Сезонна динаміка вмісту нітрогенвмісних сполук у воді річки Стубелка

Размещено на http://www.allbest.ru/

Сезонна динаміка вмісту нітрогенвмісних сполук у воді річки Стубелка

Ковальова І. В., здобувачка третього рівня вищої освіти (Рівненський державний гуманітарний університет, м. Рівне)

Найбільш поширеними забруднювачами водних екосистем є неорганічні сполуки Нітрогену (NH4⁺, NO2' і NO3'). Основними джерелами їхнього потрапляння до водних об'єктів є збільшення обсягів скиду стічних вод очисних споруд, діяльність підприємств, тваринних комплексів, особливості ведення комунального і сільського господарств, зростання рівня урбанізації, атмосферні опади, процеси життєдіяльності та відмирання гідробіонтів. Мета дослідження - визначити сезонну динаміку вмісту сполук Нітрогену у воді річки Стубелка. У статті проаналізовано сезонну динаміку вмісту нітрогенвмісних сполук, температури, pH, розчиненого кисню, ХСК, БСК5 у воді річки Стубелка. Виявлено, що концентрація нітрогену амонійного змінюється від 2,185 мг/дм³ (грудень) до 0,051 мг/дм³ (травень), нітритів від 0,026 мг/дм³ (вересень) до 0,181 мг/дм³ (листопад), нітратів від 6,246 мг/дм³ (липень) до 0,133 мг/дм³ (січень). Зафіксовано перевищення граничнодопустимих концентрацій нітрогену амонійного у воді річки Стубелка у 1,16-4,37 рази (жовтень, грудень), а нітритів у 2,26 (листопад). Вміст нітратів впродовж усього періоду дослідження не перевищує допустимих значень. Показано зміщення рівноваги в системі амоній < > нітрити < нітрати в бік нітрифікації (червень-серпень, листопад, лютий-травень) та амоніфікації (вересень, жовтень, грудень, січень), що підтверджує надходження нітрогенвмісних сполук з дифузних (NH4⁺<NO3^-) і точкових (NH4⁺>NO3^-) джерел. Встановлено сезонні зміни температури води, pH, розчиненого кисню (влітку - 19-24^о С, 6,66-7,30, 5,70-8,38 м^2/дм³; восени - 11-13^оС, 6,91-7,30, 6,35-8,47 м^/дм³; взимку - 0-2^о С, 8,0610,50, 6,80-7,14 м^/дм³; навесні - 3-15^о С, 7,66-10,3, 6,80-7,28 м^/дм³). Вміст ХСК варіює від 10 мгё2/дм³ (травень) до 44 м^2/дм³ (січень), а БСК5 - від 0,50 м^2/дм³ (жовтень, грудень, лютий) до 2,26 мгё2/дм³ (серпень). Сезонна динаміка вмісту нітрогенвмісних сполук у воді річки Стубелка відображає стан водної екосистеми та дозволяє з'ясувати основні процеси зміни її стійкості.

Ключові слова: нітрити; нітрати; нітроген амонійний; евтрофікація; наслідки для екосистеми.

Kovalova I. V., Post-graduate Student (Rivne State University for the Humanities, Rivne)

SEASONAL DYNAMICS OF THE CONTENT OF NITROGEN-CONTAINING COMPOUNDS A STEM IN THE WATER OF THE RIVER STUBELKA

The most common pollutants of aquatic ecosystems are inorganic nitrogen compounds (NH4⁺, NO2' and NO3'). The main sources of their entry into water bodies are an increase in the volume of sewage discharge from treatment facilities, the activities of enterprises, animal complexes, the peculiarities of communal and agricultural management, the growth of the level of urbanization, atmospheric precipitation, life processes and the death of hydrobionts. The purpose of the research is to determine the content of nitrogen compounds in the water of the Stubelka River. The article analyzes the seasonal dynamics of the content of nitrogen-containing compounds, temperature, pH, dissolved oxygen, HSC, BSC5 in the water of the Stubelka River. It was found that the concentration of ammonium nitrogen varies from 2.185 mg/dm³ (December) to 0.051 mg/dm³ (May), nitrites from 0.026 mg/dm³ (September) to 0.181 mg/dm³ (November), nitrates from 6.246 mg/dm³ (July ) to 0.133 mg/dm³ (January). Exceeding the maximum permissible concentrations of ammonium nitrogen in the water of the Stubelka River by 1.16-4.37 times (October, December), and nitrite by 2.26 (November). The content of nitrates during the entire period of the study does not exceed permissible values. A shift in the balance in the ammonium ^ nitrite ^ nitrate system was shown in the direction of nitrification (June-August, November, February- May) and ammonification (September, October, December, January), which confirms the arrival of nitrogen-containing compounds from diffuse (NH4⁺<NO3^-) and point (NH4⁺>NO3^-) sources. Seasonal changes in water temperature, pH, and dissolved oxygen were established (in summer - 19-24° C, 6.66-7.30, 5.70-8.38 mgO2/dm³; in autumn - 11-13° C, 6.91-7.30, 6.35-8.47 mgO2/dm³; in winter - 0-2^o C, 8.06-10.50, 6.80-7.14 mgO2/dm³; in spring - 3-15^o C, 7.6610.3, 6.80-7.28 mgO2/dm³). The content of HSK varies from 10 mgO2/dm³ (May) to 44 mgO2/dm³ (January), and BSK5 - from 0.50 mgO2/dm³ (October, December, February) to 2.26 mgO2/dm³ (August). Seasonal dynamics of the content of nitrogen-containing compounds in the water of the Stubelka River reflects the state of the water ecosystem and allows us to find out the main processes of changing its stability.

Keywords: nitrites; nitrates; ammonium nitrogen; eutrophication; consequences for the ecosystem.

Постановка проблеми

Річки зазнають значного антропогенного впливу, що відображається на всіх компонентах водойм і призводить до порушення важливих природних процесів, змін якості води та кризового чи навіть катастрофічного стану екосистеми. Найчастіше забруднення і засмічення річки знижує її самоочисну здатність та зумовлює зміни видового складу біоти, замулення і пересихання [1]. Постійними забруднювачами річок є неорганічні сполуки Нітрогену (NH4⁺, NO2' і NO3'), які постійно потрапляють з точкових, дифузних джерел, а також утворюються у водоймі внаслідок життєдіяльності організмів. Відомо, що саме сполуки Нітрогену відіграють важливу роль у житті біоти, оскільки входять до складу білків, нуклеїнових кислот, хлорофілу, тому оптимальні їхні концентрації зазвичай сприяють зростанню видового багатства, чисельності, біомаси тощо. Негативні екологічні наслідки для водних екосистем мають дуже високі та низькі концентрації сполук Нітрогену, а також зміщення їхньої рівноваги в системі NH4+ ^ NO2' ~ NO3'. нітрогенвмісна сполука стубелка температура

Мета і завдання дослідження

Мета роботи - визначити сезонну динаміку вмісту нітрогенвмісних сполук у воді р. Стубелка. Основне завдання полягає в дослідженні змін нітрогенвмісних сполук у воді р. Стубелка та зміщення їхнього співвідношення у воді.

Матеріали та методи досліджень

Проби води для проведення гідрохімічного аналізу відбирали щомісяця впродовж червня-грудня 2022 р. та січня-травня 2023 р. у р. Стубелка (50°28'l2.4"N 25°58'03.9"E). Вміст NH4⁺ визначали фотометричним методом за якісною реакцією з реактивом Несслера при довжині хвилі 420 нм. Вміст NO2' визначали діазотуванням з реактивом Грісса при довжині хвилі 520 нм. Вміст NO3' досліджували фотометрично з фенолдисульфокислотою з утворенням нітровмісного фенолу жовтого кольору при довжині хвилі 520 нм [2]. Реакцію водного середовища (рН) визначали за допомогою іономіра ЕВ-74. Вміст хімічного споживання кисню (ХСК) та біохімічного споживання кисню за 5 діб (БСК5) визначали загальноприйнятими методами [2]. Статистичну обробку даних здійснено з використанням програми IBM IPSS Statistic 19.0.

Річка Стубелка протікає Здолбунівським, Дубенським та Рівненським районами Рівненської області. Витік р. Стубелка бере в західній частині села Білашів на північних схилах Мізоцького кряжу. Загальна довжина р. Стубелка становить 86 км, а площа водозабору 1350 км². Глибина річки становить 1,2-1,5 м [3].

Виклад основного матеріалу дослідження

Важливим показником якості води та загального стану водної екосистеми є вміст неорганічних сполук Нітрогену (NH4⁺, NO2' і NO3'). Вони потрапляють у водойми з тваринних комплексів, з стічних вод хімічного виробництва, очисних споруд, атмосферних опадів, з комунального і сільського господарств, а також внаслідок природніх процесів життєдіяльності та відмирання біоти. Зниження чи підвищення концентрацій неорганічних сполук Нітрогену та порушення їхнього співвідношення призводить до вповільнення чи прискорення розвитку автотрофної ланки, зоопланктону, вищої водної рослинності, а відповідно і до погіршення якості води [4].

Вміст нітрогену амонійного у воді р. Стубелка змінюється впродовж періоду дослідження від 2,185 мг/дм³ до 0,051 мг/дм³ (рис. 1).

Рис. 1. Вміст нітрогену амонійного у воді р. Стубелка (червень-грудень 2022 р. та січень-травень 2023 р.)

Концентрація нітрогену амонійного у воді р. Стубелка у червні становить 0,630 мг/дм³, проте у липні різко зростає до 1,722 мг/дм³, що перевищує ГДК у 3,44 рази (ГДКрибгосп.=0,5 мг/дм³). У серпні вміст NH4+ у воді р. Стубелка знижується, у порівнянні з попереднім місяцем, в 5,0 разів до 0,347 мг/дм³. Незначне зростання концентрації нітрогену амонійного у воді зафіксовано впродовж вересня-листопада, що варіює від 0,578 мг/дм³ до 0,745 мг/дм³ та перевищує ГДК у 1,16-1,49 раза. У грудні виявлено максимальний вміст нітрогену амонійного у воді р. Стубелка, що становить 2,185 мг/дм³ та перевищує ГДК у 4,37 рази. У січні концентрація NH4+ знижується до 0,347 мг/дм³. У лютому та березні вміст нітрогену амонійного у воді р. Стубелка складає 1,259 мг/дм³ та 1,324 мг/дм³, що перевищує ГДК у 2,52-2,65 рази. У квітні концентрація NH4+ у воді річки хоча і знижується до 0,861 мг/дм³, проте перевищує ГДК у 1,72 раза. У травні вміст нітрогену амонійного у воді суттєво знижений та становить лише 0,051 мг/дм³, що насамперед пов'язано з активним поглинанням його біотою. Якість води р. Стубелка за вмістом NH4+ змінюється від І класу (дуже чисті) до IV класу (забрудненні).

Варто зауважити, що перевищення ГДК нітрогену амонійного впродовж усіх місяців, за виключенням серпня, січня та травня, свідчить про його постійне надходження до річки внаслідок антропогенного впливу. Виявлені високі концентрації нітрогену амонійного, особливо у вегетаційний період, сприяють швидкому зростанню кількості видів фітопланктону, їхньої чисельності та біомаси, що часто призводить не лише до евтрофікації, але і критичного порушення функціонування водойми та її стійкості.

Сезонних змін зазнає концентрація нітритів у воді р. Стубелка (рис. 2).

Рис. 2. Вміст нітритів у воді р. Стубелка (червень-грудень 2022 р. та січень-травень 2023 р.)

Зокрема, вміст нітритів у воді річки у червні становить 0,072 мг/дм³, а впродовж липня, серпня та вересня знижується до 0,049 мг/дм³, 0,036 мг/дм³ та 0,026 мг/дм³. У жовтні концентрація нітритів у воді р. Стубелка складає 0,043 мг/дм³. Максимальна концентрація нітритів у воді р. Стубелка виявлена у листопаді, що становить 0,181 мг/дм³ та перевищує ГДК у 2,26 рази (ГДКрибгосп.=0,08 мг/дм³). У грудні та січні вміст нітритів у воді річки значно знижується та складає 0,059 мг/дм³ і 0,036 мг/дм³. Впродовж лютого концентрація нітритів у воді р. Стубелка становить 0,076 мг/дм³, а березня - 0,036 мг/дм³. У квітні та травні вміст нітритів у воді р. Стубелка складає 0,053 мг/дм³ та 0,069 мг/дм³. Збільшення концентрації нітритів зазвичай співпадає з періодом активного розкладання органічних речовин. Якість води р. Стубелка за вмістом NO2' змінюється від ІІІ класу (помірно забруднені) до IV класу (забруднені).

Крім нітрогену амонійного та нітритів, важливу роль у існування біоти та повноцінному функціонуванні водної екосистеми відіграють нітрати (рис. 3).

Рис. 3. Вміст нітратів у воді р. Стубелка (червень-грудень 2022 р. та січень-травень 2023 р.)

Перевищень ГДК нітратів у воді р. Стубелка впродовж дослідження не виявлено (ГДКрибгосп.=40 мг/дм³), проте, їхній вміст зазнає сезонних змін. Зокрема, концентрація нітратів у воді р. Стубелка у червні становить 2,392 мг/дм³ та зростає у липні до 6,246 мг/дм³. Впродовж серпня вміст нітратів становить 0,753 мг/дм³, а у вересні - 0,128 мг/дм³. У жовтні концентрація нітратів складає 0,399 мг/дм³, а у листопаді досягає 1,595 мг/дм³. Вміст нітратів у воді р. Стубелка у грудні знижується до 0,797 мг/дм³. Найменший вміст нітратів, за весь період дослідження, виявлено у січні (0,133 мг/дм³), проте, у лютому їхня концентрація зростає до 3,677 мг/дм³. У наступні місяці (березень-травень) вміст нітратів суттєво не змінюється та варіює від 1,506 мг/дм³ до 1,905 мг/дм³. Відомо, що нітрати є кінцевим продуктом мінералізації органічних речовин, тому їхня присутність у воді свідчить про закінчення цього процесу та відповідну тривалість забруднення водойми органічними речовинами [1]. Якість води р. Стубелка за вмістом NO3' змінюється від І класу (дуже чисті) до IV класу (забруднені).

На внутрішньоводоймні процеси у водній екосистемі впливає як концентрація сполук Нітрогену, так і їхнє співвідношення (таблиця). Суттєве порушення в системі амоній ^ нітрити ^ нітрати може мати негативні екологічні наслідки для усієї екосистеми.

Таблиця

Вміст сполук Нітрогену у воді р. Стубелка та їхнє співвідношення

У воді р. Стубелка зафіксовано зміщення рівноваги в системі амоній ^ нітрити ^ нітрати в бік нітратів (червень-серпень, листопад, лютий-травень) та амонію (вересень, жовтень, грудень, січень). Максимальні відношення NO3'/NHa⁺ виявлено у червні (3,80), липні (3,63) та травні (31,89). При умові NH4⁺>NO3^- домінують точкові джерела, при NH4⁺<NO3^- - переважають дифузні, а при NH4⁺=NO3^- - вплив перших та других однаковий [5; 6; 7].

Безумовно, співвідношення різних сполук Нітрогену водойми залежить від постійних чи тимчасових джерел їхнього надходження. Важливу роль у зростанні концентрацій нітрогенвмісних сполук влітку та навесні мають точкові джерела, а восени та навесні - дифузні. Найпоширенішими точковими джерелами є стічні води промислових підприємств та тваринницьких комплексів. Серед дифузних найчастіше виділяють вимивання з водозбірних площ та сільськогосподарських угідь, особливо під час інтенсивного застосування нітрогенвмісних органічних і неорганічних добрив.

Зміна концентрації сполук Нітрогену залежить від форм знаходження, швидкості їхнього поглинання біотою, температури води, значення рН, вмісту розчиненого кисню, біологічного споживання кисню за 5 діб (БСК5), хімічного споживання кисню (ХСК) та інших показників.

Відомо, що температура води впливає на швидкість процесу нітрифікації. Так, при температурі води 9^о С і нижче відбувається вповільнення нітрифікації, а при 0^о С процес може цілком припинитися. Зміни температури води р. Стубелка наведено на рис. 4.

Рис. 4. Зміна температури води у воді р. Стубелка (червень-грудень 2022 р. та січень-травень 2023 р.)

Температура води р. Стубелка змінюється влітку від 19^о С до 24^о С, восени - від 11^о С до 13^о С, взимку - від 0^о С до 2^о С та навесні - від 3^о С до 15^о С. Виявлено тісну кореляційну залежність між температурою води та pH (r=-0,72, p<0,01).

Також чинниками регуляції вмісту сполук Нітрогену у водоймі є розчинений кисень та pH. Зокрема, на утворення нітратів витрачається значний відсоток розчиненого кисню у воді, а рівень pH визначає умови для нітратних та нітритних бактерій під час нітрифікації.

Рис. 5. Вміст розчиненого кисню (мгО₂/дм³) та pH у воді р. Стубелка (червень-грудень 2022 р. та січень-травень 2023 р.)

pH варіює влітку від 6,66 до 7,30, восени - від 6,91 до 7,30, взимку - від 8,06 до 10,50, навесні - від 7,66 до 10,3. Вміст розчиненого кисню у воді р. Стубелка змінюється влітку від 5,70 мг02/дм³ до 8,38 мг02/дм³, восени - від 6,35 мг02/дм³ до 8,47 мг02/дм³, взимку - від 6,80 мг02/дм³ до 7,14 мг02/дм³, а навесні - від 6,80 мг02/дм³ до 7,28 мг02/дм³. Встановлено кореляційну залежність між вмістом розчиненого кисню і нітрогеном амонійним (r=0,36) та нітратами (r=0,45).

Сезонні зміни хімічного споживання кисню та біохімічного споживання кисню за 5 діб наведені на рис. 6.

Рис. 6. Вміст БСК₅ та ХСК у воді р. Стубелка (червень-грудень 2022 р. та січень-травень 2023 р.)

Вміст ХСК варіює від 10 мг02/дм³ (травень) до 44 мг02/дм³ (січень), а БСК5 - від 0,50 мг02/дм³ (жовтень, грудень, лютий) до 2,26 мг02/дм³ (серпень). Встановлено кореляційну залежність між БСК5 та нітрогеном амонійним (r=-0,57), нітритами (r=-0,35), температурою води (r=0,45), вмістом розчиненого кисню (r=-0,58). Якість води за БСК5 р. Стубелка змінюється від І класу (дуже чисті) до ІІ класу (чисті).

Висновки

Концентрація нітрогену амонійного у воді р. Стубелка змінюється від 2,185 мг/дм³ (грудень) до 0,051 мг/дм³ (травень), нітритів від 0,026 мг/дм³ (вересень) до 0,181 мг/дм³ (листопад), нітратів від 6,246 мг/дм³ (липень) до 0,133 мг/дм³ (січень). Вміст нітрогену амонійного перевищує допустимі значення у 1,164,37 рази, а нітритів - у 2,26 рази. Виявлено зміщення рівноваги в системі амоній ^ нітрити ^ нітрати в бік нітрифікації (червень- серпень, листопад, лютий-травень - надходження з дифузних джерел) та амоніфікації (вересень, жовтень, грудень, січень - надходження з точкових джерел). Температура води змінюється від 0^о С до 24^о С, pH - від 6,66 до 10,50, розчинений кисень - 5,70 мг02/дм³ до 8,47 мг02/дм³, ХСК - від 10 мг02/дм³ до 44 мг02/дм³, а БСК5 - від 0,50 мг02/дм3 до 2,26 мг02/дм3. Якість води р. Стубелка за вмістом NH4+ та N03' змінюється від І класу (дуже чисті) до IV класу (забрудненні), а за вмістом NO2' - від ІІІ класу (помірно забруднені) до IV класу (забруднені).

Литература

1. Коткова Т. М., Котков В. І., Селезньова Г. О. Моніторинг забруднення сполуками азоту річок Лугинського району Житомирської області. Вісник Житомирського національного агроекологічного університету. Житомир, 2011. № 2 (29). Т. 1. С. 106-112. 2. Набиванець Б. Й., Осадчий В. І., Осадча Н.

М., Набиванець Ю. Б. Аналітична хімія поверхневих вод / Український науково-дослідний гідрометеорологічний інститут. К. : Наукова думка, 2007. 456 с. 3. Коротун І. М., Коротун Л. К. Географія Рівненської області: природа, населення, господарство, екологія : навч. підручник. Рівне, 1996. 380 с.

4. Громова Ю. Ф., Мантурова О. В. Фіто- і зоопланктон р. Ікви (басейн

р. Прип'яті). Наукові записки Тернопільського національного педагогічного університету імені Володимира Гнатюка. Сер. Біологія. 201 5. № 3-4. С. 143146. 5. Про затвердження Методики визначення зон, вразливих до (накопичення) нітратів : наказ Міністерство захисту довкілля та природних ресурсів України від 15.04.2021 р. № 244. URL:

https://zakon.rada.gov.Ua/laws/show/z0776-21#Text (дата звернення:

25.10.2023) . 6. Осадча Н. М., Осадчий В. І., Осипов В. В., Білецька С. В., Ковальчук Л. А., Артеменко В. А. Методика виділення зон, вразливих до забруднення поверхневих і підземних вод нітратними сполуками. Український географічний журнал. 2020/2. № 4. С. 38-48. 7. Nikolenko O., Jurado A., Borges A.V., Knoller K., Brouyere S. Isotopic composition of nitrogen species in groundwater under agricultural areas: a review. Science of the Total Environment. 2018. № 621. P. 141 5-1432.

REFERENCES:

1. Kotkova T. M., Kotkov V. I., Seleznova H. O. Monitorynh zabrudnennia spolukamy azotu richok Luhynskoho raionu Zhytomyrskoi oblasti. Visnyk Zhytomyrskoho natsionalnoho ahroekolohichnoho universytetu. Zhytomyr, 2011. № 2 (29). T. 1. S. 106-112.

2. Nabyvanets B. Y., Osadchyi V. I., Osadcha N. M., Nabyvanets Yu. B. Analitychna khimiia poverkhnevykh vod / Ukrainskyi naukovo-doslidnyi hidrometeorolohichnyi instytut. K. : Naukova dumka, 2007. 456 s.

3. Korotun I. M., Korotun L. K. Heohrafiia Rivnenskoi oblasti: pryroda, naselennia, hospodarstvo, ekolohiia : navch. pidruc hnyk. Rivne, 1996. 380 s.

4. Hromova Yu. F., Manturova O. V. Fito- i zooplankton r. Ikvy (basein r. Prypiati). Naukovi zapysky Ternopilskoho natsionalnoho pedahohichnoho universytetu imeni Volodymyra Hnatiuka. Ser. Biolohiia. 201 5. № 3-4. S. 143146.

5. Pro zatverdzhennia Metodyky vyznachennia zon, vrazlyvykh do (nakopychennia) nitrativ : nakaz Ministerstvo zakhystu dovkillia ta pryrodnykh https://zakon.rada.gov.Ua/laws/show/z0776-21#Text (data zvernennia:.

6. Osadcha N. M., Osadchyi V. I., Osypov V. V., Biletska S. V., Kovalchuk L. A., Artemenko V. A. Metodyka vydilennia zon, vrazlyvykh do zabrudnennia poverkhnevykh i pidzemnykh vod nitratnymy spolukamy. Ukrainskyi heohrafichnyi zhurnal. 2020/2. № 4. S. 38-48.

7. Nikolenko O., Jurado A., Borges A.V., Knoller K., Brouyere S. Isotopic composition of nitrogen species in groundwater under agricultural areas: a review. Science of the Total Environment. 2018. № 621. P. 141 5-1432.

Размещено на Allbest.ru