Вміст сполук Нітрогену у водних екосистемах різного типу

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вміст сполук Нітрогену у водних екосистемах різного типу

Басараба І.В., Суходольська І.Л.

Анотація

У статті досліджено зміни вмісту сполук Нітрогену (NH4+, NO2 і NO3) у водних екосистемах різного типу (річка Стубелка, Хрінницьке водосховище, озеро Засвітське і Морозівський кар'єр) та розглянуто екологічні наслідки зміщення їхньої рівноваги. З'ясовано, що у воді досліджених екосистем переважаючою формою сполук Нітрогену є амоній та нітрити. Зафіксовано перевищення граничнодопустимих концентрацій нітрогену амонійного у воді р. Стубелка (1,16-3,44 рази), Хрінницького водосховища (1,26-2,06 рази), оз. Засвітське (1,49 рази) та Морозівського кар'єру (1,62 рази), що насамперед зумовлене потраплянням з атмосферними опадами, з господарсько-побутовими стічними водами та з сільськогосподарських угідь внаслідок використання мінеральних і органічних добрив. Вміст нітритів перевищує нормативні значення у воді р. Стубелка (2,26 рази), Хрінницького водосховища (1,48-1,77 рази) та оз. Засвітське (3,90-24,64 рази), що свідчить про вповільнення їхнього окиснення до нітратів та високий ризик вторинного забруднення водойм. Концентрація нітратів знаходиться в межах допустимих значень. Показано, що вміст сполук Нітрогену у водних об'єктах змінюється наступним чином: NH4+ - річка > водосховище > кар 'єр > озеро; NO2 - озеро > річка > водосховище > кар 'єр; NO3 - водосховище > річка > кар 'єр > озеро. Зміщення рівноваги в системі амоній ^ нітрити ^ нітрати в бік нітратів найчастіше характерно для усіх водних об 'єктів влітку, а в бік амонію - восени. Максимальні відношення NO3 /NH4+ виявлено у Хрінницькому водосховищі (94,81), Морозівському кар'єрі (9,55), оз. Засвітське (5,84) та р. Стубелка (3,80). Показано зміни рН у воді р. Стубелка (6,7-7,3), Хрінницького водосховища (7,0-7,5), оз. Засвітське (5,97,2) та Морозівського кар'єру (6,5-7,-4). Досліджено зміни вмісту розчиненого кисню у воді р. Стубелка (5,7-8,5 мг О 2/дм 3), Хрінницького водосховища (4,4-9,5 мг ОДдм 3), оз. Засвітське (8,6-10,0 мг ОУдм 3) та Морозівського кар'єру (8,7-9,3 мг ОУдм 3). Концентрація розчиненого кисню у водоймах має вигляд: озеро > кар'єр > водосховище > річка. Присутність індикатора "свіжого" забруднення води (нітрогену амонійного) у всіх водоймах свідчить про постійне надходження забруднюючих речовин, особливо інтенсивно до р. Стубелка та Хрінницького водосховища.

Ключові слова: розчинений кисень, активна реакція води, зміщення рівноваги в системі нітрати ^ нітрити ^ амоній, річка, водосховище, кар 'єр, озеро. екологічний нітроген водосховище

Basaraba I. V., Sukhodolska I. L.

Rivne State University for the Humanities

THE NITROGEN COMPOUNDS CONCENTRATION IN WATER ECOSYSTEMS OF DIFFERENT TYPES

The study researches the changes in the nitrogen compounds concentration (NHf, NO2 і NO3) in water ecosystems of different types (the river Stubelka, the Khrinnyky reservoir, Lake Zasvitske and Morozivka quarry) and discusses ecological consequences of their balance shift. The author defines ammonium and nitrites as the predominant form of the nitrogen compounds. It was recorded the exceeding of the maximum permissible concentrations of ammonium nitrogen in the water of river Stubelka (1.16--3.44 times), the Khrinnyky reservoir (1.26-2.06 times), Lake Zasvitske (1.49 times) and Morozivka quarry (1.62 times) that is primarily caused by precipitation, household and agricultural land sewage as a result of mineral and organic fertilizers use. The nitrites concentration exceeds the standard values in the water of the river Stubelka (2.26 times), the Khrinnyky reservoir (1.48-1.77 times) and Lake Zasvitske (3.90-24.64 times) that indicates a slowdown in their oxidation to nitrates and a high risk of secondary pollution of water reservoirs. The nitrates concentration is within the limits of permissible values. It is demonstrated that the nitrogen compounds concentration in water reservoirs changes as follows: NHf - river > reservoir > quarry > lake; NO2 - lake > river > reservoir > quarry; NO3 - reservoir > river > quarry > lake. The balance shift in the ammonium ^ nitrite ^ nitrate system towards nitrates is most often characteristic of all water reservoirs in summer and towards ammonium in autumn. NO3 /NHf maximum ratio was found in the Khrinnyky reservoir (94.81), Morozivka quarry (9.55), Lake Zasvitske (5.84) and the river Stubelka (3.80). The pH changes in the water of the river Stubelka (6.7-7.3), the Khrinnyky reservoir (7.0-7.5), Lake Zasvitske (5.9-7.2) and Morozivka quarry (6.5-7.4). The study researches fluctuations in the dissolved oxygen concentration in the water of the river Stubelka (5.7-8.5 mg O2/dm3), the Khrinnyky reservoir (4.4-9.5 mg O2/dm3), Lake Zasvitske (8.6-10.0 mg O2/dm3) andMorozivskyi quarry (8.7-9.3 mg O2/dm3). The concentration of dissolved oxygen in water reservoirs is as follows: lake > quarry > reservoir > river. The presence of an indicator of "fresh" water pollution (ammonium nitrogen) in all reservoirs indicates a constant influx of pollutants, especially intensively to the river Stubelka and the Khrinnyky Reservoir.

Keywords: dissolved oxygen, water active reaction, equilibrium shift in the nitrates ^ nitrites ^ ammonium system, river, reservoir, quarry, lake.

Вступ

NH4+, NO2 і NO3 мають різну швидкість надходження, трансформації та міграції у водоймі, а їхня концентрація суттєво залежить від форми водного об'єкту, його розмірів, глибини, умов утворення, особливостей розташування, гідрологічного режиму, кліматичних змін, внутрішньо-водоймних процесів, розвитку біоти та інтенсивності надходження з точкових і дифузних джерел тощо. Саме тому, важливо аналізувати зміни концентрації сполук Нітрогену в різнотипних водних екосистемах (річка, озеро, водосховище, кар'єр), що мають однакові та відмінні ознаки, а також зазнають різного антропогенного навантаження.

Матеріали та методи. Для проведення гідрохімічного аналізу проби води відбирали щомісяця впродовж червня-листопада 2022 р. у водних екосистемах різного типу (річка Стубелка - 50°28'12.4"N 25°58'03.9"E, Хрінницьке водосховище - 50°27'58.6"N 25°11'49.9"E, озеро Засвітське - 51°52'35.0"N 25°44'10.1"E, Морозівський кар'єр - 50°39'13.6"N 27°09'45.3"Е) (рис. 1).

Рис. 1. Карта-схема розміщення об'єктів дослідження

Річка Стубелка бере початок на північних схилах Мізоцького кряжу, в західній частині села Білашів. Протікає річка в межах Здолбунівського, Дубенського та Рівненського районів Рівненської області. Довжина р. Стубелка 86 км, площа водозабору 1350 км 2, а глибина 1,2--1,5 м (Коротун, & Коротун, 1996). Хрінницьке водосховище розташоване на півдні Рівненської та Волинської областей. Водосховище побудовано на річці Стир (басейн Прип'яті). Площа Хрінницького водосховища 1830 га (18,3 км 2), повний об'єм 22,2 млн м 3, корисний - 20,4 млн м 3. Глибина водосховища від 2-6 м і більше (Водний фонд, 2014). Розташоване оз. Засвітське у північно-західній частині Рівненської області (Нобельський національний природний парк). Площа водозбору складає 0,71 км 2. Середні значення глибин водойми близько 12,7 м, а максимальні глибини досягають 16 м. Ширина оз. Засвітське становить 0,35 км, довжина - 0,62 км, а площа водно дзеркала - 0,22 км 2 (Kovalchuk et al., 2020). Морозівський кар'єр знаходиться у Корецькому районі Рівненської області. Глибина гранітного кар'єру 3 м, а площа 7,8 га (Мазур, & Шелюк, 2014).

Результати і їхнє обговорення. У водних екосистемах найактивнішим компонентом кругообігу Нітрогену є амоній. За оптимальних концентрацій, амоній є важливішим джерелом Нітрогену для автотрофів та мікроорганізмів (Kumar et al., 2007), тому зниження його концентрації часто пов'язують з активним поглинанням біотою. Сезонні зміни вмісту нітрогену амонійного у водних екосистемах різного типу наведено на рисунку 2.

Рис. 2. Вміст нітрогену амонійного у воді гідроекосистем різних типів

Концентрація нітрогену амонійного у воді р. Стубелка у червні складає 0,6296 мг/дм 3. Найвищий вміст нітрогену амонійного у воді р. Стубелка зафіксовано у липні, що становить 1,7219 мг/дм 3 та перевищує ГДК у 3,44 рази (ГДКрибгосп. = 0,5 мг/дм 3). Вже у серпні концентрація нітрогену амонійного знижується до 0,3469 мг/дм 3. У наступні місяці вміст нітрогену амонійного знову зростає до 0,5782-0,7453 мг/дм 3 та перевищує ГДК у 1,16-1,49 рази. Можливим джерелом надходження нітрогену амонійного до водойми є особливості утримання свійських тварин та птиці, оскільки річка протікає близько до населених пунктів. Крім того, нітроген амонійний менше поглинається біотою восени внаслідок зниження інтенсивності розвитку фітопланктону.

Мінімальний вміст нітрогену амонійного у воді Хрінницького водосховища виявлено у червні та серпні, що становить 0,2827 мг/дм 3. Максимальна концентрація нітрогену амонійного у воді водосховища зафіксована у липні та складає 1,028 мг/дм 3. Впродовж вересня-листопада вміст нітрогену амонійного варіює від 0,5140 мг/дм 3 до 0,6939 мг/дм 3. Перевищення ГДК нітрогену амонійного у воді Хрінницького водосховища становить 1,26-2,06 рази. Загалом, спостерігаються подібні зміни вмісту нітрогену амонійного у воді р. Стубелка та Хрінницького водосховища впродовж досліджених місяців, що свідчить про ймовірність надходження нітрогену амонійного з атмосферними опадами.

Вміст нітрогену амонійного у воді оз. Засвітське у червні становить 0,2827 мг/дм 3. Впродовж липня-серпня концентрація нітрогену амонійного ще зменшується до 0,1157-0,1671 мг/дм 3, що свідчить про інтенсивне його поглинання біотою. У вересні вміст нітрогену амонійного зростає до 0,7453 мг/дм 3, що зумовлено завершенням вегетаційного періоду в окремих видів та потрапляння NH4+ внаслідок їх відмирання. Проте вже у жовтні та листопаді концентрація нітрогену амонійного знову знижується до 0,0514 мг/дм 3, що пов'язано з його трансформацією у NO2 . Загалом, перевищення ГДК нітрогену амонійного у озері виявлено лише у вересні в 1,49 рази.

Мінімальну концентрацію нітрогену амонійного у Морозівському кар'єрі зафіксовано у червні та жовтні, що становить 0,0514 мг/дм 3. Впродовж липня та серпня вміст нітрогену амонійного складає 0,2827 мг/дм 3 та 0,1157 мг/дм 3, що свідчить про його ефективне засвоєння вищими водними рослинами та фітопланктоном. Максимальну концентрацію нітрогену амонійного виявлено у вересні, що становить 0,8096 мг/дм 3 та перевищує ГДК у 1,62 рази. Відповідно споживання нітрогену амонійного біотою знижується, що призводить до збільшення його концентрації у воді кар'єру. Водночас, однією з причин зростання NH4+ є його надходження з водозбірної площі. Вміст нітрогену амонійного у листопаді не перевищує ГДК та становить 0,1671 мг/дм 3.

Зрештою найвищі середні концентрації нітрогену амонійного впродовж дослідження виявлено у воді р. Стубелка, а найнижчі - у воді оз. Засвітське. В умовах підвищеного вмісту нітрогену амонійного у воді ріст та розвиток біоти часто не зростає, а навпаки, пригнічується, що зумовлено різною здатністю видів зв'язувати амоній. Крім того, підвищені концентрації нітрогену амонійного та нітратів зумовлюють евтрофікацію водойм, що призводить до зміни видового багатства гідробіонтів та порушення трофічних ланцюгів.

Концентрація нітритів у воді екосистем різного типу характеризується суттєвими змінами (рис. 3).

Рис. 3. Вміст нітритів у воді гідроекосистем різних типів

Вміст нітритів у воді р. Стубелка становить у червні 0,0723 мг/дм 3, а впродовж липня та серпня знижується до 0,0493 мг/дм 3 та 0,0362 мг/дм 3. Найменша концентрація виявлена у вересні та складає 0,0263 мг/дм 3, а найбільша у листопаді - 0,1807 мг/дм 3, що перевищує ГДК у 2,26 рази (ГДКрибгосп. = 0,08 мг/дм 3). Зростання вмісту нітритів у воді р. Стубелка ймовірно зумовлено, крім завершення вегетаційного періоду та розкладання біоти, надходженням з сільськогосподарських угідь. Концентрація нітритів у воді Хрінницького водосховища впродовж літніх місяців становить 0,0329 мг/дм 3, а в вересні знижується до 0,0197 мг/дм 3. Найвищий вміст нітритів зафіксовано у жовтні та листопаді, що становить 0,1183 мг/дм 3 та 0,1413 мг/дм 3. Вміст нітритів у воді водосховища перевищує оптимальні показники у 1,48-1,77 рази. Високі концентрації нітритів токсичні для гідробіонтів, особливо для водних тварин. Щодо оз. Засвітське, то варто зауважити суттєве зростання вмісту нітритів у порівнянні з іншими досліджуваними водними об'єктами. Так, у червні та липні вміст нітритів у воді оз. Засвітське становить 0,3286 мг/дм 3 та 0,3121 мг/дм 3, що перевищує ГДК у 3,90-4,11 рази. Впродовж серпня та вересня концентрація знижується до 0,0394 мг/дм 3 та 0,0131 мг/дм 3, а у жовтні знову підвищується до 1,9710 мг/дм 3, що перевищує нормативні значення аж у 24,64 рази. Відбувається сповільнення процесів окиснення нітритів до нітратів, ймовірно внаслідок активізації розкладу органічних речовин, що призводить до вторинного забруднення водної екосистеми. Вміст нітритів у воді Морозівського кар'єру у червні та липні становить 0,0164 мг/дм 3 та 0,0329 мг/дм 3. У серпні концентрація нітритів у воді кар'єру зростає до 0,0526 мг/дм 3, а в серпні знижується до 0,0164 мг/дм 3. Впродовж жовтня та листопада вміст нітритів становить 0,0460 мг/дм 3 та 0,0329 мг/дм 3. Перевищень ГДК нітритів у воді Морозівського кар'єру не зафіксовано.

Найвищі середні концентрації нітритів впродовж усіх місяців виявлено у воді р. Стубелка, а найнижчі - у воді Морозівського кар'єру.

Основним джерелом надходження нітратів до водойм, особливо річок, є добрива, що потрапляють внаслідок вимивання з сільськогосподарських угідь (Kumar et al., 2007; Kumar et al., 2020). Вміст нітратів у водних об'єктах наведено на рисунку 4.

Рис. 4. Вміст нітратів у воді гідроекосистем різних типів

Концентрація нітратів у воді р. Стубелка становить у червні 2,3922 мг/дм 3 та зростає у липні до 6,2463 мг/дм 3. Впродовж серпня-листопада вміст нітратів варіює від 0,1285 мг/дм 3 до 1,5948 мг/дм 3. Перевищень ГДК нітратів у воді річки не виявлено (ГДКрибгосп. = 40 мг/дм 3). Вміст нітратів у воді Хрінницького водосховища у червні та липні суттєво не відрізняється і становить 0,7974 мг/дм 3 та 0,9746 мг/дм 3. У серпні концентрація нітратів суттєво зростає до 26,8015 мг/дм 3, що насамперед зумовлено недостатнім їх споживанням біотою та додатковим надходженням NO3 з сільськогосподарських угідь внаслідок використання добрив, хімічних засобів захисту рослин тощо. Впродовж наступних місяців концентрація нітратів варіює від 0,0709 мг/дм 3 до 0,3101 мг/дм 3. Щодо вмісту нітратів у воді оз. Засвітське, то перевищень ГДК також не зафіксовано. Так, у червні концентрація нітратів становить 0,5316 мг/дм 3, у липні досягає максимального значення за весь період дослідження та складає 0,9746 мг/дм 3. Вміст нітратів у серпні становить 0,3544 мг/дм 3, а далі знижується до мінімальних показників 0,0665 мг/дм 3 у вересні. Впродовж жовтня та листопада концентрація нітратів у воді оз. Засвітське також низька та складає 0,1772 мг/дм 3 і 0,0886 мг/дм 3. Максимальний вміст нітратів у воді Морозівського кар'єру становить 2,3479 мг/дм 3 у липні, а мінімальний - 0,0487 мг/дм 3 у серпні та не перевищує допустимі значення.

Найвищі середні концентрації нітратів виявлено у воді Хрінницького водосховища, а найнижчі - у воді оз. Засвітське. Збільшення частки нітратів у водних екосистемах, порівняно з іншими формами Нітрогену, часто зумовлено зростанням їхньої концентрації у атмосферних опадах, а також інтенсивним використання мінеральних і органічних добрив (Ostrom et al., 1998).

Співвідношення різних форм Нітрогену у водних екосистемах постійно змінюється та залежить від розвитку біоти, внутрішньо-водоймних процесів і додаткового надходження з точкових та дифузних джерел. Зміни співвідношення сполук Нітрогену у водних об'єктах наведено у таблиці 1.

Таблиця 1 Співвідношення сполук Нітрогену [NH4+]: [NO2-] : [NO3-] у воді гідроекосистем різних типів