ОЦЕНКА СОВРЕМЕННОГО ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ОЗЕРА АРАКУЛЬ (ЧЕЛЯБИНСКАЯ ОБЛАСТЬ)
ОЦЕНКА СОВРЕМЕННОГО ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ОЗЕРА АРАКУЛЬ (ЧЕЛЯБИНСКАЯ ОБЛАСТЬ)
Аннотация
Установлено, что гидрохимический состав оз. Аракуль характеризуется нейтральными и слабощелочными свойствами, отличается низким содержанием основных ионов и соединений азота. Качество воды соответствует β-мезосапробной зоне и относится к 3 классу качества – «умеренно загрязненная», с отсутствием процессов ацидофикации. Об антропогенном воздействии на озеро можно судить по наличию видов-индикаторов Alisma plantago-aquatica Linnaeus, 1753; Elodea canadensis Michx,1803; Stratiotes aloides Linnaeus, 1753 и выявленному превышению ПДК для соединений цинка и марганца в чешуе, цинка в коже и скелете Rutilus rutilus lacustris Linnaeus, 1758. Усиленная аккумуляция соединений марганца чешуей обусловлена участием плотвы, как представителя семейства карповых, в обмене данного элемента между организмом и средой обитания.
1. Введение
Оз. Аракуль располагается на границе Верхнеуфалейского городского округа и Каслинского района, относится к бассейну реки Течи и связано с Каслинской озёрной системой: Иртяш, Большой Кисегач, Малый Кисегач, Куташи, Малые Касли, Большие Аллаки, Малые Аллаки, Киреты, Сунгуль, Малое Травяное
, . Озеро Аракуль небольшое и неглубокое, площадь водного зеркала составляет чуть больше трех квадратных километров, а глубина колеблется от 2,5 до 11 метров в самой глубокой его точке, наибольшие глубины расположены на восточном и юго-восточном побережьях. Озеро проточно-сточное, в него впадают две реки – Каганка и Ольховка, вытекает р. Аракулька. Озеро имеет положительный водный баланс, в котором имеется антропогенная составляющая. На озере расположен водозабор п. Вишневогорска, производительность насоса 180 м в куб/ час. Питание озера смешанное: атмосферными осадками и, в основном, подземными трещинными водами. Большая территория заболоченных участков у северных берегов озера говорит о высоком уровне грунтовых вод района. Достаточная увлажненность территории определяет устойчивость уровенного режима . В последние годы уровень воды в озерах Челябинской области, включая Аракуль, значительно уменьшился в результате естественных причин, в первую очередь из-за высокой температуры окружающей среды и уменьшения количества осадков, что неизбежно приведет к изменению химического состава озерных вод.В 21.01.1969 г. озеру Аракуль присвоено официальное название памятника природы, соответственно использование оз. Аракуль допускается только в научных, эколого-просветительских, рекреационных и природоохранных целях. В настоящее время на оз. Аракуль находится значительное количество пансионатов, гостиниц и коттеджей для отдыха, многочисленные пляжи и обилие рыбы в озере, скалы Аракульских Шиханов привлекают туристов, что может привести к нерегулируемой рекреационной нагрузке, замусориванию охранной зоны, загрязнению и ухудшению качества воды. Превышение рекреационной нагрузки приведет к снижению биологического разнообразия и деградации растительного покрова, например, существуют высокие корреляционные зависимости между биоразнообразием сосудистых макрофитов и концентрациями ионов аммония, нитрит – ионов, нитрат – ионов, фосфат – ионов .
Видовое разнообразие макрофитов определяется размерами и экологическими характеристиками водоёма
, а видовой состав макрофитов позволяет охарактеризовать трофический статус, степень антропогенного воздействия, специфику химизма вод и даже степень воздействия на экосистему водоема. Жесткие растения, образуя мощные и непроницаемые заросли, перехватывают у рыбы солнечные лучи, кислород, увеличивают содержание углекислого газа, уменьшают содержание фосфора, кальция, калия и микроэлементов, затрудняют полезную деятельность микроорганизмов, обитающих в прудах. Отмирая, растения оставляют после себя огромное количество органической массы, которая начинает гнить, конечным продуктом разложения органики является метан, до половины объема органического углерода, поступающего в донные осадки, выделяется в форме метана . В период массового отмирания макрофитов в воде происходит возрастание эмиссии метана , около 75% метана, выносимого из литорали озер, удаляется водными растениями путем транспорта через аэренхимную ткань , . Наиболее интенсивно из всех групп сосудистых растений метан выделяется прикрепленными гидрофитами с плавающими листьями, например, видом Nuphar lutea (L.) Smith, 1809, который вносит высокий вклад (около 8%) в общегодовую продукцию метана .Для обеспечения экологической устойчивости водных экосистем необходима организация комплексного мониторинга, включающего наблюдения за состоянием и степенью загрязнения биотических компонентов
. Учитывая усиливающееся воздействие антропогенного фактора на оз. Аракуль, биотический компонент, например, высшая растительность и рыба, расширяет возможности в исследованиях факторов, способствующих формированию качества воды и влияющих на состояние водных объектов, в изучении развития негативных изменений в экосистеме . Несмотря на то, что разовые обследования распространения отдельных видов не позволяют судить о качестве водной среды, тем не менее, многим прибрежно-водным растениям приписывается индикаторное значение , , , . Присутствие определенных видов макрофитов сигнализирует о наличии процессов эвторофикации антропогенного происхождения . Биоиндикационные возможности высших растений обусловлены крупными размерами, внесением многих видов в список видов-индикаторов и использованием их для вычисления индекса сапробности и степени трофности водоёма по признакам жизненного состояния растений . Наиболее ценными в биоиндикационных исследованиях воды являются сообщества макрофитов водоёмов, обладающие большими индикаторными возможностями , при этом учитывается занятая растительностью площадь, характер зарастания водоёма, проективное покрытие, видовой состав и др. Водная и прибрежно-водная растительность активно участвует в процессе самоочищения водоемов, перераспределяя вещество во времени и пространстве .На верхнем уровне в трофической системе водоемов находятся рыбы, биоаккумуляция соединений металлов тканями рыб создает угрозу здоровью человека через рыбные продукты
. Многочисленные эксперименты показывают, что применение рыбы эффективно при выявлении загрязнений водной среды , например, соединениями тяжелых металлов, относящихся к приоритетным и наиболее опасным загрязнителям водных экосистем (Голованова, 2019), негативно воздействующих на организмы . Содержание соединений тяжелых металлов отражается на химическом составе органов и тканей озерной рыбы и может многократно превышать таковое в воде , . Наибольшее влияние на распределение соединений тяжелых металлов в организме рыб оказывают геохимия среды обитания, функциональное состояние организма и характер пищевых цепей водоема , размер частиц и форм соединений. При воздействии соединений тяжелых металлов, содержащихся в виде наночастиц, в желудочно-кишечном тракте гидробионтов происходит замещение нормальной микрофлоры транзиторной , максимальная биоаккумуляционная активность характерна для ионных форм металлов .Цель исследования: изучить экологическое состояние оз. Аракуль по индикаторным возможностям высших водных растений и уровню накопления соединений тяжелых металлов в органах и тканях Rutilus rutilus lacustris Linnaeus, 1758.
2. Объекты и методы исследования
Исследования на озере проводили в трех постоянных контрольных станциях отбора проб (ПП): ПП 1: 55°59.714' N, 60°32.051' E; ПП 2: 55°59.658' N, 60°31.398' E; ПП 3: 55°59.834' N, 60°30.629' E, точки отбора проб представлены на рисунке 1.
Рисунок 1 - Контрольные станции отбора проб на озере Аракуль:
— — — - граница памятника природы; ——— - граница охранной зоны памятника природы; ━ ⁃ ― ⁃ ━ - граница муниципальных образований; ✸ - 2 условные точки границы памятника природы; ⚫ - 2 узловые точки границы охранной зоны памятника природы; ◯ - 2поворотные точки границы охранной зоны памятника природы; ⓵ - контрольная станция
Аналитические исследования проводились в аккредитованном центре Общество с ограниченной ответственностью «Уральская комплексная лаборатория промышленного и гражданского строительства» согласно «Федеральному перечню методик выполнения измерений, допущенных к применению при выполнении работ в области мониторинга загрязнения окружающей природной среды» (РД 52.18.595-96).
Изучение высшей водной растительности проводили на водоеме в июле. Для получения достаточно полных данных о фитоценозе выполняли описание растительности на пробных площадях размером 5х5 м . При оценке видового обилия высших растений применяли шкалу Браун-Бланке . При описании растительности отмечали характер и степень влияния человека и животных на фитоценоз.
Отлов рыбы производился на акватории оз. Аракуль на 3 контрольных станциях. Для анализа отбирали 0,6 кг одноразмерных взрослых особей R. rutilus lacustris. В лаборатории образцы мышц, скелета, кожи, чешуи рыбы подвергались исследованиям для установления соответствия/несоответствия требованиям ТР ТС 021/2011 «О безопасности пищевой продукции», определения фактических значений по показателям. Методика проведения исследований: ФР.131.2007.03904 «М 04. -046.2007 Методика выполнения измерений массовой доли ртути в пробах пищевых продуктов, продовольственного сырья, кормов, комбикормов и сырья для их производства атомно-абсорбционным методом с использованием анализатора ртути РА-915+ с приставкой ПИРО-915+»; ГОСТ 26928-86 «Сырье и продукты пищевые. Методы определения токсичных элементов. МО железа»; ГОСТ 30178-96 «Сырье и продукты. Атомно-абсорбционный метод определения токсичных элементов»; ГОСТ 31628-2012 «Продукты пищевые и продовольственное сырье. Инвенсированно-вольтамперометрический метод определения массовой концентрации мышьяка»; Р4.1.1672-03 «Руководство по методам контроля качества и безопасности биологически активных добавок к пище» глава 2, п. II, I.
Накопление соединений кадмия, мышьяка, ртути, свинца, меди, цинка, никеля, марганца, железа исследовали в коже, чешуе, скелете и мышцах R. rutilus lacustris.
3. Результаты исследований и их обсуждение
Гидрохимические показатели
Поверхностные воды представляют собой многокомпонентные природные объекты переменного гидрохимического состава, данные представлены в таблице 1.
К важнейшим показателям качества воды относится pH, от величины которого зависят физико-химические и биохимические процессы, развитие и жизнедеятельность водных растений. В оз. Аракуль рН воды соответствует нейтральным и слабощелочным свойствам вод, отличается низким содержанием основных ионов: натрия, калия, кальция, хлора, сульфата, гидрокарбоната. По ионному составу преобладает содержание гидрокарбонат – ионов, а среди катионов – ионов кальция и магния, что соответствует химическим реакциям характерным для озерных вод. Незначительные содержания соединений азота в виде нитрат-ионов и катионов аммония в воде озера указывает на отсутствие источников биологического загрязнения (коммунальные очистные сооружения, отстойники промышленных отходов, животноводческие фермы, скопления навоза, азотных удобрений, поселения и др.). Соотношение нитрит – ионов и катионов аммония, которое составляет 1:2.04, а значит в условиях оз. Аракуль в воде процессы минерализации органических веществ до нитратов протекают значительно медленнее, чем восстановление до аммиака.
Таблица 1 - Основные гидрохимические показатели озера Аракуль
Показатель | Значение, мг/дм3 | Р/хоз. норм., мг/дм3 |
pH | 6,8500 (6,8000-6,9000) | 6,0000-9,0000 |
Растворенный кислород | 7,9500 (7,9300-7,9600) | Не ниже 4,0000 |
Гидрокарбонаты | 109,3000 (107,5000-111,1000) | Не норм. |
Сульфаты | 29,9000 (23,7000-35,9000) | Не более 100,0000 |
Хлориды | < 10,0000 | Не более 300,0000 |
Ионы кальция | 29,1000 (27,800-30,4000) | Не более 180,0000 |
Ионы магния | 9,0000 (8,5000-9,8000) | Не более 40,0000 |
Ионы натрия | 7,7000 (5,8000-11,5000) | Не более 120,0000 |
Ионы калия | 3,0300 (2,6700-3,7400) | Не более 50,0000 |
Аммоний-ион | 0,1840 (<0,0050-0,3500) | Не более 1,5000 |
Нитрит-ион | 0,0910 (<0,0030-0,1100) | Не более 0,0800 |
Нитрат-ион | 0,4700 (<0,1000-0,6800) | Не более 40,0000 |
Фосфаты (по Р) | < 0,0500 | Не норм, |
Железо общее | 0,0640 (0,0500-0,0890) | Не более 0,1000 |
Медь | < 0,001 | Не более 0,0010 |
Цинк | 0,0330 (<0,005-0,0360) | Не более 0,0100 |
Марганец | 0,0050 (<0,0020-0,0070) | Не более 0,0100 |
Свинец | 0,0022 (<0,0020-0,0026) | Не более 0,0060 |
Кобальт | < 0,0025 | Не более 0,0005 |
Никель | < 0,0050 | Не более 0,0100 |
Кадмий | <0,0002 | Не более 0,0008 |
Примечание: жирным выделены показатели вне допустимых границ
Содержание в воде ионов тяжелых металлов (меди, свинца, кадмия, никеля, кобальта) значительно ниже предельно допустимых, следовательно, отсутствует сток промышленных вод в озерные воды, на отсутствие промышленных стоков в озерные воды указывают и концентрации общего железа и марганца, содержание которых в воде значительно ниже их ПДК. Повышенные концентрации ионов цинка являются следствием трансграничного переноса атмосферных осадков и геологического строения подстилающих пород, так дно озера каменисто-песчаное, песчаное, песчано-илистое, встречаются слабо заиленные галечники, в центре озера – илы. Илистые отложения характеризуются высоким содержанием органических веществ и способствуют активному накоплению соединений тяжелых металлов.
Высшая водная растительность
В 2020 г. степень зарастания акватории озера макрофитами составила менее 3%, что указывает на отсутствие агрессивного наступления растительности на водоем. В распространении макрофитов по акватории оз. Аракуль прослеживается дифференциация на два сектора: северо-восточный и юго-западный. В северо-восточном секторе водоема сообщества высшей водной растительности развиты слабо или отсутствуют. В юго-западной части озера благоприятному развитию высшей водной растительности способствуют морфометрия водоема – плавное падение дна и изрезанность береговой линии, а также ландшафтный фактор – понижение рельефа. Среди высшей водной растительности отмечены три формации макрофитов: воздушно-водная, плавающая и с плавающими листьями и погруженная растительность. Последняя формация имеет наибольшее распространение в водоеме. Она прослеживается в южной части и вдоль западного берега. Формирование и распространение остальных формаций в большей степени связано с заливами водоема. Здесь широко распространены сообщества ежеголовниково-осоково-тростниковых сплавин, Nuphar lutea L. и Polygonum amphibia L.
В ходе исследования обнаружено 11 видов макрофитов – Persicariaamphibia(L.) DELARBRE, 1800; Schoenoplectus lacustris (L.) Palla, 1888; N. Lutea; Potamogeton lucens Linnaeus, 1753; Potamogeton crispus Linnaeus, 1753; Potamogeton perfoliatus Linnaeus, 1753; Eleocharis palustris (L.) Roem. & Schult., 1817; Sagittaria sagittifolia Linnaeus, 1753; Stratiotes aloides Linnaeus, 1753; Alisma plantago-aquatica Linnaeus, 1753; Elodea canadensis Michx,1803. Обнаруженные виды P.lucens, P. crispus, P.perfoliatus, E. canadensis свидетельствуют об органическом загрязнении водоема (Гигевич, Власов, Вынаев, 2001) и соответствии воды β-мезосапробной зоне (1,51-2,50) и 3 классу качества – «умеренно загрязненная» , , рисунок 2. Эти же виды указывают на отсутствие процессов ацидофикации воды, что подтверждается показателем рН – вода соответствует нейтральным и слабощелочным свойствам вод, таблица 1.
Рисунок 2 - Распределение видов макрофитов-биоиндикаторов качества воды от общего количества обнаруженных макрофитов
Присутствие P. crispus и A. plantago-aquatica сигнализирует о наличии процессов эвторофикации антропогенного происхождения.
Виды P. lucens, P. perfoliatus, E. canadensis, S. aloides, A. plantago-aquatica служат признаком наличия в воде повышенных содержаний соединений тяжелых металлов, в частности цинка, что также нашло отражение в химическом составе органов и тканей рыбы, обитающей в озере.
Содержание тяжелых металлов в органах и тканях
Rutilus rutilus lacustris Linnaeus, 1758
Содержание соединений тяжелых металлов (ТМ) в органах и тканях различается по сезонам, зависит от многих факторов, обусловленных физиологическими процессами, например, перераспределением элементов в организме в процессе размножения. Плотва нерестится в мае. Путь поступления соединений ТМ в организм специфичен: непосредственно из воды через жабры, с кормом по пищевым цепям, через кожные покровы. Ассортимент питания плотвы очень разнообразен и включает растительность, зоопланктон, личинки насекомых, моллюски и детрит. Ранжирование ионов металлов по органам и тканям плотвы представлено в таблице 2 и на рисунке 3.
Таблица 2 - Содержание ионов металлов в органах и тканях R. rutilus lacustris
Соединения ТМ | Органы и ткани | Среднее, мг/кг | ПДК | |||
чешуя, мг/кг | кожа, мг/кг | мышцы, мг/кг | скелет, мг/кг | |||
Pb | 0,550±0,060 | 0,170±0,017 | 0,050±0,005 | 0,090±0,009 | 0,215 | 1,0 |
Cd | 0,220±0,022 | < 0,01 | < 0,010 | 0,150±0,015 | 0,098 | 0,2 |
Hg | < 0,0025 | 0,0181±0,0072 | 0,0201±0,008 | 0,0101±0,004 | 0,0127 | 0,5 |
Cu | < 0,500 | 0,990±0,100 | < 0,500 | < 0,500 | 0,6225 | 10,0 |
Ni | 0,140±0,014 | 0,420±0,040 | 0,050±0,005 | 0,110±0,011 | 0,180 | 20,0 |
Zn | 100,000±10,000 | 54,000±5,400 | 11,700±1,200 | 60,600±6,100 | 59,500 | 40,0 |
Mn | 16,400±1,600 | 1,930±0,190 | 0,200±0,020 | 9,200±0,900 | 6,933 | 10,0 |
As | < 0,03 | < 0,03 | < 0,03 | < 0,03 | < 0,03 | 0,3 |
Fe | 33,400±0,280 | 8,000±0,280 | 3,200±0,280 | 7,100±0,280 | 12,925 | 30,0 |
Примечание: жирным выделены показатели вне допустимых границ
Рисунок 3 - Распределение ионов тяжелых металлов по органам и тканям плотвы сибирской (Rutilus rutilus lacustris (Pallas))
Превышение концентраций соединений марганца были обнаружены только в чешуе рыбы. Учитывая, что для 61,1 % проб воды содержание ионов марганца менее 0,0020 мг/дм3 (0,2 ПДК), а для 27,8 % проб – находилось в пределах 0,0073-0,0097 мг/дм3, можно предположить, что покровные ткани, особенно семейства карповых (Cyprinidae), к которым относится и R. rutilus lacustris принимают определенное участие в обмене данного элемента между рыбой и средой обитания и хорошо депонирует соединения марганца, которые, как и соединения цинка, железа и меди, являются эссенциальными элементами
.Активное аккумулирование соединений марганца в органах и тканях плотвы происходит даже при незначительных их количествах в воде, что определяется механизмом биологического действия d-элементов, способных к комплексообразованию. Марганец, являющийся d-элементом с незаполненными d-подуровнями, характеризуются максимальной комплексообразующей способностью .
4. Заключение
1. Гидрохимический состав воды оз. Аракуль характеризуется нейтральными и слабощелочными свойствами, отличается высоким уровнем растворимого кислорода, низким содержанием основных ионов и соединений азота, более медленной минерализацией органических веществ до нитратов, чем восстановление до аммиака.
2. Для оз. Аракуль отмечены три формации макрофитов – воздушно-водная, плавающая и с плавающими листьями и погруженная растительность. По составу видов-индикаторов вода оз. Аракуль соответствует β-мезосапробной зоне и относится к 3 классу качества – «умеренно загрязненная», характеризуется отсутствием процессов ацидофикации и о начинающемся процессе эвторофикации антропогенного происхождения.
3. Повышенное содержание ионов цинка в воде, в чешуе, коже и скелете R. rutilus lacustris связано с процессами разрушения и растворения горных пород и минералов и являющееся отражением геохимического состава воды. Усиленная аккумуляция соединений марганца чешуей обусловлена участием плотвы, как представителя семейства карповых, в обмене данного элемента между организмом и средой обитания.
4. Учитывая, что озеро Аракуль располагается на границе Верхнеуфалейского городского округа и Каслинского района Челябинской области, хозяйственная деятельность данных территорий, а также наличие по берегам оз. Аракуль значительного количества пансионатов, гостиниц и коттеджей для отдыха, оказывает негативное влияние на состояние экологической устойчивости водоема. Для более полной оценки уровня устойчивости необходимы регулярные исследования с целью выявления влияния происходящих климатических изменений на озерные экосистемы Челябинской области подверженные негативному антропогенному воздействию.