Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Озера и влияние на них хозяйственной деятельности человека (литературный обзор) 10
1.1. Общие сведения об озерах 10
1.1.1. Химический состав озерных вод 16
1.1.2. Микробиологические процессы в водоеме 23
1.2. Антропогенное воздействие на озера 28
1.2.1. Рекреационное использование озер 29
1.2.2. Изменение качества воды под влиянием промышленности 29
1.2.3. Влияние коммунально-бытовых сточных вод 32
1.2.4. Влияние сельского хозяйства на водные объекты 35
1.2.5. Эвтрофирование водоемов
1.2.5.1. Естественное и антропогенное эвтрофирование водоемов 36
1.2.5.2. Влияние теплового загрязнения на водоем 39
1.2.6. Закисление водоемов: естественное и антропогенное 40
1.3. Самоочищение водоемов 44
ГЛАВА 2. Общая характеристика района исследования 48
2.1. Характеристика района работ и объекта исследования 48
2.1.1. Физико-географическая характеристика озера Халактырского . 48
2.1.2. Климатические условия района работ. 50
2.1.3. Гидрологический режим и гидрохимическая характеристика озера Халактырского 56
2.1.4. Основные виды гидробионтов озера Халактырского 60
2.2. Источники антропогенного воздействия на озеро Халактырское 63
ГЛАВА 3. Материалы и методы исследования 69
Глава 4. Экологический статус озера халактырского по гидрохимическим показателям 77
4.1. Растворенный кислород 77
4.2. Органические вещества 84
4.2.1. Биохимическое потребление кислорода 84
4.2.2. Химическое потребление кислорода 87
4.3. Водородный показатель 91
4.4. Азот 92
4.4.1. Аммонийный азот 93
4.4.2. Нитритный азот 97
4.4.3. Нитратный азот
4.5. Фосфаты 105
4.6. АПАВ 108
ГЛАВА 5. Микробиологические показатели состояния водной среды озера халактырского 112
5.1. Оценка качества воды озера Халактырского по санитарно-бактериологическим показателям 112
5.2. Микроорганизмы, участвующие в аккумуляционно-деструкционных процессах органического вещества 115
5.3. Превращения некоторых форм азота при участии эколого-трофических групп микроорганизмов 119
ГЛАВА 6. Комплексные показатели экологического состояния озера халактырского и его устойчивость к эвтрофированию 125
6.1. Комплексная оценка экологического состояния озера Халактырского 125
6.2. Устойчивость экосистемы озера к эвтрофированию 128
6.3. Уровень самоочищающей способности водоема 131
6.4. Факторы, лимитирующие процесс нитрификации 132
Заключение 135
Список использованных источников
- Антропогенное воздействие на озера
- Физико-географическая характеристика озера Халактырского
- Биохимическое потребление кислорода
- Микроорганизмы, участвующие в аккумуляционно-деструкционных процессах органического вещества
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Водные объекты являются важной
составляющей природной среды. В настоящее время качество воды
в водоемах и водотоках формируется под совместным влиянием природных
и антропогенных факторов. Водные объекты, расположенные
на урбанизированной территории, подвергаются сильнейшему
антропогенному прессу. Изучению процессов воздействия деятельности человека на такие водоемы не уделяется полноценного внимания.
Несмотря на то, что пресноводные водоемы, в том числе озера, являются неотъемлемыми элементами природных геосистем, поддерживают гомеостаз ландшафта, выполняют санитарно-биологическую, культурно-историческую, рыбохозяйственную и рекреационную функции, они часто используются в качестве приемников стоков различного происхождения и содержания. Поступающие в них стоки могут иметь высокий уровень загрязнения токсичными для гидробионтов и микроорганизмов веществами и соединениями биогенных элементов. При этом нарушается естественное равновесие между биотическими и абиотическими составляющими озерной экосистемы, что приводит к интенсивному заилению и обмелению озер, их зарастанию, загрязнению. Озера «цветут», ухудшается качество озерной воды, в результате теряется их значение как источников чистой воды.
Высокая аккумуляционная способность водоемов, имеющих
замедленный водообмен в отличие от водотоков, приводит к задерживанию
поступающих загрязняющих веществ или увеличению концентрации уже
имеющихся автохтонных, которые являются естественными составляющими
водной среды. Нередко аккумуляционная способность водоема приводит
к возникновению в нем вторичного загрязнения. Вследствие этого водные
объекты урбанизированных территорий эвтрофированы, характеризуются
значительной токсичностью абиотических компонентов, низкой
самоочищающей способностью, что приводит к токсификации и деградации экосистемы. Поэтому изучение экологического состояния водоемов и воздействия на них различных антропогенных источников является актуальной задачей, на основе решения которой могут разрабатываться мероприятия для предотвращения деградационных процессов в водоеме, восстановления его водной среды и реабилитации водного объекта в целом.
Степень разработанности. Озеро Халактырское, расположенное в условиях воздействия городской среды Петропавловска-Камчатского, слабо изучено. На сегодняшний день отсутствуют данные, характеризующие экологическое состояние озера.
В 70-х годах прошлого века были проведены частичные
гидрологические, гидрохимические, ихтиологические и гидробиологические исследования озера. Современных данных нет, несмотря на то, что антропогенная нагрузка на водоем возросла в связи с постройкой на его берегу теплоэлектроцентрали и с использованием озера в качестве приемника коммунально-бытовых сточных вод. Микробиологические
исследования в озере Халактырском не проводились. Не изучено воздействие антропогенных источников на водную экосистему исследуемого водоема, ранее относящегося к категории рыбохозяйственных. Длительный антропогенный пресс на водоем, вызванный сбросом коммунально-бытовых и технологических вод, слабо контролируется. Экологические проблемы озера Халактырского во многом определены использованием его в качестве приемника загрязненных вод различного происхождения.
Цель и задачи исследования. Целью работы является оценка экологического состояния природного аквального комплекса – озера Халактырского – по гидрохимическим и микробиологическим показателям в условиях антропогенного воздействия.
В соответствии с поставленной целью необходимо решить следующие задачи:
-
Выявить пространственное распределение и сезонную динамику основных гидрохимических показателей: рН, растворенный кислород, БПК5, ХПК, аммонийный азот, нитритный азот, нитратный азот, фосфор, АПАВ, на основании которых определить экологическое состояние и трофность исследуемого водоема.
-
Оценить санитарное состояние озера по микробиологическим показателям.
-
Определить направленность и интенсивность аккумуляционно-деструкционных процессов органического вещества и процессов трансформации азотистых веществ в водной среде с участием микроорганизмов.
-
Установить уровень загрязненности вод озера Халактырского по гидрохимическим показателям, степень антропогенного воздействия, устойчивость к эвтрофированию и самоочищающую способность.
Научная новизна заключается в комплексном анализе экологического
состояния озера Халактырского, ранее не проводившемся в Камчатском крае.
Впервые определен экологический статус водоема по гидрохимическим
и микробиологическим показателям, оценено санитарно-бактериологическое
состояние водного объекта, рассмотрены процессы преобразования
азотистых веществ с участием различных эколого-трофических групп
микроорганизмов. Впервые определен трофический статус озера
Халактырского, проведен анализ существующей антропогенной нагрузки, которая ускоряет процесс эвтрофирования водоема. Установлены факторы, лимитирующие процессы микробиологической трансформации веществ в зависимости от уровня сапробности вод.
Теоретическая и практическая значимость работы. В ходе проведенных исследований были определены лимитирующие показатели качества вод, указывающие на неблагополучность экологического состояния озера Халактырского. Знания об антропогенной нагрузке, оказываемой на водоемы при сбросе коммунально-бытовых сточных вод, технологических вод, и проблемах, связанных с поступлением загрязненного терригенного стока, позволят использовать полученные данные для оценки малоизученных
водоемов Камчатского края, находящихся в условиях воздействия на них процессов урбанизации. Изученность экологического состояния озера Халактырского может способствовать разработке мер по минимизации антропогенного пресса и улучшению качества водной экосистемы.
Результаты исследования могут быть использованы при оценке качества водных объектов как хозяйственно-бытового, так и рыбохозяйственного назначения. Материалы работы также можно использовать при подготовке лекционного и методического материала по дисциплинам «Учение о гидросфере», «Экологический мониторинг» и «Антропогенное загрязнение окружающей среды».
Методология и методы исследования. Поставленные задачи были
решены с использованием метода наблюдений, анализа проб воды и
интерпретацией его результатов. В работе применены стандартные методы
полевых исследований при проведении мониторинга поверхностных вод.
Особое внимание уделено изменчивости гидрохимических и
микробиологических показателей в условиях изменения фаз
гидрологического режима озера Халактырского.
Положения, выносимые на защиту:
-
Комплексная оценка, включающая химико-экологический и микробиологический контроль, позволяет оценить не только состояние водной экосистемы (на примере озера Халактырского), но и выявить ряд деградационных процессов, происходящих в экосистеме под воздействием антропогенной нагрузки.
-
Замедление процессов трансформации азотсодержащих соединений происходит на стадии нитрификации, которое обуславливается нарушением аккумуляционно-деструкционных процессов, закислением вод, присутствием АПАВ в озерной воде.
-
Способность водоема к самоочищению лимитируется процессами преобразования различных форм азота, в частности нитрификацией.
Степень достоверности и апробация результатов. Степень
достоверности результатов проведенных исследований и выводов заключается
в комплексном рассмотрении предмета и объекта исследований, применении
научных методов, соответствующих цели и задачам исследования,
репрезентативности выборки исследования, корректности статистической
обработки данных. Достоверность результатов диссертационного
исследования подтверждается большим объемом полученного материала в результате многолетних исследований (все определения сделаны трехкратно), использованием современных методов гидрохимических и микробиологических исследований. Научные положения и выводы, сформулированные в диссертации, подкреплены убедительными фактическими данными, наглядно представленными в приведенных рисунках и таблицах.
Основные результаты исследований и основные положения
диссертационной работы доложены и обсуждены на IV, V, VI, VII Всероссийской научно-практической конференции «Природные ресурсы,
их современное состояние, охрана, промысловое и техническое
использование» (Петропавловск-Камчатский, 2013–2016 гг.); на
Международной научно-практической конференции «International innovation
research» (г. Пенза, 2016 г.); на региональном инновационном конкурсе
в Камчатском крае с докладами: «Биологическая реабилитация водоема
рыбохозяйственного значения (озеро Халактырское) на основе
гидрохимических и микробиологических мониторинговых исследований» (г. Петропавловск-Камчатский, 2015), «Экологическое разрешение проблемы теплового загрязнения озера Халактырского» (г. Петропавловск-Камчатский, 2016 г.); на I Международной научно-практической конференции «Экспериментальные и теоретические исследования в современной науке» (г. Новосибирск, 2017 г.); на XXXII Международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы науки» (г. Москва, 2017 г.)
Личный вклад автора. Личное участие автора выразилось в том, что она сформулировала и обосновала тему исследования, определила цель и задачи работы, методы анализа проб вод. Автор самостоятельно проводила полевые исследования, отбор проб воды, анализ результатов. Автор лично участвовала в выполнении гидрохимических и микробиологических исследований, проведении расчетов с использованием компьютерных статистических программ; обобщила, интерпретировала и представила полученный материал, сформулировала выводы.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ, в том числе 3 в изданиях, входящих в Перечень российских рецензируемых журналов, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук, 1 коллективная монография.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, 6 глав, заключения, списка использованных источников из 186 наименований, в том числе 29 иностранных. Работа изложена на 154 страницах, содержит 38 рисунков и 22 таблицы.
Благодарности. Выражаю огромную благодарность своему научному
руководителю, к.б.н., заведующему кафедрой «Экология и
природопользование» ФГБОУ ВО «КамчатГТУ» Н.А. Ступниковой за ценные рекомендации, конструктивные замечания и всестороннее содействие в работе, а также к.б.н., доценту кафедры «Экология и природопользование» Л.В. Миловской за ценные консультации и помощь в подготовке работы.
Антропогенное воздействие на озера
Деструкция органического вещества протекает наиболее быстро в присутствии О2. Полное окисление органического вещества до исходных СО2 и Н2О (минерализация) возможно только в аэробных условиях (аэрируемые водоемы). В анаэробных условиях деградация органического вещества часто остается неполной. При отсутствии кислорода разложение углеродсодержащих соединений, по крайней мере, замедляется. Вещества (белки, сахара), которые легко разлагаются, окисляются в процессе эндогенного дыхания. Более устойчивые к окислению (жирные кислоты, целлюлоза, лигнин и продукты их разложения) накапливаются и участвуют в образовании так называемого водного гумуса.
В результате деструкции органических веществ в водоеме накапливаются минеральные формы углерода (CO2), азота (NH3, HNO2, HNO3), серы (H2S, H2SO4), фосфора (H3PO4), образуются соли азотной, серной и фосфорной кислот.
В подавляющем большинстве озер часть органического вещества, не успевшего подвергнуться разложению в толще воды, откладывается на дне, участвуя в образовании органической фракции озерных отложений. Некоторая доля отложившегося органического вещества в разных условиях и разных водоемах весьма различная, претерпевает в дальнейшем распад и минерализуется, а остальная часть консервируется, входит в состав донных отложений и подвергается впоследствии очень медленным превращениям уже геохимического характера, которые в конце концов приводят к образованию тех или иных ископаемых пород, богатых органическим веществом (Кузнецов, 1970).
В круговороте углерода участвуют различные физиологические группы микроорганизмов, обеспечивающие разложение практически всех органических веществ до углекислоты, к которым относятся водородные бактерии, карбоксидобактерии, метанобразующие археи (метаногены), углеводородокисляющие, целлюлозоразлагающие, маслянокислые бактерии и др. Круговорот азота в водоеме обеспечивают микроорганизмы, которые ведут процессы азотфиксации, аммонификации, нитрификации, денитрификации. Фиксация азота микроорганизмами – планетарный процесс, который сопряжен с фотосинтезом растений. Азотфиксирующие микроорганизмы (диазотрофы) связывают молекулярный азот при атмосферном давлении и нормальной для жизни температуре. Способность микроорганизмов к ассимиляции молекулярного азота обусловлена действием фермента нитрогеназы. Нитрогеназа – мультиферментная система, в которую входят два компонента: Mo-Fe-белок и Fe-белок, одновременно необходимые для ее функционирования. У разных микроорганизмов они взаимозаменяемы. При фиксации азота всегда выделяется молекулярный водород (Брей, 1986; Кретович, 1987). В фиксации атмосферного азота в водоемах, как и в почве, принимает участие широкий круг прокариот.
Аэробные азотфиксирующие бактерии представляют собой сборную группу свободноживущих гетеротрофных бактерий, которые способны усваивать атмосферный азот при росте на средах с органическими соединениями, лишенными азота. К ним относятся бактерии, ранее входившие в семейство Azotobacteriaceae: Azotobacter, Azomonas, Beijerinckia, Derxia, отличающиеся высокой скоростью азотфиксации (Кузнецов и др., 1985).
Анаэробную фиксацию азота в водоемах осуществляют различные виды р. Clostridium и факультативно анаэробные бактерии р. Azospirillum, некоторые сульфатредуцирующие прокариоты, энтеробактерии, пурпурные серные и несерные бактерии, некоторые виды зеленых серобактерий, очень многие цианобактерии.
После отмирания организмов, образовавшиеся в водоемах белковые вещества растений и животных, подвергаются минерализации. Азот распадающихся белковых веществ выделяется в первую очередь в виде аммиака. В зависимости от глубины и характера озера большее или меньшее количество белковых веществ успевает минерализоваться уже в водной массе, а осевшие на дно остатки отмершего планктона и водной растительности минерализуются в верхних слоях иловых отложений. Из придонных слоев воды аммиак поступает в поверхностные, где подвергается дальнейшим превращениям (нитрификации и денитрификации).
В пресных водоемах наиболее часто встречаются такие аммонификаторы, как Pseudomonas fluorescens, Bacterium agile, Micrococcus albidus, Bacillus mycoides, Bac. oligonitrophillus, Bac. subtilis,.Bac. mesentricus, Mycobacterium globiforme и др. В зависимости от типа водоема в нем преобладают те или иные виды гнилостных микроорганизмов (Кузнецов и др., 1985).
Общее количество аммонифицирующих бактерий в пресных водоемах зависит от характера водоема и времени года. Как правило, число бактерий бывает минимальным зимой и максимальным летом в связи с развитием и отмиранием планктона. Нитрификация в озерах связана с наличием нитрифицирующих бактерий, растворенного в воде кислорода и аммонийных солей. Наиболее интенсивная нитрификация наблюдается в поверхностном слое ила и в придонных слоях воды, наименее интенсивная – в поверхностных слоях воды. Это объясняется, во первых, тем, что из ила постоянно диффундирует аммиак, образующийся при аммонификации и подвергающийся далее окислению при участии нитрифицирующих бактерий и, во-вторых, тем, что бактерии обитают преимущественно на твердых субстратах. Образующиеся в воде нитраты усваиваются фитопланктоном и вновь превращаются в органическую форму азота. В пресных водоемах наиболее часто встречаются нитрифицирующие бактерии родов Nitrosomonas, Nitrosocystis, Nitrosolobus, Nitrococcus, Nitrospira (Кузнецов и др., 1985). Потери азота в водной массе озер могут вызываться процессами денитрификации. Денитрификация – один из путей диссимиляционной нитратредукции, анаэробного дыхания с нитратом в качестве конечного акцептора электронов.
Физико-географическая характеристика озера Халактырского
Климат является одной из географических характеристик той или иной местности Земли. На климат местности оказывают воздействие такие географические факторы, как широта, высота над уровнем моря, распределение морей, равнинных пространств и горных массивов, растительный и снежный покров.
Основным климатообразующим процессом на Дальнем Востоке и на Камчатке является атмосферная циркуляция. Она оказывает наибольшее влияние на состояние погоды в целом.
Положение Камчатки на восточной окраине Евразии, для которой характерны значительные термобарические контрасты, активная циклоническая деятельность, перестройка и смена генерального направления меридиональных составляющих атмосферной циркуляции, обусловливает здесь сложную и изменчивую погоду.
По классификации Б.П. Алисова с соавторами (1954) Камчатка выделяется в самостоятельную тихоокеанскую лесную климатическую область, что обусловлено как географическим ее положением, так и, главным образом, спецификой циркуляционных процессов. Район Петропавловска-Камчатского, в соответствии с климатическим районированием В.И. Кондратюка (1983), находится в восточной приморской подобласти.
Одной из особенностей циркуляции атмосферы над югом полуострова является активная циклоническая деятельность, особенно в осенне-зимний период, на полярном фронте. Летом циклоническая деятельность заметно ослабевает, однако ослабление ее обусловлено не столько уменьшением числа циклонов, сколько уменьшением их глубины (Кондратюк, 1974).
Арктический воздух в район Петропавловска-Камчатского поступает зимой из северных районов Берингова моря (морской арктический воздух) или из районов Колымы (континентальный арктический воздух), существенно трансформируясь по пути движения.
В зимний период над югом полуострова и прилегающими районами морей преобладает интенсивная циклоническая деятельность, обусловленная частым поступлением в эти районы циклонов с юга, углублением их и замедлением скорости перемещения.
В целом циркуляционные процессы весной (апрель-май) характеризуются существенно меньшей, чем зимой, интенсивностью, но большей изменчивостью и сочетанием как зимних, так и летних типов.
Наиболее характерным для летней циркуляции является антициклогенез над Охотским, Беринговым морями и прилегающими водами Тихого океана. В летней циркуляции решающая роль принадлежит охотоморскому антициклону, который формируется главным образом за счет вторжения ядер полярного антициклона. Характер погоды в районе Петропавловска-Камчатского существенно зависит от направления воздушных потоков в нижней тропосфере, т.е., в конечном счете, от того, какой антициклон (охотоморский или тихоокеанский) воздействует на тихоокеанское побережье Камчатки. При влиянии тихоокеанского (беринговоморского) антициклона в городе отмечается пасмурная с туманами и низкой облачностью погода. При господстве охотоморского антициклона, а это бывает, как правило, после прохождения циклона, погода в большинстве случаев теплая, малооблачная.
В августе-первой половине сентября термические контрасты между сушей и океаном минимальны. Устанавливается как бы термическое равновесие и поэтому даже при воздействии тихоокеанского гребня охлаждающее влияние океана не сказывается: стоят погожие, теплые дни (Кондратюк, 1974).
В сентябре-октябре происходит перестройка термобарического поля над Азией и северной частью Тихого океана. Температура воздуха над сушей интенсивно понижается при одновременном относительно медленном понижении ее над океаном. Азиатская депрессия постепенно заполняется и в октябре исчезает совсем. Северотихоокеанский максимум ослабевает и отступает к югу.
Осенью резко увеличивается интенсивность циклонической деятельности в Охотском море за счет роста влияния южных циклонов при незначительном уменьшении числа западных циклонов.
Осенью происходит постепенный переход от летних процессов, обусловленных гребнем северотихоокеанского максимума и западными циклонами, к зимним, когда главную роль играет циклогенез. Поэтому осенью спокойная устойчивая погода прерывается штормовыми ветрами и обильными осадками. В начале ноября уже полностью преобладают зимние циркуляционные процессы.
Таким образом, над тихоокеанским побережьем Камчатки в течение всего года имеет место циклоническая деятельность. Но если в осенне-зимний период она играет определяющую роль, то в теплый период она выражена слабо и основным циркуляционным процессом является летний антициклогенез в Охотском и Беринговом морях.
Биохимическое потребление кислорода
Для выявления нитрифицирующих микроорганизмов была использована среда Виноградского. В процессе наблюдения за культурами начиная с четвертого дня после посева проводились химические реакции на наличие аммиака и азотистой кислоты. Реакцию на образование азотистой кислоты проводили с использованием реактива Грисса. Наличие азотистой кислоты указывает на надежность процесса развития нитрификаторов.
Денитрифицирующие бактерии определялись с использованием среды Гильтая. Через 7–10 суток после посева осуществляли анализ. Наиболее существенным признаком развития денитрифицирующих бактерий на среде Гильтая выступало газовыделение (образование CO2 и N2). Его образование отмечалось визуально по образованию пены. Учитывалось исчезновение из среды нитратов и нитритов, появление аммиака в среде, подщелачивание и помутнение среды.
Выявление и количественный учет сапрофитных микроорганизмов осуществлялся с использованием стерильного мясо-пептонного агара при температуре 22С. Олиготрофные микроорганизмы выявляли на агаризованной дистиллированной воде без добавления органических веществ при комнатной температуре. Санитарно-бактериологические показатели озерной воды устанавливались в соответствии со стандартными методиками, принятыми в микробиологии (Драчев и др., 1953; Методические указания..., 1999). Общее микробное число – количество колоний аэробных мезофильных сапрофитных микроорганизмов определялось посевом на мясо-пептонный агар (при 37С). Показатели коли-титра определялись бродильным методом с использованием универсальной накопительной лактозно-пептонной среды, среды Эндо и полужидкой среды с глюкозой. Статистическая обработка результатов анализов проводилась с использованием величин, определяющих достоверность полученных измерений. Вычислялось среднее значение, стандартное отклонение, доверительный интервал с доверительной вероятностью 0,95 (Лакин, 1990; Сиделев, 2012). Для проведения статистического анализа использовалась программа Statistica 10.0, с помощью которой были определены корреляционные связи, указывающие на степень взаимосвязи между некоторыми гидрохимическими и микробиологическими показателями.
Для оценки экологического состояния озера Халактырского рассчитывались некоторые показатели по комплексу полученных в ходе исследования значений.
К категории наиболее часто используемых показателей для оценки качества водных объектов относят гидрохимический индекс загрязнения воды ИЗВ (Гусева и др., 2000). Индекс загрязнения воды, как правило, рассчитывают по шести-семи показателям, которые можно считать гидрохимическими; часть из них (концентрация растворенного кислорода, водородный показатель рН, биологическое потребление кислорода БПК5) является обязательной. ИЗВ рассчитывается по формуле (2): где Ci –концентрация компонента (в ряде случаев – значение параметра); N – число показателей, используемых для расчета индекса; ПДКi – установленная величина для соответствующего типа водного объекта.
В зависимости от величины ИЗВ участки водных объектов подразделяют на классы. Индексы загрязнения воды сравнивают для водных объектов одной биогеохимической провинции и сходного типа, для одного и того же водотока (по течению, во времени и т.д.). Для установления степени минерализованности органического вещества рассчитывался индекс олиготрофности. Индекс олиготрофности рассчитывается как отношение количества олиготрофов к числу колоний сапрофитов. По величине данного индекса судят о степени обогащенности местообитания азотсодержащим органическим веществом и интенсивности процессов минерализации этого органического вещества. Величина индекса олиготрофности может меняться в широких пределах: от 0 до +бесконечности. При значении индекса олиготрофности, равном единице или меньше, говорят о загрязнении источника легкодоступным органическим веществом. При значении индекса олиготрофности больше единицы, говорят о сбалансированности бактериальных процессов минерализации органического вещества.
Определение лимитирующего биогенного элемента в озере Халактырском рассчитывалось как отношение неорганического азота (сумма аммонийного, нитритного и нитратного) к неорганическому фосфору. По данным Е.А. Форсберга (Forsberg Е.А., 1978, цит. по: Михеева, 1983; Макарцева и др., 1991; Судницына, 2005), когда отношение общего азота к общему фосфору менее 10 (или отношение неорганических форм этих элементов менее 5), развитие фитопланктона лимитирует азот, когда эти соотношения, соответственно, равны 10–17 и 5–12, лимитирует азот или фосфор, а когда они, соответственно, более 17 и 12, лимитирует фосфор.
Микроорганизмы, участвующие в аккумуляционно-деструкционных процессах органического вещества
Превышение ПДК аммонийного азота по акватории озера составляет: станция 2 – в 2,76 раза, станция 3 – в 1,46 раза, станция 4 – в 1,56 раза, станция 5 – в 1,52 раза, станция 6 – в 1,58 раза, станция 7 – в 1,40 раза.
Наибольшее превышение ПДК отмечено на станции 2, что обусловлено поступлением аммонийного азота в эту зону с коммунально-бытовыми сточными водами. Превышение на станции 4 также можно соотнести с поступлением аммонийного азота в результате сброса стоков коммунально-бытового происхождения. Для станции 3 характерно наличие высоких значений аммонийного азота, которое связано с загрязнением вод р. Кирпичной коммунально-бытовыми стоками и с территории, расположенной вблизи кладбища. Центральная часть акватории (станция 5) и воды р. Халактырки (станция 7) также загрязнены аммонийным азотом, что указывает на неблагополучность водной среды озера Халактырского. Высокие значения аммонийного азота на станции 6 могут свидетельствовать о поступлении данного соединения с терригенным стоком с расположенных вблизи сельскохозяйственных полей. Содержание аммонийного азота в придонном горизонте по средним значениям не превышает ПДК.
Величина показателя рН также влияет на значения аммонийного азота в воде. Доказано, что с повышением величины рН и температуры процентное содержание недиссоциированного свободного аммиака увеличивается и достигает максимума в щелочной среде при высоких температурах. В нейтральных, слабощелочных, слабокислых, кислых водах (как и в воде озера Халактырского) резко преобладают ионы аммония (Лукьяненко, 1987).
Оценку качества воды озера по содержанию аммонийного азота можно дать на основании данных таблицы 8.
Среднее содержание аммонийного азота в озере Халактырском составляет 0,7 мг/л, что характеризует водоём как загрязнённый. Загрязнение водоема аммонийным азотом свидетельствует о неудовлетворительном санитарном состоянии озера.
Нитриты – неустойчивые компоненты природных вод. Поэтому при благоприятных для их окисления условиях, характерных для поверхностных вод, они встречаются в незначительных количествах (Семенов, 1977). Повышенное содержание нитритов указывает на неблагоприятное состояние водоема. Сезонные колебания содержания нитритов характеризуются отсутствием зимой, появлением весной при разложении нового органического вещества. Максимальное содержание нитритов наблюдается в конце лета, осенью содержание нитритов уменьшается (Орлова и др., 2013).
Повышенные значения нитритов в природных водах могут указывать на усиление процессов разложения органических остатков в условиях более медленного окисления NO2- до NO3-, что свидетельствует о загрязнении водоема (Семенов, 1977). В придонном слое высокая концентрация нитритов наблюдается в роли промежуточной стадии восстановления.
Значения нитритного азота в озере Халактырском варьируют в пределах 0– 0,260 мг/л в поверхностном горизонте, в придонном слое концентрации нитритов находятся в диапазоне 0–0,210 мг/л (таблица 9). В сезонной динамике нитритного азота на глубоководных станциях 5, 6, 7 распределение значений различно в поверхностном и придонном горизонтах (рисунок 23). Резко различается динамика распределения нитритов по горизонтам весной. В этот период концентрация нитритов достигает максимальных значений в придонном горизонте, в то время как содержание аммонийного азота было наименьшим, что указывает на процесс трансформации азота из аммонийной формы в нитритную. Снижение концентраций нитритов в придонном горизонте летом и их стабилизация осенью указывают на замедление процессов аммонификации на дне водоема. Сезонные изменения концентрации нитритов в поверхностном горизонте на глубоководных станциях коррелируют с интенсивностью процесса минерализации органического вещества в водоеме.
Несмотря на неустойчивость исследуемого показателя в природных водах его значения превышают ПДК. Сезонные колебания нитритов характеризуются снижением их концентрации зимой и повышением в весенне-летний период, когда наблюдаются превышения ПДК в 2,55 и в 1,85 раз соответственно (рисунок 24).
Повышение весенне-летних значений зависит от ускорения процессов окисления, особенно в период разрушения ледяного покрова на озере. Высокие концентрации аммонийного азота зимой активно окисляются в весенний период, переходя в нитритную форму. Осенне-зимние наблюдения указывают на снижение исследуемого показателя в период замедления деструкционных процессов органических веществ.
Пространственное распределение нитритов в водах озера Халактырского представлено на рисунке 25.
Рисунок 25 – Средние значения нитритного азота на различных станциях исследования (поверхностный горизонт)
В зависимости от зоны исследования содержание нитритов в воде различно. Концентрация нитритного азота превышает ПДК на станциях 2 (4 ПДК), 4 (1,3 ПДК), 7 (1,4 ПДК). Для станций 2 и 4 характерно наличие большого количества азотистого органического вещества, поступающего с коммунально-бытовыми стоками. Повышенные значения на станции 7 отражают общий уровень загрязненности воды озера Халактырского, поступившей в р. Халактырку и наличие активно протекающих в ней процессов аммонификации и процессов окисления ионов аммония. В придонном горизонте концентрации нитритов превышают ПДК в среднем в 2 раза.