Исследование загрязнения и самоочищающей способности экосистем малых водотоков урбанизированных территорий

Злывко, Алексей Сергеевич

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Исследование загрязнения и самоочищающей способности экосистем малых водотоков урбанизированных территорий
ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Исследование загрязнения и самоочищающей способности экосистем малых водотоков урбанизированных территорий"

На правах ртсмшси

Злывко Алексей Сергеевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАГРЯЗНЕНИЯ И САМООЧИЩАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ЭКОСИСТЕМ МАЛЫХ ВОДОТОКОВ УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЙ

Специальность 03.02.08 - экология (биология)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

г 8 НОЯ 2013

Владимир 2013

005541244

Работа выполнена на кафедре биологии и экологии Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых» (ВлГУ).

Научный руководитель

Кандидат химических наук, доцент

Официальные оппоненты:

Доктор биологических наук, профессор, Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К.А.Тимирязева, профессор кафедры зоологии

Кандидат биологических наук, Российская академия народного хозяйства и государственной службы при Президенте (Владимирский филиал), доцент кафедры информационных технологий

Чеснокова Светлана Михайловна

Маловичко Любовь Васильевна

Авдонина Александра Михайловна

Ведущая организация: Шуйский филиал Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Ивановский государственный университет»

Защита состоится 13 декабря в 11 часов на заседании диссертационного совета Д 212.025.07 во Владимирском государственном университете имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых по адресу: 600000, г. Владимир, ул. Горького, 87, кор. 1, ауд. 335.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, можно присылать по адресу: 600000, г. Владимир, ул. Горького, 87, ВлГУ, кафедра биологии и экологии.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ВлГУ. Автореферат разослан «'И » ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат биологических наук, доцент

О.Н. Сахно

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. В настоящее время водные объекты урбанизированных территорий испытывают наибольшие техногенные нагрузки, так как они являются приемниками сточных вод промышленных предприятий (часто достаточно крупных), пригородных сельскохозяйственных предприятий и коммунального хозяйства, а также неочищенных ливневых стоков с территорий промплощадок, городских и сельских поселений. Указанные стоки имеют высокий уровень загрязнения токсичными для гидробионтов веществами и соединениями биогенных элементов. Вследствие этого экосистемы водных объектов урбанизированных территорий эвтрофированы, характеризуются значительной токсичностью абиотических компонентов, низкой самоочищающей способностью. Потеря самоочищающей способности приводит к токсификации и деградации их экосистем, поэтому сохранение самоочищающей способности водных объектов — глобальная проблема современного общества, связанная с обеспечением достойного качества жизни и здоровья населения.

Самоочищение водных объектов определяется главным образом природой загрязняющих веществ, уровнем их концентраций в абиотических компонентах экосистем, их токсичностью для гидробионтов, функционированием микробиоценоза, гидробионтов-фильтраторов и зависит также от гидрологических и природно-климатических условий.

Исходя из того, что в Российской Федерации насчитывается 2,5 млн. малых рек и ручьев и они формируют почти половину суммарного объема речного стока, в их бассейнах проживает почти 44% всего городского и почти 90% сельского населения изучение процессов самоочищения экосистем малых рек в зависимости от характера и уровня их загрязнения, токсичности воды для гидробионтов, является актуальным и необходимым.

Цель работы - исследование уровня загрязнения и самоочищающей способности экосистем малых эвтрофных водотоков урбанизированных территорий (на примере реки Содышка).

Основные задачи:

1. Изучить кислотно-щелочной и кислородный режимы водотока, уровень загрязнения экосистемы реки АСПАВ, органическим веществом, тяжелыми металлами.

2. Изучить уровень загрязнения вод соединениями биогенных элементов, провести оценку трофности экосистемы водотока по соотношению концентраций минеральных форм азота и фосфора, разработать критерии выбора приоритетного загрязнителя вод эвтрофных водных объектов в целях исследования по нему процессов самоочищения.

показателями вод и оценить предельно-допустимые нагрузки на экосистему водотока по полученным экспериментальным данным.

4. Изучить токсичность вод экосистемы исследуемого водотока с использованием различных тест-систем и оценить предельно-допустимые нагрузки на экосистему водотока по гибели гидробионтов-фильтраторов.

5. Изучить корреляционные зависимости между различными показателями вод экосистемы реки и разработать шкалы качества и самоочищающей способности вод эвтрофных водотоков, загрязнённых аммонийным азотом.

Научная новизна работы. Разработаны методы количественной оценки процессов самоочищения водных объектов с учетом характера и уровня загрязнения.

Предложена классификация качества и самоочищающей способности вод малых рек по интенсивности процессов нитрификации.

Установлены корреляционные зависимости между различными гидро-химиическими показателями воды, их токсичностью и самоочищающей способностью.

Методами лабораторного моделирования определены предельно-допустимые нагрузки на малый водоток по азоту аммонийному, анионным поверхностно-активным веществам и гидробионтам-фильтраторам.

Практическое значение работы. Полученные результаты по количественной оценке самоочищающей способности малых водотоков могут быть применены при проведении экологических экспертиз территорий водосборных бассейнов, оценке влияния различных источников загрязнения на экосистемы малых водотоков, степени их деградации и для определения предельно-допустимых антропогенных нагрузок на экосистемы малых водотоков.

Результаты диссертационной работы могут также быть использованы в учебном процессе при подготовке магистров по дисциплине «Экологический мониторинг».

Апробации работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на международных и всероссийских научных конференциях: XIX Международная научно-практическая конференция «Экология и жизнь», Пенза, 2010; Международные научно-практические конференции «Экология речных бассейнов», Владимир, 2011, 2013; Международная научно-практическая конференция «Современные проблемы загрязнения окружающей среды», Москва, 2012; IV Всероссийская научно-практическая конференция «Научные проблемы использования и охраны природных ресурсов России», Самара, 2012.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена

на_страницах, включает_таблиц и_рисунка; состоит из введения,

четырех глав, выводов, списка литературы, включающего_наименования

(из них_на иностранном языке) и приложений.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 работ, в том числе 5 статей в изданиях рекомендуемых ВАК.

Благодарности. Автор выражает глубокую признательность своему научному руководителю доценту кафедры экологии Чесноковой Светлане Михайловне за постоянное внимание к работе, ценные советы и рекомендации на всех этапах исследования. Огромную признательность автор выражает заведующему кафедрой биологии и экологии ВлГУ Трифоновой Татьяне Анатольевне и всему коллективу кафедры экологии ВлГУ, а также родным и близким за постоянную поддержку и полезные советы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Глава состоит из 5 разделов. В первом разделе описана характеристика стоков, поступающих в экосистемы водных объектов урбанизированных территорий и анализ состава указанных стоков по литературным источникам (Нежиховский, 1990; Молоков, Шифрин, 1974; Хват, Рокшевская, 1983; Янин, 2002).

Во втором разделе рассмотрены и описаны экологические аспекты загрязнения водных объектов соединениями биогенных элементов и органическим веществом (Вронский, 1995; Науменко, 2007; Деревенская и др., 2011; Даценко, 2007; Воробьева и др., 2011; Россолимо, 1971; Филенко, Михеева, 2007).

Третий раздел посвящен рассмотрению методов оценки качества и токсичности вод пресноводных экосистем методами биотестирования (Захаров, 2000; Zakharov, 1992; Бухарин, Розенберг, 2007; Шталь и др., 1997; Брагинский, 1993, Захарова, Кларк, 1993; Брагинский, 2005; Данильченко, 1983; Филенко, 1988; Флеров, 1989; Жмур, 1997; Горленко, 2012; Горбнова и др, 2000; Kaiser, Esterby, 1991; Kaiser, 1998).

Четвертый раздел посвящен механизмам и методам оценки самоочищающей способности водных экосистем (Алимов, 1994; Алимов, 2004; Алимов, 2000; Форощук, 1989; Остроумов, 2005; Васильев, 1993; Винберг, 2003; Гладышев и др., 1996; Остроумов, 2004; Остроумов,2008; Володина, Попова, 2011; Скурлатов, 1994; Щеголькова и др., 2007).

В пятом разделе рассмотрены мероприятия по предотвращению эвтрофикации пресноводных экосистем (Хрисанов, Осипов, 1993; Гарин, Кленова, Соукуп, 2005; Дмитриев и др., 1998; Гарин и др., 2002; Гарин и др., 2003; Бондаренко, 2000; Кривицкий, 2007).

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Объект исследования - экосистема реки Содышка. Река Содышка -правобережный приток р. Рпень, протекает по северо-западной окраине г. Владимира. Длина водотока - 22 км, площадь водосбора - 82,7 км , что составляет 30% от площади водосбора р. Рпень.

места отбора проб: ¡.Исток (с.Семеновское), 2.До птицефабрики «Юрьевег/кая»,

3. После птш/ефабрики «Юрьевецкая», 4. с. Спасское, 5. поселок РТС, 6.Водохранилище «Содышка», 7.Коллективные сады, 8. Устье (с.Сновицы) Рис. 1. Бассейн река Содышка (1-8 пункты отбора проб)

Нами оценивались следующие гидрохимические показатели: концентрация нитратного и нитритного азота (потенциометрически с использованием нитрат- и нитритселективных электродов (ГОСТ 29270-95) на универсальном иономере «Эксперт-001»); аммонийный азот (фотометрически по окраске комплекса с реактивом Несслера на фотометре КФК-3 (ПНД Ф 14.1:2.1-95)); фосфаты (фотометрически по окраске восстановленной фосфорномолиб-деновой кислоты на фотометре КФК-3 (ПНД Ф 14.1:4.248-07 11.07.2007)); растворенный кислород (методом Винклера (ПНД Ф 14.1 ;2.101 -97»; перманганатная окисляемость и ХПК (титриметрический метод (ПНД Ф 14.1;2;4.154-99 и РД 52.24.421-2007)); анионные синтетические поверхностно-активные (АСПАВ) (экстракционно-фотометрически (ГОСТ 29270-06)).

Для определения токсичности вод использовались биотесты «Эколюм» - препарат лиофилизированных люминесцентных бактерий и прибор экологического контроля «Биотоке-ЮМ» (Методика...,2007). Параллельно проводили оценку токсичности вод с использованием рачков Daphnia magna Straus (ФР 1.39.2007.03222, Биологические методы контроля. Методика определения токсичности воды по смертности и изменению плодовитости дафний) Также токсичность оценивалась по агрегационному индексу (1агр), характеризующему токсичность для гидробионтов минеральных соединений азота (Лаврентьева, Рева и др., 2011).

Содержание тяжелых металлов в водах реки определяли атомно-абсорбционным методом с использованием прибора KBAHT.Z-3TA (РД 52.24.377-95), уровень загрязнения донных отложений ТМ проводили рентгенофлуоресцентным методом на приборе Спектроскан МАКС (Мето-

дика выполнения измерений массовой доли металлов и оксидов металлов в порошковых пробах почв методом рентгенофлуоресцентного анализа).

ГЛАВА 3. ОЦЕНКА УРОВНЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ, КИСЛОТНО-

ЩЕЛОЧНОГО РЕЖИМА И ТРОФНОСТИ ЭКОСИСТЕМЫ р.СОДЫШКА

Кислотно-щелочной режим экосистемы р. Содышка

Для деятельности гидробиоценозов особое значение имеет кислотно-щелочной режим водного объекта, так как от него зависит деятельность микробиоценоза, организмов-фильтраторов воды и токсичность для гидробионтов соединений тяжелых металлов, а также подвижность в системе «вода-донные отложения» тяжелых металлов и фосфат-ионов (Манихин, Никоноров, 2002; Мартынова, 1993).

Установлено, что кислотно-щелочной режим водотока носит сезоный характер. На рис. 2 показаны значения общей и карбонатной жесткости и рН проб воды, отобранных в мае и сентябре 2009 года.

123^5678 Места отбора проб

Рис. 2. Показатели кислотно-щелочного режима вод р. Содышка

Как видно из рисунка, во всех исследованных створах водотока общая жесткость воды осенью больше, чем в весенний период, что связано с весенним поступлением в водный объект больших количеств мягкой талой воды.По величине общей жесткости воды в большинстве исследованных створов воды реки Содышка относятся к мягким (Ж0бщ<4 мг*экв/дм ) (Гусева, 2007). По величине рН воды реки можно отнести к нейтральным (6,5-7,5) (Гусева, 2007).

Оценка кислородного режима и уровня загрязнения экосистемы р.Содышка АСПАВ, органическим веществом и тяжелыми металлами

Функционирование гидробиоценоза в значительной мере определяется кислородным режимом, уровнем загрязнения СПАВ, органическим веществом и содержанием токсичных тяжелых металлов.

Пространственная динамика загрязнения экосистемы р.Содышка АСПАВ представлена на рис. 3.

од

I 1 Ш

& £ 0,05 _ К

I I I I I . . I

12345678 Места отбора проб

Рис 3. Уровень загрязнения АСПАВ экосистемы реки Содышка.

В целом концентрация АСПАВ в водах реки не превышает ПДК. Как следует из рис. 3, наиболее высокий уровень загрязнения АСПАВ характерен для устья реки, а наименьший уровень характерен для водохранилища, что связано с большим разбавлением загрязненных вод.

Высокая концентрация АСПАВ в устье свидетельствует о высокой устойчивости этих веществ и о том, что наибольший вклад в загрязнение экосистемы водотока этими веществами вносят стоки с коллективных садов, сельских поселений и сельскохозяйственных угодий.

В таблице 3 представлены усредненные за 3 года данные по степени насыщения воды кислородом (СНК) и окисляемости, величина которой позволяет оценить уровень загрязнения вод органическими и минеральными веществами, окисляемыми перманганатом (ПО), или дихроматом калия (ХПК) при определенных условиях. Разность этих величин характеризует содержание в воде трудноокисляемых органических соединений, главным образом антропогенного происхождения.

Таблица 1

Кислородный режим и уровень загрязнения вод р. Содышка _органическими веществами (п=3, Р=0,95) _

Створ ПО, мг02/дм' ХПК, мг02/дм3 С тр.ок.орг вещ-ва, % спк, %

1 8,0± 0,1 27± 1,0 70,30 72,0

2 10,2± 0,2 41,8± 0,7 75,60 67,0

3 8,9± 0,1 48± 1,0 81,45 51,3

4 7,8± 0,1 38±0,5 79,47 54,3

5 8,4± 0,2 41 ±0,7 79,5 58,7

6 8,1 ± 0,2 21± 0,7 61,42 80,0

7 10,4± 0,2 43± 0,5 75,81 66,7

8 8,5± 0,1 45± 0,4 81,11 50,7

ПДК 5,0 15 (30 для зон рекреации) 67 95 (I), 80(11)

Из таблицы 1 следует, что наибольшие значения перманганатной и дихроматной окисляемости наблюдается в зонах влияния птицефабрик и коллективных садов, что объясняется высоким уровнем загрязнения органическим веществом природного и антропогенного происхождения поверхностного стока в этих участках. Эти же участки характеризуются наименьшими значениями СНК. Степень насыщения воды кислородом во всех исследованных пунктах ниже, чем ПДК и находится в пределах 50,7 -80,0%. Это свидетельствует о низкой самоочищающей способности экосистемы водотока. Перманганатная окисляемость во всех исследованных пунктах выше ПДК. Наиболее благоприятная ситуация по уровню загрязнения органическими соединениями и кислородному режиму наблюдается в водохранилище.

По величине ХПК воды во всех исследованных пунктах водотока относятся к категории «очень грязные» (Гусева, 2007).

На рис. 4 представлены результаты определения содержания органического вещества в донных отложениях экосистемы реки Содышка.

шшш

1 2 3 4 5 6 7 8

Пункты отбора проб

Рис.4. Содержание органического вещества в донных отложениях

р.Содышка

Наибольший уровень загрязнения донных отложений обнаружен в истоке (пункт отбора №1), в зоне влияния поселке РТС (пункт отбора №5), коллективных садов (пункт отбора №7) и в устье (пункт отбора №8). Обнаружена удовлетворительная корреляция между величинами ХПК и концентрацией трудноокисляемых веществ (г=0,70) и содержанием органического вещества в донных отложениях (г=0,70), что делает возможным предположение о преимущественном аллохтонном происхождении донных отложений.

Загрязнение экосистемы р. Содышка тяжелыми металлами

В экосистему реки Содышка соединения тяжелых металлов могут поступать со сточными водами птицефабрик, ОАО «Владимирский моторно-тракторный завод», с ливневыми стоками с автомагистрали, промышленной зоны г. Владимир и поселка РТС.

На рис. 5 и 6 показано содержание тяжелых металлов в долях ПДК в воде различных створов водотока.

и 12345678

Места отбора проб

Рис. 5. Уровень загрязнения вод соединениями меди, цинка и железа

Рис. 6. Уровень загрязнения вод соединениями хрома, никеля и кадмия

Обнаружен высокий уровень загрязнения вод реки соединениями меди, цинка и железа. Концентрация меди колеблется от 1,7 (вдхр.) до 90,2 (сады) ПДК; цинка - от 4,9 (с.Спасское) до 12,7 (сады) ПДК; железа - от 1,1 (после ПФ) до 10,1 (сады) ПДК; концентрация никеля варьирует в пределах от 0,47 (исток) до 1,5 (сады) ПДК; хрома от 0,031 (устье) до 0,155 (сады) ПДК. Наиболее низкий уровень загрязнения вод реки наблюдается по кадмию: от 0,002 (вдхр) до 0,25 (сады) ПДК.

Таким образом, наибольший уровень загрязнения вод ТМ наблюдается в зоне влияния коллективных садов, что, вероятно, связано с частым использованием садоводами средств защиты растений, в состав которых входят соединения меди (средства защиты от фитофтороза) и готовых комплексных удобрений, содержащих микроэлементы и гуматы металлов.

Низкий уровень загрязнения экосистемы реки соединениями кадмия позволяет сделать вывод о том, что они попадают главным образом с аэровыпадениями и из почв коллективных садов, где часто используют фосфатные удобрения и навоз.

Для оценки уровня загрязнений донных отложений тяжелыми металлами рассчитывали величины суммарного показателя загрязнения по Саету (Сает, Ревич, Янин, 1990).

и 100 ----- ---1--

I I I I I . I I

1 2 3 4 5 6 7 8

Места отбора проб

Рис. 7. Суммарный показатель загрязнения тяжелыми металлами донных отложений р. Содышка

Как и следовало ожидать, наиболее высокий уровень загрязнения донных отложений наблюдается в зонах влияния коллективных садов (гс=133) и поселка РТС (2С=68). Наименьший уровень загрязнения донных отложений ТМ в водохранилище, что связано с незначительным уровнем загрязнения вод тяжелыми металлами из-за большого разбавления.

Уровень загрязнения соединениями биогенных элементов и трофность

экосистемы водотока

Из анализа источников загрязнения экосистемы водотока можно предположить, что приоритетными загрязнителями водотока будут соединения биогенных элементов. В табл.2 представлены результаты определения концентраций аммонийного азота, нитрат-ионов и фосфат-ионов за 20092011 гг. для вод р.Содышка.

Таблица 2

Пространственно-временная динамика содержания биогенных _элементов и трофности (п=3, Р=0,95)__

№ створа Концентрация ¿V NHмг/дм3 Концентрация N NOi, мг/дм3 Фосфор минеральный, мг/дм3 Трофность

2009г. 2010г. 2011г. 2009г. 2010г. 2011г. 2009г. 2010г. 2011 г

1 0,50 2,4 0,06 0,17 0,88 0,03 0,06 0,25 0,07 а- мезотрофный

2 0,55 1,4 0,09 0,20 0,79 0,05 0,07 0,23 0,07 эвтрофный

3 0,89 4,3 0,56 0,45 3,5 0,17 0,18 1,37 0,2 эвтрофный

4 0,79 3,7 0,34 0,31 1,2 0,08 0,15 0,19 0,1 эвтрофный

5 0,96 4,4 0,48 0,39 1,65 0,1 0,13 0,15 0,1 эвтрофный

6 0,34 0,66 0,17 0,12 0,38 0,05 0,08 0,12 0,1 а- мезотрофны й

7 0,39 0,83 0,44 0,14 0,57 0,09 0,11 0,17 0,1 эвтрофный

8 0,95 4,5 0,88 0,37 2,78 0,15 0,29 0,46 0,38 эвтрофный

Как следует из этих данных, в целом, содержание всех форм минерального азота возрастает от истока к устью. Однако в водохранилище

концентрация всех форм азота заметно снижается, что связано со значительным разбавлением воды. Во все исследуемые годы наибольший уровень превышения ПДК в водотоке наблюдается для аммонийного азота.

Анализ данных таблицы показывает, что из минеральных форм азота преобладает аммонийный азот. Содержание всех форм минерального азота в водотоке в 2011 году ниже, чем в 2009 и 2010 годах. Аномально высокие концентрации всех форм азота минерального, наблюдаемые в 2010 году можно, вероятно, объяснить значительным снижением водности реки после длительного жаркого и сухого лета.

Пространственная динамика загрязнения соединениями биогенных элементов свидетельствует о нарушении самоочищающей способности экосистемы водотока, что, по-видимому, связано со значительным превышением скорости поступления загрязняющих веществ с водосборного бассейна скорости их трансформации экосистемой водотока и подавлением деятельности микробиоценоза токсичными веществами различного происхождения.

Установлено, что практически на всём протяжении водоток эвтрофиро-ван. Дальнейшее увеличение нагрузки на водоток, может привести к переходу эвтрофных участков к политрофным и к полнейшей деградации экосистемы водотока.

Определение приоритетного загрязнителя водотока

Так как процессы самоочищения в эвтрофных водных объектах зависят от природы приоритетного загрязнителя, который определяет характер процессов самоочищения, нами разработаны критерии выбора этого вещества.

Для выбора приоритетного загрязнителя водного объекта нами предлагаются следующие критерии:

1) вклад в величину ИЗВ более 25%;

2) токсичность вещества для гидробионтов;

3) трансформация в водном объекте с образованием токсичных продуктов;

4) возможность поступления вещества как из антропогенных источников, так и за счет внутриводоемных процессов;

5) вклад загрязнителя в трофический статус водного объекта.

В наибольшей степени перечисленным критериям в исследуемом водотоке отвечает ион аммония, так как его концентрация в водах реки изменяется от 2 до 11 ПДК; соли аммония токсичны для многих гидробионтов; при их трансформации в аэробных условиях образуются более токсичные нитрит-ионы и нитрозамины; они могут также образовываться в экосистеме за счет процессов аммонификации азотсодержащих органических соединений, а также в анаэробных условиях в донных отложениях.

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ НИТРИФИКАЦИИ И ТОКСИФИКАЦИИ В ЭКОСИСТЕМАХ МАЛЫХ ЭВТРОФНЫХ ВОДОТОКОВ УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЙ

Изучение процессов нитрификации в экосистеме р.Содышка

Так как приоритетным загрязнителем реки Содышка является аммонийный азот, то самоочищение экосистемы водотока происходит главным образом за счет процессов нитрификации. Исходя из этого, проведены исследования влияния различных факторов на процессы нитрификации в натурных условиях и методом лабораторного моделирования.

На рис. 8 представлена пространственно-временная динамика индекса нитрификации в водах реки Содышка в 2009-2011 годах (Злывко, Чеснокова,

Рис. 8. Пространственно-временная динамика интенсивности процессов нитрификации в экосистеме реки Содышка

Из рис. 8 следует, что наиболее интенсивно процессы нитрификации протекали в 2010 году, что, по-видимому, связано с оптимальными для процессов нитрификации температурами воды.

Возрастание интенсивности процессов нитрификации наблюдается с 2009 по 2011 год в истоке и до прицефабрики «Юрьевецкая». В остальных исследованных участках водотока с 2009 по 2011 год происходит снижение интенсивности процессов нитрификации, особенно заметно в устьевом створе, что, вероятно, связано с высоким уровнем загрязнения воды токсичными для нитрификаторов веществами.

Исследование процессов нитрификации в экосистеме р.Содышка показало, что наиболее значимыми факторами, влияющими на интенсивность процессов нитрификации являются: концентрация соединений биогенных элементов, АСПАВ и органических веществ антропогенного происхождения. Коэффициенты корреляции (г) соответственно равны 0,72, 0,60 и 0,69. Исходя из этого, представляло интерес изучение влияния на превращение азота

аммонийного в модельных экспериментах солей аммония, фосфат-ионов и калия, а также анионных синтетических поверхностно-активных веществ -приоритетных загрязнителей малых водотоков урбанизированных территорий.

Для изучения влияния различных веществ на процесс нитрификации были проведены лабораторные эксперименты с природной водой по моделированию процесса нитрификации. Суть модели заключалась в создании в лабораторных условиях среды максимально приближенной к природной, но с учетом внесения в одинаковые объемы природной воды различных доз изучаемых веществ. Под воздействием нитрицифирующей микробиоты, содержащейся в природной воде, происходила трансформация солей аммония в нитриты и нитраты.

Интенсивность процессов нитрификации оценивалась по степени превращения аммония (СП):

СП = (С„ - Ск) / С„ * 100%, где С„ - концентрация азота аммонийного в модельном растворе сразу же после внесения дозы аммония, мг/дм3; Ск - концентрация азота аммонийного в модельном растворе после п суток экспозиции, мг/дм3.

График зависимости степени превращения (СП) азота аммонийного от его концентрации представлен на рис. 9.

Доля превышения ПДК азота аммонийного

Рис. 9. Зависимость степени превращения азота аммонийного от его концентрации в системе

Кривая зависимости СП от дозы аммония имеет куполообразный вид с четко выраженной зоной оптимума и зонами стресса. Первая часть кривой, характеризующая процессы нитрификации в сосудах 1-5, что соответствует концентрациям аммония от 0 до 6 ПДК показывает тенденцию к увеличению интенсивности нитрификации с увеличением содержания аммонийного азота в модельном растворе. Максимум функции приходится на шестой сосуд, которому соответствует концентрация азота аммония равная 8 ПДК. При таком содержании аммонийного азота степень превращения составляет 87%. На участке кривой, соответствующему 8-10 ПДК, наблюдается резкое торможение процесса нитрификации, а при содержании аммонийного азота

10-20 ПДК угнетение процесса менее резкое, что, вероятно, связано с адаптацией нитрифицирующих бактерий к солям аммония.

Основываясь на данных этой модели можно сделать вывод о том, что наиболее интенсивно процессы нитрификации протекают при концентрациях азота аммонийного равных 6-8 ПДК. Превышение этого интервала концентраций ведет к угнетению деятельности микробиоты и, как следствие, снижению интенсивности процессов нитрификации.

Полученный характер дозо-ответной реакции можно, вероятно, объяснить тем, что при концентрациях аммонийного азота более 8 ПДК на процессы нитрификации начинает оказывать влияние дефицит кислорода в системе.

Одной из главных задач при оценке состояния водных экосистем является количественная оценка допустимых пределов антропогенной нагрузки, при которых сохраняется устойчивость экосистемы (Моисеенко, 1996; Левич, Терехин, 1997)..

В модели деятельность нитрифицирующих бактерий начинает угнетаться при концентрации аммонийного азота более 8 ПДК. Исходя из этого, предельно-допустимая нагрузка на исследуемую экосистему по аммонийному азоту равна 8 ПДК.

В модельных экспериментах по изучению влияния АСПАВ на степень превращения аммонийного азота нами использовался додецилсульфат натрия

(ДДС).

График зависимости степени превращения азота аммонийного от концентрации ДДС представлен на рис. 10.

100

0 —--

0 1 2 3 4 5 6

Концентрация ДДС, мг/дмЗ

Рис. 10. Зависимость СП азота аммонийного от концентрации ДДС

Эта кривая имеет вид регрессии. На данной кривой условно можно выделить 3 зоны. Первая зона - зона максимальной интенсивности процесса нитрификации (СП=92-85%). Она ограничена концентрациями додецилсуль-фата натрия равными от 0,01 мг/дм3 до 0,1 мг/дм3. Данный интервал концентраций ДДС оказывает минимальное влияние на деятельность нитрифицирующей микробиоты. Вторая зона - зона резкого угнетения

деятельности нитрифицирующих организмов. Она соответствует концентрациям ДДС равным от 0,1 до 1,5 мг/дм3. В этом диапазоне концентраций действие додецилсульфата натрия на микробиоценоз характеризуется как острое токсическое. Наблюдается падение степени превращения азота аммонийного в 8,5 раз - от 85% до 10%.

Третья зона - зона полного прекращения нитрификации. Начиная от точки, соответствующей 2 мг/дм3 додецилсульфата натрия кривая дозо-ответной реакции практически не меняет своего характера, характеризуясь очень низкими значениями степени превращения.

Можно сделать вывод о том, что анионные синтетические поверхностно-активные вещества (ДДС) даже при незначительных концентрациях оказывают острое токсическое действие на нитрифицирующую микробиоту. Даже незначительные превышения ПДК ДДС в системе приводит к резкому снижению интенсивности процессов нитрификации. При концентрации ДДС 4,024 мг/дм3 нитрификация практически полностью прекращается. Если принять за предельно допустимую нагрузку величину фактора, приводящего к снижению деятельности нитрифицирующих бактерий на 50 % (Злывко, Чеснокова, Бородина, 2012), то по анионным синтетическим поверхностно-активным веществам она составит 0,1 мг/дм3.

Для исследования влияния калия на процессы нитрификации была поставлена серия модельных экспериментов с различными дозами калия: 1

Рис. 11. Зависимость степени превращения аммонийного азота от концентрации ионов калия

Как следует из рис. 11, наиболее заметное влияние на степень превращения азота аммонийного калий оказывает в первые четверо суток экспозиции, ускоряя этот процесс, Причем наибольший эффект ускорения наблюдается при концентрации калия 1 и 2 ПДК.

С пятого дня экспозиции происходит незначительное торможение процесса нитрификации при всех концентрациях калия.

На рис. 12 показана зависимость степени превращения азота аммонийного от соотношения концентраций (в долях ПДК) фосфат-ионов и калия в сосудах.

100

2 4 6 8 10 12 14 16

Соотношение концентраций фосфатов и калия (в долях ПДК)

Рис. 12. Зависимость степени превращения азота аммонийного от соотношения концентраций фосфатов и калия

На процессы нитрификации фосфат-ионы влияют в большей степени, чем ионы калия, наибольшая степень превращения аммонийного азота в системе достигнута при соотношении концентрации фосфат-ионов к ионам калия равном 5,8, при дальнейшем росте этого соотношения процесс превращения Nnh4 заметно тормозиться.

Таким образом, повышение уровня загрязнения экосистем водотоков соединениями биогенных элементов (Р043~ и К+) приводит к снижению интенсивности процессов нитрификации, что приводит к торможению процессов самоочищения эвтрофных водных объектов.

Оценка токсичности вод экосистемы р. Содышка

Для оценки токсичности вод экосистемы р. Содышка нами применялись методы биотестирования с применением пресноводных рачков Daphnia magna Sr и биотеста «Эколюм», а также агрегационный индекс.

Установлено, что воды во всех исследованных пунктах водотока имеют значительную токсичность, и что биотест «Эколюм» является более чувствительным тест-объектом для данного вида загрязнения, чем рачки Daphnia magna Sr, что, вероятно, связано с тем, что люминесцентные бактерии оптимальным образом сочетают в себе различные типы чувствительных структур, ответственных за генерацию биоповреждений

Так как приоритетными загрязнителями исследуемого водотока являются соли аммония, представляло интерес определение предельно-допустимой нагрузки этих соединений на организмы-фильтраторы, принимающие активное участие в самоочищении водных объектов - рачков дафний.

Для определения предельно-допустимой нагрузки азота аммонийного на гидробионтов-фильтраторов нами оценивалась смертность Daphnia magna Straus при различных концентрациях сульфата аммония.

На рис.13 представлена зависимость гибели дафний от продолжительности экспозиции при различных концентрациях аммонийного азота.

Контр 1 ПДК 2ПДК 4 ПДК 6 ПДК 8 ПДК 10 ПДК 12 ПДК 15 ПДК 20 ПДК

Продолжительность экспозиции, ч

Рис. 13. Зависимость гибели дафний от продолжительности экспозиции при различных кот^нтрациях азота аммонийного

При концентрации аммонийного азота равной 12 ПДК через 1 час происходит гибель 30% особей, при концентрации 15 ПДК - 50%, а при 20 ПДК - 100%. Гибель 100% особей при концентрациях 12 и 15 ПДК происходит через 96 часов экспозиции.

Так как предельно-допустимую нагрузку можно оценить по гибели 50% дафний, нами проведены модельные эксперименты по исследованию влияния концентрации аммонийного азота на величины ЛС50 и ТЛ50 при различной продолжительности экспозиции.

При 48 часовой экспозиции ЛС50 равен 9 ПДК, при 72 часовой - 8 ПДК, а при 96 часовой - 4 ПДК.

Ориентируясь как на основной показатель токсичности химических веществ для гидробионтов на величину медиальной летальной концентрации (ЛС50), принятую в общей токсикологии (Строганов, 1971), представляло интерес количественное определение токсичности как величины обратной

летальной концентрации, устанавливаемой в 48 часовом опыте: Т-1 / ЛС^. Исходя из вышесказанного в нашем опыте Т для различных концентраций соответственно равны 1/9, 1/8 и '/».

Следовательно, предельно-допустимая нагрузка по аммонийному азоту для дафний равно 8 ПДК.

Уже при концентрациях аммонийного азота 12-15 ПДК гибель 50% дафний происходит за время менее часа, а при 4 ПДК - за 96 часов. При 48 часовой экспозиции ТЛ5о составляет приблизительно 8ПДК.

Таким образом, анализ полученных экспериментальных данных показал, что предельно-допустимая нагрузка, рассчитанная по снижению на 50% жизнедеятельности гидробионтов, участвующих в процессах самоочищения системы от аммонийного азота составляет:

• для бактерий-нитрификаторов по аммонийному азоту (сульфат аммония) - 8 ПДК;

• для бактерий-нитрификаторов по анионным поверхностно-активным веществам — 1 ПДК;

• по подавлению жизнедеятельности дафний аммонийным азотом (сульфат аммония) - 8 ПДК.

Предельно-допустимая нагрузка по аммонийному азоту найденная по подавлению жизнедеятельности нитрифицирующих бактерий и рачков Daphnia magna Straus оказалась одинаковой и составила 8 ПДК.

В табл. 4 представлены результаты расчета агрегационного индекса вод реки Содышка.

Агрегационные индексы вод р. Содышка

Таблица 4

Места отбора проб 1ап>

2009 2010 2011

1 1,34 6,56 0,2

2 1,5 2,19 0,3

3 2,68 15,6 0,56

4 2,2 9,8 0,88

5 2,7 12,1 1,16

6 1,08 2,08 0,35

7 1,06 2,79 0,9

8 2,64 14,56 2,06

Наибольшие значения агрегационного индекса обнаружены в 2010 году. В целом агрегационный индекс возрастает от истока к устью.

Наибольшие значения агрегационного индекса характерны для устьевого участка водотока, что связано с общим увеличением в этом участке содержания соединений азота.

Оценка качества вод эвтрофных водных объектов по индексу нитрификации и токсичности

Исследование корреляционных зависимостей между интенсивностью процессов нитрификации, токсичностью и гидрохимическими показателями вод экосистемы р. Содышка показало, что индекс нитрификации (1нитр) и токсичность вод (Т), найденная с использованием биотеста «Эколюм» хорошо коррелирует с интегральными показателями загрязнения вод.

Таблица 5

Интегральные показатели состояния экосистемы р.Содышка

Показатель Места отбора проб

1 2 3 4 5 6 7 8

изв 6 очень загр. " 6 очень загр.

N N11,* , мг/дм3 0,99 грязи. 0,68 загр. 1,9 очень загр. 1,61 очень загр. 1,94 очень загр. 0,39 загр. 0,55 загр. 2,11 очень загр.

снк, % 72 умер загр. 67 загр. 51 грязн. 54 грязн. 59 загр. 80 чист. 67 загр. 50 грязн.

хпк, мгОг/ дм3 27 загр. 42 сально загр. 48 сильно загр. 38 сильно загр. 41 сильно загр. 21 загр. 43 сильно загр. 45 сильно загр.

Т 40 токсич 58 высоко токсич 71 высоко токсич 45,5 токсич 53 высоко токсич 47,5 токсич 72,5 высоко токсич 82 высоко токсич

т % Анитр, /О 27,2 32,3 27 23,7 24,4 25,2 21,1 23,5

Исходя из этого, индекс нитрификации, характеризующий интенсивность процессов нитрификации в водном объекте и токсичность, определенная с использованием биотеста «Эколюм», можно рекомендовать в качестве интегральных показателей загрязнения вод и самоочищающей способности (табл. 6).

Таблица 6

Величина 1„„тр в водоемах с различной степенью загрязнения

Степень загрязнения ІНИТО Способность к самоочищению

Очень чистые 99-97 очень высокая

Чистые 96-95 высокая

Умеренно загрязненные 95-85 средняя

Загрязненные 84-65 ниже средней

Очень загрязненные 64-40 низкая

Очень грязные 39-10 очень низкая

Индекс нитрификации можно рассматривать как характеристику самоочищающей способности водных объектов, приоритетным загрязнителем которых является аммонийный азот.

Таблица 7

Токсичность водных объектов с различным уровнем загрязнения

Степень загрязнения Токсичность, Т, %

Очень чистые Менее 20

Чистые 21-40

Умеренно загрязненные 41-50

Загрязненные 51-70

Очень загрязненные 71-85

Очень грязные 85-99

Таким образом, в очень грязных водах процессы нитрификации практически прекращаются из-за высокой токсичности среды для микроорганизмов, участвующих в процессах нитрификации.

Предложенная нами классификация качества поверхностных вод по индексу нитрификации и токсичности, найденной с использованием тест-системы «Эколюм», может быть рекомендована для оценки уровня загрязнения водных объектов при проведении регионального и национального экологического мониторинга.

ВЫВОДЫ

1. Изучены кислотно-щелочной и кислородный режимы водотока. Установлено, что воды исследованного водотока относятся к мягким (Ж0бЩ > 4 мг*экв/дм3). По величине рН воды реки можно отнести к нейтральным (рН 6,5-7,2). Степень насыщения воды кислородом колеблется от 50,7% до 80%,

Установлено, что содержание АСПАВ в водах реки не превышает ПДК. Обнаружен высокий уровень загрязнения вод и донных отложений экосистемы водотока тяжелыми металлами и органическим веществом. По величине ХПК воды во всех исследованных пунктах водотока относятся к категории «очень грязные» (VII класс качества). Обнаружен высокий уровень загрязнения вод реки соединениями меди, цинка и железа. Суммарный показатель загрязнения донных отложений тяжелыми металлами {Ъс) колеблется от 14 до 133.

2. Изучен уровень загрязнения вод исследованного водотока соединениями биогенных элементов, проведена оценка трофности экосистемы водотока по соотношению концентраций минеральных форм азота и фосфора. Установлено, что во всех исследованных участках воды реки эвтрофированны. Разработаны критерии выбора приоритетного загрязнителя вод эвтрофных водных объектов в целях исследования по нему процессов самоочищения. Показано, что в исследуемом водотоке разработанным критериям соответствует аммонийный азот, следовательно, самоочищение в указанном водном объекте связано с процессами нитрификации.

3. Исследованы процессы нитрификации в экосистеме водотока в натурных условиях и влияние различных веществ на процессы нитрификации в модельных экспериментах. Изучены корреляционные зависимости интенсивности процессов нитрификации от гидрохимических показателей. Оцене-

ны предельно-допустимые нагрузки различных веществ на нитрифицирующие бактерии. Установлено, что предельно-допустимая нагрузка по аммонийному азоту составляет 8 ПДК, по анионным поверхностно-активным веществам - I ПДК.

4. Изучена токсичность вод экосистемы водотока с использованием различных тест-систем и проведена оценка предельно-допустимой нагрузки на экосистему водотока аммонийного азота по гибели гидробионтов-фильт-раторов (Daphnia magna Sr). Установлено, что предельно-допустимая нагрузка аммонийного азота на дафний равна 8 ПДК.

5. Изучены корреляционные зависимости между различными показателями вод экосистемы реки и разработаны шкалы качества и самоочищающей способности вод эвтрофных водотоков по величине индекса нитрификации (1„итр) и уровню их токсичности, измеренной с использованием тест-системы «Эколюм». Установлено, что по предложенным критериям качество вод в исследуемом водотоке оценивается как: очень загрязненные воды с низкой способностью к самоочищению.

Основные публикации по теме диссертации:

В изданиях из списка ВАК:

1. С.М. Чеснокова, A.C. Злывко, О.В. Савельев. Оценка влияния жаркого и засушливого лета 2010 года на малые реки Владимирской области. // Проблемы региональной экологии. - 2011. - №6. - С.7-12.

2. А.С Злывко, С.М. Чеснокова, И.А. Бородина. Антропогенная трансформация и самоочищающая способность малой реки. // Теоретическая и прикладная экология. - 2012. - №3. - С. 35-40.

3. С.М. Чеснокова, A.C. Злывко. Оценка качества воды и интенсивности процессов нитрификации в малых эвтрофных водотоках. // Вода: химия и экология. -2012.-№8.-С.З-7.

4. С.М. Чеснокова, A.C. Злывко, О.В.Савельев, А.В Малыгин. Оценка уровня загрязнения анионными поверхностно-активными веществами экосистем р. Содышка и их влияния на физико-химические и биохимические процессы самоочищения. // Известия Самарского научного центра Российской академии наук, том 14, №1(7), 2012. - С. 2381 - 2383.

5. A.C. Злывко, С.М. Чеснокова. Экотоксикологическая характеристика малых водотоков урбанизированных территорий Владимирской области. // Известия Самарского научного центра Российской академии наук, том 14, №1(7), 2012.-С. 2330-2333.

В других изданиях:

7. Чеснокова С.М., A.C. Злывко. Комплексная оценка антропогенной трансформации малых водоемов урбанизированных территорий. Экология и жизнь: сборник статей XIX Международной научно-практической конференции / Под ред. В.В. Арбузова. Пенза, Приволжский Дом знаний, 2010, С.132-136.

9. С.М. Чеснокова, A.C. Злывко. Оценка уровня загрязнения донных отложений р. Содышка и их роли в самоочищении экосистемы водотока // Экология речных бассейнов: Труды 6-й Междунар. науч.-практ. конф. /Под общ.ред. проф. Т.А. Трифоновой; Владим. гос. ун-т, Владимир. - 2011. - С. 92-96.

10. Современные проблемы окружающей среды и пути их решения: монография (в соавторстве) / Под ре. A.B. Соловьева, Т.Н. Хуснетдиновой. -М.:ФГБОУ ВПО РГАЗУ. - 2012. - 186с.

11. A.C. Злывко, С.М. Чеснокова. Оценка допустимой антропогенной нагрузки на эвтрофные водотоки урбанизированных территорий. // Экология региона: Труды IV Четвертой Международной научно-практической конференции. /Под общ.ред. проф. Т.А. Трифоновой; Владимир; ВООО ВОИ, -2012.-С. 10-14.

12. A.C. Злывко, С.М.Чеснокова. Оценка допустимой антропогенной нагрузки на эвтрофные водотоки урбанизированных территорий. Четвертая Международная научно-практическая конференция «Экология регионов» / отв. ред. Т.А. Трифонова. Владимир, ВООО ВОИ, 2012, с. 10-14.

13. С.М. Чеснокова, A.C. Злывко, Т.А. Трифонова. Оценка состояния экосистем малых водотоков урбанизированных территорий методами биотестирования // Биодиагностика в экологической оценке почв и сопредельных сред: Тезисы докладов Международной конференции, Москва, 4-6 февраля2013 г. - М.: БИНОМ. Лаборатория Знаний, 2013. - С.237.

14. О.Г. Селиванов, В.Ю. Чухланов, Н.В. Селиванова, А.С.Злывко. Определение токсичности строительных защитных покрытий, содержащих гальванический шлам. Труды 7-й Междунар. науч.-практ. конф. /Под общ.ред. проф. Т.А. Трифоновой; Владим. гос. ун-т, Владимир. - 2013. - С. 499-503.

15. С.М. Чеснокова, A.C. Злывко. Определение предельно-допустимой антропогенной нагрузки на экосистему р. Содышка с использованием гидробионтов различных экологических групп. Труды 7-й Междунар. науч.-практ. конф. /Под общ.ред. проф. Т.А. Трифоновой; Владим. гос. ун-т, Владимир.-2013.-С. 123-130.

16. С.М. Чеснокова, A.C. Злывко. Оценка уровня загрязнения экосистемы р. Содышка тяжелыми металлами. Труды 7-й Междунар. науч.-практ. конф. /Под общ.ред. проф. Т.А. Трифоновой; Владим. гос. ун-т, Владимир. - 2013. - С. 61-65.

Отпечатано в типографии ООО «ПервопечатникЪ», 600005, г. Владимир, ул. Горького,75 заказ № 4316, 100 экз.

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Злывко, Алексей Сергеевич, Владимир

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследования

В настоящее время водные объекты урбанизированных территорий испытывают наибольшие техногенные нагрузки» так как они являются приемниками сточных вод промышленных предприятий (часто достаточно крупных), пригородных сельскохозяйственных предприятий и коммунального хозяйства, а также неочищенных ливневых стоков с территорий промплощадок, городских и сельских поселений. Указанные стоки имеют высокий уровень загрязнения токсичными для гидробионтов веществами и соединениями биогенных элементов. Вследствие этого экосистемы водных объектов урбанизированных территорий эвтрофированы, характеризуются значительной токсичностью абиотических компонентов, низкой самоочищающей способностью. Потеря самоочищающей способности приводит к токсификации и деградации их экосистем, поэтому сохранение самоочищающей способности водных объектов - глобальная проблема современного общества, связанная с обеспечением достойного качества жизни и здоровья населения.

Исходя из того, что в Российской Федерации насчитывается 2,5 млн малых рек и ручьев и они формируют почти половину суммарного объема речного стока, в их бассейнах проживает почти 44% всего городского и почти 90% сельского населения изучение процессов самоочищения экосистем малых рек в зависимости от характера и уровня их загрязнения, токсичности воды для гидробионтов, является актуальным и необходимым.

Основные задачи:

1. Изучить кислотно-щелочной и кислородный режимы водотока, уровень загрязнения экосистемы реки АСПАВ, органическим веществом, тяжелыми металлами;

3. Изучить процессы самоочищения в водотоках, загрязнённых аммонийным азотом в натурных и модельных экспериментах. Изучить корреляционные зависимости между интенсивностью нитрификации и гидрохимическими показателями вод и оценить предельно-допустимые нагрузки на экосистему водотока по полученным экспериментальным данным.

Предложена классификация качества и самоочищающей способности

вод малых рек по интенсивности процессов нитрификации.

Установлены корреляционные зависимости между различными гидрохимическими показателями воды, их токсичностью и самоочищающей способностью.

Апробации работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на международных и всероссийских научных конференциях: XIX Международная научно-практическая конференция «Экология и жизнь», Пенза, 2010; Международная научно-практическая конференция «Экология речных бассейнов», Владимир, 2011, 2013; Международная научно-практическая конференция «Современные проблемы загрязнения окружающей среды», Москва, 2012; IV Всероссийская научно-практическая конференция «Научные проблемы использования и охраны природных ресурсов России», Самара, 2012.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 работ, в том числе 5 статей в изданиях рекомендуемых ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 127 страницах, включает 24 таблиц и 20 рисунков; состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы, включающего 205 наименований (из них 37 на английском языке) и приложений.

Глава 1. Обзор литературы

1.1. Характеристика стоков, поступающих в экосистемы водных объектов урбанизированных территорий

Река Содышка является приемником сточных вод и загрязненного поверхностного стока с сельхозугодий, птицефабрик, с территории г. Владимира и промзоны Октябрьского района города. Исходя из этого для выявления характера их загрязнения и оценки влияния поллютантов на экосистемы водотоков целесообразно провести анализ состава указанных стоков по литературным источникам.

1.1.1. Талые снеговые и дождевые стоки

На территориях городов в наибольшей степени концентрируются антропогенные воздействия на ландшафт и водные объекты. С единицы площади урбанизированной территории смывается в 2-4- раза больше органических и минеральных веществ, чем с единицы площади сельскохозяйственных территорий. Как правило, дождевые воды менее загрязнены, чем талые снеговые. Особенно высок уровень загрязнения талых вод в малоснежные зимы при бурном снеготаянии (Нежиховский, 1990).

Среднее количество загрязняющих веществ (кг\год-га), смываемых с территорий крупных городов с многоэтажной жилой застройкой, в первом приближении следующее (Молоков, Шифрин, 1974):

Взвешенные вещества 2000-2500

Нефтепродукты 60-100

БПК5 140-200

Азот общий 4-6

Фосфор общий 1,0-1,5

Минерализация 400-600

С учетом невысокой точности измерений, чрезвычайно высокой изменчивости во времени и пространстве, ориентировочный состав стоков с урбанизированных территорий может быть представлен в таблице 1.1.1 (Нежиховский, 1990).

Таблица 1.1.1

Средние многолетние концентрации загрязняющих веществ в талых

снеговых и дождевых водах урбанизированных территорий

Вещества Концентрация, мг\дм3

Взвешенные вещества 1500-2000

Минерализация 300-400

бпк5 30-60

бпкполн 90-130

Перманганатная окисляемость 50-100

Бихроматная окисляемость (хпк) 200-300

Азот общий 2-4

Фосфор общий 03,05

Нефтепродукты 4-7

Согласно работам Хвата В.М. и Рокшевской А.В, (Хват, Рокшевская, 1983)талый снеговой и дождевой сток с территорий промышленных предприятий имеет высокий уровень загрязнения взвешенными веществами, органическими соединениями и нефтепродуктами (табл. 1.1.2)

Таблица 1.1.2

Состав талых снеговых и дождевых стоков с территорий промышленных предприятий

Вещества Концентрация, мг\дм3

Взвешенные вещества 500-2000

БПКполн 20-30

Бихроматная окисляемость (ХПК) 100-150

Продолжение таблицы 1.1.2

Нефтепродукты 30-70

Минерализация 200-500

В крупных городах большой вклад в загрязнение водных ресурсов вносят очищенные хозяйственно-бытовые и промышленные сточные воды. В табл. 1.1.3 приведены данные об эффективности очистки хозяйственно-бытовых сточных вод (Нежиховский,1990).

Таблица 1.1.3

Эффективность полной биологической очистки хозяйственно-бытовых сточных вод и концентрация веществ в очищенных сточных водах

Вещество Эффективность очистки,% Концентрация, мг\дм3

Взвешенные вещества 90-95 10-20

бпк5 95-97 7-15

БПКполн 95-97 10-20

Перманганатная окисляемость 85-95 15-20

Бихроматная окисляемость (ХПК) 70-80 70-100

Нефтепродукты 80-90 1,5-3

Азот общий 40-60 8-12

Фосфор общий 40-60 1-3

Фенолы 80-90 0,05-0,10

СПАВ 60-80 1,5-3,0

Из таблицы 1.1.3 следует, что эффективность очистки сточных вод от соединений биогенных элементов не превышает 40-60%.

1.1.2. Сточные воды сельскохозяйственных предприятий

Значительный вклад в экосистему исследуемого малого водотока вносят сельские населенные пункты, животноводческие комплексы (птицефабрики), сельхозугодия.

В пределах сельского поселения невозможно выделить хозяйственно-бытовые, производственные и поверхностные воды, так как они образуют единый поток. Ориентировочные суточные нормы загрязнений (г\сут на 1 чел), поступающих в водные объекты, для сельского жителя составляют

(Нежиховский, 1990):

Взвешенные вещества 13

Нефтепродукты 15

БПКполн 0,03

СПАВ 1,1

Сульфаты 5,2

Хлориды 4,4

Фосфор общий 0,7

Азот общий 4,8

Значительный вклад в загрязнение поверхностных вод соединениями биогенных элементов вносят отходы животноводства. Об этом свидетельствуют данные по составу отходов различных отраслей животноводства (Общесоюзные нормы технологического проектирования, 1987)(табл. 1.1.4).

Таблица 1.1.4

Количество различных веществ в отходах на 100 кг живого веса

животного, кг\год

Животные Азот Фосфор Взвешенные вещества

Крупный рогатый скот 156 17 3780

Лошади 128 19 3960

Свиньи 150 45 3980

Продолжение таблицы 1.1.4

Овцы 119 20 4030

Куры 85 31 3876

Основная часть загрязнений от животноводческих комплексов поступает в водные объекты с поверхностным стоком.

Большой вклад в загрязнение поверхностных вод соединениями биогенных элементов вносит смыв с сельскохозяйственных полей минеральных удобрений. Ежегодный вынос с полей минеральных удобрений в процентах от внесенного количества, в среднем составляет для азота 8-12, калия 8-12, фосфора 1-2 (Нежиховский,1990).

С ростом городского населения возрастает рекреационная нагрузка на

{

водные объекты урбанизированных территорий. При благоустроенных пляя£ах от одного рекреанта за сутки в воду поступают 10-20% фосфора , азота, органических и других веществ, сбрасываемых в городскую канализацию с хозяйственно-бытовыми сточными водами. Значительный вклад в загрязнение поверхностных вод вносят маломерный флот, автомобили, мотоциклы. За навигационный сезон от одного подвесного мотора в воду поступает около 10 кг бензина и до 30 мг бензапирена (Нежиховский,1990).

С территорий городов с поверхностным стоком в водные объекты поступает, наряду с соединениями биогенных элементов, нефтепродукты, бензапирен, фенолы, нитрозамины, СПАВ и тяжелые металлы (Янин, 2002), Как правило, концентрация тяжелых металлов в стоке с урбанизированных территорий заметно превышает их уровень в поверхностном стоке с естественных водосборов (табл. 1.1.5).

Металлы в дождевом и талом стоке с городских территорий, мг\дм3

Город, сток Сг Мп N1 Си гп РЬ

Стивенейдж (Мапсе, Нагшап, 1978)

Дождевой (средние) - 0,11 - 0,028 0,271 0,205

Талый (средние) - 0,149 - 0,050 0,423 0,423

Города Норвегии (ЫпёЬокп, Ва1тег, 1978)

Дождевой (макс) - - - 0,52 1,73 0,82

Средние в водах рек мира (Гордеев, Лисицын, 1978) 0,001 0,01 0,0025 0,007 0,02 0,001

В урбанизированных районах источником загрязнения экосистем водных объектов соединениями биогенных элементов и тяжелыми металлами являются свалки бытовых и промышленных отходов, с которых эти вещества поступают в реки в составе поверхностного, внутрипочвенного и грунтового стока (Янин, 2002).

Из анализа состава стоков, загрязняющих водные объекты урбанизированных территорий следует:

• приоритетными загрязнителями малых водотоков являются соединения азота, органические вещества, СПАВ, нефтепродукты и тяжелые металлы;

• длительное поступление в малые водотоки перечисленных веществ может вызвать эвтрофикацию и токсификацию их экосистем, а также нарущение в них процессов самоочищения;

Исходя их изложенного выше, для комплексной оценки состояния и устойчивости экосистем малых водотоков урбанизированных территорий необходима оценка уровня токсичности вод и их самоочищающей

способности, а также исследование влияния различных токсикантов на процессы самоочищения.

1.1*3. Источники и характер загрязнения р. Содышка

В настоящее время главным в формировании химического состава малых рек урбанизированных территорий стали антропогенные факторы» вызывающие коренные изменения их экосистем.

Примером такого воздействия является река Содышка, протекающая по территории Владимирской области.

Река Содышка испытывает мощные воздействия сточных вод коммунального хозяйства, промышленных, сельскохозяйственных предприятий, ливневых стоков с урбанизированных территорий, а также значительную рекреационную нагрузку.

В реку Содышка поступают сточные воды очистных сооружений двух птицефабрик, Владимирского моторо-тракторного завода, стоки с коллективных садов, с площадок для выгула скота, с территорий птицефабрик и площадок компостирования их отходов, с промышленных площадок северо-востока г. Владимира, автомагистрали и сельских поселений Суздальского района.

1.2. Экологические аспекты загрязнения водных объектов соединениями биогенных элементов и органическим

веществом

Одной из самых опасных экологических проблем загрязнения водных объектов соединениями биогенных элементов и органическим веществом является их эвтрофирование и токсификация.

Согласно ГОСТ 17.1.01-77, эвтрофирование (эвтрофикация, эвтрофия) вод есть повышение биологической продуктивности водных объектов в результате накопления в воде биогенных элементов под действием антропогенных или естественных (природных) факторов. В формулировке Ю.Одума уточняется (Одум, 1986), что процесс эвтрофикации в первую очередь связан с состоянием водосбора и хозяйственной деятельностью на его территории.

Согласно Вронскому (1995) и Науменко (2007), эвтрофирование -повышение биологической продуктивности водных объектов в результате накопления в экосистеме водного объекта биогенных элементов и органического вещества под действием антропогенных и естественных факторов, приводящее к изменениям в составе и структуре гидробиоценоза водоема.

Эвтрофирование - переход водоема (водотока) от состояния, характеризующегося низким содержанием биогенных элементов (олиготрофного) к состоянию характеризующемуся высоким содержанием биогенных элементов и органического вещества (эвтрофному).

Процессы антропогенного эвтрофирования и загрязнения водных объектов в настоящее время распространены повсеместно. Особенно остро эти проблемы встают для водотоков, расположенных на урбанизированных территориях. Процесс антропогенного эвтрофирования сопровождается также токсическим загрязнением (Драбкова, Прыткова, Якушко, 1994; Деревенская и др., 2011; Даценко, 2007),

Наряду с аллохтонными (внешними)источниками поступления органических веществ в континентальные водоемы важную роль играют их автохтонное происхождение, ведущее к вторичному загрязнения водного объекта. Особое значение вторичное загрязнение преобретает в эвтрофных водоемах и водотоках, подверженных «цветению» воды, обусловленному интенсивным развитием отдельных представителей сине-зеленых, диатомовых или зеленых водорослей.

Обогащение экосистем водоемов и водотоков аллохтонным и автохтонным органическим веществом приводит к развитию в них патогенных микроорганизмов - микробиологическом загрязнению (Сиренко, Козицкая, 1988; Воробьева и др., 2011). Установлена тесная корреляция между показателями загрязнения вод органическим веществом БПКао, ХПК, перманганатной окисляемостью и индексом общих колиморфных бактерий (ОКБ) (Воробьева и др.,2011). На основе исследования указанных корреляционных зависимостей авторами предложена шкала оценки уровня загрязнения поверхностных вод по этим показателям.

Таблица 1.2.1. Шкала оценки степени загрязнения поверхностных вод

Степень загрязнения Показатель

БПК2о, иг/дм" ХПК, мг02 /дм3 ПО, мг Ог /дм3 ОКБ

Допустимая 1,5 10 3,5 <\05

Умеренная 2,0 15 5 10'

Высокая 5 30 10 10*

Чрезвычайно высокая >5 >30 >10 >104

К настоящем

Информация о работе