Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Богданова Ольга Геннадьевна

КОМПЛЕКСНАЯ ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ПРИРОДНЫХ ГЕОХИМИЧЕСКИХ И ТЕХНОГЕННЫХ ФАКТОРОВ НА ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ ОЗЕР ЧЕЛЯБИНСКОЙ ОБЛАСТИ

03.02.08 - экология (биология)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата биологических наук

Пермь - 2010

Работа выполнена на кафедре безопасности жизнедеятельности и охраны окружающей среды ГОУ ВПО «Тюменский государственный архитектурно-строительный университет»

озерный экосистема штамм нефтедеструктор

Научный руководитель: доктор сельскохозяйственных наук, профессор Скипин Леонид Николаевич

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук, профессор Еремченко Ольга Зиновьевна

доктор биологических наук, с.н.с. Телицын Виталий Леонидович

Ведущая организация: Пермский государственный технический университет

Защита состоится 23 декабря 2010 года в 13³⁰ часов на заседании диссертационного совета Д 212.189.02 при Пермском государственном университете по адресу: 614990, г. Пермь, ул. Букирева, 15, зал заседаний Ученого Совета

Адрес сайта: http://www.psu.ru

E-mail: novoselova@psu.ru

Тел.: 8(342)239-62-17

Факс: 8(342)237-16-11

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Пермского государственного университета

Автореферат разослан 20 ноября 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор биологических наук, доцент Л.В. Новоселова

общая характеристика работы

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:

1. Изучить природные геохимические факторы, определяющие экологическое состояние озерных экосистем.

2. Оценить уровень техногенного загрязнения озерных вод и выявить приоритетные загрязнители.

3. Изучить степень накопления загрязнителей отдельными представителями гидробионтов, макрофитов и донными отложениями.

4. Выявить степень антропогенной эвтрофикации озер.

5. 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:

1. Экологическое состояние озер горно-лесной и лесостепной зон Челябинской области определяется комплексом природных геохимических и техногенных факторов.

2. Современный уровень техногенной нагрузки на прибрежно-водные территории отражают параметры химического загрязнения вод, донных отложений, макрофитов и явления эвтрофикации озер.

3. 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.

Содержание работы

Введение

Дано обоснование актуальности, новизны и практической значимости работы. Поставлены цели, задачи, сформулированы положения, выносимые на защиту.

Глава 1. Характеристика территории, объекты и методы исследований

Климат Челябинской области характеризуется как умеренно теплый, континентальный, с продолжительной зимой, теплым летом и короткими переходными сезонами (Румянцева, 1981). Озера Чебаркульской группы лежат среди восточных предгорий Ильменского хребта и приурочены к зоне тектонического прогиба (Познай…, 1997; Захаров, 2001). Челябинские озера - к прогибу между Зауральской низменностью и Западно-Сибирской равниной (Андреева, 1973). Хомутининская группа озер расположена на территории Западно-Сибирской равнины (Энциклопедия…, 2008). Исследуемые озера входят в бассейн реки Тобол (Черняева, Черняев, Еремеев, 1977). Описываемые озера Чебаркульской группы лежат в зоне предгорных южно-таежных ландшафтов (Уральская горная страна, горно-лесная зона, провинция восточных предгорий) на серых лесных почвах (кислые, маломощные), покрытых сосново-березовыми лесами с примесью мелколиственных пород - осины, ольхи, липы. Осиново-березовые леса и сопутствующая им травянистая растительность распространены в основном у подножий возвышенностей, в то время как сосновые участки леса с примесью березы занимают вершины гряд и холмов (Захаров, 2002). В низинах на глубокодерновой почве преобладает ивово-березовый древостой с луговой травянистой растительностью. Челябинская группа озер располагается на Западно-Сибирской равнине, в лесостепной зоне, в провинции первично-аккумулятивной озерно-морской равнины, в подзоне северной лесостепи; в подзоне южной озерной лесостепи - Хомутининская группа озер. Лесостепные ландшафты представлены березовыми и осиновыми лесами на черноземах выщелоченных и оподзоленных. Подрост обычно здесь небольшой (Левит, 2001).

Исследования гидрохимического режима и состояния гидробиоценозов озер горно-лесной и лесостепной зон Челябинской области проводились в 2000-2006 гг. в г. Челябинске, Чебаркульском и Увельском (д. Хомутинино) районах. Всего отобрано 127 проб и проанализировано 387 образцов нефтеразлагающих микроорганизмов.

В процессе полевых и аналитических работ использовались:

1. Гидрохимические, гидробиологические, микробиологические, радиохимические методы.

2. Общие лимнологические методики (цит. по: Захаров, 2001): метод ключевых точек, метод озерных пар.

В полевых условиях производили замеры глубин озер по методам Б.Б. Богословского (1974). Прозрачность воды определяли диском Секки (РД 52.24.496-2005). Температура воды определялась батометром Молчанова ГР-18 одновременно с отбором проб воды для химического анализа (ГОСТ 17.1.3.07-82). Химико-аналитические работы проводились в стационарных условиях согласно общепринятым методикам (Лурье, 1974; Методы…, 1990; Control…, 1998) в лаборатории поверхностных вод Челябинского областного центра по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды, а также в лаборатории ФГУ ГСАС «Тюменская».

Из основных морфометрических характеристик автором были измерены максимальные глубины озер, рассчитаны коэффициенты развития береговой линии, относительной глубины, открытости, ёмкости (Лёзин, Тюлькова, 1994; Захаров, 2001). Коэффициенты рассчитывались с использованием данных М.А. Андреевой (1973), С.Г. Захарова (2002).

В озерах определяли:

1. Солевой состав воды - хлор-ионы, сульфат-ионы, гидрокарбонат-ионы, кальций, магний, натрий, калий.

2. Биогенные соединения - нитраты, нитриты, аммоний, общий фосфор.

3. Тяжелые металлы в воде, донных отложениях и гидробионтах - медь, железо, цинк, свинец, марганец, никель, кобальт, кадмий, ртуть.

4. Нефтепродукты в воде.

5. Гидробиологические показатели - численность, биомасса, видовой состав фито- и зоопланктона.

6. Радионуклиды - ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr в воде, донных отложениях, макрофитах, ихтиофауне.

Отбор донных отложений проводили с помощью дночерпателя Петерсона (ГОСТ 17.1.5.01-80); образцы зоопланктона, макрофитов и ихтиофауны отбирались по общепринятым методикам (Правдин, 1966; Методические…, 1984; Папченков, 2001). Тяжелые металлы в донных отложениях определялись по аттестованным методикам геоэкологической лаборатории ИМин УрО РАН (г. Миасс) методом атомно-сорбционной спектрометрии на анализаторе «Perkin-Elmen 3110» в пламени ацетилен-воздух (консультант В.Н. Удачин) и в лаборатории ФГУ ГСАС «Тюменская» г. Тюмень (Аранович, 1979; ГОСТ Р 51309-99).

Материалом для работы по численности, видовому составу фитопланктона и его биомассе послужили данные С.Г. Захарова (к.г.н.), Т.Г. Танаевой (ЮУФ РосНИИВХ), переданные автору. В озере Смолино в зимний и летний периоды 2002 г. проводили определение численности, биомассы и видового состава зоопланктона (консультант - к.б.н. В.В.Речкалов (ЧелГУ)) (Киселев, 1969; Определитель…, 1977; Методические…, 1984). Пробы отбирались планктонной сетью Джеди, газ-сито №72, методом тотальной ловли по вертикали.

Радиационный контроль воды, донных отложений, макрофитов и ихтиофауны осуществлялся на устройствах «Гамма-спектрометр NaI, Бета-спектрометр» спектрометрического комплекса «Прогресс» (Методика…, 1996; ГОСТ Р 51730-2001). Измерения проводились в геометриях «Маринелли, Кювета D70» с использованием программного обеспечения «Прогресс», 07.05.96. Оценку соответствия качества изучаемых образцов проводили согласно ВП - 13.5.13/09-00; СанПиН 2.3.2.1078-01 в Бк/л, Бк/кг.

Исследования по разложению нефтепродуктов микроорганизмами (Воробейников, 1999; Салангинас, 2003) осуществлялись в лаборатории микробиологии ГНУ НИИСХ Северного Зауралья в 2005-2006 гг. (консультант - к.c-х.н. Д.Р. Майсямова). В работе использовался препарат «Нефтедеструктор» и штаммы нефтеразлагающих микроорганизмов №3, №11, №21, №32, №97, полученные в лаборатории ЗАО НПС «Элита-Комплекс», г. Екатеринбург. В качестве нефтепродуктов бралось неиспользованное и отработанное моторное масло, предварительно пастеризованное. Для основы солевых сред использовали следующие соли (схемы модельных опытов представлены по И.Л. Клевенской, 1974; Л.Н. Скипину, 2000): MgSO₄; Na₂SO₄; NaCl; NaHCO₃; Na₂CO₃; сульфатно-содовое засоление (NaHCO₃:NaCl:Na₂SO₄ с соотношением, соответственно, 13:1:6); сульфатно-хлоридное засоление (NaHCO₃:NaCl:Na₂SO₄ с соотношением, соответственно, 1:2,25:1,75) и хлоридно-сульфатное засоление с гипсом (Ca(HCO₃)₂:CaSO₄:MgSO₄:Na₂SO₄:NaCl) (Методы…, 1990).

При оценке экологического состояния озер использовались предельно допустимые концентрации для водоемов рыбохозяйственного значения (ПДК_в.р.). Для обобщенной оценки качества вод использован индекс загрязнения воды (ИЗВ), который рассчитывался в соответствии с методическими рекомендациями Роскомгидромета (Гусева и др., 2000; Бабушкин, 2007). Общий уровень трофности озер определяли по присутствию макрофитов-индикаторов. Учитывали относительную частоту их встречаемости и отношение отдельных видов к принятой системе трофности (Абакумова, 1983; Биологический…, 2007). Общий уровень загрязнения вод озер оценивали по индексу сапробности Пантле и Букка (Сладечек, 1997).

Первичный материал обработан методом вариационной статистики на персональном компьютере РС Pentium с использованием Microsoft Excel 7.0 (Доспехов, 1972). Основные направления исследований представлены на рисунке 1.

Рис. 1. Основные направления исследований озер Челябинской области

Глава 2. Гидрохимические особенности озер

Морфология и морфометрия озер

Основные морфометрические показатели озер приведены в таблице 1. Если оценить размеры озер по П.В. Иванову (1948), то следует отметить, что среди исследуемых озер преобладающими по площади водного зеркала являются «очень малые» (М.Теренуль, Табанкуль, Круглое (Хомутининское)), «малые» (Еловое, Подборное, Горькое) и «средние» (Б.Кисегач, Смолино, Первое) озера, по максимальной глубине относятся к четырем группам: весьма глубокие (Б.Кисегач), глубокие (Еловое, М.Теренкуль, Круглое (Челябинское), Первое), средние (Табанкуль, Смолино) и мелкие (Горькое, Круглое (Хомутининское), Подборное). Их общая площадь составляет 69,18 км².

Таблица 1

Морфометрические параметры озер

[составлено по данным М.А. Андреевой, С.Г. Захарова, О.Г. Богдановой]

12

Котловины Чебаркульских озер параболического типа, коэффициенты ёмкости от 0,45-0,60. Коэффициенты глубинности колеблются в пределах 3,42-9,09. Формы котловин Челябинских озер изменяются от параболоидной (оз. Круглое) к полуэллипсоидной (оз. Первое). Озеро Смолино имеет корытообразную котловину. Прибрежная область с глубинами до 2 м, далее идет увеличение глубины до 4-5 м. Максимальная глубина 6,7 м и до середины озера глубина не изменяется. Рельеф дна озера Смолино спокойный. Котловины Хомутининских озер небольшие, форма их овальная или круглая (озеро Круглое имеет правильную округлую форму, что позволяет предполагать просадочный характер его происхождения (Андреева, 1973)). Озера характеризуются также различными относительными показателями, так или иначе отражающие форму их котловин (Лёзин, Тюлькова, 1994) (табл. 1).

Гидрохимические особенности озер

Общая минерализация и главные ионы. Используя классификацию общей минерализации вод (Богословский, 1960; Захаров, 2001), озера Чебаркульской группы можно отнести к пресным («нормально пресные»), Челябинской и Хомутининской групп - к солоноватым («слабосолоноватые» - Челябинская группа озер; «слабосолоноватые - сильносолоноватые» - Хомутининская группа озер). По классификации ионного состава вод, по О.А. Алекину (1970), озеро Б.Кисегач относится к гидрокарбонатному классу I типу группы кальция, озера Еловое, Табанкуль и М.Теренкуль - к гидрокарбонатному классу переходного I, II типа группы кальция (оз. Еловое), натрия (оз. Табанкуль, М.Теренкуль). Общая минерализация воды озер Б.Кисегач, Елового составляла в 2000-2004 гг. 0,24 г/л, озера Табанкуль - 0,38 г/л, озера М.Теренкуль - 0,36 г/л (рис. 2). Вода озера Смолино хлоридного класса III типа группы натрия. Отличительная особенность озера Смолино - неравномерное распределение солености воды по акватории водного зеркала, что связано с притоком сточных вод разной солености. Общая минерализация у озер Первое и Круглое различна, хотя эти озера находятся в одной природной зоне и расположены сравнительно недалеко друг от друга. Озеро Первое относится к хлоридно-гидрокарбонатному классу II типа группы натрия (с общей минерализацией 1,1 г/л), а озеро Круглое к гидрокарбонатному классу I типа группы натрия (с общей минерализацией 1,4 г/л). Вода озер Подборное, Горькое хлоридного класса III типа группы натрия (общая минерализация, соответственно, 7,9 и 4,6 г/л), озера Круглое - гидрокарбонатно-хлоридного класса I типа группы натрия (общая минерализация 1,8 г/л) (рис. 2).

Тяжелые металлы в водах озер. 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). Для озер Чебаркульской и Челябинской групп отмечено высокое содержание Zn (рис.3). В озере Б.Кисегач его количество составило 0,012 мг/л, озерах М.Теренкуль - 0,011 мг/л, Табанкуль - 0,039 мг/л, Первое - 0,012 мг/л, Смолино - 0,017 мг/л, при ПДК_в.р. 0,01 мг/л (рис. 4). В Чебаркульской группе озер зафиксированы высокие концентрации свинца. Превышение значения ПДК_в.р. в озере Еловое составляет 7,3 раза, озерах Табанкуль - 4,1 раза, М.Теренкуль - 3,9 раза, Кисегач - 2,3 раза.

Рис. 2. Соотношение основных ионов в озерах Челябинской области, мг_*экв%, 2000-2004 гг.

Рис. 3. Концентрация тяжелых металлов в поверхностных водах озер Чебаркульской группы, 2000-2005 гг.

Рис. 4. Концентрация тяжелых металлов в поверхностных водах озер Челябинской группы, 2000-2005 гг.

Содержание меди превышает значение ПДК_в.р. в озерах Б.Кисегач в 3,6 раза, М.Теренкуль - 6,9 раза и Табанкуль - 5,1 раза. В озере Смолино меди содержится 3 ПДК_в.р., озере Круглом - 2 ПДК_в.р.. Медь в воде озера Смолино имеет техногенное происхождение: вероятно, максимальный привнос в экосистему связан с поверхностно-плоскостным стоком с асфальтированных территорий города Челябинска и с аэральными выпадениями.

Превышение значения ПДК_в.р. по содержанию никеля, кобальта, кадмия в исследуемых озерах Челябинской области не зафиксировано.

Таким образом, на основании проведенных исследований можно утверждать, что загрязнению тяжелыми металлами подвержены все исследуемые озера. Наибольшую техногенную нагрузку испытывают озера М.Теренкуль и Табанкуль вследствие сброса недостаточно очищенных сточных вод. На экосистемы озер Смолино и Первое значимое влияние оказывает промышленный город Челябинск.

Кислородный режим озер. Кислородный режим озер горно-лесной и лесостепной зон в целом благоприятен как в зимний, так и в летний периоды, что обеспечивает нормальное протекание всех процессов «жизнедеятельности» озер.

Биогенные соединения в водах озер. Наибольшие значения превышения нормы ПДК_в.р. по количеству аммония были отмечены в зимний период года в придонных водах озер. Так, для озер М.Теренкуль, Табанкуль и Круглое (Челябинское) содержание аммония, соответственно, составило 3,76, 2,25 и 1,7 мг/л (ПДК_в.р. 0,5 мг/л N). Высокое содержание нитратов зафиксировано в водах озер Табанкуль - 6,0 мг/л и Круглое (Челябинское) - 4,0 мг/л, что связано со сбросом коммунальных вод. Превышение значения ПДК_в.р. по содержанию нитритов в летний период в поверхностных водах отмечено в озерах М.Теренкуль в 2,1 раза, Горькое - 3,5 раза, Круглое (Хомутининское) - 1,4 раза. В придонных водах в конце лета содержание нитритов наиболее велико в озере Горьком - до 0,23 мг/л (ПДК_в.р. 0,02 мг/л N).

Наибольшие концентрации азота нитратов и общего фосфора отмечены в летний период года в водах озера Круглое (Челябинское) (NO₃^- - 0,03 мг/л, Р_общ. - 0,49 мг/л), по сравнению с водами озера Смолино (NO₃^- - 0,01 мг/л, Р_общ. - 0,04 мг/л). Высокое количество биогенных соединений, наблюдаемое в озере Круглом, можно объяснить тем, что по берегам озера расположены личные подворья с домашним скотом и птицей, продукты метаболизма которых загрязняют воду.

Результаты исследований показывают, что действие биогенных соединений испытывают все три группы озер. Высокое их содержание наблюдается в Чебаркульской группе (озера М.Теренкуль и Табанкуль), обусловленное сбросом сточно-коммунальных вод, а также поступления из донных отложений, и в Хомутининской группе - в результате смыва минеральных и органических удобрений с сельскохозяйственных территорий.

Тяжелые металлы, мышьяк и радионуклиды в донных отложениях озер. Донные отложения озер Смолино, Первое представлены илами сметанообразной консистенции с включениями остатков растений и раковин моллюсков. В 2005-2006 гг. было отмечено появление слабого запаха сероводорода в донных отложениях озера Смолино. По нашему мнению, глинистые темно-серые образования (толщиной 0,08-0,10 м) донных отложений озера Смолино - это естественные донные грунты соленого водоема (до 1930 г.); слой 0-0,07 м накоплен в период техногенного сброса вод. Донные отложения озера Круглое (Челябинское) имеют песчаную структуру и запах сероводорода.

Максимальное количество Zn в донных отложениях отмечено в озере Б.Кисегач (471,4 мг/кг - в зимний период года). В донных отложениях озера Смолино зафиксировано Pb до 45,0 мг/кг, Cu - 65,0 мг/кг, в то время как в озере Б.Кисегач эти показатели составляют, соответственно, 120,8 и 96,0 мг/кг.

В донных отложениях озер Челябинской группы определялись концентрации мышьяка и ртути. Было выявлено, что наибольшее количество мышьяка характерно для озера Первое, порядка 4,8 мг/кг. У озера Круглое этот показатель составил 2,9 мг/кг, озера Смолино - 0,02 мг/кг. По концентрации ртути в донных отложениях Челябинских озер можно выстроить следующую последовательность: Круглое (0,0127 мг/кг) > Первое (0,0094 мг/кг) > Смолино (0,0088 мг/кг).

Изучалось содержание радионуклидов ⁹⁰Sr и ¹³⁷Cs в донных отложениях озер Смолино и Круглое (Челябинское). Содержание ⁹⁰Sr в донных отложениях озера Смолино составило 184 Бк/кг, озерах Круглое - 64 Бк/кг, Первое - 23 Бк/кг. Высокие концентрации ⁹⁰Sr в донных отложениях являются, по-видимому, результатом аэрального переноса техногенных радионуклидов в период массового испытания ядерного оружия в зауральском регионе (Молчанова, 2001). Постепенное уменьшение концентраций ⁹⁰Sr связаны с дальнейшей миграцией вглубь осадков, установления динамического равновесия между водной массой и илами, продолжающегося радиоактивного распада, изменения соотношений между подвижными и малоподвижными формами, частичной десорбции радионуклида (Левина, 2007). Цезий-137 в донных отложениях и в водной среде Челябинских озер содержится в небольших количествах.

Таким образом, повышенное содержание в донных отложениях марганца, цинка, свинца и меди характерно для Чебаркульских озер, что в значительной степени объясняется естественным геохимическим фоном. Среди озер Челябинской группы донные отложения озера Смолино характеризуются более высокими концентрациями всех тяжелых металлов в сравнении с донными отложениями озера-аналога Круглое. Причины те же, что выше приведенные. В то же время озеро Круглое, в которое никогда не производился сброс промышленных стоков, имеет превосходство в содержании ртути и мышьяка в донных отложениях. Согласно местной розе ветров, аэральные выпадения на поверхность этих озер можно считать приблизительно равными. Отсюда следует, что повышенные концентрации Hg и As в донных отложениях озера Круглое связаны, очевидно, с локальными геохимическими аномалиями в геологических породах, подстилающих ложе этого водоема и заполняющих склоны водосборного бассейна.

Тяжелые металлы и радионуклиды в гидробионтах. В 2005 г. были отобраны пробы высших водных растений и ихтиофауны в озерах Челябинской группы на содержание тяжелых металлов и радионуклидов (Правдин, 1966; Методика…, 1996; ГОСТ Р 51730-2001; Папченков, 2001). В ходе анализа проб рогоза узколистного (Typha angustifolia L.) с озер Первое и Смолино превышение значения ПДК по ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr выявлено не было, но содержание ⁹⁰Sr приближалось к значению ПДК (до 0,65-0,75 ПДК). Рогоз узколистный способен больше всего, на единицу массы сухого вещества, накапливать ⁹⁰Sr в листьях, чем в корнях. Это связано со способностью аккумулировать Са, а одновременно с ним и ⁹⁰Sr, в кристаллах оксалатов. Кроме того, макрофиты накапливают радионуклиды в количестве, в десятки и тысячи раз превышающем их содержание в воде (Меньших, 2010). Поэтому использовать макрофиты в качестве биоиндикаторов, на загрязнение озер радионуклидами, необходимо.

Проводилось определение содержания Pb, Zn, Cu и Cd в мышечных тканях рыбы, отловленной в 2006 г. в озерах Смолино и Первое. В озере Смолино исследовался чебак или сибирская плотва (Rutilus rutilus), в озере Первое - карась золотой (Carassius carassius). В образцах мышечных тканей рыб меди и кадмия обнаружено не было, содержание свинца составило 0,07 мг/кг (ПДК 0,5 мг/кг), а цинка - 0,02 мг/кг (ПДК 70 мг/кг). Анализ рыбы на присутствие радионуклидов показал, что ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr в образцах с озера Смолино обнаружены только в следовых количествах, в карасе золотом с озера Первое ¹³⁷Cs содержится в концентрации 5,2 Бк/кг, при ПДК 130 Бк/кг. То есть, содержание тяжелых металлов и радионуклидов в мышечных тканях рыб озер Смолино и Первое соответствует санитарно-гигиеническим нормам.

Нефтепродукты в воде. Содержание нефтепродуктов превышает значение ПДК_в.р. в озере Круглое (Челябинское) в 1,2 раза, Первое - в 4,4 раза, Смолино - в 5,8 раза (рис.5). Высокое количество нефтепродуктов обусловлено воздействием промышленного города. Нефтепродукты попадают в озера с ливневым стоком канализации, с поверхностным плоскостным стоком с асфальтированных территорий (в том числе и автомобильных дорог), с моек автомобильного транспорта, в меньшей степени - с других моторизованных средств (снегоходов, катеров, водных мотоциклов). Для озера Смолино характерно поступление их из района железнодорожного депо.

Рис. 5. Содержание нефтепродуктов в поверхностных водах озер, 2002-2006 гг., мг/л

Глава 3. Гидробиологические особенности озер

Фитопланктон. Биомасса, численность и видовой состав фитопланктона нами рассматривались на примере Чебаркульских и Хомутининских групп озер.

Преобладающими видами фитопланктона озера Б.Кисегач являются диатомовые, золотистые, динофициевые и зеленые водоросли, в озере Табанкуль - цианобактерии и зеленые водоросли, в озере М.Теренкуль - цианобактерии. Для Хомутининских озер характерно доминирование зеленых (Tetrastrum glabrum) (озеро Подборное) и эвгленовых (Euglena hemichromata) (озеро Горькое) видов фитопланктона. Общая биомасса фитопланктона озера Б.Кисегач составила 1390 мг/л, Табанкуль - 1720 мг/л, М.Теренкуль - 1420 мг/л, Еловое - 1,04-3,66 мг/л, Подборное - 34,9 мг/л, Круглое (Хомутининское) - 1,1 мг/л, Горькое - 147,1 мг/л. В пресных озерах горно-лесной зоны отмечено не только большее видовое разнообразие, но и большая масса фитопланктона, чем в солоноватых водах озер лесостепной зоны.

Зоопланктон. Состояние зоопланктонного сообщества исследовалось на группе Чебаркульских и Челябинских озер. Численность зоопланктона озера Б.Кисегач составляла 34,1 тыс. экз./м³, озера Табанкуль и М.Теренкуль, соответственно, 249,5 и 69,3 тыс. экз./м³, озера Смолино - 13 тыс. экз./м³ (табл. 2). В озере Смолино отмечен реликтовый вид, характерный для соленых вод Arctodiaptomus salina, в озере М.Теренкуль обнаружена коловратка рода Brachionus, характерная для загрязненных водоемов. Нами отмечено в озере Смолино пять индикаторных видов, указывающих на эвтрофные условия жизнедеятельности экосистемы (Polyarthra sp., Cyclops vicinus, Keratella quadrata, Chydorus sphaericus, Keratella cochlearis), и один вид (Daphnia longispina) - на олиготрофные условия (Андроникова, 1996).

Таблица 2

Видовой состав зоопланктона озера Смолино (2000-2002 гг.)

Се-зон	Система-тическая принад-лежность	Название видов	Численность, тыс. экз./м3	Биомасса, мг/м3
лето	Rotatoria	Arctodiaptomus salinа (Daday, 1885) Keratella quadrata (O.F. Muller, 1786) Keratella cochlearis (Gosse, 1851) Polyarthra vulgaris (Carlin, 1943)	40,10±11,81 6,29±3,54 1,04±0,97 0,26±0,09	1383,34±164,52 3,04±1,77 0,40±0,06 0,58±0,11
	Cladocera	Bosmina kessleri (Uljanin, 1872) Ceriodaphnia reticulata (Jurine, 1820) Chydorus sphaericus (O.F. Muller, 1785) Daphnia longispina (O.F. Muller, 1785) Diaphanosoma brachyurum (Levin, 1848)	79,42±43,76 30,14±9,54 0,26±0,06 55,31±22,80 24,64±2,36	388,90±114,55 215,02±53,03 1,02±0,67 1285,60±645,23 651,02±302,01
	Copepoda	Acanthocyclops viridis (Jurine, 1820) Mesocyclops oithonoides (Sars, 1863) Mesocyclops leuckarti (Claus, 1857)	0,52±0,07 7,07±2,12 1,31±0,35	30,92±19,78 65,25±16,97 39,53±12,73
	Всего	331,32±97,41	4359,96±1330,76
зима	Rotatoria	Arctodiaptomus salinа (Daday, 1885) Keratella quadrata (O.F. Muller, 1786)	10,30±3,54 2,35±1,51	629,81±201,52 1,74±0,62
	Cladocera	Daphnia longispina (O.F. Muller, 1785) Chydorus sphaericus (O.F. Muller, 1785)	0,14±0,08 0,03±0,01	9,91±5,65 0,25±0,15
	Copepoda	Cyclops vicinus (Uljanine, 1875) Eucyclops serrulatus (Fischer, 1851)	0,14±0,09 0,05±0,02	21,92±0,07 1,54±0,13
	Всего	12,92±3,85	666,17±207,37

Индекс видового разнообразия по Шеннону-Уивера рассчитывался по биомассе зоопланктона (Экология…, 1998). В озере Б.Кисегач этот показатель составил 3,2, в оз. Еловом - 2,7, в оз. М.Теренкуль - 2,8, в оз. Смолино - 1,5, оз. Табанкуль - 1,1. Таким образом, отмечено снижение видового разнообразия зоопланктона в озерах урбанизированной лесостепной зоны по сравнению с горно-лесной.

Глава 4. Экологическое состояние воды озер и пути его улучшения

Оценка экологического состояния воды озер Челябинской области

При оценке экологического состояния озерных вод различают антропогенное эвтрофицирование и качество вод. Антропогенное эвтрофицирование озер оценивается комплексно с использованием разнообразных показателей (Шитиков, 2003).

В исследуемых озерах интенсивно протекают процессы антропогенного эвтрофицирования, об этом свидетельствует разброс оценок по содержанию биогенных соединений, биомассы фитопланктона в пределах олиготрофность - гипертрофность в озере Б.Кисегач, олигомезотрофность - политрофность в озере Подборное, олиготрофность - мезотрофность в озере Смолино, мезотрофность - гипертрофность в озере Горьком, мезоэвтрофность - политрофнось в озере Круглое (Хомутининское), эвтрофность - политрофность в озере Круглое (Челябинское), эвполитрофность - гипертрофность в озерах Табанкуль, М.Теренкуль. Таким образом, по показателям антропогенного эвтрофицирования озеро Б.Кисегач можно оценить как олиготрофное озеро с характерными признаками мезоэвтрофности, озеро Смолино - мезотрофное с признаками эвтрофности, озера Круглое (Челябинское), Подборное, Круглое (Хомутининское) - эвтрофные с признаками политрофности, озера Табанкуль, М.Теренкуль, Горькое - эвполитрофные с признаками политрофности.

Была проведена оценка качества воды по биологическим и эколого-токсикологическим показателям.

Вода озера Б.Кисегач (согласно ГОСТ 2761-84, водоем считается источником питьевого водоснабжения 1 класса качества) по биологическим показателям (индексу сапробности Пантле-Букка) является «чистой», по эколого-токсикологическим - вода дает спектр оценок от «чистой» до «загрязненной». К «загрязненным» водам по биологическим показателям относятся воды озер М.Теренкуль, Табанкуль; по эколого-токсикологическим значениям вода озера М.Теренкуль находится в пределах от «загрязненных» до «грязных», озера Табанкуль - «грязных». Озеро Смолино по биологическим показателям является «чистым», по эколого-токсикологическим - «загрязненным». Вода озер Первое, Круглое (Челябинское) по эколого-токсикологическим критериям считается «загрязненной».

По индексу загрязнения вод озера Б.Кисегач, Еловое характеризуются как «чистые» - 2 класс качества (ИЗВ равен, соответственно, 0,88, 0,52), озера Круглое (Челябинское), Смолино, Круглое (Хомутининское), Табанкуль, Подборное «умеренно-загрязненные» - 3 класс качества (ИЗВ равен, соответственно, 1,1, 1,7, 1,4, 1,4, 1,9), озера Горькое и Первое «грязные» - 5 класс качества (ИЗВ равен, соответственно, 4,9, 5,2).

По категории трофности (Жукинский, Оксиюк, 1983) озера Б.Кисегач, Еловое относятся к мезотрофному типу, озера Табанкуль, М.Теренкуль, Смолино, Круглое (Челябинское), Горькое, Подборное, Круглое (Хомутининское) - к эвтрофному.

Используя показатели качества воды, качества донных отложений, гидрологического режима, флоры и фауны, групп промысловых организмов, рассматриваемых с позиций рыбного хозяйства, характеризующих состояние вод, представляется возможным произвести оценку использования исследуемых озер для рыбохозяйственных целей. Исходя из степени загрязнения вод по классификации качества воды рыбохозяйственных водных объектов (ГОСТ 17.1.2.04-77), озера Б.Кисегач, Чебаркуль, Еловое, Смолино и Первое можно отнести либо к первой категории - используемые для сохранения и воспроизводства ценных видов рыб, обладающих высокой чувствительностью к содержанию кислорода, либо ко второй категории - используемые для других рыбохозяйственных целей (частный лов).

Таким образом, результаты исследований озер Челябинской области показывают, что качество вод находится в диапазоне от «чистых» до «грязных» (от 2 до 5 класса качества вод). Озера испытывают влияние техногенных факторов, что приводит к процессу эвтрофицирования водоемов и ухудшению качества вод. Необходимо принять меры для сохранения уникальных водных экосистем, многие из которых являются памятниками природы.

На основании проведенных исследований рекомендуем следующее:

1. При экологическом мониторинге озер основными контролируемыми параметрами считать содержание тяжелых металлов (Cu, Zn, Cd, Hg, Pb), соединений азота (аммония, нитритов), нефтепродуктов и радионуклидов (⁹⁰Sr, ¹³⁷Cs).

2. Учитывать приоритетное накопление радионуклидов и тяжелых металлов в донных отложениях, в составе макрофитов.

Для озер, находящихся в пределах урбанизированного ландшафта Челябинской области, предлагаем следующие профилактические водоохранные мероприятия:

1. Отвод стоков промышленной и ливневой канализации за пределы водосборной площади озера.

2. Создание сети накопительных коллекторов для перехвата поверхностного стока с асфальтированных территорий с последующим удалением их на очистные сооружения.

3. Создание буферной зоны, максимально обеспечивающей рекреационные потребности граждан.

Очистка вод разного химизма и степени засоления с использованием нефтеразлагающих микроорганизмов

Озера Челябинской области удалены от центров добычи нефти, но загрязнение их экосистем нефтепродуктами происходит при использовании моторизованных средств на водной акватории, в результате попадания поверхностных плоскостных стоков с асфальтированных территорий, ливневой канализации, моек автотранспорта. Поэтому мы посчитали актуальным провести тестирование нефтеразлагающих микроорганизмов на способность деструкции нефтепродуктов, в условиях разного химизма и степени засоления вод.

Опытами установлено, что разложение нефтяной плёнки микроорганизмами биопрепарата «Нефтедеструктор» (Rhodococcus eritropolis) на 90-е сутки в порядке убывания можно выстроить в следующую последовательность Na₂SO₄> NaCl> NaHCO₃ > MgSO₄> Na₂CO₃. При смешанном сульфатно-содовом засолении отмечена наилучшая активность в разложении нефтяной плёнки. Далее в порядке убывания следует сульфатно-хлоридное, хлоридно-сульфатное засоление с гипсом.

Таким образом, жизнедеятельность микроорганизмов-деструкторов нефтепродуктов в значительной степени зависит от химизма и степени засоления питательной среды. В результате проведенного тестирования биопрепаратов на способность разложения нефтепродуктов в условиях с различным химизмом и степенью засоления установлено, что «Нефтедеструктор» успешно работает в среде с наличием Na₂SO₄; штамм бактерий №3 - в среде с MgSO₄; №11 - NaHCO₃; №21 - в среде с NaCl, Na₂SO₄; №97 - Na₂CO₃. В среде сульфатно-содового засоления устойчивое разложение нефтепродуктов происходит при использовании штамма №3.

Результаты тестирования микроорганизмов на способность к нефтедеструкции позволяют рекомендовать штамм бактерий №3 для очистки вод сульфатно-содового засоления, штамм №11 - для очистки вод гидрокарбонатного класса, штамм №21 - для очистки вод сульфатно-натриевого и хлоридного типа, биопрепарат «Нефтедеструктор» - для очистки вод сульфатно-натриевого типа.

ВЫВОДЫ

1. Для исследуемых озер горно-лесной и лесостепной зон Челябинской области характерно значительное варьирование морфометрических показателей, гидрологического режима, минерализации и состава солей; озера имеют окислительную обстановку в водах и сероводородную - в донных отложениях.

2. Различия озерных вод по содержанию и составу легкорастворимых солей определяются природно-климатическими и геохимическими условиями. Озера Чебаркульской группы имеют пресные гидрокарбонатные кальциевые или натриевые воды, Челябинской и Хомутининской групп - солоноватые гидрокарбонатно-хлоридные натриевые.

3. Повышенное содержание тяжелых металлов в компонентах озерных экосистем обусловлено как геохимическим фоном, так и техногенным загрязнением. В водах и донных отложениях озер Чебаркульской и Челябинской групп содержание отдельных металлов (Mn, Cu, Zn, Cd, Hg, Pb) превышало ПДК. В гидробионтах (макрофиты и ихтиофауна) Челябинской группы озер не установлено превышения ПДК по тяжелым металлам.

4. Накопление техногенного радионуклида ⁹⁰Sr установлено в донных отложениях озер Челябинской группы (озера Смолино и Круглое), одновременно отмечена значительная аккумуляция ⁹⁰Sr (до 0,65-0,75 ПДК) в макрофитах этих озер.

5. По содержанию аммонийного и нитритного азота в водах большинства исследуемых озер наблюдалось превышение ПДК, за исключением озер Б.Кисегач, Смолино и Первое. Существенное увеличение количества соединений фосфора в зимний период отмечено в озерах Чебаркульской группы (М.Теренкуль и Табанкуль).

6. Накопление нефтепродуктов с превышением ПДК установлено в водах озер Чебаркульской (Б.Кисегач, М.Теренкуль) и особенно Челябинской группы (Смолино, Круглое, Первое).

7. Оценка степени эвтрофицирования водоемов на основе состояния гидробионтов показала, что Чебаркульскую группу озер следует отнести к мезотрофному типу с достаточно чистыми водами, Челябинскую - к эвтрофному со слабо загрязненными водами и Хомутининскую - к эвтрофно-политрофному с умеренно загрязненными водами.

8. Для очистки солоноватых вод от нефтепродуктов рекомендуется использовать штаммы нефтеразлагающих микроорганизмов с учетом их устойчивости к составу солей.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ОТРАЖЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ:

Публикации в научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Скипин Л.Н., Богданова О.Г. Способность очистки нефтезагрязненных вод разного химизма и степени засоления микроорганизмами // Известия ВУЗов. Нефть и Газ. - Тюмень: ТГНГУ, 2007. №3. С.113-116.

2. Богданова О.Г. Озера Челябинской области и их экологическая оценка // Вестник КрасГАУ. Вып.1. - Красноярск: КрасГАУ, 2007. С.171-174.

Другие публикации:

3. Пашнина О.Г. Современное экологическое состояние озера Смолино // Конкурс грантов студентов, аспирантов и молодых ученых вузов Челябинской области. Сб. науч.-исслед. раб. студентов. - Челябинск: ЮУрГУ, 2002. С.98-99.

4. Богданова О.Г. Экологическое состояние озер Челябинской области // Безопасность биосферы - 2005. Сб. тез. докл. Всерос. молодежного науч. симпозиума. - Екатеринбург, 2005. С.60.

5. Богданова О.Г., Савина В.С. Очистка поверхностных вод от нефтепродуктов с помощью микроорганизмов // Проблемы строительства, экологии и энергосбережения в условиях Западной Сибири. Сб. науч.-практ. конф. - Тюмень: ИПЦ «Экспресс», 2006. С.77-81.

6. Богданова О.Г., Скипин Л.Н. Влияние антропогенной нагрузки на экологическое состояние озер г. Челябинска // Роль особо охраняемых природных территорий в сохранении лесов, экосистем и биоразнообразия Северного Казахстана. Мат. Междунар. науч.-практ. конф. - Кокшетау: Кокшетауский унив., 2007. С.125-128.

Размещено на Allbest.ru

...