Гидрохимическая и токсикологическая характеристика реки жайык в пределах Атырауской области

Аннотация

В данной статье представлены результаты гидрохимических и токсикологических исследований водной среды р. Жайык. Установлены содержания растворенного кислорода,значения pH и минерализации. Дана характеристика биогенных веществ в р. Жайык летом и осенью 2019 г. которые находилось в пределах естественных колебаний. Определены содержание хлорид-ионов в реке Жайыки основные загрязнители: тяжелые металлы, железо двух- и трехвалентное нефтепродукты, фенолы и хлориды. Дана характеристика гидрохимических и токсикологических показателей реки Жайык по сезонам 2019 года.

Введение

В условиях антропогенного воздействия химический состав воды рек подвергается существенным изменениям на различных участках бассейна в зависимости от степени влияния источников загрязнения. Трансграничный сток загрязнен также тяжелыми металлами, в результате поступления в речную сеть промышленных, хозяйственно- бытовых и других категорий сточных вод [1].

Жайык-Каспийский бассейн в последние годы характеризуется стабильным водным режимом. Однако море загрязняется нефтепродуктами и сопутствующими им токсикантами. [2].

Тяжелые металлы являются неотъемлемой составной частью организма, поскольку многие соединения данных элементов входят в состав ферментов, витаминов, гормонов. Без их участия невозможны дыхание, образование крови, белковый, углеводный и жировой обмены. Опасность изменения фонового содержания металлов объясняется тем, что индивидуальная потребность гидробионтов в данных элементах очень мала, а поступление из внешней среды их избыточных количеств приводит к различным токсическим эффектам и нарушению жизнедеятельности [3]. Для оценки экологического состояние водоемов чрезвычайно важными являются данные, касающиеся особенностей накопления тяжелых металлов в тканях различных гидробионотов и включения их биотический круговорот. Среди загрязняющих веществ значительную опасность для водной биоты представляют именно тяжелые металлы, поскольку в отличие от органических загрязнителей, металлы не распадаются и не исчезают, а могут только перераспределяться по компонентом экосистемы водоема[4].

Основными загрязнителями экосистемы р. Жайык, помимо тяжелых металлов, являются нефтепродукты и фенолы.

Река Жайык является трансграничным водотоком и по всей протяженности интенсивно используется промышленными и сельскохозяйственными комплексами РФ и PK. В результате деятельности промышленных предприятий экосистема р. Жайык загрязняется широким спектром токсических веществ. Несбалансированность между антропогенной нагрузкой на водные объекты и их способностью к самоочищению и восстановлению привела к экологическому неблагополучию водных экосистем, в том числе и р. Жайык [5].

Материал и методика

Гидрохимические анализы в реке Жайык выполнялись в 6 станциях (ст. Бугорки, ст. Атырау су арнасы, ст. Нижняя Дамба, ст. Курилькинский садок, ст. Перетаска, ст. 12 квадрат) на одном горизонте (поверхность) в соответствии с общепризнанными методиками [6-8], которые включали в себя исследования следующих параметров: концентрация биогенных элементов, содержание кислорода и перманганатная окисляемость.

Токсикологические анализы воды проведены по нормативным документам [9-12]. Токсикологические исследования воды проводились в летний и осенний периоды 2019 г. в районе исследования от верхнего участка (сг. Бугорки) по течению реки Жайык до устья (ст. 12 квадрат). Проведены анализы в 45 пробах воды по определению следующих показателей: микроэлементы (свинец, кадмий, мышьяк, ртуть, медь, цинк, никель) - 10 проб, нефтепродукты - 11 проб, фенолы - И проб, железо двух- и трехвалентное - 6 проб, хлориды - 3 пробы. Соответствие результатов гидрохимических и токсикологических исследований рыбохозяйственным стандартам проводилось по "«Единой системе классификации качества воды в водных объектах» [13].

Результаты и обсуждение

Кислород должен содержаться в воде в достаточном количестве, обеспечивая условия для дыхания гидробионтов. Он также необходим для самоочищения водоемов, т.к. участвует в процессах окисления органических и других примесей, разложения отмерших организмов. Состояние водоемов в зимний период может быть основой благоприятных условий весной во время нереста. Здесь особую роль играет содержание кислорода в воде. Снижение концентраций кислорода показывает наличие загрязнения, высокие продукционно-деструкционные процессы. Значения содержания растворенного кислорода в б мг/дм³ в подледный период удовлетворяют жизнедеятельности большинства видов рыб. Содержание растворенного кислорода в воде колебалось от 5,7 до 7,7 мгОг/дм³), перманганатная окисляемость составило в среднем равна 2,3 мг/ дм³ в норме. Согласно классификации воды рек, по ионно-солевому составу р. Жайык относится к водоему повышенной минерализации (590-784 мг/дм³).

В полученных результатах можно констатировать следующее: концентрация двуокиси углерода служит основным фактором, определяющим величину водородного показателя. Анализируемая вода имеют значения pH 7,5-8,5. В целом, вода в реке характеризуются как слабощелочная. Двуокиси углерода в реке не обнаружено.

Хлориды в районе исследования (ст. Бугорки, Атырау Cy Арнасы) составили в 2019 г. 191-196 мг/дм³, при впадении реки в море достигают 877 мг/дм³ при солености воды выше б г/дм³. Таким образом, содержание хлорид-ионов в пресной речной воде не превышает ПДК (350 мг/дм³) и находится в диапазоне среднемноголетних значений.

Биогенные элементы являются важнейшими компонентами природных вод, определяющими биологическую продуктивность водных объектов. От их концентрации в большой степени зависит и качество воды. В 2019 г. в р.Жайык на подъеме и пике половодья содержание нитратов увеличилось и достигло максимума, что связано с поступлением значительного количества этих биогенных веществ с талыми водами. Содержание в воде биогенных элементов подвержено сезонным колебаниям. Осенью концентрации аммонийного азота, нитрат и нитрит азота не превысили допустимого уровня. Однако, по сравнению с летними значениями, в осенний период содержание нитрит-ионов повысилось, а концентрация аммонийного азота в воде содержалось в пределах 0,094-0,2 мг/дм³, нитрат-ионов - 1,55-2,8 мг/дм³, нитрит-ионов - 0,22-0,74 мг/дм³ и не превышали ПДК (рисунок 1).

Рисунок 1 - Динамика биогенных элементов в р. Жайык за 2019 г.

Оценка качества среды обитания водных объектов, помимо гидрохимического режима, включает токсикологию воды.

Компонентный состав воды формируется под влиянием природных и антропогенных факторов, причем в зонах промышленного и сельскохозяйственного воздействия антропогенный фактор становится доминирующим. Организм и среда находятся в тесном «приспособительном взаимодействии», поэтому все изменения качества среды обитания сказываются в той или иной степени на флоре и фауне, что в итоге приводит к изменению биологической продуктивности водоема, и, следовательно, его рыбохозяйственного значения.

Среди тяжелых металлов доминирует по содержанию в воде цинк. Распределение по акватории его равномерное, за исключением предустьевого участка (ст. 12 квадрат), в котором концентрация цинка в 2 раза выше. Свинец в максимальном количестве (0,005 мг/дм³) и в 2,5 раза выше остальных участков обнаружен в районе ст. Атырау Cy Арнасы. Содержание меди варьирует в пределах 0,002-0,008 мг/дм³, с максимумом в верхнем участке (ст. Бугорки) и устье реки (ст. 12 квадрат). По-видимому, техногенное поступление меди связано с деятельностью промышленных комплексов, расположенных выше по течению реки, а также загрязнением Каспийского моря.

Никель в речной воде зафиксирован в концентрациях 0,002-0,003 мг/дм³, локальных зон загрязнения компонентом не наблюдается. Для кадмия характерно низкое содержание и равномерное распределение по району исследований. Мышьяк и ртуть в реке не обнаружены. В летний период к наиболее загрязненным участкам по суммарному содержанию (0,210 мг/дм³) токсикантов относится устьевой участок реки (ст. 12 квадрат).

В осенний период количество цинка менялось в широком диапазоне - от 0,05 до 60 мг/дм³, максимальные значения характерны для станций Атырау Cy Арнасы и 12 квадрат Повышенное содержание (0,010 мг/дм³) меди обнаружено в устье реки. В осенних пробах содержание кадмия снизилось в 2-4 раза. Исключение составляет верхний участок (ст. Бугорки), концентрация кадмия возросла в 2 раза и представлена максимальным значением 0,0008 мг/дм³. Акваториальное распределение свинца и никеля равномерное. Сезонные вариации свинца характеризуются снижением концентрации в 1,7-2,0 раза на станциях Атырау Cy Арнасы и 12 квадрат в осенний период. На остальных участках произошло повышение количества свинца в 1,5 раза.

В осенний период наиболее загрязненными участками являются район Атырау Cy Арнасы и 12 квадрат, за счет повышения содержания цинка и меди.

Сезонные изменения суммарного содержания токсикантов и наиболее динамичных элементов - цинка и меди - наглядно отражает рисунок 2.

Рисунок 2 - Сезонная динамика цинка и меди, суммарного содержания (Z) токсикантов в воде р. Жайык в 2019 г.

Железо двух- и трехвалентное лимитируется по утвержденной «Единой системе классификации качества воды в водных объектах». Для 2 класса качества воды (в том числе рыбохозяйственного водопользования) для железа двухвалентного (закисного) допустимый уровень составляет 0,005 мг/дм³, для железа трехвалентного (окисного) - 0,01 мг/дм³ [5].

Проведенный анализ результатов показал, что содержание железа (II) в летний период составил - 0,268-0,272 мг/дм³, что превысил стандарт качества в 54 раза. Такие высокие концентрации могут оказывать прямое токсическое действие на гидробионты, а также косвенно, снижать количество кислорода за счет процессов окисления, увеличивая значения pH, и др. Содержание железа (III) в водной среде меняется в пределах 0,153-0,166 мг/дм³, что выше в 15-17 раз установленного норматива.

В осенний период содержание железа двух- и трехвалентного отличается высокой вариабельностью и неравномерным распределением по течению реки. Количество железа (II) колебалось в диапазоне 0,049-0,395 мг/дм³, с максимумом в предустьевом пространстве р.Жайык (сг. 12 квадрат) (0,395 мг/дм³) и в протоке Перетаска (0,277 мг/дм³). Минимальные концентрации закисного железа обнаружены в верхних участках - ст. Бугорки (0,049 мг/дм³) и ст. Атырау Cy Арнасы (0,060 мг/дм³). Превышение допустимого уровня составляет 9,8-79,0 раз.

Картина распределения окисного железа аналогична. Повышенное содержание зафиксировано в предустьевом пространстве р.Жайык - на ст. 12 квадрат (0,242 мг/дм³) и в р.Жайык на ст. Перетаска (0,178 мг/дм³). Минимум значений железа (III) соответствует верховью - ст. Бугорки (0,010 мг/дм³) и ст. Атырау Cy Арнасы (0,011 мг/дм³). Концентрация железа соответствует 1,0-24,2 ПДК.

В сезонной динамике прослеживается тенденция снижения железа к осени в верхних участках, но ближе к предустьевому пространству остается на прежнем уровне и даже выше.

Нефтепродукты и фенолы - являютсяодним из основных загрязнителей водной среды р. Жайык. Для этих токсикантов установлен лимитирующий рыбохозяйственный признак вредности, так как повышенное их содержание в воде влияет на вкусовые качества гидробионтов и не позволяет использовать рыбу и другие животные объекты в пищу.

Результаты исследований уровня загрязнения воды нефтепродуктами и фенолом даны в таблице 1.

Таблица 1 - Содержание нефтепродуктов и фенолов в воде р. Жайык в летне-осенний период 2019 г.

Для нефтепродуктов характерна высокая вариабельность: летом - 0,012-0,336 мг/дм³. Максимальное содержание (0,336 мг/дм³) 3,4 ПДК отмечено в предустьевом пространстве р.Жайык (ст. 12 квадрат), обусловленное поступлением компонента с загрязненными водами моря. В р.Жайык количество нефтепродуктов на станциях Бугорки, Нижняя Дамба и Курилкинский садок ниже в 4-8 раз, на станциях Перетаска и Атырау Cy Арнасы - 24-28 раз.

В осенний период распределение нефтепродуктов по течению реки неоднородно - 0,010-0,200 мг/дм³, несколько ниже, чем летом. Максимальное загрязнение нефтепродуктами зафиксировано в районе Курилкинского садка и выше в 2,6 раза летних значений. Существенное снижение концентрации (5,6 раза) нефтепродуктов отмечено в предустьевом пространстве реки (ст. 12 квадрат).

В период исследований содержание нефтепродуктов в воде дважды превышало допустимый уровень: летом в предустьевом пространстве р.Жайык - в 3,4 раза, а осенью в р.Жайык на ст. Курилкинском садке - в 2 раза.

Фенол и фенольные соединения широко используются на различных производствах, с промышленными стоками поступают в водоемы. Содержание фенолов в речной воде варьируют в диапазоне 0,0008-0,010 мг/дм³ летом, 0,0003-0,008 мг/дм³ осенью. К дельте прослеживается снижение фенолов, максимальные концентрации обнаружены на ст. Бугорки, что свидетельствует о поступлении загрязненных вод с верхнего течения реки. Процесс самоочищения водоемов от фенола протекает относительно медленно, и его следы могут уноситься течением реки на большие расстояния.

За исключением отдельных участков, содержание фенолов превышает рыбохозяйственные ПДК в 2-10 раз. Сравнительный анализ с данными прошлых лет показал, что концентрации фенолов находятся в диапазоне многолетних значений. Следует отметить, что в Жайык-Каспийском бассейне и в прошлые годы фенолы превышали ПДК. Среднее значение содержания фенолов, отмеченное в период с 1995 по 2000 гг., менялось от 0,003 мг/дм³ до 0,009 мг/дм³. Согласно данным специалистов, в последнее время средняя концентрация фенолов в воде Северного Каспия составляла 6 ПДК (0,006 мг/дм³).

Выводы:

Формирование гидрологического и гидрохимического режимов северо -восточной части Северного Каспия находится в тесной связи с пресноводным стоком рек[14]. Поэтому в русловой части р. Жайык происходит значительная трансформация химического состава воды, что обусловлено антропогенными факторами и спада объема водного стока р.Жайык [15]. Эго проявляется в ряде изменений гидрохимических характеристик: в перманганатной окисляемости и увеличении минерализации воды. Содержание биогенных веществ в р. Жайык летом и осенью 2019 г. находилось в пределах естественных колебаний. Превышения предельно-допусгимых концентраций биогенных веществ не наблюдалось. Содержание хлорид-ионов в реке Жайык воде не превышало ПДК (350 мг/дм³).

По токсикологическому содержанию среди тяжелых металлов доминирует в воде цинк.Наиболее загрязненными участками в предустьевом пространстве являются (ст. 12 квадрат) и в р.Жайык в районе ст. Атырау Cy Арнасы (осенью). Согласно утвержденным нормативам превышение ПДК не наблюдалось. В 2019 г. концентрация цинка возросла в 3,3 раза, никеля - в 1,5 раза, а содержание меди и кадмия снизилось в 2,0- 2,5 раза по сравнению с результатами 2015 г. Содержание железа двух- и трехвалентного в воде практически повсеместно превышает допустимые нормы ПДК. Максимальные значения величин характерны для предустьевого пространства р.Жайык. В сезонной динамике прослеживается тенденция снижения железа к осени в верхних участках, но ближе к предустьевому пространству остается на прежнем уровне и даже выше.

Летом нефтепродукты превысили рыбохозяйственные нормативы в предустьевом пространстве р.Жайык (на 3,4 раза ПДК), а осенью - в протоке Курилкинский садок (на 2 раза ПДК). Содержание фенолов практически по всему району исследований увеличилось в 2-10 раз ПДК. В предустьевом пространстве р.Жайык прослеживалось снижение фенолов, максимальные концентрации обнаружены в р.Жайык на ст. Бугорки.

Список литературы:

1. Курмангалиев Р.М. Трансграничное загрязнение Приуралья с сопредельных территорий // Образование и наука в современных условиях развития Казахстана:опыт, проблемы, перспективы: Матер.межд. конф, поев. 70-летию ЗКГУ. - Ч. 3. - Уральск, 2002. - C .119-120.
2. Иванов А.Н., Неговская Т.А. Гидрология и регулирование стока. - M.: Колос, 1979. - С. 384
3. Попов П.А. Оценка экологического состояния водоемов методами ихтиоиндикации. - Новосибирск, 2002.
4. Амиргалиев Н.Н. Эколого-токсикологическая оценка речного притока в северо-восточный Каспий// Экология и гидрофауна водоемов трансграничных бассейнов Казахстана.- Алматы: Бастау, 2008. - С. 6-16.
5. Социально-экологические проблемы современности и устойчивое развитие [Электронный ресурс] - 2018. - http://www.ecologyreality.ru/ecolits- 201-2.html (дата обращения 25.10.2019).
6. Руководство по химическому анализу поверхностных вод суши.- Л.: Гидрометеоиздат, 1977. - С.541
7. Унифицированные методы анализа вод / Под ред. Ю.Ю. Лурье. - M.: Химия, 1973. - С. 76
8. Алекин О. А. Основы гидрохимии. - Л., 1970. - С. 444
9. СТ PK 2318-2013 Вода. Определение содержания элементов атомноабсорбционным методом с электротермической атомизацией. - Астана, 2013. - С.29
10. CT PK 2324-2013 Вода. Определение содержания ртути методом холодного пара. - Астана, 2013. - С. 25
11. CT PK 2359-2013 Вода. Определение содержания фенолов флуориметрическим методом. - Астана, 2013. - С. 24
12. CT PK 2328-2013Вода. Определение содержания нефтепродуктов флуориметрическим методом. - Астана, 2013. - С. 21
13. Приказ Председателя Комитета по водным ресурсам Министерства сельского хозяйства Республики Казахстан от 9 ноября 2016 года № 151 «Об утверждении единой системы классификации качества воды в водных объектах" - http://adilet.zan.kz/rus/docs/V1600014513/ (дата обращения 20.09.2019).
14. Демесинова Г.Т. Современное состояние гидрофизических и гидрологических характеристик казахстанского сектора Каспийского моря. Вестник //Вестник Атырауского государственного университета им.Х.Досмухамедова. - Изд. Атырау. 2013. - С. 46-47.
15. Демесинова Г.Т. Особенности гидрохимического режима в водоемах Жайык-Каспийского бассейна // Вестник Атырауского государственного университета им.Х.Досмухамедова. - №3(38). - Атырау, 2015. - С. 86-90