THE IMPACT OF ENVIRONMENTAL FACTORS ON THE FORMATION OF SURFACE WATERS COMPOSITION
THE IMPACT OF ENVIRONMENTAL FACTORS ON THE FORMATION OF SURFACE WATERS COMPOSITION
Abstract
In recent years, the study of the chemical composition of natural waters in Russia is necessary due to the massive transformation of water bodies and the use of water resources. This has contributed to the implementation of comprehensive measures required to research not only the composition of natural waters and its regime, but also the process of interaction of water with soils and grounds. The main task is to study closely the regularities of the chemical composition of natural waters and hydrochemical regime of water bodies, which in a small way will allow to establish the changes that determine the qualitative and quantitative side of hydrochemical phenomena. On this basis, the subject of our work was an ecological study of the influence of bottom sediments on water quality of the two main rivers – Malka and Terek, on the territory of the Kabardino-Balkarian Republic.
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.