообразовательным процессом, о чем свидетельствуют ассоциации с типичными болотными видам (Rorippa palustris (L.) Bess., Menyanthes trifoliata L., Scirpus lacustris L., Carex cespitosa L. и др.).
Переходим к обсуждению следующего геохимического показателя – фосфора, включенного в глобальную систему мониторинга наряду с содержанием нитритов и нитратов [6]. На подавляющем большинстве станций концентрация фосфат-ионов превышает нормы ПДК и ОБУВ для водоемов, имеющих рыбохозяйственное значение (от 0,26 до 0,71 мг/дм3), но особенно высоко его значение в с. Миасское, где оно составило 3,74 мг/дм3, то есть в 187 раз превысило норму (рис. 3). Это объясняется поступлением в реку удобрений с опытно-экспериментальных полей Института агроэкологии ЧГАА.
Рис. 3. Показатели концентрации фосфат-ионов, мг/дм3
Кроме приведенных показателей, следует рассмотреть и специфические загрязнители – железо и марганец.
Для водоемов, имеющих санитарно-бытовое значение, ПДК железа составляет 0,3 мг Fe/дм3, а рыбохозяйственное значение – 0,1 мг/дм3 [3]. Концентрация железа на большинстве станций находится в пределах 0,08 до 0,4 мг/дм3, что соответствует нормам ПДК, но значительно повышаются показатели на станциях IV – ул. Университетская наб. (Челябинск) – 1,2 мг/дм3 и VIII – «Миасское» – 1,3 мг/дм3 (рис. 4). Кроме того, мы констатируем, что на отмеченных станциях значительно снижен показатель прозрачности, при норме СанПиНа 2.1.5.980-00 в 20 см, он составил соответственно 2,9 ± 0,3 и 3,5 ± 0,4 см. Это подтверждается санитарно-гигиеническими данными о том, что повышенное содержание железа ухудшает органолептические свойства воды [3].
Рис. 4. Показатели концентрации железа общего в мг/дм3
Следующим показателем качества воды является уровень содержания в воде марганца. В речных водах содержание марганца колеблется обычно от 0,001 до 0,16 мг/дм3. По нормам ПДК и ОБУВ для водоемов, имеющих рыбохозяйственное значение, показатель составляет 0,01 мг/дм3.
Аналитические данные показали, что концентрация марганца в реке Миасс превышает норму ПДК по всем станциям. Максимального значения она достигает в с. Миасское и составляет 0,87 мг/дм3, несколько ниже в д. Бутаки – 0,61 мг/дм3. Можно предположить, что на этих станциях активно происходят процессы разложения органических веществ вследствие процесса заболачивания при недостатке кислорода, столь характерного для сплавин, что и подтверждают показатели концентрации растворенного кислорода (рис. 2) и концентрации БПК5, находящиеся в обратно пропорциональной зависимости.
Биохимическое потребление кислорода является одним из важнейших критериев уровня загрязнения водоема органическими веществами и определяет количество кислорода, необходимое для разложения органических загрязняющих веществ. Показатель БПК был определен за 5 суток инкубации (рис. 5).
Рис. 5. Показатели уровня БПК за 5 суток инкубации, мг/дм3
Анализ графика демонстрирует, что почти на всех станциях его значение превышает норму ПДК и ОБУВ для водоемов, имеющих рыбохозяйственное значение, которое соответствует 2,0 мг/дм3. Резкое превышение норм отмечено в д. Бутаки (в 20 раз) и с. Миасское (в 10 раз). Выявленное превышение соответствует низкому содержанию растворенного кислорода и высокому содержанию марганца на этих же станциях, отмеченному выше.
Проведенный анализ гидрохимических параметров воды реки Миасс выявил следующую корреляционную зависимость: высокое содержание аммония приводит к повышению значения водородного показателя, последний определяет уровень нитрит- и нитрат-ионов, содержание которых также зависит и от концентрации растворенного кислорода, а содержание последнего коррелирует с концентрацией марганца и показателями биохимического потребления кислорода.
Таким образом, вода реки Миасс относится к гидрокарбонатному классу и содержит большое количество сульфат-, хлорид-, нитрат-ионов и катионов железа и марганца, значительно превышающих ПДК, что приводит к смене класса воды на сульфатный, способствует повышению общей минерализации (до 532 мг/л) и вызывает значительное увеличение показателя кислотности (рН до 9,5).
Значение БПК5 и связанное с ним содержание растворенного в реке кислорода позволили определить воду реки Миасс на большем протяжении исследуемого участка как β-мезосапробный водоем, а на станциях, размещенных в д. Бутаки и с. Миасское, – как гиперсапробный водоем (содержание БПК5 превышает ПДК в 11,3 и 25,1 раза соответственно).
На основании гидрохимических показателей (рН, нитратный азот, фосфор фосфатный, биохимическое потребление кислорода) можно предположить, что река Миасс – политрофный водоем (умеренно загрязненный/сильно загрязненный) с выраженной тенденцией к гипертрофности (весьма загрязненный/предельно загрязненный) и биогенной нагрузкой, определяемой как очень высокая (вплоть до насыщенной).
Рецензенты:
Павлова В.И., д.б.н., профессор кафедры теоретических основ физической культуры, ФГБОУ ВПО «Челябинский государственный педагогический университет», член-корреспондент РАЕ, г. Челябинск;
Пряхин Е.А., д.б.н., зав. экспериментальным отделом, ФГБУН «Уральский научно-практический центр радиационной медицины» ФМБА России, г. Челябинск.
Работа поступила в редакцию 08.10.2013.