CC BY
58Фосфор как индикатор качества вод рек южного
Приморья
Евсеев А.В.(а1екзе1 evseev@mail.ru ), Христофорова Н.К.
Дальневосточный государственный университет (ДВГУ), Владивосток
Введение
В последнее время все более актуальной становится проблема техногенного поступления биогенных элементов в водные системы суши и моря. Основные количества биогенного загрязнения поступают в водоемы и водотоки с хозяйственно-бытовыми сточными водами, а также в виде поверхностного стока с территорий сельскохозяйственных объектов и населенных пунктов. Так, в зависимости от интенсивности сельскохозяйственной нагрузки за год с 1 га в водотоки поступает 1,7-10,5 кг азота и 0,03-0,21 кг фосфора [1]. Известно также, что коммунально-бытовые стоки крайне обогащены фосфором, и это является главной причиной локальной аккумуляции лабильных соединений фосфора в районах концентрации людей и животных.
По данным Государственного доклада «О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в 2002 году», из объема сточных вод, сброшенных в поверхностные водные объекты в 2002 г., около 40% относится к категории загрязненных сточных вод. Основной объем загрязненных сточных вод сброшен предприятиями жилищно-коммунального хозяйства (62%) и промышленности (31%). Объем нормативно очищенных сточных вод составил лишь около 10%.
Среди биогенных элементов фосфор имеет особое значение. В виде сложных органических соединений он является составной частью живой клетки, регулирует её такие жизненно важные процессы, как дыхание, фотосинтез, обмен веществ. Несмотря на то, что фосфор является истинным биоэлементом, его избыточное количество вредно для экосистем. Чрезмерное поступление фосфора в окружающую среду вызывает цветение водорослей, которое влияет не только на органолептические свойства воды, но и сильно ухудшает кислородный режим водоема после массового их отмирания. Уменьшение содержания фосфора в воде связано с потреблением его водными организмами, а также переходом в донные отложения при образовании нерастворимых форм. В настоящее время хозяйственная деятельность человека является доминирующим фактором в формировании речного стока фосфора.
Фосфор в природных водах существует в виде ортофосфатов, полифосфатов и органических соединений, причем преобладающей формой нахождения элемента в водной среде являются ортофосфаты. Суммарное повышение содержания фосфора свидетельствует о загрязнении водного объекта.
Минеральные фосфаты поступают в природные воды в результате выветривания пород, содержащих ортофосфаты (апатиты и фосфориты). Они
также поступают в водоемы при внесении в почву минеральных удобрений. Кроме того, ортофосфаты образуются при биологической переработке остатков животных и растительных организмов, т.е. вследствие их минерализации.
Концентрация фосфатов в природных водах обычно очень мала -сотые, редко десятые доли миллиграммов фосфора в литре. В загрязненных же водах она может достигать нескольких миллиграммов.
Поступление полифосфатов в воду связано с использованием синтетических моющих средств, а также применением эмульгаторов и широкого круга пестицидов.
Появление органических фосфатов в природных водоемах обусловлено процессами жизнедеятельности и посмертного распада водных организмов, а также стоками от животноводческих ферм и от населенных пунктов. В объектах, свободных от поступления этих загрязнений, уровень содержания органического фосфора в воде указывает на развитие жизни в водоемах.
Таким образом, соединения фосфора являются индикаторами качества водной среды, могут указывать на источник загрязнения фосфатами и свидетельствовать о благополучии или неблагополучии водных экосистем. В связи с этим, мы поставили цель оценить качество воды в некоторых реках юга Приморья, используя собственные данные, а также имеющуюся информацию о содержании в них различных форм фосфора. Нами выбраны реки (рис. 1), протекающие по районам сельскохозяйственного освоения, отличающиеся гидрологическими характеристикам (табл. 1) и уровнем антропогенной нагрузки.
Таблица 1
Основные гидрологические характеристики исследуемых рек [Природно-ресурсный ...,1998]
Название реки Длина реки, км. Площадь водосбора, км2 Модуль стока, л/скм2 Коэффициент густоты речной сети, км/км2
Уссури 897 193000 10,3 —
Раковка 76 812 4,10 0,37
Комаровка 67 1490 — 0,58
Раздольная 245 16830 4,84 0,78
Илистая 220 5470 6,23 0,53
Примечание: — отсутствие данных.
Материалы и методы
Для определения фосфора использован фотоколориметрический метод (Морфи, Райли), основанный на взаимодействии ортофосфатов с молибдатом аммония в кислой среде с образованием фосфорномолибденовой гетерополикислоты, и последующем восстановлении её аскорбиновой кислотой в присутствии антимонилтартрата калия до интенсивно окрашенной молибденовой сини. Оптическую плотность образовавшегося соединения измеряли на фотоколориметре с красным светофильтром (X -670-750 нм).
Полифосфаты определяли, как и ортофосфаты после кипячения пробы с серной кислотой. Величину конденсированного фосфора находили по разности между содержанием ортофосфатов до кипячения и после него [2]. Общий фосфор определяли как фосфаты после минерализации органических форм таким окислителем, как персульфат калия.
Органический фосфор вычисляли по разности между общим фосфором и суммой орто- и полифосфатов [7]. Метод чувствителен, открываемый минимум 0,0005 мг/л [8]. Подсчет результатов проводили методом вариационной статистики.
В табл. 2, составленной по собственным и литературным данным, приведены величины концентраций различных форм фосфора в обследованных реках. Пробы воды отобраны в разные сезоны и годы, но на одних и тех же станциях.
Таблица 2
Содержание различных форм фосфора в реках южного Приморья
(мг/л)
Река Время наблюдения Пункт наблюдения Рмин Рполиф. Рорг Источник информации
200 0
Раковка сентябрь верховье 0,010 0,0005 0,007 0,0001 0,200 0,015 Потенко, 2001
выше г. Уссурийска 0,110 0,01 0,070 0,004 0,140 0,011
ниже МЖК* 0,070 0,001 0,180 0,009 0,030 0,002
Комаровка сентябрь верховье 0,010 0,0003 0,030 0,002 0,050 0,003 - II -
выше г. Уссурийска 0,032 0,0015 0,070 0,003 0,040 0,002
ниже картонной фабрики 0,040 0,0013 0,060 0,002 0,020 0,001
Раздольная сентябрь выше г. Уссурийска 0,010 0,001 0,040 0,002 0,200 0,01 - II -
центр города 0,090 0,002 0,040 0,002 0,050 0,002
ниже города 0,120 0,004 0,060 0,0015 0,100 0,008
2001
Раковка май верховье 0,028 0,001 0,014 0,0015 0,156 0,01 Потенко, 2001
выше г. Уссурийска 0,088 0,007 0,206 0,018 0,090 0,003
ниже МЖК 0,420 0,034 0,264 0,022 0,140 0,01
июнь верховье 0,028 0,001 0,038 0,0015 0,044 0,0015 - II -
выше г. Уссурийска 0,132 0,01 0,066 0,0025 0,072 0,002
ниже МЖК 0,162 0,015 0,044 0,002 0,180 0,010
Комаровка май верховье 0,022 0,002 0,030 0,001 0,178 0,008 - II -
выше г. Уссурийска 0,108 0,005 0,030 0,0015 0,202 0,01
ниже картонной фабрики 0,050 0,003 0,008 0,0001 0,152 0,008
июнь верховье 0,070 0,001 0,016 0,0005 0,042 0,0035 - II -
выше г. Уссурийска 0,046 0,002 0,028 0,001 0,016 0,0011
ниже картонной фабрики 0,044 0,002 0,002 0,0001 0,020 0,002
Раздольная май выше г. Уссурийска 0,036 0,002 0,004 0,0001 0,152 0,0025 - II -
центр города 0,102 0,005 0,000 0,000 0,024 0,0015
ниже города 0,102 0,007 0,008 0,0002 0,186 0,0055
июнь выше г. Уссурийска 0,070 0,0018 0,032 0,001 0,092 0,004 - II -
центр города 0,090 0,008 0,036 0,0003 0,088 0,004
ниже города 0,118 0,020 0,020 0,001 0,090 0,003
2003
Уссури апрель выше г.Лесозаводска 0,110 0,02 ---- 0,070 0,0016 Пасько, 2004
центр города 0,080 0,004 ---- 0,060 0,002
сброс очистных 0,175 0,011 ---- 0,125 0,0055
июнь выше г.Лесозаводска 0,025 0,001 ---- 0,012 0,0007 - II -
центр города 0,024 0,0015 ---- 0,028 0,001
сброс очистных 0,057 0,003 ---- 0,039 0,002
октябрь выше г.Лесозаводска 0,024 0,0005 ---- 0,002 0,0001 - II -
центр города 0,023 0,0015 ---- 0,005 0,0003
сброс очистных 0,034 0,0004 ---- 0,019 0,001
Илистая апрель верховье 0,006 0,0001 0,006 0,0001 0,004 0,00005 Собственные данные
ниже с. Ивановка 0,006 0,0003 0,004 0,0001 0,014 0,001
ниже с. Ляличи 0,100 0,007 0,016 0,0005 0,020 0,001
ниже с. Черниговка 0,030 0,002 0,014 0,001 0,016 0,001
ниже с. Дмитриевка 0,036 0,0015 0,018 0,001 0,012 0,001
июнь верховье 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 - II -
ниже с. Ивановка 0,000 0,000 0,006 0,00004 0,004 0,00007
ниже с. Ляличи 0,228 0,01 0,012 0,0004 0,070 0,001
ниже с. Черниговка 0,144 0,008 0,036 0,0015 0,072 0,0004
ниже с. Дмитриевка 0,076 0,001 0,014 0,0005 0,026 0,001
октябрь верховье 0,002 0,0004 0,010 0,0009 0,006 0,0001 - II -
ниже с. Ивановка 0,030 0,002 0,004 0,00008 0,020 0,0005
ниже с. Ляличи 1,280 0,03 0,214 0,007 0,310 0,01
ниже с. Черниговка 0,138 0,005 0,012 0,0004 0,008 0,0001
ниже с. Дмитриевка 0,088 0,0012 0,022 0,001 0,020 0,001
Примечание - МЖК - масложиркомбинат; в числителе - среднее, в знаменателе -стандартное отклонение от среднего
Результаты и обсуждение
Фосфор минеральный. Во всех водотоках минимальные количества Рмин обнаружены в верховьях рек, причем самые низкие концентрации ортофосфатов характерны для истоков р. Илистой. Различия в содержании минерального фосфора в реках между сезонами невелики, тем не менее, четко просматривается следующая закономерность: наибольшие величины концентраций Рмин характерны для весенне-летнего периода. К осени содержание ортофосфатов в верховьях всех рек снижается. По мере приближения к городам и крупным населенным пунктам, а также специфическим предприятиям содержание Рмин возрастает. Так, в Уссурийске ниже МЖК концентрация ортофосфатов достигает 0,420 мг/л. Но наибольшее количество минеральных фосфатов - 1,280 мг/л (превышение ПДК для рыбохозяйственных водоемов более чем в 6 раз) обнаружено в р. Илистой ниже с. Ляличи в районе сброса хозяйственно-бытовых стоков воинской части.
Фосфор полифосфатный. Обычно в Государственной службе мониторинга загрязненных вод (ОГСНК) концентрация фосфора полифосфатного, или конденсированного, не измеряется, хотя это основной компонент детергентов и эмульгаторов, и его поставщиком являются как бытовые, так и промышленные сточные воды. Как видно, специфика предприятия, каким является МЖК, проявилась в отношении Рполиф в полной мере во все сезоны года, хотя наибольшая концентрация полифосфатов обнаружена в мае 2001 г. Высокий уровень конденсированных фосфатов -0,206 мг/л, выявленный в р. Раковке выше г. Уссурийска, говорит, очевидно, о его поступлении с поверхностным стоком с окрестных территорий. Практически такая же величина - 0,214 мг/л, найденная на станции ниже с. Ляличи в октябре, имеет другую природу, и, несомненно, связана с использованием моющих средств, содержащихся в бытовых сточных водах. В то же время в условно-чистых, или фоновых районах (в верховьях рек), концентрации полифостфатов составляют тысячные доли миллиграмма в
литре и даже падают до нуля. Концентрации полифосфатов на станциях в черте города достигают сотых долей (0,030 - 0,066) мг/л.
Фосфор органический. Естественно ожидать, что в водотоках с высоким содержанием Рмин, являющегося необходимым элементом питания микроводорослей, макрофитов и бактерий, будет велико и содержание органических фосфатов, как продуктов жизнедеятельности водных организмов. Однако ожидаемое увеличение четко проявляется лишь в некоторых случаях: в районе сбросов вод с очистных сооружений (реки Уссури и Раздольная), на подступах к городу Уссурийску и в зонах непосредственного поступления сточных вод (ниже с. Ляличи на реке Илистой и ниже МЖК на реке Раковка). В то же время для верхних течений рек, содержание органических фосфатов, как правило, заметно выше, чем ортофосфатов, что говорит о потреблении фосфора минерального различными формами жизни и выделении метаболитов водными организмами в окружающую среду.
Заключение
Среди пяти исследованных рек выделяются две: Уссури как самая полноводная и глубоководная, несущая сравнительно чистые воды, и Илистая - хотя и длинная, но мелкая, с большим количеством глинистой взвеси. За исключением станций ниже с. Ляличи, р. Илистая характеризуется небольшим содержанием Рорг (сотые и тысячные доли), что говорит о высокой сорбируемости органических фосфатов на глинистых частицах и выведении их из раствора. Но в целом, величины концентраций органических фосфатов в реках Уссури и Илистая очень близки. Практически одинаковые уровни концентраций Рорг в обеих реках говорят о сходстве интенсивности развития органической жизни. Определяя только ортофосфаты, как это принято делать контрольными органами Государственной службы мониторинга окружающей среды, мы бы вряд ли пришли бы к такому довольно неожиданному заключению.
Таким образом, определение трех форм фосфора в воде позволяет выявить как характер антропогенного пресса, так и его интенсивность, а также идентифицировать источники поступления любых фосфатов.
Литература
1. Дальков М.П., Борисова Г.Г. Водосбор и управление ресурсами и качеством вод // Фундаментальные проблемы воды и водных ресурсов на рубеже третьего тысячелетия: Материалы Международной научной конференции. - Томск: Изд-во НТЛ, 2000. С. 615-618.
2. Методические указания. Методика выполнения измерений массовой концентрации фосфатов и полифосфатов в водах фотометрическим методом. - Ростов-на-Дону, 1995. 14 с.
3. О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в 2002 году: Государственный доклад. - М.: МПР РФ, 2003. 479 с.
4. Пасько Т.В. Химико-экологическая оценка качества р. Уссури и питьевой воды г. Лесозаводска: Курсовая работа. - Владивосток, ДВГУ. 2004. 50 с.
5. Потенко Е.И. Химико-экологическая оценка речных вод г. Уссурийска: органические вещества // Автореферат дис.... канд. биол. наук. -Владивосток, 2002. 27с.
6. Природно-ресурсный потенциал Приморского края / Тихоокеан. ин-т географии. - Владивосток: Дальнаука, 1998. 186 с.
7. Руководство по химическому анализу поверхностных вод суши / Под редакцией А.Д. Семенова. - Л.: Гидрометеоиздат, 1997. 541 с.
8. Телитченко М.М., Кокин К.А. Санитарная гидробиология. Руководство к практикуму. - М.: Изд-во МГУ, 1968. 102 с.
