Комплексный мониторинг тяжелых металлов в водах мелиорируемого ландшафта (на примере природной модели — экологического полигона «Мещера»)

Комплексный мониторинг тяжелых металлов в водах мелиорируемого ландшафта (на примере природной модели — экологического полигона «Мещера»)

Многолетние наблюдения за состоянием крупных рек России свидетельствуют о сохраняющейся тенденции ухудшения гидрохимических характеристик и качества воды в результате длительного и продолжительного антропогенного воздействия. Одними из приоритетных загрязняющих веществ гидросферы являются тяжелые металлы (ТМ), источниками которых являются сточные воды и сток с поверхности почвы.

Обзор литературных источников. Река Ока — наиболее крупный приток р. Волги и главный водоток региона. Бассейн р. Оки включает 895 малых и средних рек, общей протяженностью 105 255 км. Вода реки Оки оценивается как «загрязненная» [1,2,3]. Существующая сеть наблюдений за гидрохимическими характеристиками Окских вод не в состоянии оценить реальную экологическую ситуацию, складывающуюся в бассейне р. Оки, так как не охвачены мониторингом малые реки, которые во многом определяют качество воды в ней.

Основная часть малых и средних рек региона протекает в районах сельскохозяйственного использования земель, являясь компонентом преобразованных ландшафтов, и испытывающих значительную антропогенную нагрузку, так как именно эти водные объекты принимают стоки с сельскохозяйственных земель, которые привносят в водные объекты значительное количество биогенных веществ и тяжелых металлов (ТМ). Однако загрязнение водных источников Окского бассейна ТМ в результате эксплуатации агроландшафтов на территории Рязанской области не достаточно изучено и является актуальной проблемой.

Методы исследования. С целью выявления степени загрязнения ТМ поверхностных вод одной из малых рек Окского бассейна, были проведены исследования на экологическом полигоне — крупномасштабной природной модели, созданной для проведения комплексных исследований, оценки степени воздействия антропогенных нагрузок на состояние экосистем и получения информации, необходимой для решения проблем рационального природопользования, как на локальном, так и региональном уровнях 4. Экологический полигон имеет площадь 3000 га и представляет собой ландшафт лесостепной зоны, типичный для Мещерской низменности Структурно он представлен следующими элементами: пашня, пастбище, орошаемые и осушаемые земли, дачные участки, лес, акватория. На территории исследуемого ландшафта находится малая река, непосредственно связанная с водной системой р. Оки, которая и явилась объектом исследований.

Мониторинг проводился с 1998 г. по 2008 г. Программа исследований включала оценку экологического состояния поверхностных и грунтовых вод. Отбор проб воды для определения тяжелых металлов проводился по стандартной методике Определение валового содержания ТМ в воде осуществлялось методом атомно-абсорбционной спектрометрии 5.

Исследуемый водоем в течение длительного времени испытывает антропогенную нагрузку в результате функционирования на опытном ландшафте системы орошения, искусственного дренажа, наличия дачных участков, земель частного использования. Водный объект является магистральным каналом, принимающим с ландшафта как поверхностный, так и внутрипочвенный сток. Следовательно, можно предположить, что все это отразится на гидрохимической характеристике водоема.

На протяжении 10 лет проводился мониторинг содержания ТМ в воде малой реки, для этого ежемесячно отбирались пробы воды на 3 гидрометрических постах: 1 — исток, 2 — дренажный сток, 3 — место впадения в водную систему р. Оки. Содержание тяжелых металлов в воде представлено в таблице 1.

Таблица 1 Общее содержание тяжелых металлов в воде малой реки за период с 1998 по 2008 г. г., (10−3, мг/л)*

*Примечание: в числителе — пределы колебаний; в знаменателе — средняя концентрация Можно отметить, что концентрация Pb находится в пределах предельно допустимых концентраций для рыбохозяйственных водоемов (ПДКр/х), а содержание Cd, Cu и Zn в ряде случаев превышает этот показатель.

Содержание Cu и Zn находится в пределах предельно допустимых концентраций для водоемов санитарно-бытового назначения (ПДКс/б), но наблюдается превышение данного норматива по Pb и Cd. Концентрация ТМ не более ПДК для оросительной воды, исключение составляет Cd, содержание которого превышает данный норматив в 1,6 — 2,6 раза.

Следовательно, сложившаяся ситуация на малой реке, принимающей только стоки с земель сельскохозяйственного использования, представляет потенциальную экологическую опасность для Окского бассейна, о чем свидетельствует повышенное содержание ТМ в воде на замыкающем створе, то есть наблюдается эффект суммирования содержания загрязняющих веществ загрязнителей на замыкающем створе и неспособность водоема к процессам самоочищения.

Анализ информации, полученной в ходе мониторинга, позволил установить, что максимум содержания Cu, Zn и Pb в воде отмечается весной, уменьшение данного показателя летом и рост концентрации в осенний и зимний периоды. В содержании Cd в воде отмечаются два максимума — в зимний и летний периоды.

Сезонное изменение концентрации ТМ в воде объясняется влиянием атмосферных осадков, постепенной седиментацией водных взвесей, адсорбирующих ТМ, а также аккумуляцией ТМ водной биотой, которая, отмирая осенью, обогащает воду ТМ.

На территории экополигона пробурены скважины для определения уровня и качества грунтовых вод. Скважины расположены в наиболее типичных местах ландшафта, перпендикулярно водному объекту. Отбор проб воды проводился по 4 скважинам: 7, 8, 13, 14 — наиболее приближенным к водному объекту (расстояние от 7 скважины до малой реки — 140 м, от 8 скважины — 400 м, от 13 скважины — 110 м, от 14 скважины — 500 м) и перехватывающим подземный приток с территории ландшафта (табл. 2). Полученные данные показывают, что в содержании ТМ в грунтовых водах, так же, как и воде водоема, наблюдается определенная зависимость: увеличение концентрации в грунтовой воде в весенне-летний период. Затем концентрация ТМ в грунтовых водах постепенно снижается и достигает минимума в августе.

С августа наблюдается постепенное увеличение концентраций ТМ во всех скважинах и достижение своего максимального значения в зимний период. Такое распределение концентраций ТМ в грунтовых водах зависит как от природных, так и от антропогенных факторов.

Повышение концентрации ТМ в весенний период можно объяснить таянием снежного покрова, в котором происходит значительное накопление ТМ [6]. Проникая в почву, снеговые осадки привносят значительное количество ТМ в грунтовые воды. В летний период источником ТМ, поступающих в грунтовые воды, являются также и дождевые осадки, однако содержание поступления ТМ в этот период наименьшее, так как в этот период активно развиваются растения, потребляющие почвенную влагу, а следовательно, и находящиеся в ней ТМ. В осенне-зимний период идет постепенное нарастание концентрации ТМ в грунтовых водах, именно в это время в почве происходит разложение растительных остатков, которые содержат определенное количество ТМ.

Исследования по изучению гидрогеологического режима опытного ландшафта, проводившиеся ранее, показали, что поверхностный сток отсутствует, скважина № 7 перехватывает приток грунтовых вод, который попадает непосредственно в водоем с орошаемых земель, пастбища и пашни, скважина № 8 — с осушаемых земель, скважина № 13 — с дачных участков, скважина № 14 — с лесного массива.

Таким образом, сетью 4 скважин перехватывается весь возможный приток воды с исследуемого ландшафта.

Таблица 2 Общее содержание тяжелых металлов в грунтовых водах, за период с 1998 по 2008 г. г., (10−3, мг/л)

Примечание: в числителе — пределы колебаний, в знаменателе — среднее значение концентраций.

Проведенные многолетние наблюдения позволили сделать следующие выводы: наименьшее содержание ТМ характерно в основном для грунтовых вод, поступающих от лесного массива, наибольшее — для грунтовых вод, формирующихся в районе дачных участков, пашни, пастбища, орошаемых земель. Причем для грунтовых вод, поступающих с дачных участков, характерно доминирование Zn, Cd, Pb, что совпадает с результатами проведенных ранее исследований почвенного покрова, что является доказательством наибольшей антропогенной нагрузки именно на этот элемент ландшафта. В грунтовых водах, формирующихся на территориях пашни, пастбища и осушаемых земель, преобладает Cu.

Проведенные исследования грунтовых вод, позволяют сделать вывод, что территории сельскохозяйственного использования также являются источником поступления ТМ в водные потоки, причем доминирующими в этом процессе являются земли частного использования, во внутрипочвенных стоках которых содержится наибольшее количество ТМ.

С точки зрения экологического состояния водного объекта важное значение имеют данные о содержании ТМ в донных отложениях. Загрязнение донных отложений адекватно отражает экологическое состояние водоема и информирует о загрязнении вследствие антропогенной деятельности на водосборной территории. В рамках комплексного мониторинга поверхностных вод экологического полигона проведены исследования донных отложений. Для определения степени загрязнения донных отложений ТМ использовалась классификация по игео-классам профессора Г. Мюллера. Согласно данной классификации, донные отложения водного объекта по степени загрязнения Cu, Zn, Pb, можно отнести к 0 игео-классу — незагрязненные. По степени загрязнения Cd — к 0 — 1 игео-классам — незагрязненные до умеренно загрязненных. Концентрации ТМ в донных отложениях в пробе, взятой из водоема в районе земель, используемых в основном под садово-огородные участки, превышают концентрации ТМ в других пробах в 2- 4 раза. Следовательно, антропогенная нагрузка на этом участке такова, что создались условия для накопления ТМ в донных отложениях, а следовательно сложилась ситуация потенциально опасная для водной экосистемы, так как полной консервации токсикантов не происходит. Приведенные результаты, полученные в рамках комплексного мониторинга, позволяют сделать вывод, что на ландшафтах Окского бассейна происходит загрязнение ТМ водных объектов, принимающих сельскохозяйственные стоки.

Одним из информативных показателей антропогенной нагрузки на водные экосистемы являются гидробиологические исследования, наиболее показателен качественный состав гидробионтов, видовой состав которых, можно рассматривать как индикатор экологического состояния водных объектов. Поступление загрязняющих веществ в водоем, в том числе и ТМ, вызывает диспропорцию в развитии отдельных видов гидробионтов, что приводит к нарушению взаимоотношений в экосистеме, вследствие чего происходит замена одних видов другими, более приспособленными к сложившимся условиям С целью определения видового разнообразия биоты исследуемого водоема, были изучены пробы планктонных и бентосных организмов. Сравнение полученных данных со списком организмов-индикаторов сапробности показало, что большая часть обнаруженных в водном объекте гидробионтов принадлежит кмезосапробам, что соответствует 2 классу чистоты вод, но в то же время в изучаемом водном объекте присутствуют и полисапробы (жгутиковые, личинки хирономид), что указывает на существующее загрязнение воды. Присутствие в воде жгутиковых и инфузорий указывает на ухудшении условий обитания. Таким образом, обеднение видового состава гидробионтов исследуемого водоема является адекватным показателем его загрязнения.

В рамках комплексного мониторинга также проводились гидробиологические исследования, включающие анализ гидромакрофитов на содержание в них ТМ, что представляет интерес с точки зрения возможности водной экосистемы, находящейся в условиях антропогенных нагрузок, к самоочищению. Макрофиты являются в водоеме биофильтрами, активно концентрирующими загрязняющие вещества, в том числе и ТМ [6] Интенсивность накопления ТМ фитомассой макрофитов выражают через коэффициент накопления (Кнак):

Кнак = Ср / Св.

где: Св — концентрация загрязняющих веществ в воде;

Ср — то же, в растениях [1].

Наши исследования показали, что растения, вегетирующие в исследуемом водоеме (ряска, тростник, элодея канадская), активно поглощают ТМ, находящиеся в воде. Наибольшим коэффициентом накопления обладает тростник, данный показатель равен для меди — 3513, цинка — 3040, свинца — 516 и кадмия — 1143. Большое значение в процессе аккумуляции ТМ имеет наличие у тростника водных корней, роль которых в очистке воды очень велика, так как их общая поверхность значительно превышает площадь, занимаемую растением. Так как скашивания вдоль водоема макрофитов не производится, растения, разлагаясь, способны вызывать вторичное загрязнение воды, что может негативно отразиться на экологическом состоянии, как малой реки, так и на состоянии Окского бассейна в целом.

Заключение

Проведенный многолетний комплексный мониторинг важнейшего компонента мелиорируемого ландшафта Окского бассейна — воды, свидетельствуют о значительной антропогенной нагрузке на ее экосистемы, о чем свидетельствует повышенное содержание ТМ в поверхностных и грунтовых водах и гидробиологические показатели. На ландшафтах Окского бассейна, где находится значительное количество подобных водоемов и агроландшафтов, являющихся источниками загрязняющих веществ, складывается потенциально опасная экологическая ситуация.

Библиографический список

• 1. Безднина С. Я. Экосистемное водопользование: концепция, принципы, технологии/ С. Я. Безднина. — М., 1997. — 137 с.
• 2. Государственный доклад о состоянии окружающей среды Рязанской области в 2003 году. — Рязань, 2004. — 210 с.
• 3. Гусева Т. М. Экологическая оценка загрязнения ландшафтов тяжелыми металлами (на примере модельного ландшафта левобережья Окского бассейна): дисс… канд. с/х. наук: 03.00.16 — Экология / РГСХА; Т. М. Гусева. — Рязань, 2001. — 167 с.
• 4. Евсенкин К. Н. Комплекс экологических исследований на экополигоне в бассейне р. Оки / К. Н. Евсенкин, Ю. А. Мажайский, Т. М. Гусева // Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы: Всероссийская научно-практическая конференция: материалы / РРТА. — Рязань, 1998. — С. 94−95.
• 5. Методические указания по определению тяжелых металлов в почвах сельхозугодий и продукции растениеводства. — М., 1992 — 75 с.
• 6. Штыков В. И. Методические основы защиты природных вод от загрязнения при эксплуатации транспортных магистралей / В. И. Штыков, Ш. Т. Даишев // Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности: Сборник трудов международного конгресса: материалы. — Спб., 2000. — Т.2. С. 154−156.