AN EVALUATION OF THE MODERN ECOLOGICAL SITUATION OF LAKE ARAKUL (CHELYABINSK OBLAST)

Research article
DOI:
https://doi.org/10.23670/IRJ.2023.128.65
Issue: № 2 (128), 2023
Suggested:
03.01.2023
Accepted:
12.01.2023
Published:
17.02.2023
1088
3
XML
PDF

Abstract

It was established that the hydrochemical composition of Lake Arakul is characterized by neutral and weakly alkaline properties, low content of basic ions and nitrogen compounds. Water quality corresponds to the β-mesosaprobic zone and belongs to the 3rd quality class – "moderately polluted", with the absence of acidification processes. Anthropogenic impact on the lake can be judged by the presence of indicator species Alisma plantago-aquatica Linnaeus, 1753; Elodea canadensis Michx, 1803; Stratiotes aloides Linnaeus, 1753, and by the detected excess of MAC for zinc and manganese compounds in scales, zinc in skin and skeleton of Rutilus rutilus lacustris Linnaeus, 1758. The increased accumulation of manganese compounds by scales is due to the participation of roach, as a representative of the cyprinoid fishes, in the exchange of this element between the body and the habitat.

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.

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

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

Пробы для гидрохимического анализа, в соответствии с ГОСТ 17.1.3.07-82 «Охрана природы. Гидросфера. Правила контроля качества воды водоемов и водотоков», отбирали фторопластовым пробоотборником.

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.

Распределение видов макрофитов-биоиндикаторов качества воды от общего количества обнаруженных макрофитов

Рисунок 2 - Распределение видов макрофитов-биоиндикаторов качества воды от общего количества обнаруженных макрофитов

Присутствие N. lutea характерно для мезоэвтрофных пресноводных озер и указывает на высокое содержание растворённого кислорода на протяжении круглого года, таблица 1. Кроме того, N. lutea вносит определенный вклад в процессы осадконакопления и деструкции органического вещества, активно участвует в образовании и выносе метана.

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

Распределение ионов тяжелых металлов по органам и тканям плотвы сибирской (Rutilus rutilus lacustris (Pallas))

Рисунок 3 - Распределение ионов тяжелых металлов по органам и тканям плотвы сибирской (Rutilus rutilus lacustris (Pallas))

31 марта 1986 г. N 4089-86 главным государственным санитарным врачом СССР в продовольственном сырье и пищевых продуктах были утверждены предельно допустимые концентрации соединений тяжелых металлов и мышьяка. Как показали результаты химического анализа превышение ПДК зафиксировано только для цинка во всех анализируемых пробах плотвы сибирской, кроме мышечной ткани, что является следствием наличия в воде повышенных концентраций водорастворимого цинка, источником которого служат протекающие процессы разрушения и растворения горных пород и минералов. Содержание в воде ионов цинка составило от 0,013 до 0,083 мг/дм3 или 1,3-8,3 ПДК.

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.

Article metrics

Views:1088
Downloads:3
Views
Total:
Views:1088