Влияние экологических факторов на формирование состава поверхностных вод
Влияние экологических факторов на формирование состава поверхностных вод
Аннотация
В последние годы изучение химического состава природных вод в России является необходимым в связи с массовым преобразованием водных объектов и использованием водных ресурсов. Это поспособствовало проведению комплексных мероприятий необходимых для исследования не только состава природных вод и его режима, но и процесса взаимодействия воды с почвами и грунтами. Основной задачей является глубокое изучение закономерностей формирования химического состава природных вод и гидрохимического режима водоемов, что в незначительной степени позволит установить изменения, которые обуславливают качественную и количественную сторону гидрохимических явлений. Исходя из этого, предметом нашей работы было проведение экологического исследования влияния донных отложений на качество воды двух главных рек – Малка и Терек, на территории Кабардино-Балкарской республики.
1. Введение
Известна роль донных отложений как одного из природных факторов формирования химического состава поверхностных вод , .
В то же время количественная оценка этого явления слабо освещена в литературе, особенно поглощение осадками и вымывание из донных отложений органических веществ.
Цель данной работы заключалась в проведении экологического исследования на территории Кабардино-Балкарской республики о влиянии донных отложений на качество воды двух главных рек Терек и Малка на участках разной степени воздействия сточных вод промышленных предприятий.
2. Методы и принципы исследования
Отобранные на указанных участках пробы грунтов подверглись анализу для выяснения механического состава, содержания органического углерода, азота и фосфора, обменного и водорастворимого аммония, а также суммарного содержания свободных и связанных сахаров и величин БПК1 осадков при 5° и 20°C .
В лабораторных условиях нами было исследовано влияние донных отложений различного типа на полноту поглощения глюкозы и скорости деструкции, а также на вторичное загрязнение воды органическими соединениями растворимыми сахарами и некоторыми минеральными соединениями. Суммарное содержание сахаров определялись в гидролизатах грунтов .
Среди отобранных образцов донных отложений выявлены распространённые в предгорных районах рек – илы – глинистые и песчанистые, преобладающие на участке возле с. Малка и местные пески щебенчатые грунты (табл.1). Наибольший интерес представляет содержание в грунтах «физической глины» – мелкодисперсной фракции размером < 0,01 мм, в которой сосредоточено органическое вещество , .
Таблица 1 - Механический состав донных отложений исследуемых рек
№ пробы | Место отбора пробы | Тип донных отложений (по механическому составу) | Потери при обработке HCl, % | Размер частиц, мм | Сумма частиц <0,01 мм | ||||||||
10 | 10-5 | 5-1 | 1,00-0,25 | 0,25-0,05 | 0,05-0,01 | 0,01-0,005 | 0,005-0,001 | <0,001 | |||||
р. Малка | |||||||||||||
1 | Верховье | Глинистый ил | 3,17 | – | – | 0,40 | 12,08 | 5,94 | 44,95 | 3,56 | 5,19 | 24,71 | 33,76 |
2 | Центр | То же | 1,06 | – | – | – | 14,14 | 5,85 | 34,96 | 4,93 | 9,46 | 29,60 | 43,99 |
3 | Ниже г. Прохладный | Песчанистый ил | 3,69 | – | – | – | 14,20 | 24,15 | 41,57 | 3,02 | 5,92 | 7,45 | 16,39 |
4 | То же правый берег | То же | 4,15 | – | – | – | 2,86 | 10,97 | 59,65 | 5,54 | 9,44 | 7,39 | 22,37 |
5 | То же левый берег | Слабокаменистый песчанистый ил | 4,96 | 2,02 | 1,44 | 2,42 | 29,20 | 25,71 | 14,42 | 4,68 | 8,88 | 6,37 | 19,83 |
6 | г. Прохладный | Песчанистый ил | 4,69 | – | – | – | 1,99 | 9,37 | 67,93 | 1,2 | 7,19 | 7,81 | 16,12 |
7 | Ниже г. Прохладный | Глинистый ил | 8,09 | – | – | – | 6,89 | 5,28 | 43,81 | 8,09 | 12,09 | 14,60 | 34,78 |
р. Терек | |||||||||||||
8 | На границе с Осетией село Плановское | Сильнокаменистый илистый песок | 3,21 | 9,76 | 4,26 | 8,67 | 51,67 | 5,82 | 6,22 | 6,28 | 2,11 | 2,00 | 10,39 |
9 |
г. Майский | Сильнокаменистый щебенчатый песок | 3,82 | 16,71 | 9,03 | 15,50 | 19,1 | 12,71 | 7,83 | 1,65 | 1,30 | 1,54 | 4,9 |
10 | В конце города Майский | Песчанистый ил | 3,74 | – | – | 0,94 | 13,57 | 28,33 | 30,39 | 3,83 | 4,88 | 14,32 | 23,03 |
11 | с. Урожайное | -//- | 4,29 | – | – | 1,86 | 5,45 | 6,62 | 58,29 | 7,52 | 9,32 | 6,65 | 23,49 |
12 | В конце с. Урожайное | -//- | 4,45 | – | – | – | 38,41 | 23,98 | 18,77 | 3,13 | 5,30 | 5,96 | 14,39 |
Примечание: содержание фракций, %
3. Основные результаты
Общее содержание органического углерода в исследованиях донных отложениях различно (табл.2) и варьируется от 1205 до 9799 мг С/100 г грунта для р. Малка, от 1086 до 3458 мг С/100 г грунта для р. Терек. Отношение валовых количеств C и N находится в пределах от 6,2 до 11,9. Низкие показатели этого параметра характерны, главным образом, для зоны загрязнения, более высокие – для «чистых зон». Следовательно, в зонах загрязнения преобладают азотосодержащие вещества, легкодоступные биохимическому разложению.
Таблица 2 - Содержание и состав органического вещества донных отложений
№ пробы | Общее содержание, мг/100 г абс. сух. грунта | Мг С/г «физ. глины» | В гидролизате, мг/100 г абс. сух. грунта | Подвижность, % | ||||||||
C | N | P | C:N | C | N | P | C:N | C | N | P | ||
р. Малка | ||||||||||||
1 | 1205 | 169 | 69 | 7,1 | 36 | 244 | 61 | 48 | 4,1 | 20,2 | 36,0 | 70,2 |
2 | 5047 | 604 | 141 | 8,3 | 115 | 926 | 220 | 100 | 4,2 | 18,3 | 36,4 | 70,9 |
3 | 4133 | 580 | 135 | 7,1 | 152 | 535 | 211 | 98 | 2,5 | 12,9 | 36,3 | 72,6 |
4 | 2023 | 326 | 76 | 6,2 | 90 | 419 | 180 | 59 | 2,3 | 20,6 | 55,4 | 77,7 |
5 | 3537 | 371 | 114 | 9,5 | 178 | 583 | 137 | 64 | 4,2 | 16,4 | 37,0 | 55,9 |
6 | 365 | 58 | 39 | 6,3 | 23 | 128 | 30 | 34 | 4,2 | 35,0 | 51,5 | 87,2 |
7 | 9799 | 974 | 80 | 10,0 | 282 | 1570 | 295 | 58 | 5,3 | 16,0 | 30,2 | 78,2 |
р. Терек | ||||||||||||
8 | 1086 | 116 | 49 | 9,4 | 105 | 191 | 70 | 40 | 2,7 | 17,3 | 60,7 | 81,8 |
9 | 2460 | 205 | 68 | 11,9 | 548 | 450 | 109 | 50 | 4,1 | 18,3 | 52,9 | 73,5 |
10 | 1533 | 251 | 71 | 6,1 | 67 | 258 | 94 | 39 | 2,7 | 16,8 | 37,5 | 54,8 |
11 | 2131 | 275 | 94 | 7,7 | 95 | 464 | 102 | 54 | 4,5 | 21,7 | 36,9 | 57,1 |
12 | 2020 | 273 | 65 | 7,3 | 86 | 277 | 121 | 41 | 2,3 | 13,7 | 44,7 | 62,7 |
13 | 3458 | 291 | 34 | 11,8 | 240 | 488 | 132 | 25 | 3,7 | 14,1 | 45,3 | 74,9 |
Полученные данные по содержанию Cорг в грунтах не позволяют судить о накоплении органического вещества в зоне сброса, поскольку этот показатель зависит от механического состава грунтов . Нами сделан перерасчет количества Сорг на 1 г фракции «физической глины», наиболее богатой органическим веществом.
Выяснилось, что в «чистых зонах» (выше промышленных предприятия) на 1 г мелкодисперсных частиц приходится значительно меньше Cорг, чем в зонах влияния сброса (особенно на станциях 3, 5 и 9). Интересно, что в пробах на точках № 6 и 10, где донные отложения промываются более интенсивно, содержание Сорг сравнительно низкое. Неожиданным является высокое содержание Сорг в пробах на точках № 7 и 13.
В зоне влияния сточных вод промышленного предприятия в составе биохимический нестойких органических соединений (вещества гидролизата) отношение C:N уменьшается до 2,3-2,7 по сравнению с 4,1-5,3 в «чистой зоне». Очевидно, в донных отложениях присутствуют белковые соединения и продукты их неполного разложения (глицин, гуанидин, урацил, мочевина и др.), попадающие в грунты с отходами сахароварения. Кроме того, эти вещества могут также накапливаться в грунтах как продукты метаболизма гидробионтов, обусловливая низкую величину C:N – в пределах 2:1 (глицин и урацил), 1:1 (гуанидин и креатинин) и даже 0,5:1 (мочевина) . Действительно, число бентосных форм гидробионтов в зонах загрязнения возрастает за счёт массового развития евтрофных организмов: 4,7-35 тыс. экз./м2 и 22‑42 г/м2. На незагрязненных участках численность и биомасса этих форм колеблется в пределах 2700-14200 экз./м2 и 3,7 г/м.
4. Лабораторные исследования
По данным наших исследований в зоне влияния сточных вод промышленного предприятия интенсивно развивается также микрофлора, обуславливающая высокие значения БПК1 грунтов (табл.3). Так, при температуре 20°C его величина в «чистой зоне» составляет 17-65 мг О2/100 г сухого грунта, в зонах загрязнения возрастает до 404 мг О2/100 г. На загрязнённых участках жизнедеятельность микрофлоры остаётся интенсивной и в зимний период. Так, при 5°C значения БПК1 (БПК – биохимическое поглощение кислорода, см. таблицу №4) уменьшаются преимущественно на 15-45%, в то время как на «чистых участках» – на 60‑90%. Интенсивная микробиологическая деятельность в донных отложениях на участках влияния сточных вод способствует биохимическому разложению оседающих на дно отмерших гидробионтов и органических взвесей стоков. Один из конечных продуктов разложения белковых веществ–ионы аммония в большом количестве накапливаются в грунтах в ионообменной и водорастворимой формах (табл.3).
Таблица 3 - Содержание обменного и воднорастворимого аммония в донных отложениях
№ пробы | Обменный | Водорастворимый | ||
1 | 2 | 1 | 2 | |
р. Малка | ||||
1 | 3,0 | 0,09 | 25,3 | 0,75 |
2 | 27,7 | 0,63 | 2,5 | 0,05 |
3 | 41,4 | 2,53 | 21,7 | 1,32 |
4 | 14,0 | 0,63 | 8,5 | 0,37 |
5 | 12,5 | 0,63 | 14,4 | 0,72 |
6 | 1,9 | 0,12 | 2,6 | 0,16 |
7 | 0,7 | 0,02 | 4,8 | 0,13 |
р. Терек | ||||
8 | 1,4 | 0,13 | 3,5 | 0,33 |
9 | 8,1 | 1,80 | 3,2 | 0,71 |
10 | 2,8 | 0,12 | 2,8 | 0,12 |
11 | 3,5 | 0,16 | 3,4 | 0,15 |
12 | 2,4 | 0,10 | 3,8 | 0,16 |
13 | 0,1 | 0,02 | 3,0 | 0,20 |
Примечание: 1 – мг N/100 г абс. сух. грунта; 2 – мг N/г фракции «физической глины»
Так, 1 г фракции «физической глины» в грунте на чистых участках рек содержит обменного аммония 0,10-0,15 мг N/л, в зонах загрязнения–1,80-2,53 мг. Количество водорастворимого аммония также завышено в грунтах зоны, подверженной влиянию сбросов. Водорастворимый аммоний легко выщелачивается в воду, особенно при взмучивании грунта, что отрицательно влияет на качество воды.
Повышенное содержание органических соединений в донных отложениях, подвергающихся в осенне-зимний период воздействию стоков промышленных предприятий, указывает на поглощение их грунтами. В этом отношении донные отложения выступают как фактор, который способствует самоочищению поверхностных вод. Однако, с другой стороны, под действием микробиологических процессов, особенно в летнее время, качественный состав органических соединений в грунтах значительно изменяется, что может привести к накоплению слабосорбирующихся (легковымываемых) соединений, являющихся источником вторичного загрязнения природных вод.
Таблица 4 - Биохимическое поглощение кислорода донными отложениями
№ пробы | БПК1, мг О2/100 г абс. сух. грунта | № пробы | БПК1, мг О2/100 г абс. сух. грунта | ||
5°С | 20°С | 5°С | 20°С | ||
р. Малка | р. Терек | ||||
1 | 7 | 65 | 8 | 8 | 16 |
2 | 298 | 367 | 9 | 94 | 404 |
3 | 224 | 264 | 10 | 51 | 82 |
4 | 170 | 242 | 11 | 146 | 206 |
5 | 183 | 335 | 12 | 68 | 178 |
6 | 9 | 23 | 13 | 45 | 129 |
7 | 140 | 170 |
|
|
|
Соотношение между этими двумя процессами в грунтах различного типа мы попытались выяснить на примере сахаров – связанных и свободных. В качестве модельного соединения взята глюкоза (литературные данные свидетельствуют о заметном поглощении глюкозы илами).
Для опытов использована свежеобработанная терская вода, однотипная по химическому составу с водой реки Малки и донные отложения, взяты в соотношении с водой 1:30. В первой серии опытов для подавления биохимического разложения глюкозы воду консервировали толуолом из расчета 5 мл/л воды. В сосуды, содержащие воду с донными отложениями и без них, вносили равные присадки глюкозы из расчета 20 мг/л (наблюдения за составом воды рек Малки и Терек в период сахароварения показали, что концентрация свободных сахаров сточных водах может достигать 16-20 мг/л в пересчете на глюкозу). Сосуды встряхивали в течение 20 мин. Количество поглощенной глюкозы определяли по разности её содержания в сосудах без донных отложений и в их присутствии.
Таблица 5 - Адсорбция глюкозы донными отложениями и валовое содержание сахаров в гидролизатах грунтов
№ пробы | Содержание глюкозы в воде в конце опыта, мг/л | Убыль глюкозы в сосудах с донными отложениями | Адсорбция глюкозы грунтами, мг/100 г | Общее содержание сахаров в гидролизатах грунтов | ||||
без донных отложений, мг/л | с донными отложениями, мг/л | мг/л | % начального количества | к абс. сух. грунту | к «физ. глине» | мг/100 г абс. сух. грунта | × 100 | |
Ссах. Сгидр. | ||||||||
р. Малка | ||||||||
1 | 19,4 | 16,6 | 2,8 | 14 | 10,3 | 48,6 | 279 | 50 |
2 | 19,3 | 19,3 | 0,0 | 0 | 0,0 | 0,0 | 932 | 40 |
3 | 20,1 | 20,2 | 0,0 | 0 | 0,0 | 0,0 | 1215 | 91 |
4 | 19,8 | 17,2 | 2,6 | 13 | 13,9 | 62,2 | 744 | 71 |
5 | 19,5 | 17,3 | 2,2 | 11 | 9,7 | 48,9 | 742 | 51 |
6 | 19,4 | 19,4 | 0,0 | 0 | 0,0 | 0,0 | 235 | 73 |
7 | 19,5 | 15,8 | 3,7 | 19 | 20,4 | 58,6 | 1245 | 32 |
р. Терек | ||||||||
8 | 19,6 | 16,5 | 3,1 | 16 | 10,2 | 97,5 | 270 | 57 |
9 | 19,3 | 15,1 | 4,2 | 22 | 14,9 | 337 | 788 | 70 |
10 | 19,6 | 11,6 | 8,0 | 41 | 24,7 | 107 | 510 | 81 |
11 | 19,4 | 13,6 | 5,8 | 31 | 20,9 | 93,5 | 1045 | 90 |
12 | 19,7 | 14,1 | 5,6 | 28 | 23,5 | 100 | 1427 | 84 |
13 | 19,0 | 19,0 | 0,0 | 0 | 0,0 | 0,0 | 584 | 48 |
Примечание: в пересчете на глюкозу
Приведённые данные (табл. 5) свидетельствуют о повышенном валовом содержании сахара в зонах влияния сбросов сахарного производства.
Различные типы донных отложений, которые сформировались в условиях руслового режима реки Терек, обладают более высокой поглотительной способностью в отношении глюкозы, чем грунты участка слабого водообмена.
Убыль глюкозы из воды за счёт поглощения её донными отложениями реки Терек составляет 0‑28% добавленного количества, поглощение из воды, контактирующей с грунтами реки Малка 0-19%. Количество сорбированных донным илом редуцирующих сахаров в почти аналогичных условиях составляет около 20% . Статистически достоверной зависимости между изученными характеристиками грунтов и поглощением глюкозы обнаружить не удалось.
Вторая серия опытов поставлена для выяснения влияния донных отложений на скорость биохимического разложения глюкозы, общее содержание сахаров и некоторых других соединений в воде.
В этих опытах отношение вода: грунт и количество вносимой присадки глюкозы аналогичны предыдущим, однако жизнедеятельность микрофлоры не подавляли. Растворы перемешивали и оставляли на пять суток. Температура воды в сосудах колебалась в пределах 18-20°C. Ежесуточно определяли общую концентрацию сахаров и ряд других ингредиентов в воде сосудов. Параллельно ставили контрольный опыт без грунтов.
Соответствующие численные величины (табл. 6) показывают, что период полураспада в воде (48 ч) сокращается в присутствии донных отложений до 11‑38 ч, причем грунты Терека, сорбирующие глюкозу лучше грунтов Малки, ускоряют деструкцию глюкозы в большей мере. Для сравнения по литературным данным , подсчитали, что в присутствии илистых грунтов реки Терек период полураспада глюкозы составляет 14 ч.
Таблица 6 - Периоды полураспада глюкозы в воде, контактирующей с донными отложениями
Река | № пробы | Время полураспада, ч |
Малка | К | 48,0 |
1 | 26,4 | |
2 | 33,6 | |
3 | 38,4 | |
4 | 26,4 | |
5 | 26,4 | |
6 | 30,0 | |
7 | 21,6 | |
Терек | К | 48,0 |
8 | 26,4 | |
9 | 11,0 | |
10 | 15,6 | |
11 | 19,0 | |
12 | 15,6 | |
13 | 38,4 |
Примечание: К – контроль (вода без донных отложений)
После 48-часовой экспозиции наблюдается резкое увеличение концентрации сахаров в воде (второй участок), что указывает на ее вторичное загрязнение. Пробы № 3 и № 9, отобранные вблизи мест сброса сточных вод сахарных заводов и содержащие максимальное валовое количество сахаров на 100 г фракции «физической глины», выделяют в воду наибольшее количество сахаров. Вторичное загрязнение водорастворимыми сахарами в дальнейшем уменьшается, по-видимому, вследствие их биохимического разложения в толще воды.
Процесс разложения глюкозы в толще воды в нашем опыте сопровождался изменением химических показателей воды: величины рН, содержания углекислого газа и кислорода, величины биохимического потребления кислорода, углерода, нелетучих и летучих органических соединений, а также различных форм минерального азота – NO-2, NO-3, NH+4 , и фосфатов . Минимальное содержание растворенного в воде кислорода наблюдали через трое суток после начала опыта (БПК5 равно 1-3 мг О2/л . В воде тех же сосудов на четвертый день экспозиции отмечены максимальные величины биохимический нестойких соединений (БПК5 равно соответственно 16,5 и 15,5 мг О2/л). В остальных сосудах этот показатель снизился до 4-5 мг О2/л.
В присутствии донных отложений вода почти во всех сосудах обогащалась нелетучими органическими соединениями. Наиболее высокие по сравнению с контрольным сосудом величины бихроматной окисляемости (БО) воды характерны для образцов донных отложений, отобранных вблизи мест поступления стоков в реки (пробы № 3, 4, 9 и №10) или в местах застаивания разбавленных стоков вод (пробы №5 и №12). Летучие органические соединения, в небольших концентрациях присутствовавшие в исходной воде, на пятые сутки исчезли почти во всех сосудах.
Содержание СО2 в опытных сосудах несколько увеличилось по сравнению с контрольным, соответственно снизилось и рН.
В опытных сосудах с грунтами отмечали также рост концентрации в воде нитрит, нитрат-, и фосфат-ионов как отражение происходящих процессов минерализации органического вещества.
Из донных отложений зоны загрязнения в воду опытных сосудов перешло большое количество ионов аммония (до 1,7-4,6 мг N/л), что примерно в два-пять раз превысило содержание его в контрольном сосуде.
Таким образом, грунты зоны влияния сточных вод сахарных заводов содержат повышенное количество водорастворимого аммония и органических соединений. Последние переходят в воду, вызывая рост величин БПК и БО, а также при разложении увеличение количества биогенных элементов и уменьшение содержания растворенного в воде кислорода.
По нашим опытным данным, в присутствии донных отложений положительный эффект понижения величины БО воды вследствие исчезновения глюкозы оказался меньшим, нежели рост величин БО из-за перехода в воду органических соединений из грунтов. На пятые сутки после добавления глюкозы, в воде находились вещества, контактировавшие с загрязненными донными отложениями, содержание которых в 1,5-2,0 раз >органических соединений, в 2-6 раз>NO3, в 4‑8 раз>, 2-5 раз> и в 5 раз> биохимический нестойких соединений, чем поле контрольного сосуда, где глюкоза разлагалась без донных отложений. Таким образом, донные отложения, залегающие в зоне влияния сточных вод сахарных заводов, могут являться источником вторичного загрязнения поверхностных вод.
5. Заключение
1. Донные отложения малых рек и участки влияния сточных вод промышленного предприятия отличаются от грунтов «чистых зон» более высоким содержанием общего органического вещества и биохимически нестойких соединений, обменного и воднорастворимого аммония, а также свободных и связанных сахаров.
2. В присутствии донных отложений увеличивается скорость биохимического разложения глюкозы в воде.
3. Грунты дна, испытывающие влияние стоков, сбрасываемых промышленными предприятиями, выделяют большое количество биогенов и органических веществ и могут являться источником вторичного загрязнения поверхностных вод.