Экологическое состояние прибрежных вод Черного моря в районе Севастополя

Размещено на http://www.allbest.ru/

7

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Институт проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова РАН

Российский научно-исследовательский медицинский университет им. Н.И. Пирогова

Институт биологии южных морей имени А.О. Ковалевского РАН, г. Севастополь

Экологическое состояние прибрежных вод Черного моря в районе Севастополя

А.И Парамонова, А.А. Поромов, к.б.н., Е.В. Федосеева, к.б.н.,

Д.А. Хунджуа, И.И. Руднева, д.б.н., В.Г. Шайда

Исследованы воды нескольких акваторий Севастопольской и Карантинной бухт Черного моря в районе Севастополя, включая оценку основных физико-химических параметров морской воды, относительного содержания растворенного органического вещества (РОВ) методами спектрофотометрического анализа, а также экотоксичности вод методами биотестирования с использованием в качестве тест-культур микроводоросли Phaeodactylum и рачков Ахтшsalina L. Гидрохимический анализ не показал значительных различий между отдельными станциями, также как и анализ отдельных элементов. Результаты, получаемые на разных тест-объектах, показывают противоречивые данные о токсичности воды в исследуемой акватории, при этом химический анализ не свидетельствует о превышении ПДК по отдельным элементам. Можно предположить влияние органического вещества на проявление экотоксикологических свойств морской воды.

Ключевые слова: Черное море, анализ воды, тяжелые металлы, растворенное органическое вещество, биотестирование, экотоксичность.

спектрофотометрический анализ акватория органическое вещество

Севастопольская бухта представляет собой сложную систему, в которую входят около 20 бухт, различающихся своей топографией, гидрологическим режимом, береговой инфраструктурой и уровнем антропогенного воздействия. В естественном состоянии ширина бухты при входе составляла 940 м, но в 1976-1977 гг. вход в бухту был огражден глухим защитным молом, в результате чего ширина входа сузилась до 550 м. Это привело к нарушению водообмена и способствовало накоплению в воде и в грунтах загрязнителей различной природы: нефтепродуктами, тяжелыми металлами, биогенами, хлорорганическими соединениями, фенолами и поверхностноактивными веществами [1, 2]. Акватория бухты находится в сильной зависимости от суши, в том числе и от речного стока реки Черной и прибрежной инфраструктуры, а также является основной частью акватории порта с причальными стенками протяжённостью более 11 км и служит гаванью для торговых и военных судов. Со стоком реки Черной в акваторию бухты выносятся аллохтонные органические и минеральные вещества, в том числе и биогенные, содержащиеся в сельскохозяйственных стоках, в которых насчитывается от 48 до 52% минерального азота и фосфора, и объем которых составляет 600 000 м³ в год [3, 4]. В поверхностном слое соленость меняется от 16,7 до 17,0 % и зависит от активности водообмена и объема речного стока. По степени перемешивания бухта относится к объектам с неприливной циркуляцией. Таким образом, высокий уровень загрязненности бухты определяется как широким спектром веществ-загрязнителей, так и значительными их концентрациями, поступающими с промышленными, коммунальными и ливневыми стоками, загрязненными дренажными водами, льяльными и хозяйственно-бытовыми водами с кораблей. Уровень загрязнения прибрежных вод может изменяться, так как в Севастопольской бухте имеются течения, переносящие ксенобиотики в разные районы, где они оседают на дно [5]. В связи с этим, довольно сложно определить экологическое состояние акваторий, основываясь только на определении в них загрязняющих веществ.

Карантинная бухта, расположенная в полукилометре на запад от Севастопольской, обладает следующими характеристиками: длина -- около 1,5 км; ширина на выходе -- 0,5 км, а в средней части сужается до 0,1 км и менее; глубины в нижней части достигают 12-16 м, в средней -- 4-6 м [5]. В ее кутовой части расположен аварийный выпуск неочищенных бытовых сточных вод, выпуск ливневой канализации, база ракетных катеров и яхт, оказывающих негативное влияние на экологическое состояние бухты. Здесь же располагается мидийная ферма ИнБЮМ РАН. Индекс суммарного загрязнения донных осадков для Карантинной бухты в 2008 г. составил 7,8, а на выходе из Севастопольской бухты его фоновая величина была 1,3-1,5 [1, 6]. Прибрежная акватория бухты характеризуется интенсивным обменом вод, в результате чего часть загрязнителей транспортируется в открытое море [7]. Приведенные данные свидетельствуют о различном загрязнении описанных акваторий Черного моря, что оказывает непосредственное влияние на состояние среды обитания гидробионтов и гидрохимические показатели воды. Однако, имеющиеся данные во многом противоречивы, свидетельствует об источниках антропогенного загрязнения, однако данные биомониторинга качества прибрежных вод Севастополя ограничены.

Цель работы -- исследование воды различных акваторий Севастопольской и Карантинной бухт Черного моря в районе Севастополя для определения экологического состояния акватории. Работа включала оценку основных физико-химических параметров проб воды, относительного содержания растворенного органического вещества методами флуоресцентной и абсорбционной спектроскопии, а также токсичности вод методами биотестирования.

Образцы воды собирали в октябре 2018 г. на пяти станциях в прибрежных районах Севастополя, включая 4 района в Севастопольской бухте и один район в Карантинной бухте. Отбор осуществляли с поверхности, заглубление -- 20 см. Общая характеристика и координаты станций сбора проб приведены в табл.

Температуру воды измеряли непосредственно в воде акваторий с помощью электронного термометра HANNAInstrumentsCheckTemp -- 1 (Вольта, Россия).рН, окислительно-восстановительный потенциал (Eh), содержание кислорода определяли в лабораторных условиях с помощью анализатора Expert-001 (Econix-ExpertMoexaCoLtd, Россия) с использованием соответствующих селективных электродов (Вольта, Россия). Соленость воды анализировали с помощью рефрактометра PAL-06SLTAGO(Япония) и выражали в %. Образцы воды, отобранные в акваториях, перед определением перечисленных параметров хранили в холодильнике при +4°Cне более 4-6 часов после отбора проб.

Содержание химических элементов в пробах морской воды определяли методом ИСП-ОЭС на спектрометре Agilent5110, нефтепродукты -- методом ИК-спектрометрии на концентратомере КН-3 в Испытательном центре факультета почвоведения МГУ.

Измерение спектров поглощения и флуоресценции растворенного органического вещества(РОВ) производили на люминесцентном спектрометре SolarCM2203 в стандартных кварцевых кюветах для флуориметрии. Для возбуждения спектров флуоресценции РОВ использовали последовательно три длины волны возбуждения в УФ диапазоне: 270, 310 и 355 нм. Спектры поглощения регистрировали в диапазоне 200-800 нм с помощью спектрофотометра SolarPB2201 в кюветах с длиной пути 1 см.

Эколого-токсикологические исследования проводили с использованием стандартизованных тест-культур гидробионтов -- микроводоросли и ракообразные по методикам, включенным в государственный реестр МИ Центра по обеспечению единства измерений РФ (ФР 1.39.2006.02505 Методика определения токсичности высокоминерализованных поверхностных и сточных вод, почв и отходов по выживаемости солоноватоводных рачков ArtemiasalinaL.). В экспериментах по оценке токсичности по реакции ракообразных оценивали степень выживаемости A. salinaL. В качестве исходного материала для биотестирования на артемиях служат науплии в возрасте до 24 часов, полученные в лаборатории из покоящихся цист (яиц). Определение токсичности каждой пробы проводят в пяти параллельных сериях. В качестве контроля используют пять параллельных серий с культивационной водой. Конечной точкой исследования являлась выживаемость рачков через 48 часов экспозиции при температуре 23±2°С, определяли количество выживших и погибших особей. К погибшим относили обездвиженных ракообразных. Дополнительно, в сравнительных исследованиях проводили оценку вылупления на-уплиев из цист при содержании в воде из разных станций в исследуемой акватории.

Влияние воды на морские микроводоросли оценивали по ГОСТу 53910-2010 и методике, разработанной OOO«Акварос» 2009 г. [8]. Эксперименты проводились на водорослях Phaeodactylumtricornutum.Питательная среда Гольдберга на искусственной морской воде с соленостью 20% служила контролем. Подготовку опытных образцов осуществляли в двух вариантах: без внесения и с внесением растворов среды Гольдберга. Контрольные и опытные образцы готовили в 3-х кратной повторности. Длительность экспозиции составила 72 часа. Измерение флуоресценции хлорофилла в суспензиях клеток проводили с помощью прибора Флюорат-02-5М.

Таблица 1 Характеристика, координаты станций отбора и физико-химические параметры воды в Севастопольской и Карантинной бухтах

Возбуждение флуоресценции хлорофилла производили в диапазоне 400-500 нм, регистрация флуоресценции хлорофилла -- в диапазоне 650-750 нм. Фиксировали уровень флуоресценции хлорофилла. Подсчитывали отклонение интенсивности флуоресценции хлорофилла водорослей в каждом варианте опытных проб от контроля. Результаты эксперимента признавали в том случае, если уровень флуоресценции в контроле возрос в 16 и более раз за 72 часа экспозиции.

Рис. 1. Станции отбора проб Севастопольская и Карантинная бухты

Содержание кислорода в образцах воды в исследуемый сезон имело тенденцию к снижению в летние месяцы, что особенно прослеживается опять же для района бухты Сухарка и прибрежных вод у комплекса «Авлита». Колебания рН среды были незначительны (табл. 2).

По результатам анализа основных гидрохимических параметров, определенных в момент сбора проб воды, значительных колебаний изучаемых параметров не отмечено. По результатам химического анализа каких-либо различий между отдельнымиточками по содержанию химических элементов не выявлено. Содержание алюминия, мышьяка, кадмия, хрома, кобальта, меди, марганца, никеля, свинца, ванадия, цинка было ниже 0,001 мг/л, железа и нефтепродуктов меньше 0,005 мг/л. Содержание калия составило 288±6,3 мг/л, кальция -- 224±2,4 мг/л, магния -- 546±4,3 мг/л, кремния -- 0,087±0,02 мг/л, бария -- 0,005±0,0003 мг/л, бора -- 2,2±0,2 мг/л, стронция -- 3,8±0,05 мг/л. Спектральные свойства РОВ природной воды определяют гуминовые вещества, поглощающие свет в УФ и коротковолновой видимой области спектра. Как видно из рис. 2.1, оптическая плотность убывает с увеличением длины волны. При отсутствии в воде микроорганизмов или природных пигментов, других пиков поглощения органического вещества природной воды в спектральном диапазоне от 220 до 800 нм не наблюдается. Значения оптической плотности, измеренные на длине волны возбуждения флуоресценции, используют для расчета квантового выхода флуоресценции РОВ, что может являться индикатором его происхождения (аллохтонное или автохтонное).

Типичный спектр флуоресценции РОВ при возбуждении длиной волны короче 290 нм состоит из двух перекрывающихся полос: УФ полосы с максимумом в области 300-350 нм и свечения в видимой области спектра с максимумом 400-450 нм. Первую из этих полос в научной литературе приня-

Таблица 2 Изменение содержания кислорода (мг/мл) в тестируемых районах прибрежья Севастополя

соединений невысок: для гуминовых веществ почвенного происхождения он составляет доли процента или 0,001-0,003, для гуминовых веществ пресной или соленой воды квантовый выход составляет несколько процентов. Рассчитанные величины квантовых выходов в целом согласуются с литературными данными и варьируют в диапазоне от 0,74 до 2,45. Выделяется большая величина КВ270 образца со станции 1, которая также может диагностировать присутствие в пробе белковых или фенольных соединений. Большими значениями КВ характеризуются станции 1, 4 и 5, что может быть связано близостью к кутовой части бухт.

Показатели смертности артемий после 48 часов экспозиции находились в диапазоне от 0 до 10%, что позволяет судить о нетоксичности проб воды. Для оценки вылуплениянауплиев из цист артемии в период исследования использовали цисты артемии, собранные на побережье соленого Сакского озера (Крым). В качестве контроля проводили инкубацию цист в стандартных условиях. Процент вылуплениянауплиев из цист артемии в среднем составил от 16 до 28%, наименьшими значениями характеризуются станции 4 и 5 (табл. 3).

По результатам альготестирования (с добавлением питательных компонентов стандартной среды Гольдберга), в четырех пробах из пяти отмечено превышение интенсивности флуоресценции хлорофилла над контрольной пробой на 30 и более процентов, При этом, в наибольшей степени интенсификация флуоресценции наблюдалась в образцах со станций 4 и 5. При анализе развития водорослей в пробах морской воды без добавления в нее питательных компонентов, тест-культура феодактилюм развивалась хуже, чем в контроле, что проявилось в пониженной флуоресценции всех исследованных проб (рис. 3), где отклонение от контроля превышало 20%. При этом на фоне общего снижения интенсивности флуоресценции в образцах морской воды без внесения питательных растворов среды Гольдберга также заметны различия. Так, исходя из показателей интенсивности флуоресценции, в воде со станции 4 водоросли развивались более активно, по сравнениюс другими станциями отбора проб. Можно предположить, что это связано с большей по сравнению с другими пробами концентрацией РОВ в образцах со станций 4 и 5. Ранее отмечалось, что присутствие РОВ и веществ гуминовой природы способно интенсифицировать рост водорослей, что может затруднять применение водорослей для биотестирования содержащих растворенные органические вещества проб [12].

Заключение