Целью данной работы является изучение гидрохимического и гидробиологического состояния и влияние антропогенного воздействия на городские озера на примере г. Якутска.
Основная задача данной работы состоит в изучении антропогенного влияния на гидрохимическое и гидробиологическое состояние озер г. Якутска.
Материалы и методы. Материалом исследования послужили городские озера, расположенные на территории г. Якутска. Это пять крупных озер: Белое, Хатынг-Юрях, Ытык-Кюель, Сергелях и Сайсары. Оценка водоемов г. Якутска проведена с использованием общеизвестных классификаций. Все химико-аналитические работы проведены в лаборатории физико-химических методов анализа НИИПЭС СВФУ (аттестат аккредитации РОСС.RU.0001.517741) с помощью методов потенциометрии, титриметрии, фотометрии, капиллярного электрофореза, атомной абсорбции и флуориметрии.
Результаты и обсуждение. Озера г. Якутска в период исследования по химическому составу относятся к гидрокарбонатно-натриевой группе, по минерализации – среднеминерализованные, имеют слабощелочную среду и умеренно-жесткую воду.
На рис. 1 представлена динамика макроэлементного состава озер г. Якутска. Концентрация натрия варьирует в широких пределах от 14,45 до 117,36 мг/дм3. Содержание кальция, магния и калия колеблется относительно в узком диапазоне от 1,32 до 45,88 мг/дм3. Основным источником поступления данных макроэлементов в поверхностные воды являются процессы химического выветривания и растворения минералов, изверженные и осадочные породы. Кроме того, эти компоненты поступают в природные воды с хозяйственно-бытовыми и промышленными сточными водами. Как показано на рис. 1, максимальный и минимальный рубеж представлен калием и натрием. Для калия характерна склонность сорбироваться на высокодисперсных частицах почв, пород и донных отложений и задерживаться растениями в процессе их питания и роста. Это приводит к меньшей подвижности калия по сравнению с натрием, и поэтому калий находится в природных водах, особенно в озерах, в более низкой концентрации, чем натрий [1]. Как правило, данные элементы, коррелируют со значением общей минерализации.
Рис. 1. Динамика макроэлементного состава озер г. Якутска.
Содержание хлоридов в исследуемых озерах заметно отличается друг от друга и также коррелирует с минерализацией воды. Высокая концентрация хлоридов в озере связана со смывом из почвенного покрова. Общеизвестно, что значительные количества хлоридов поступают в природные воды в результате взаимодействия атмосферных осадков с почвами, особенно засоленными [2]. Сульфаты колеблются в пределах от 0,61 до 40,92 мг/дм3. Значительное количество поступает в водоемы в процессе отмирания организмов, окисления наземных и водных веществ растительного и животного происхождения. Также сульфаты выносятся со сточными водами. Концентрация гидрокарбонатов варьирует в пределах от 122,91 до 299,91 мг/дм3. Наибольшее количество приходится на оз. Сайсары, наименьшее – Сергелях.
Таким образом, исследуемые озера по концентрации макроэлементов можно разделить на два типа: озера, имеющие высокую концентрацию макроэлементов (Белое, Хатынг-Юрях, Сайсары) и озера, имеющие низкую концентрацию макроэлементов (Ытык-Кюель, Сергелях).
В исследуемых озерах довольно широко представлены биогенные вещества: это нитриты, аммоний, железо, нитраты, фосфаты и фтор [4].
Железо в водах озер г. Якутска варьирует в пределах от 0,08 до 1,48 мг/дм3. Высокая концентрация наблюдается на оз. Ытык-Кюель, Хатынг-Юрях и Белое, где ПДКкб превышается. Относительно низкая концентрация – в оз. Сергелях и Сайсары, не превышающая ПДКкб. В 2014 г. ряд озер (Белое, Сергелях и Сайсары) по содержанию железа находились ниже предела обнаружения. Концентрация аммония достигает своего максимума в 2013 г. во всех озерах, кроме оз. Сайсары, где находится ниже предела обнаружения. Превышение ПДКкб приходится на оз. Хатынг-Юрях, Белое и Сергелях. Данное превышение связано с поступающими хозяйственно-бытовыми сточными водами. В канализационные системы ежесуточно поступает до 10 г аммонийного азота (на одного жителя). Стабильным содержанием нитритов характеризуются оз. Белое и Сайсары, и то в некоторые промежутки исследования находятся ниже предела обнаружения. Средний показатель равен 2,75 и 2,36 мг/дм3 соответственно. Данные показатели являются высокими, но ниже ПДКкб. Стабильная концентрация нитратов наблюдается на оз. Белое. На оз. Сайсары наблюдаются лишь в 2013-2014 гг. и составляют в среднем 1,75 мг/дм3. На оз. Ытык-Кюель и Хатынг-Юрях нитраты присутствуют только в 2014 г. В остальные года исследования находятся ниже предела обнаружения [1]. Фосфаты варьируют в пределах от 0,2 до 1,3 мг/дм3. Важным фактором повышения содержания фосфатов в природных водах, нередко приводящим к значительному эвтрофированию водных объектов, является хозяйственная деятельность человека. Загрязнению природных вод фосфатами способствует широкое применение полифосфатов как моющих средств, флотореагентов и смягчителей воды, которые попадают в исследуемые озера через хозяйственно-бытовые сточные воды. Фториды присутствуют только на оз. Ытык-Кюель. В 2009 г. концентрация достигает до 0,24 мг/дм3 и сохраняется вплоть до 2011 г. С 2012 по 2014 г. находятся ниже предела обнаружения. Не превышают ПДКкб.
Таким образом, повышенные содержания биогенных веществ, в частности железа, аммония и нитритов в водах озер г. Якутска указывают на их «свежее» загрязнение, так как они представляют собой промежуточную ступень в цепи бактериальных процессов окисления аммония до нитратов (нитрификации в аэробных условиях) и, напротив, восстановления нитратов до азота и аммиака (денитрификации при недостатке кислорода).
Микроэлементы. Водоемы г. Якутска проверялись на наличие таких микроэлементов, как Pb, Ni, Mn, Cd, Co, Cr, Zn, Cu, As и Hg. Микроэлементный состав озер г. Якутска рассматриваем с их классом опасности. Элементы первого (As, Hg), второго (Cd, Cr) и третьего (Ni, Co) класса опасности находятся ниже предела обнаружения на весь период исследования. В исследованных озерах из элементов второго класса опасности наблюдается свинец, третьего класса – медь и цинк и четвертого класса – марганец.
Концентрация свинца в исследуемых озерах колеблется от 0,0008 до 0,0067 мг/дм3. Существенными факторами понижения концентрации свинца в исследуемых озерах является адсорбция его взвешенными веществами и осаждение с ними в донные отложения. Довольно высоким содержанием свинца характеризуется оз. Сергелях, средний показатель равен 0,0059 мг/дм3. Значительное повышение содержания свинца на оз. Сергелях, полагаем, связано со сточными и хозяйственно-бытовыми водами, так как озеро расположено вблизи ОАО «Якутская птицефабрика» и вдоль озера находятся многочисленные дачные участки. Концентрация меди колеблется от 0,0012 до 0,0027 мг/дм3. В отличие от других микроэлементов, присутствующих в озерах, медь стабильно присутствует во всех озерах. Максимальная концентрация наблюдается на оз. Сайсары, минимальная – Ытык-Кюель. Основные причины стабильного увеличения содержания меди в озерах связаны с поступающими сточными водами. Также медь может увеличить свою концентрацию в результате коррозии медных изделий и сооружений, используемых в технике. В последние годы вокруг оз. Сайсары разрослись строительные объекты: дороги, мосты, многоэтажные дома и пр. Также надо учесть тот фактор, что оз. Сайсары расположено в центре крупной транспортной развязки г. Якутска [5]. Цинк в озерах варьирует в пределах от 0,12 до 0,49 мг/дм3. Стабильным содержанием из года в год характеризуется оз. Сайсары. Так же как и в других озерах, к 2013 г. концентрация увеличивается. Резкое увеличение концентрации цинка обычно объясняется поступающими сточными водами. Несмотря на значительное увеличение содержания цинка в водах озер г. Якутска, в частности на оз. Сайсары, микроэлемент не превышает ПДКкб. Марганец в исследуемых озерных водах колеблется от 0,004 до 0,032 мг/дм3. Так же как и медь, присутствует стабильно во всех озерах. Динамика развития неоднородная. Каждый год колебания либо в сторону увеличения, либо – уменьшения. Самой неоднородной динамикой характеризуется оз. Сайсары, так как в этом озере присутствуют оба показателя: минимальный и максимальный, 0,004 и 0,032 мг/дм3 соответственно.
Таким образом, в исследуемых озерных водах широко распространены такие микроэлементы, как свинец, медь, цинк и марганец. Отмечается общая тенденция увеличения содержания их, но без превышения уровня ПДКкб.
Поступление загрязняющих веществ способствует накоплению их в воде, в результате чего изменяется не только гидрохимический режим водоемов, но также нарушаются планктонные и донные сообщества гидробионтов. В итоге разрушаются важнейшие биологические связи в экосистеме озера.
Таксономический комплекс весенне-летнего зообентоса 2014 г. исследованных озер включает 13 таксономических групп донных беспозвоночных животных (рис. 2). При определении видовой принадлежности донной фауны использовался определитель пресноводных беспозвоночных [3]. По количеству встреченных особей доминировали личинки хирономид, олигохеты, бокоплавы, клопы, пиявки, моллюски, на их долю приходится 52,78%. Второстепенное положение занимают мокрецы, личинки ручейников, поденки, на их долю приходится 27,27%. Остальные представители донной фауны встречались единично, их доля составляет около двадцати процентов (19,95%). По сравнению с предыдущими годами исследования динамика развития особей данных таксономических групп не претерпевает сильных изменений [6].
Рис. 2. Распределение зообентоса по основным таксономическим
группам в озерах г. Якутска
Пик показателей численности приходится на август-сентябрь (показатели численности 404,8 экз/кв.м), минимальные показатели отмечены в июне-июле (показатели численности 256,5 экз/кв.м). Это связано с особенностями жизненного цикла водных беспозвоночных: в июле происходит массовый вылет основного компонента донных биоценозов. В августе-сентябре происходит увеличение численности и биомассы за счет появления новых поколений.
Проанализировав характеристики качественного и количественного состава зообентоса по каждому озеру, мы получили следующие данные. Зообентос озер г. Якутска представлен 13 группами донных беспозвоночных животных, относящихся к 3 типам, 5 классам, 11 отрядам, 14 семействам, 13 родам. По числу встреченных особей доминирующее положение занимает тип членистоногие, который представлен взрослыми особями (123) и личинками (200). Из представителей членистоногих были встречены бокоплавы, пауки-серебрянки, клопы-гладыши, жуки-водолюбы и большое количество личинок стрекоз, поденок, ручейников, львинок, журчалок, мокрец, долгоножек и хирономид. Второе положение занимает тип моллюски, который в основном представлен брюхоногими моллюсками – затворками, прудовиками, катушками (всего 38 особей). Третье положение занимает тип кольчатые черви, который представлен пиявками (35 особей). Что в процентном соотношении составляет 81,6%, тип членистоногие (личинки – 50,5% и взрослые особи –31,1%), тип моллюски 9,6%, тип кольчатые черви 8,8%.
Наибольшее количество представителей зообентоса было встречено в оз. Ытык-Кюель (13 групп беспозвоночных), а наименьшее количество было встречено в оз. Сайсары (не более 7 групп беспозвоночных). Максимальное значение численности зообентоса отмечено также в оз. Ытык-Кюель (153,3 экз/кв.м) и в оз. Сергелях (141,6 экз/кв.м). Минимум численности зарегистрирован в озерах Сайсары, Белое и Хатынг-Юрях – соответственно 103,3, 128,3, 133,3 экз/кв.м.
В сезонном аспекте наблюдается рост численности с июня по сентябрь – минимальные показатели отмечены в июне, максимальные показатели отмечены в сентябре. Это связано с особенностями жизненного цикла водных беспозвоночных: в июне происходит массовый вылет насекомых, а в сентябре идет процесс подготовки к зиме.
Озера, которые расположены далеко от источников бытового загрязнения (органического), имеют богатое видовое разнообразие и высокие количественные показатели, то есть относятся к классу условно чистых водоемов. Соответственно бедные озера с наименьшим количеством представителей зообентоса и низкими количественными показателями являются загрязненными водоемами. Таким образом, практически все озера, расположенные в окрестностях г. Якутска, подвержены сильному антропогенному загрязнению.
Заключение. На основе всего вышеизложенного разработана схема антропогенного воздействия на поверхностные воды озер г. Якутска, которая представлена по трем направлениям – масштабу, времени и характеру (рис. 3).
Рис. 3. Антропогенное воздействие на поверхностные воды озер г. Якутска
Масштаб антропогенного воздействия делится на локальное и точечное. По времени воздействия выделяем длительные (сточные воды, атмосферное загрязнение и др.) и кратковременные (аварийные ситуации и др.). Характер антропогенного воздействия включает: химическое (изменение гидрохимического состава), биологическое (изменение гидробиологического состояния и санитарно-эпидемиологической ситуации и др.) и механическое (строительный и бытовой мусор, упаковочные материалы и др.).
Таким образом, деятельность человека приводит к заметным, а порой и к значительным изменениям гидрохимических и гидробиологических показателей природных вод. Воды озер г. Якутска являются природными, но их химический и биологический состав формируется не в естественных условиях, а в условиях сильного антропогенного воздействия.
Рецензенты:
Саввинов Д.Д., д.б.н., профессор ФГАУ «СВФУ им. М.К. Аммосова», г. Якутск.
Барашкова Н.В., д.с-х.н., профессор, зав. лаб. ФГБНУ «ИБПК СО РАН», г. Якутск.