Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Характеристика территории, объекты и методы исследований ..8
1.1. Физико-географическая характеристика территории 8
1.1.1 . Географическое положение и рельеф 8
1.1.2.Климатические условия 12
1.1.3 .Гидрография 15
1.1 Почвенно-растительный покров 21
1.2. Характеристика исследуемых озер 25
1.3. Объекты и методы исследований 47
Глава 2. Гидрохимические особенности озер 57
2.1. Морфология и морфометрия озер 57
2.2. Гидрохимические особенности озер 60
Глава 3. Гидробиологические особенности озер 107
Глава 4. Экологическое состояние воды озер и пути его улучшения ...116
4.1. Оценка экологического состояния воды озер Челябинской области... 122
4.2. Очистка вод разного химизма и степени засоления с использованием нефтеразлагающих микроорганизмов 138
Выводы 156
Библиографический список использованной литературы
- Географическое положение и рельеф
- Характеристика исследуемых озер
- Гидрохимические особенности озер
- Очистка вод разного химизма и степени засоления с использованием нефтеразлагающих микроорганизмов
Введение к работе
Актуальность. Челябинская область богата озерами. На ее территории насчитывается (по разным источникам) от 1193 до 3170 озер (Андреева, 1973; Захаров, 2001). Озера размещены неравномерно, наибольшее их количество находится в северной и восточной частях области, расположены они в разных природных зонах: горно-лесной, лесостепной и степной. В горных породах, слагающих котловины озер, наблюдается значительное разнообразие: так, для озер горно-лесной зоны характерны горные породы палеозоя (ордовик) морского происхождения – в частности серпентиниты, для озер лесостепной зоны – породы палеогена-неогена – пески, песчаники, пестроцветные глины, а также интрузивные породы основного и ультраосновного состава – граниты, пироксениты, серпентиниты и т.п. Разный химический состав горных пород отразился на гидрохимическом режиме озер.
Озерам Челябинской области посвящено четыре обзорных монографии (Андреева, 1973; Черняева, Черняев, Еремеева, 1977; Ландшафтный…, 1978; Эколого-продукционные…, 1978) и около трех десятков работ. За последние 20-30 лет озера подверглись усиленному воздействию техногенного фактора. Например, в озеро Смолино продолжительное время производился сброс промышленных и ливнево-канализационных стоков, что привело к опреснению вод; состав озерных вод приобрел природно-техногенный характер. Озера Чебаркульской (Б.Кисегач, Еловое) и Хомутининской (Горькое, Подборное) групп являются рекреационной зоной, на берегах которых построены санатории и базы отдыха. Большинство рассматриваемых озер вошли в сеть особо охраняемых природных территорий Челябинской области в ранге памятников природы, тем не менее, озера изучены недостаточно полно.
Оценка гидрохимического и гидробиологического состояния озер Челябинской области с целью оптимизации экологической обстановки и разработки приемов реабилитации озер становится весьма актуальной. Поведение загрязнителей, их накопление в компонентах экосистемы зависит от природных особенностей территории. Современное состояние озер является интегральным результатом воздействия как природных, так и техногенных факторов.
Цель исследования – комплексная оценка влияния природных геохимических и техногенных факторов на экологическое состояние озер и населяющих их гидробионтов в горно-лесной и лесостепной зонах Челябинской области.
Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:
-
Изучить природные геохимические факторы, определяющие экологическое состояние озерных экосистем.
-
Оценить уровень техногенного загрязнения озерных вод и выявить приоритетные загрязнители.
-
Изучить степень накопления загрязнителей отдельными представителями гидробионтов, макрофитов и донными отложениями.
-
Выявить степень антропогенной эвтрофикации озер.
-
Исследовать эффективность штаммов бактерий – нефтедеструкторов для очистки природных солоноватых вод от нефтепродуктов.
Научная новизна. Получены новые данные по гидрохимическому и гидробиологическому состоянию озер разных природных и функциональных зон Челябинской области. Установлены приоритетные загрязнители и уровень их накопления в компонентах озерных экосистем. Определены качество озерных вод и трофический статус водоемов горно-лесной и лесостепной зон Челябинской области. Проведена дифференциация водных объектов, исходя из степени их загрязнения, по классификации качества воды рыбохозяйственных водных объектов (ГОСТ 17.1.2.04-77). Впервые в модельных опытах была установлена эффективность очистки вод разного химизма засоления от нефтепродуктов штаммами микроорганизмов-нефтедеструкторов, полученных в ЗАО НПС «Элита-Комплекс».
Положения, выносимые на защиту:
-
Экологическое состояние озер горно-лесной и лесостепной зон Челябинской области определяется комплексом природных геохимических и техногенных факторов.
-
Современный уровень техногенной нагрузки на прибрежно-водные территории отражают параметры химического загрязнения вод, донных отложений, макрофитов и явления эвтрофикации озер.
-
Очистка поверхностных вод от приоритетного загрязнителя – нефтепродуктов наиболее перспективна посредством солеустойчивых штаммов микроорганизмов-деструкторов в силу природного солоноватого характера вод.
Практическая значимость. Полученные материалы позволяют выделить приоритетные виды загрязнителей в озерных водах. Для экологического мониторинга содержания тяжелых металлов и радионуклидов в качестве индикаторных объектов рекомендованы донные отложения и макрофиты. На основе модельных опытов по очистке солоноватых вод от нефтепродуктов установлена солеустойчивость и эффективность штаммов бактерий – нефтедеструкторов; даны рекомендации по их целевому применению. Материалы исследования используются для преподавания курсов «Мониторинг, оценка качества компонентов окружающей среды», «Экология», «Основы научных исследований в экологии» для студентов специальности «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов» в Тюменском государственном архитектурно-строительном университете.
Апробация работы. Полевые исследования 2002 г. по оценке современного экологического состояния озера Смолино были выполнены при финансовой поддержке гранта Министерства образования РФ – Правительства Челябинской области №8/М02. Результаты исследования были доложены на Международной конференции «Устойчивое развитие Челябинска и региона. От диалога к партнерству» Королевства Нидерландов – России, 10.10.02 – 13.10.02, г. Челябинск. Материалы исследования были представлены на Ассамблее студенческой науки ЧГПУ в 2003-2004 гг. (г. Челябинск); студенческом экологическом семинаре – 2004 г. (г. Екатеринбург); научной конференции ТюмГАСА – 2004 г., ТюмГАСУ – 2006 г. (г. Тюмень); Всероссийском молодежном научном симпозиуме «Безопасность биосферы-2005» (г. Екатеринбург); IV Международной научно-практической конференции «Тяжелые металлы и радионуклиды в окружающей среде» – 2006 г. (г. Семипалатинск – Казахстан).
Публикации. Материалы исследования опубликованы в 6 печатных работах, в том числе в двух изданиях, рекомендуемых ВАК Минобразования и науки РФ для публикаций основных положений диссертации на соискание ученой степени кандидата наук.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 176 страницах машинописного текста и состоит из введения, четырех глав, выводов. Работа иллюстрирована 34 рисунками, 15 таблицами и 18 приложениями. Библиографический список содержит 224 наименования, в том числе 12 на иностранных языках.
Личный вклад автора. Материалом для диссертации послужили собственные полевые и лабораторные исследования: определено содержание соединений фосфора и азота, проведены модельные опыты с микроорганизмами-деструкторами нефтепродуктов. Данные по фито- и зоопланктону были предоставлены к.г.н., доцентом С.Г. Захаровым. Определение содержания тяжелых металлов и радионуклидов в гидробионтах и донных отложениях было выполнено при участии доцента Е.В. Захаровой и Ю.А. Квашниной в лаборатории ФГУ ГСАС «Тюменская». Гидрохимический состав воды и содержание в ней тяжелых металлов определялись в лаборатории поверхностных вод Челябинского областного центра по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды.
Географическое положение и рельеф
Климат Челябинской области характеризуется как умеренно теплый континентальный, с продолжительной зимой, теплым летом и короткими переходными сезонами. На его формирование существенно влияют Уральские горы, создающие препятствия на пути движения западных воздушных масс (Румянцева, 1981).
Зимой Южный Урал находится под влиянием Азиатского антициклона (образуется устойчивая область высокого давления) (Шувалов, 1999). Континентальный воздух, поступающий из Сибири, приносит морозную и сухую погоду. Наблюдаются частые вторжения холодных воздушных масс с севера.
Летом на территории области преобладает низкое давление. Сюда приходят воздушные арктические массы с Баренцева и Карского морей, а с юга перемещаются тропические массы воздуха из Казахстана и Средней Азии. С вхождением континентального тропического воздуха устанавливается жаркая и сухая погода. Западные ветры с Атлантического океана приносят влажную и неустойчивую погоду (Черняева, Черняев, Могиленских, 1978).
Особенности рельефа Южного Урала обусловливают наличие четко выраженной широтной зональности в Зауралье и вертикальной поясности в горах (Опекунов, 2001): Континентальность климата возрастает с северо-запада на юго-восток.
Средняя январская температура воздуха бассейнов Чебаркульских озер составляет -16,2G (Макунина, 1974); Челябинских озер - -Г6,4С, а Хомутининских - -17,4С (Познай..., 1997). Абсолютный минимум воздуха января для бассейнов Чебаркульских озер -47С, Челябинских и Хомутининских озер - -46С. Средняя июльская температура воздуха для Чебаркульских озер составляет +17,4С; абсолютный максимум + 38С (Познай..., 2002). Средняя июльская температура воздуха бассейнов Челябинских и Хомутининских озер, соответственно, +18,1 С, +18,4С. Абсолютный максимум +39 - +40С (Познай..., 2002). Абсолютная амплитуда температуры воздуха в районе расположения Чебаркульских озер составляет 85С, Челябинских и Хомутининских озер -86С - 87С. Сумма температур выше +10С на исследуемой территории Челябинской области составляет 1800-2100С (Макунина, 1974). По данным атласа Челябинской области (Познай..., 2002), преобладающим направлением ветра в январе на территории нахождения озер Чебаркульской группы является юго-западное, летом - западное.
На территории Челябинской и Хомутининской групп озер ветра зимой дуют юго-западные, летом - северные и северо-западные.
Распределение осадков на территории Челябинской области обусловлено совокупным воздействием атмосферной циркуляции- и подстилающей поверхности. Преобладающий западный перенос воздушных масс и меридиональное простирание Уральских гор определяют различия в увлажнении. Уральские горы- способствуют обострению фронтальной деятельности, усилению восходящих движений воздуха и создают благоприятные условия для выпадения осадков. Неодинаковый характер рельефа оказывает влияние на распределение осадков (Природа..., 2000). Среднее годовое количество осадков в областях расположения: Чебаркульских озер — 413 мм, Челябинских и Хомутининских озер, соответственно, 402 и 350 мм. Наибольшая сумма осадков приходится на летний сезон, в среднем выпадает 76% годовой суммы осадков.(Познай..., 2002).
За счет твердых осадков образуется снежный покров, оказывающий влияние на развитие и характер природных процессов.
Средняя высота снежного покрова в горно-лесной зоне достигает 46-53 см. Продолжительность периода со снежным покровом 164-170 дней. В лесостепной зоне средняя мощность снежного покрова достигает 34-38 см, при продолжительности 156-160 дней. В общей сумме осадков влага от снега составляет около 25% (Левит, 2001).
Увлажнение зависит от количества осадков и испаряемости, то есть теплового режима. Коэффициент увлажнения, по Н.Н. Иванову (цит. по: Природа..., 2000), лесостепной зоны равен 0,56. Таким образом, лесостепная зона является районом умеренного увлажнения.
Помимо зональных климатических характеристик, необходимо учитывать климатические воздействия рельефа: урезы воды озер Чебаркульской группы находятся на абсолютных высотах 316-322 м, Челябинской и Хомутининской - 183-222 м (Захаров, 2002а).
Итак, по Б.П. Алисову (приводится по: Румянцева, 1988) горно-лесная зона относится к юго-восточной подобласти Атлантико-континентальной лесной области, где «климат слагается под влиянием циклонических вхождений атлантического воздуха и последующей трансформации его в воздух континентальный». Благодаря большой повторяемости циклонов и атлантического воздуха, континентальность климата уменьшается по сравнению с остальной территорией. Лесостепная зона входит в континентальную лесостепную Западно-Сибирскую область, где «климат слагается под воздействием циклонической и антициклонической деятельности, связанной преимущественно с арктическим фронтом». В лесостепной зоне возрастает континентальность климата, погодные условия всех сезонов становятся более выраженными. По сравнению с горно-лесной зоной увеличивается повторяемость суховеино-засушливых погод до 10-12 дней.
Характеристика исследуемых озер
Для озера5 Круглое (Челябинское) в зимний период наблюдается слой температурного скачка от 0,5-2 м, где температура поверхностного слоя воды увеличивается на 1,2С. Вследствие значительной открытости озера Смолино и незначительных глубин слой температурного скачка в нем не выражен.
Согласно классификации В. Сементовского (цит. по: Ландшафтный..., 1978), Хомутининские озера относятся ко второму типу, основными показателями которых являются: мелководность, высокие показатели открытости, прогреваемость по всей толще в течение лета, гомотермия (температура на поверхности и у дна примерно одинакова). Вертикальный термический градиент в этих озерах иногда возникает, но явление это кратковременное. Придонные воды в них прогреваются до +20С и выше. У всех озер этой группы водная масса крайне неустойчива: перепад температуры по глубине редко превышает 1С. Температура воды реагирует на смену погодных условий. Так как воды озер имеют высокую соленость, то в зимнее время температура их опускается ниже нуля. Особенностью этих озер является то, что после очищения озер ото льда температура поверхности воды достигает +8С (подледное нагревание воды).
После перехода температуры воздуха через 0С на озерах начинается ледообразование. Установление ледостава на озерах разной глубины происходит в период с конца октября до конца ноября.
На соленых озерах ледостав устанавливается на 1-2 месяца позднее, чем на пресных. Продолжительность ледостава составляет в среднем 170-180 суток (Природа..., 2000). Вскрытие водоемов начинается через 15-20 дней после перехода температуры воздуха через 0С. Весной наблюдается обычно в конце апреля - первой половине мая. Таяние льда в озерах происходит в основном на месте и почти исключительно за счет теплового притока. Только на крупных водоемах при сильных ветрах отмечается ледоход (Андреева, 1973).
В целом термический режим исследуемых озер можно разделить на пять периодов (Андреева, 1973): 1) Весеннее нагревание начинается с момента перехода температуры воды через 0,2С и установлением гомотермии. 2) Летнее нагревание и установление термоклина. 3) Осеннее охлаждение и установление гомотермии. 4) Предзимнее охлаждение в период снижения температуры поверхностных вод от +4С до 0С. 5) Зимнее постоянство начинается с момента установления ледового покрова и продолжается до периода весеннего нагревания. Источники загрязнения озер Качество воды озер можно оценить с помощью концентрации в ней веществ (Беличенко, 1990; Henderson-Sellers, Markland, 1990; Кочарян, 2006). Основными источниками загрязнения поверхностных вод являются бытовые, производственные сточные воды, атмосферные осадки, промышленность, сельское хозяйство, судоходство (Комплексное..., 2005). Загрязнения поступают в водную среду в виде концентрированных сбросов или в результате диффузии (Хрисанов, 1993; Шадрина, 1999). Значительный их объем попадает со сточными водами городов, поселков и промышленных предприятий (Кутырин, 1988). Источники загрязнения озер представлены на рисунке 4.
Одними из основных загрязнителей вод являются нефть и нефтепродукты, среди продуктов промышленного производства лидируют детергенты (синтетические моющие средства) - токсичные и устойчивые к процессам биологического разложения (Борьба..., 1987; Изменение..., 1987).
Они образуют на поверхности воды толстый слой пены, что приводит к замедлению процессов самоочищения водоемов (Коїтпаск, 1989). Из других веществ, загрязняющих водную среду, отметим тяжелые металлы (ртуть, свинец, цинк, хром, олово, марганец), отходы атомного и химического производств, а также удобрения и пестициды, поступающие с сельскохозяйственных полей (Голдовская, 2005; Комплексное..., 2005). Тепловые и атомные электростанции, сбрасывая теплые воды, нарушают термический, гидрохимический и гидробиологический режимы водоемов, приводя к «тепловому загрязнению» (Кудрявцева, 1996; Василенко, 2004). В результате этого повышается температура воды, усиливается испарение, увеличивается минерализация, происходит более интенсивный рост водных растений (синезеленых водорослей), что приводит к накоплению органического вещества (Абрамова, 1989; Колотова, 1998; Шахов, 2000). За счет увеличения минерализации воды и бурного развития синезеленых водорослей сокращается количество растворенного кислорода, появляются «пятна цветения», что сопровождается гибелью кормовых организмов и замором рыб (Мухачев, 2005). Кроме того, интенсивный процесс «цветения водоемов» исключает использование водных ресурсов для рекреации, лечения и занятия спортом (Гирбут, 1991; Никаноров, 2005).
Гидрохимические особенности озер
Очистка вод разного химизма и степени засоления с использованием нефтеразлагающих микроорганизмов
Окислительно-восстановительный потенциал (Eh) — мера химической активности элементов или их соединений в обратимых химических процессах, связанных с изменением заряда ионов в растворах (Гусева и др., 2000).
В воде озера Смолино значение Eh составляет 122 мВ. Тип химической обстановки в озере характеризуется как окислительный: присутствие свободного кислорода в воде и целого ряда элементов в высшей форме валентности (Fe3+, Cu2+,Pb4+,As5-,Sr2+Hflp.).
Окисляемость воды озера Смолино Показатель химического потребления кислорода (ХПК) - бихроматная окисляемость - характеризует наличие в воде окисляемых веществ органического и неорганического происхождения. Концентрация окисляемых органических соединений в воде озера Смолино в среднем составляла 2,7 мг О/дм3, то есть степень загрязнения озера -«умеренно-загрязненная». Тяжелые металлы в водах озер Термин тяжелые металлы, характеризующий широкую г группу загрязняющих веществ, получил в последнее время значительное распространение. В качестве критериев принадлежности используются многочисленные характеристики: атомная масса, плотность, токсичность, распространенность в природной среде, степень вовлеченности в природные и техногенныещиклы (Гусева и др., 2000).
Среди группы тяжелых металлов нас интересуют микроэлементы, так как они содержатся в организмах в незначительных концентрациях и имеют большое значение для процессов жизнедеятельности гидробионтов. Наиболее значимыми для водных организмов, по мнению С.Г. Захарова (20026), являются марганец, цинк и медь, менее востребованы свинец, никель и кобальт.
Содержание микроэлементов в поверхностных водах обусловлено природными условиями, действием техногенных факторов и рассматривалось на примере Чебаркульских и Челябинских групп озер. Мп Для озер Челябинской области характерно повышенное содержание марганца, как в водной среде, так и в донных отложениях, что связано с природным геохимическим фоном (Синявский, 2002).
В поверхностные воды марганец поступает в результате выщелачивания железомарганцевых руд и других минералов, содержащих марганец (пиролюзит, псиломелан, браунит, манганит, черная охра). Значительные количества марганца поступают в процессе разложения водных животных и растительных организмов. Соединения марганца выносятся в водоемы со сточными водами марганцевых обогатительных фабрик, металлургических заводов, предприятий химической промышленности и др. (Гусева и др., 2000).
Соединения марганца в поверхностных водах мигрируют в главной форме - взвеси. Другими формами марганца в воде являются гидрокарбонаты, гидрозоли, комплексные металлоорганические соединения. Существенное значение в миграции марганца в растворенной и коллоидной формах имеют органические вещества и процессы комплексообразования (Бабушкин, Московченко, Пикунов, 2007).
Исследования свидетельствуют, что в озерах М.Теренкуль, Табанкуль, Смолино, Первое и Круглое (Челябинское) содержание марганца повышенное. Например; в - озере М:Теренкуль? отмечено превышение: значения; ПДКвр. (Перечень.., 1999)в 8,4 раза. Первое - 5;5 раза, Ємолино - 2,2 раза; Fe "
Главными источниками соединений железа в поверхностных, водах являются процессы, химического выветривания горных пород, сопровождающиеся их механическим разрушением и растворением. Значительные количества железа поступают с подземным стоком, со сточными водами промышленных предприятий и с сельскохозяйственными стоками (Гусева и др., 2000).
В природных водах железо находится в различных формах. Взвешенная форма железа представлена преимущественно железосодержащими минералами, гидратом оксида железа и соединениями железа, сорбированными на взвесях. Растворенное железо представлено соединениями, находящимися в ионной форме, в виде гидроксокомплексов и комплексов с растворенными неорганическими и органическими веществами природных вод. Основной формой Fe (III) в поверхностных водах являются комплексные соединения с растворенными неорганическими и органическими веществами, главным образом гумусовыми; Коллоидная форма железа представляет собой гидрат оксида железа Fe(OH)3 и комплексы с органическими веществами (Бабушкин, Московченко, Пикунов, 2007).
Содержание железа в водах озера Смолино равно 2 ПДКВ.Р. и примерно в 7 раз выше, чем в озере Круглом (приложение 3). Это свидетельствует о поступлении данного элемента со стоком со стороны города. Zn Цинк является микроэлементом интенсивного биологического накопления и активно поглощается растениями (Бабушкин, Московченко, Пикунов, 2007).
Цинк попадает в. поверхностные воды в результате протекающих в природе процессов разрушения и растворения: горных пород, минералов; а также со сточными водами промышленных предприятий.
