Содержание к диссертации
Введение
1. Формирование качества воды водохранилищ под воздействием различных факторов (обзор литературы) 9
1.1 Значение и классификация водохранилищ 9
1.2 Изменение состояния водоемов под воздействием природных факторов 13
1.3 Изменение качества воды в результате техногенеза 20
1.3.1 Влияние активной реакции среды на жизнедеятельность гидробионтов 20
1.3.2 Органическое вещество водоемов 22
1.4 Роль биогенных элементов в эвтрофикации водоемов 25
1.4.1 Эвтрофикация водоемов в естественных условиях 25
1.4.2 Роль нитратов в усилении эвтрофикации 31
1.4.3 Динамика соединений фосфора в водоемах 33
1.5 Использование метода биоиндикации в оценке состояния водных экосистем 35
2. Район работ, материалы и методы 45
2.1 Характеристика района исследований 45
2.1.1 Климат 45
2.1.2 Почвы 48
2.1.3 Геохимические особенности состава природных вод 50
2.2 Характеристика водохранилищ 51
2.3 Материал и методы 55
3. Химико-экологическая оценка воды водохранилищ агроландшафта 57
3.1 Активная реакция среды 57
3.2 Показатели, характеризующие содержание растворенного органического вещества 59
3.3 Содержание основных биогенных элементов в воде водохранилищ 72
4. Качественная и количественная характеристика основных эколого-трофических групп гетеротрофных микроорганизмов в воде водохранилищ агроландшафта 82
4.1 Анализ общей численности гетеротрофных микроорганизмов 82
4.2 Оценка количественного содержания микроорганизмов, принимающих участие в круговороте азота и фосфора 89
4.3 Нефтеуглеводородокисляющие микроорганизмы 101
Выводы 104
Список литературы 106
Приложение 136
- Изменение состояния водоемов под воздействием природных факторов
- Использование метода биоиндикации в оценке состояния водных экосистем
- Показатели, характеризующие содержание растворенного органического вещества
- Нефтеуглеводородокисляющие микроорганизмы
Введение к работе
Актуальность проблемы. Малые водоемы имеют важное экологическое значение, являясь критериями устойчивости экосистем и неотъемлемой частью окружающей природной среды. Естественные и искусственные водоемы создают определенную влажность воздуха, поддерживают уровень грунтовых вод, служат местом водопоя и купания животных, рыборазведения, добычи рыбы для местного потребления; они необходимы для водоплавающих птиц, наконец, украшают ландшафт и служат местом отдыха сельских жителей (Лопырев М.И., 1982; Сёмин В.Л., 2001). Из-за своих гидрологических и морфологических особенностей малые водоемы наиболее чувствительны к возрастанию антропогенной нагрузки и процессам антропогенного эвтрофирования (ДрабковаВ.Г., 1980; Эвтрофирование ..., 1985).
Последние десятилетия характеризуются резким усилением антропогенной нагрузки на водоемы и водотоки. Происходит разрушение структурно-функциональной организации водных экосистем, снижение водохозяйственного, рыбохозяйственного и рекреационного потенциалов водных объектов. Сельскохозяйственное производство является фактором, оказывающим влияние на состояние водоемов, которое проявляется как в изменении химического состава и ухудшении качества воды, так и в изменении количественных показателей водных гидробионтов. При этом снижается самоочистительная способность водоемов, делая их более уязвимыми к внешнему воздействию (Дога Е.Ф., Капитальчук И.П., 1999; Сергиенко Л.П., 2003; Бород-кина Р.А., Кузьмина И.А., 2006; Децук B.C., 2008).
В Амурской области на малых реках, которые расположены на территории сельскохозяйственного природопользования, создан каскад водохранилищ. Устойчивость к антропогенному воздействию водоемов в разных зонах существенно различается, что связано, прежде всего, с климатическими особенностями, гидрохимическим режимом, способностью к самоочищению.
В южной зоне Амурской области сосредоточены наиболее плодородные лугово-черноземовидные почвы. С 1961 г. здесь начали применяться интенсивные технологии возделывания сельскохозяйственных культур, вносились высокие дозы минеральных удобрений. Водоемы агроландшафта постоянно испытывают сильное антропогенное воздействие в результате смыва с полей микрочастиц почвы, растворимых в воде азотных и фосфорных удобрений, стоков с расположенных рядом животноводческих комплексов, пастбищ. Эти факторы вызывают изменение величины и направленности потоков биогенных веществ в агр о ландшафте. В результате происходит изменение качества среды и компонентов экосистемы. Поэтому оценка воздействия антропогенной деятельности на природную среду является важным и необходимым условием управления природопользованием и прогнозирования изменений природной среды под воздействием хозяйственной деятельности человека.
Цель работы - оценить химико-экологическое состояние водохранилищ южной зоны Амурской области. Задачи исследований:
определить содержание растворенного кислорода и органических соединений в искусственных водоемах агроландшафта;
исследовать концентрацию и источники поступления основных биогенных элементов;
изучить структуру микробных сообществ в воде водохранилищ;
проследить корреляционную зависимость химических и микробиологических показателей;
оценить экологическое состояние водохранилищ агроландшафта. Исследования проводились в течение 2006 - 2008 гг. в соответствии с
тематикой научно-исследовательских работ ДальГАУ: тема 8 «Адаптивное земплепользование», раздел 8.1. «Мониторинг состояния агроэкосистем в условиях Амурской области» (государственный регистрационный номер 0120.0 503566).
Научная новизна. Впервые в условиях южной зоны Амурской области проведена оценка экологического состояния каскада водохранилищ малой реки, находящихся в зоне интенсивного сельскохозяйственного природопользования. Осуществлены регулярные наблюдения и дана количественная оценка содержания растворенного кислорода, органических соединений, содержание биогенных элементов и основных эколого-трофических групп микроорганизмов. Выявлены природные и техногенные источники поступления биогенных элементов в водоемы. Показана корреляционная зависимость химических и микробиологических показателей.
Защищаемые положения:
водохранилища, находящиеся в агроландшафте, испытывают высокую антропогенную нагрузку в результате сельскохозяйственного землепользования. Вследствие выноса биогенных элементов и органических веществ с поверхностным стоком с близлежащих сельскохозяйственных угодий происходит регулярное загрязнение воды;
для водоемов агроландшафта характерна высокая численность сапрофитных гетеротрофных микроорганизмов, аммоний-, нитрит- и фосфорокис-ляющих бактерий, что свидетельствует как о большом количестве создаваемой (автохтонной), так и поступающей (аллохтонной) органики, вызывающей эвтрофикацию. По содержанию нефтеуглеводородокисляющих бактерий экологическая ситуация удовлетворительная;
между химическими и микробиологическими показателями прослеживается корреляционная зависимость. Комплексное использование методов химического анализа и биологического контроля позволяет получить более точную, интегральную оценку экологического состояния водоемов.
Практическая значимость. Исследование экологического состояния искусственных водоемов позволяет понять закономерности взаимодействия природных и антропогенных компонентов агроэкосистем и дать научно-
обоснованную оценку возможности сохранения водных экосистем и использования водохранилищ для рыбохозяйственных и культурно-бытовых целей.
Результаты исследований могут найти применение при решении вопросов, связанных с контролем качества окружающей среды и предотвращением загрязнения поверхностных вод. Данные могут быть экстраполированы на другие водоемы сельскохозяйственных угодий, имеющие высокую степень сходства как по интенсивности антропогенного воздействия, так и по гидродинамическим характеристикам.
Результаты используются в учебном процессе в курсе лекций для студентов специальностей 110201.65 «Агрономия», 110102.65 «Агроэкология», 280301.65 «Инженерные системы сельскохозяйственного водоснабжения, обводнения и водоотведения», 280302.65 «Комплексное использование и охрана водных ресурсов» Дальневосточного государственного аграрного университета.
Апробация работы. Основные результаты исследований доложены на региональной научно-практической конференции «Молодежь XXI века: шаг в будущее» (Благовещенск, 2007, 2008 гг.), на научной конференции ДальГАУ (Благовещенск, 2009 г.), на региональной конференции «Биологические и агротехнические исследования - сельскохозяйственному производству Дальнего Востока» (Благовещенск, 2009), на межрегиональной конференции «Комплексные исследования природной среды в бассейне р. Амур» (Хабаровск, 2009).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 работы, в том числе две в журналах, рекомендованных Перечнем ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 148 страницах машинописного текста, включает 8 таблиц, 20 рисунков, 14 приложений. Работа состоит из введения, четырех глав и выводов. Список литературы включает 277 источников, в том числе 24 иностранных.
Изменение состояния водоемов под воздействием природных факторов
Кроме природных факторов огромное значение в настоящее время отводится антропогенным, так как деятельность человека нарушает природное равновесие в водных экосистемах, определяющих химический состав природных вод. Весьма сложную задачу представляет выделение и количественная оценка антропогенного фактора, особенно в случаях, когда в природные воды поступают антропогенные вещества того же состава, как и при воздействии природных факторов (Коновалов Г.С., 1984; Калиниченко Н.П., 1992; РеймерсН.Ф., 1996). Воздействие хозяйственной деятельности на малые водоемы представляет собой весьма общее явление, поскольку водные экосистемы с площадью зеркала до 50 квадратных километров, условно относимые к малым, встречаются повсеместно, число их велико, а их водосборы, как правило, активно используются человеком. Оценка воздействия антропогенной деятельности на природную среду является важным и необходимым условием управления природопользованием и прогнозирования изменений природной среды под воздействием хозяйственной деятельности человека. При хозяйственной деятельности антропогенный пресс на природную среду усиливается, что находит свое немедленное отражение в изменении гидрологического режима и особенно качественного состава поверхностных вод (Камшилов М.М., 1979; Яковлева Л.М. и др, 1983; Бородкина Р.А., Кузьмина И.А., 2006; Де-цук B.C., 2008; Власов Б. П., 2004).
Влияние человека на малые водоемы сводиться главным образом к воздействию сельского хозяйства, при этом земледелие оказывается наиболее массовым фактором. В России на долю сельского хозяйства приходится шестая часть объема сброса сточных вод в водоемы и почти восьмая часть сброса загрязненных сточных вод. Годовой объем суммарного сброса сельскохозяйственных стоков в водоемы России составляет около 10,25 млрд. м3, из них загрязненных сточных вод - около 3,2 млрд. м (Протасов В.Ф., 2000).
Несмотря на резкое снижение внесения удобрений, сельскохозяйственные водосборы по-прежнему остаются источником поступления в водные объекты большого количества загрязняющих веществ (Ралько В.Д., Чу-даева В.А., 1989). Это прежде всего пестициды, аммонийный и нитратный азот, фосфор, калий, органические вещества. Роль современного земледелия проявляется двояко. Во-первых, распашка приводит к существенному усилению эрозии почв и, следовательно, к усилению выноса биогенных веществ в водотоки и водоемы. Во-вторых, применение минеральных удобрений создает дополнительный поток биогенных элементов в водные объекты (Смирнова Н.Ф. и др. 1980; Эволюция круговорота..., 1988; Дога Е.Ф., Ка-питальчук И.П., 1999).
Распаханные почвы по сравнению с их естественными аналогами обладают совершенно иными водно-физическими свойствами. Для них характерны низкая водопроницаемость и значительный поверхностный сток. Интенсивное развитие процессов физико-механического выветривания и смыва почвообразующих пород способствует повышению минерализации поверхностных вод. В то же время растения играют значительную роль в сдерживании и снижении смыва и вымывания,биогенов (Эволюция круговорота..., 1988; Антропогенное перераспределение..., 1993).
Площадь эрозионноопасных и подверженных эрозии сельскохозяйственных угодий составляет в России 124 млн га (56% их общей площади), из них 87,3 млн га - пашни. Ежегодно около 25-30 тыс. га черноземов выводится из сферы сельскохозяйственной деятельности в результате роста оврагов. Объем поверхностного стока талых и дождевых вод с сельскохозяйственных угодий, расположенных на склонах крутизной более 1 градуса, приближается к 90 млрд м /год. Этот поток смывает почти 1,5 млрд. т почвы. Вынос питательных веществ с этой массой почвы вдвое превышает их количество, вносимое с удобрениями. Более 26 млн га (20,4%) пашни России располагается на смытых почвах. На многих расчлененных территориях с черноземными почвами более 50% распаханных земель эродированы и являются мощным источником поступления биогенных веществ в водные объекты (Агроэкология, 2000).
К основным факторам, определяющим масштабы вымывания биогенов из почв различных генетических типов, относят степень её окультуренности и насыщенности основаниями; наличие динамического равновесия между минеральным и органическим азотом, которое обусловлено противоположными процессами - аккумуляцией и минерализацией этого элемента; уравновешенность питательного режима почв благодаря поддержанию на постоян 17 ном уровне соотношения N:P:K; минералогический и гранулометрический составы; степень микробиологической активности.
Так, в водах поверхностного стока с земель, оставленных под чистый пар, соотношение фосфора в растворе и взвесях составляет 1:165, а в стоке с полей люцерны — 33:1. Максимальные концентрации соединений общего фосфора поступают со стоковых вод на зяби (0,87 мг/дм ), минимальные — на многолетних травах (0,23 мг/дм ). По азоту в аммонийной форме в водоемы смывается 12%, остальные 88% смываются в нитратной форме (Романов В.П., 2008).
Приток биогенных элементов способствует эвтрофированию водоемов, при этом изменяются свойства воды: ухудшаются физические характеристики, изменяется содержание отдельных минеральных и органических компонентов химического состава, нарушается газовый режим (Скопинцев Б.А. и др., 1979). Что же касается дополнительного поступления в водоемы биогенных элементов за счет применения минеральных удобрений, то это — стремительно нарастающий процесс, эффект которого сейчас еще трудно всесторонне оценить. Потери минеральных удобрений только при транспортировке и хранении достигают 60 %. На Нижней Волге, например, в районе острого экологического бедствия от 50 до 75 % ядохимикатов хранятся вообще без складских помещений. Грубые нарушения правил применения, хранения и транспортировки используемых в сельском и лесном хозяйстве минеральных удобрений и пестицидов приводят к тому, что в среднем от 30 до 70 % их попадают в водоемы (Сергиенко Л.И., 2003).
Особое внимание уделяется загрязнению природных вод азотными удобрениями ввиду опасности нитратного азота — конечного продукта превращения азота удобрений в почве — для здоровья людей и животных. В большинстве европейских стран загрязнение грунтовых вод нитратами носит не повсеместный, а локальный характер. Чаще всего оно приурочено к районам интенсивного сельскохозяйственного производства, где в составе выращиваемых культур велика доля культур, под которые вносят высокие дозы азотных удобрений. В зонах с высоким содержанием нитратов, помимо диффузных, имеются и точечные источники загрязнения — мусорные свалки, силосные ямы. Большое количество азота транспортируется в водные объекты в составе поверхностного стока, причем часть этого выноса приходится на жидкий сток. В США из 5 миллиардов кубических метров почвы, ежегодно теряемой в процессе эрозии, 80% приходится на водный смыв, вместе с которым в водные объекты поступает 4,5 млн. т азота (в основном в органической форме). На вынос азота с поверхностным стоком влияют почвенно-климатические условия, рельеф местности, состав растительного покрова и особенности ведения сельского хозяйства (Покровская С.Ф. и др., 1985).
Для защиты сельскохозяйственных культур от вредителей, болезней и сорняков все шире применяют химические средства. В настоящее время сельское хозяйство является практически единственным загрязнителем водных объектов пестицидами. В результате широкого применения химических средств защиты растений происходит загрязнение территорий, а также рек и грунтовых вод. В открытые воды пестициды попадают с дождевыми и талыми водами, стекающими с обработанных ими территорий, при нарушении технологии обработки сельскохозяйственных угодий и лесов, в результате сброса сточных вод предприятиями, производящими пестициды, неправильного хранения или потерь при транспортировке. Несоблюдение дозировок и сроков обработки ведет к накоплению пестицидов в сельскохозяйственных продуктах, идущих в пищу людям и на корм сельскохозяйственным животным. Увеличение кратности обработок приводит к накоплению пестицидов в почве и последующему вымыванию их в водоемы (Юшма-новО.Л. и др., 1985).
Использование метода биоиндикации в оценке состояния водных экосистем
Как известно, оценка качества среды и антропогенных изменений водных экосистем может производиться и по их абиотическим параметрам, и по биотическим (т.е. с применением биоиндикации). Оба подхода имеют свои преимущества и недостатки. Абиотические параметры удобнее тем, что непосредственно характеризуют состав среды, в частности, ее конкретные негативные изменения, причем имеют строгое количественное выражение. Однако получить по ним полную характеристику среды невозможно, т.к. главный критерий - реакция на нее биоты - остается неучтенным. Кроме того, современные антропогенные воздействия на водные экосистемы, как правило, весьма сложны, и даже при контроле значительного количества абиотических параметров всегда остается сомнение, что какие-либо из определяющих факторов все же останутся неучтенными. Наконец, реакция экосистем существенно зависит не только от состава факторов, но и от их взаимодействия. Все это весьма затрудняет оценку состояния экосистемы и качества водной среды по одним лишь абиотическим параметрам (Шуйский В.Ф. и др., 2002).
Преимущество использования биотических параметров (биоиндикации) заключается в их большей надежности и объективности. Состояние биоты определяется всем состоянием среды и четко реагирует на негативные воздействия любого происхождения (Алимов А.Ф., 1989; Соколов В.Е. и др., 1990; Avilest G.J., 1992; Chaphekar S.B., 1991).
Мир микроскопических организмов, населяющих пресноводные водоемы, настолько многообразен, жизнедеятельность бактериального населения толщи вод и донных отложений настолько многогранна и всеобъемлюща, что большинство исследователей считают водные микроорганизмы основным фактором, нормирующим качество воды (Гак Д.З., 1975; Ермолин В.П., 1986). Чрезвычайно важную роль в начальных этапах расщепления органических субстратов в круговороте биогенных элементов играют микроорганизмы, выделяющие в среду гидролитические ферменты. На водохранилищах бактериями разрушается более половины всего находящегося в воде органического вещества. В средах, загрязненных органическими веществами, возрастает количество микрофлоры, утилизирующей соответствующие субстраты, и численность этих микроорганизмов может быть показателем степени органического загрязнения (Калитина Е.Г. и др., 2006; Заварзин Г.А., Колоти-ловаН.Н., 2001; Константинов А.С., 1977).
Важную роль в самоочищении вод водохранилищ играют микробиологические процессы, связанные с деструкцией различных органических субстратов затопленных территорий, сельскохозяйственных угодий, растительных остатков (Гоман Г.А., 1976; Кондратьева Л.М., 2005). Существенную роль в жизни водоемов играют микроорганизмы, которые путем минерализации органических веществ обогащают воду биогенными элементами и, обладая большой скоростью размножения, могут быстро увеличивать свою биомассу. Эти и некоторые другие свойства микроорганизмов позволяют рассматривать их как высокочувствительные биологические индикаторы состояния природной среды, в том числе и водной (Ладыгина Г.Н. и др., 1999; Петрухина и др., 2006, 2008).
Микроорганизмы являются чувствительным тест-объектом для выявления большого количества химических соединений, различными путями попадающих в водную среду. При методе биоиндикации, основанном на изменении ростовой реакции микробов под действием химических соединений, удается определить разнообразные химические вещества в составе среды (Буманов А.А. и др., 1981; Вайнерт Э. и др., 1988). Исследуя водную микрофлору, А.С. Разумов (1962) пришел к выводу, что микробиальный планктон в водоемах состоит из автохтонных и аллохтонных организмов. Аллохтонная микрофлора попадает в водоем извне с водосборной площади: из почвы, воздуха и с растительными остатками. Эта микрофлора наименее специфична и составляет лишь небольшую часть от общего количества микробиального планктона. Любой органический материал, поступающий извне, неизбежно подвергается воздействию физических, химических и биологических факторов (Бикбулатов Е.С., Бикбулатова Е.М., 1993). Основное же население в водоемах представлено автохтонными микроорганизмами, к которым принадлежат автотрофные и гетеротрофные бактерии. Автотрофные микроорганизмы способны для своего развития усваивать свободную углекислоту, использовать энергию света или окисления неорганических веществ, гетеротрофные организмы получают для своего развития энергию и углерод из сложных органических соединений (Кузнецов СИ., Романенко В.И., 1963).
К гетеротрофным бактериям относятся сапрофитные и миксотрофные формы. Гетеротрофные организмы и, в первую очередь, бактерии, разрушая биомассу первичных продуцентов, непосредственно участвуют в формирова 38 ний качества воды. Численность гетеротрофных бактерий зависит от обилия легкоусваиваемых органических веществ и служит высокочувствительным индикатором содержания последних в воде (Андроникова И.Н., 1984). Одной из характеристик гетеротрофных бактерий может служить микробное число, показывающее привнесенную (аллохтонную) микрофлору (Миронов О.Г., 1971, 1972; Миронов О.Г. и др., 2004).
Микроорганизмы способны не только адаптироваться к действию токсических веществ, но и использовать их в качестве источника углерода (Никитина И.Б., 1971; Никитина З.И., 1991). Это позволяет выделить отдельные физиологические группы бактерий. Кроме того, многие из них в определенных условиях, при наличии субстрата, разрушают углеводороды, липиды, фенолы.
Главным фактором, способствующим развитию микроорганизмов в воде, является наличие в ней питательных веществ. Чем богаче вода органическими веществами, тем большее количество микробов содержится в ней. Как правило, сапрофитная микрофлора обильнее в прибрежных участках. Количество сапрофитов в зоне малых глубин увеличивается у дна, что, по-видимому, связано с быстрым оседанием на мелководьях, а также с взмучиванием. Кроме того, в воде рек выше городов бактерий всегда меньше, чем в районе городов и ниже их. В дождливую погоду количество бактерий сильно возрастает, а в солнечную - уменьшается (Кульский Л.А., 1980; Александрова Д.Н., 1973).
С практической точки зрения микроорганизмы расцениваются как полезные и вредные. К группе полезных микроорганизмов относят большое количество сапрофитов и их спутников, в аэробных условиях разлагающих органические вещества до конечных продуктов - двуокиси углерода и воды. В анаэробных - до более простых органических соединений: спиртов, летучих жирных кислот, метана и двуокиси углерода. К группе вредных относятся патогенные микроорганизмы и избыток полезных микробов, которые оказы 39 вают вредное действие на технологический процесс очистки воды; при этих условиях их можно назвать технически вредными (Шлегель Г., 1987).
Микроорганизмы-редуценты выполняют двойную функцию в водоемах. Во-первых, участвуя в деструкции как аллохтонных полисахаридов, углеводов, белков, пептидов, органических и аминокислот, а так и автохтонных, выделяемых прижизненно и в ходе отмирания живых организмов (фито-и зоопланктона, водорослей, макрофитов, беспозвоночных), они осуществляют процессы самоочищения водоемов. С другой стороны, микроорганизмы способствуют вторичному загрязнению за счет накопления собственных метаболитов и биомассы, промежуточных продуктов деструкции и трансформации. Некоторые соединения, не представляя, на первый взгляд, токсикологической опасности, при изменении условий окружающей среды (температура, рН, концентрация кислорода), способны превратиться в ходе биоконверсии в токсичные продукты (Кондратьева Л.М. и др., 2000).
Показатели, характеризующие содержание растворенного органического вещества
Одним из важнейших факторов, обеспечивающих требуемое качество воды в водных объектах, является кислородный режим. Наличие в воде растворенного кислорода обеспечивает в природных водных объектах самоочистительную способность, суть которой заключается в том, что растворяющегося в силу различных природных процессов кислорода в воде оказывается достаточно, чтобы обеспечить жизнедеятельность организмов, перерабатывающих попадающие в воду в ограниченном количестве загрязнения в безвредные формы (Суйков Н.В., 2006). Поступление растворенного кислорода в водную среду происходит путем его растворения при контакте с воздухом (адсорбция), а также в результате фотосинтеза водными растениями, т.е. в результате физико-химических и биохимических процессов (Эйнор Л.О.,1984). Кроме того, этот элемент также поступает в водные объекты с дождевыми и снеговыми водами (Бреховских В.Ф., 1988; Подорвано-ваН.Ф. и др., 1989).
В соответствии с гигиеническими требованиями к поверхностным водам хозяйственно-бытового, рекреационного водопользования, а также в черте населенных мест (СанПин 2.1.5.980-00) содержание растворенного кислорода не должно быть ниже 4 мг 02/л в любой период года; для водоемов рыбохозяйственного назначения концентрация растворенного в воде кислорода не должна быть ниже 4 мг 02/л в зимний период и 6 мг 02/л в летний (Перечень..., 1999).
Количество органического вещества в водоеме и содержание растворенного кислорода связаны напрямую. Концентрация растворенного кислорода в воде в июне 2006 г. не достигала требуемой для водоемов рыбохозяйственного назначения нормы в воде придонного слоя водохранилища с. Там-бовка - 4,29 мг 02/л, перманганатная окисляемость в этот период также была выше нормы - 9,07 мг О/л. Следовательно, шел расход кислорода на окисление органических веществ и деструкцию органики микроорганизмами. Подобная ситуация наблюдалась в июле, когда содержание растворенного кислорода в воде поверхностного слоя водохранилища с. Тамбовка опустилось до 4,4 мг 02/л, при этом превышение перманганатной окисляемости составило 3,4 ПДК, в придонном слое содержание растворенного кислорода снизилось до 4,21 мг 02/л, превышение перманганатной окисляемости составило 6,7 ПДК. В воде водохранилища с. Козьмодемьяновка концентрация кислорода в поверхностном слое понизилась до 4,79 мг 02/л, в придонном до 3,8 мг Э2/л. В августе нарушение зафиксировано лишь в придонном слое воды водохранилищ с. Тамбовка (45% насыщения) и с. Козьмодемьяновка (61% насыщения) (таблица 1).
В 2007 году нарушений норматива содержания растворенного кислорода не было зафиксировано ни в воде водохранилищ агроландфата, ни в воде водохранилища Прядчино. В июле - августе происходило массовое размножение сине-зеленных водорослей и концентрация кислорода в верхних слоя воды колебалась от 90 % до 115 %, в нижних от 81% до 105 % насыщения. Наименьшее насыщение кислородом в июле (81%) отмечено в воде водохранилища Прядчино, что объясняется малой биопродуктивностью этого водохранилища.
В конце мая - начале июня 2008 г. преобладала прохладная с осадками погода. По-видимому, это повлияло на кислородные показатели воды в водоемах - содержание растворенного кислорода не опускалось ниже значений рыбохозяйственного норматива в воде водохранилищ с. Тамбовка, Прядчино, поверхностного слоя с. Николо-Александровка. Пониженные концентрации растворенного кислорода отмечены в водохранилище с. Козьмодемьяновка (4,8 - 3,6 мг Ог/л) и придонном слое водохранилища с. Николо-Александровка (4,5 мг Ог/л), в этих водоемах фиксировалась повышенная перманганатная окисляемость 13,9 - 14,6 мг О/л. В первой декаде июля выпало 78 % месячной нормы осадков, что привело к увеличению содержания органического вещества, на окисление которого мог расходоваться растворенный кислород. Отмечено 46-53% насыщения в поверхностном слое и 40-54% - в придонном слое воды водохранилищ. Лишь в воде поверхностного слоя водохранилища с. Козьмодемьяновка рыбохозяйственный норматив не нарушался (8,3 мг Ог/л), так как в этот период отмечено максимальное размножение сине-зеленых водорослей и активизация процессов фотосинтеза, который поддерживал концентрацию 02 на достаточно высоком уровне. В августе нарушений ПДК не отмечено. Содержание растворенного кислорода в воде водохранилища Прядчино в течение всего периода исследований было стабильным и характеризовало водоем как очень чистый.
В целом минимальные показатели содержания растворенного кислорода в воде зафиксированы в июле 2006 г. и 2008 г., когда накануне отбора проб выпало наибольшее количество осадков, и растворенный кислород мог расходоваться на окисление аллохтонных органических веществ.
Стабильный (80-120%) кислородный режим определяет самоочищающую способность и обеспечивает устойчивость водных экосистем. Как недостаток, так и перенасыщение воды растворенным кислородом служат признаками процессов эвтрофикации (Бреховских В.Ф., 1988). Неудовлетворительное состояние водоемов агроландшафта в значительной степени связано и с низким содержанием кислорода в воде.
В воде водоемов содержится большое количество самых разнообразных органических соединений, которые оказывают влияние на содержание в ней кислорода. Несмотря на огромную роль, органические вещества (ОВ) остаются одними из наименее изученных компонентов химического состава вод вследствие большой сложности и разнообразия, малого содержания, трудности выделения и неразработанности прямых методов анализа. Поэтому для количественной оценки органического вещества используют косвенные показатели - перманганатную окисляемость (ПО), получая оценку легкоокисляемой части (окисляется 40-60% органических веществ, в основном это окрашенное ОВ), химического потребления кислорода (ХПК) 63 практически всего растворенного органического вещества (окисляется 90-95% ОВ), а также величину биохимического потребления кислорода (БПК5) — количество легкоподвижных органических веществ (Левшина СИ., 2007; Смирнов М.П., 2008).
Биохимическое потребление кислорода - показатель, указывающий на суммарное содержание в воде органических веществ, которые могут быть окислены в процессе жизнедеятельности микроорганизмов (Позднякова А.Н., 1977). Величины БПК5 в водоемах, используемых для рыбохозяйственных целей, подвержены сезонным и суточным колебаниям. Сезонные колебания зависят, в основном, от изменения температуры и от исходной концентрации растворенного кислорода (Зенин А.А., Белоусов Н.В., 1988). Влияние температуры сказывается через ее воздействие на скорость процесса потребления, которая увеличивается в 2-3 раза при повышении температуры на 10С (Позднякова А.Н., 1977). Влияние начальной концентрации кислорода на процесс его биохимического потребления связано с тем, что значительная часть микроорганизмов имеет свой кислородный оптимум для развития в целом и для физиологической и биохимической активности (Гидрохимические показатели..., 2007).
В 2006 году превышение рыбохозяйственного норматива по биохимическому потреблению кислорода в поверхностных слоях исследуемых водохранилищ отмечено в июне в воде водохранилища с. Тамбовка - 4,6 мг Ог/л (класс грязные воды), в июне, июле и августе в воде водохранилища с. Козь-модемьяновка 2,3 - 3,7 мг Ог/л. Вода данного водоема соответствовала II категории (культурно-бытовое назначение) и относилась к III и IV классам качества - «умеренно загрязненная» и «загрязненная». В придонном слое вода водохранилища с. Козьмодемьяновка БІЖ5 варьировала в пределах 1,8-2,1 мг 021л и характеризовалась как «чистая» в июле и «умеренно загрязненная» в августе. Вода водохранилища Прядчино в этот период исследований не превышала норматив и соответствовала I и II классам качества — «очень чистые» и «чистые воды» (таблица 2, приложение 4).
Нефтеуглеводородокисляющие микроорганизмы
Единственным компонентом водных экосистем, способным разрушать антропогенные нефтеуглеводороды и ввести их в естественный круговорот органических веществ, являются микроорганизмы. Учеными описано 70 родов микроорганизмов, включающих 28 родов бактерий (свыше 100 видов), 30 видов грибов и 12 видов дрожжей, окисляющих один или несколько углеводородов (Миронов О.Г, 1972; Нельсон-Смит А., 1977; Патин С.А., 1997; Иванов В.П., Сокольский А.Ф., 2000; Bruns К. et al; 1993; Fedorak et al, 1984). Впервые на микробное окисление нефти указал Дж. Ортон в 1925 году (Цыбань А.В., Симонов А.И., 1979). Однако до сих пор в научной литературе дискутируются такие вопросы, как существование корреляционной связи между численностью углеводородокисляющих бактерий и общим содержанием нефти в воде и влияние температуры на скорость биодеградации нефте-углеводородов.
В некоторых работах по микробному окислению нефтяных углеводородов исследователи отрицают существование корреляционной связи между численностью углеводородокисляющих бактерий и общим содержанием нефти в воде (Салманов М.А., 1999; Уцов С.А. и др., 1999; Еремеева СВ. и др. 1999). Но, в то же время, имеется достаточно большое число работ (Миронов О.Г., 1971, 1972), утверждающие противное, таким образом, и то, и другое мнение правомерно пока.
Наличие нефтеокисляющих бактерий в водной среде еще не означает присутствие там антропогенной нефти, так как нефть может поступать и естественным образом, а углеводороды, подобные нефтяным, непрерывно синтезируют растения и бактерии (Бутаев A.M., Кабыш Н.Ф., 2002). К ним относятся воскообразные вещества, покрывающие листья растений. Таким образом, углеводороды - это не только сохранившиеся до наших дней продукты жизнедеятельности древних растений; это также вторичные ме 102 таболиты, синтезируемые зелеными растениями в значительных количествах (Шлегель Г., 1987).
В результате проведенных исследований были выявлены значительные колебания численности нефтеуглеводородокисляющих бактерий как в поверхностных, так и придонных слоях воды исследуемых водоемов. В 2007 году наибольшее количество бактерий данной группы в поверхностном слое отмечено в воде водохранилища с. Тамбовка в июле - 1,5 10 кл/мл и в августе - 9,5 102 кл/мл, что в 1,6-38 раз выше, чем в воде водохранилища Пряд-чино. В придонном слое воды в воде водохранилища с. Николо-Александровка 7,5 10 в июле и 3 10 кл/мл в августе, что также выше, чем в водоеме Прядчино. В воде водохранилища с. Козьмодемьяновка в поверхностном слое количество бактерий данной группы было на уровне водоема Прядчино, в придонном слое воды в 1,8-21 раз выше (приложение 13).
Количество бактерий, нефтеуглеводородокисляющих, к концу вегетационного периода 2008 года увеличивалось. Их численность коррелировала с концентрацией нефтепродуктов в поверхностных (0,94-0,99) и придонных (0,91-0,99) слоях воды исследованных водохранилищ. Так, в поверхностных слоях воды водохранилищ минимальные концентрации нефтепродуктов 0,005 мг/л отмечены в июне, когда было зафиксировано и наименьшее содержание бактерий окисляющих нефтеуглеводороды (45-9,5 10 кл/мл). Максимальное содержание нефтепродуктов зафиксировано в августе - 0,03-0,05 мг/л, в это время бактерий нефтеуглеводородокисляющих также увели-чилось до 1,5 10 -8 10 кл/мл. В придонных слоях исследованных водохранилищ минимальное содержание нефтепродуктов 0,005 мг/л отмечено также в июне, содержание нефтеуглеводородокисляющих бактерий в это время . было наименьшим и колебалось от 45 до 7,5 10 кл/мл. Наибольшее количе-ство бактерий данной группы (7,5 10 кл/мл) отмечено в августе в воде водохранилища с. Тамбовка, где зафиксировано максимальное содержание нефтепродуктов 0,5 мг/л за весь период исследований (рисунок 21,22, приложение 13,14).
Таким образом, экологическое состояние исследованных водохранилищ по содержанию нефтепродуктов в воде можно оценить как удовлетворительное, превышение ПДК не было отмечено. Прослеживается корреляционная зависимость содержания нефтепродуктов в воде с количеством нефтеуглеводородокисляющих бактерий.
Похожие диссертации на Химико-экологическая оценка состояния водохранилищ южной зоны Амурской области
