CC BY
1Tomsk State University Journal of Chemistry, 2024, 34, 55-69
Научная статья УДК 504.054
10.17223/24135542/34/5
Химический состав вод и донных отложений малых озер Томского района
Ирина Степановна Король1, Дарья Ивановна Чуйкина2, Наталья Андреевна Мухортина3
12,3 Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука Сибирского отделения РАН, Томск, Россия 1 [email protected] 2 dichuikina@mail. ги 3 [email protected]
Аннотация. Изучение состояния пресноводных экосистем ведется уже несколько десятилетий и освещается в научной литературе. Разработка программ, направленных на охрану и контроль качества вод, должна включать геохимический мониторинг загрязняющих веществ, оценку физико-химических и биохимических процессов в природных водных экосистемах (как поверхностных водах, так и донных отложениях). Цель данной работы - изучение химического состава поверхностных вод и донных отложений (ДО) озер Круглое и Мальцево для оценки влияния на них антропогенной нагрузки за 2-летний период. Комплексный подход к решению этой задачи включал в себя такие методы, как экстракция, определение органических и неорганических соединений с применением высокоэффективной жидкостной хроматографии, капиллярного электрофореза, электронной спектроскопии, рентгенофлуоресцентного анализа. Показано, что донные отложения этих озер могут быть отнесены к умеренно загрязненным, суммарное содержание углеводородов изменяется от 58,14 до 82,2 мкг/кг. Содержание полиароматических соединений в изученных пробах поверхностных вод изменяется от 0,01 до 0,13 нг/л для различных соединений, а в донных отложениях от 0,11 до 14,44 нг/г. В смеси полиароматических углеводородов в водных образцах отмечается повышенное содержание таких соединений, как нафталин, флуорен и фенан-трен, а также бенз[а]антрацен. В целом в воде по сравнению с донными отложениями преобладают более легкие 2-3-ядерные полиарены, обладающие лучшей растворимостью. Содержание неорганических компонентов, представленных катионами, анионами, а также тяжелыми металлами не превышает предельно допустимые концентрации. Природные пигменты, определенные в ДО, позволяют охарактеризовать гидробиологическое состояние озер как удовлетворительное и указывают на нормальное функционирование водорослевых сообществ. Исследования показали, что предложенный комплексный подход эффективен для оценки экологического состояния малых озер и может использоваться как основа для длительных мониторинговых исследований с более подробным изучением донных отложений.
Ключевые слова: поверхностные воды, донные отложения, полиароматические углеводороды, тяжелые металлы, природные пигменты, антропогенная нагрузка
Благодарности: Исследование выполнено в рамках проекта фундаментальных научных исследования Российской академии наук № 0266-2022-0016 «Цифровые гидрогеологические и гидрогеохимические модели нефтегазоносных
© И.С. Король, Д.И. Чуйкина, Н.А. Мухортина, 2024
бассейнов центральных и южных территорий Западной Сибири». Результаты рентгенофлуоресцентных исследований получены на оборудовании Томского регионального центра коллективного пользования ТНЦ СО РАН.
Для цитирования: Король И.С., Чуйкина Д.И., Мухортина Н.А. Химический состав вод и донных отложений малых озер Томского района // Вестник Томского государственного университета. Химия. 2024. № 34. С. 55-69. doi: 10.17223/24135542/34/5
Original article
doi: 10.17223/24135542/34/5
Chemical composition of waters and sediments small lakes of the Tomsk region
Irina S. Korol1, Daria I. Chuikina2, Natalia A. Mukhortina3
12, 3 Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics of the Siberian Branch ofRAS, Tomsk, Russia 1 [email protected] 2 dichuikina@mail. ru 3 [email protected]
Abstract. The study of the state of freshwater ecosystems has been going on for several decades and has been sanctified in the scientific literature. The development of programs aimed at the protection and control of water quality should include geochemical monitoring of pollutants, assessment of physico-chemical and biochemical processes in natural aquatic ecosystems (both surface waters and bottom sediments). The purpose of this work was to study the chemical composition of surface waters and bottom sediments (UP to) lakes Krugloye and Maltsevo to assess the impact of anthropogenic load on them over a 2-year period. An integrated approach to solving this problem included such methods as extraction, determination of organic and inorganic compounds using high-efficiency liquid chromatography, capillary electrophoresis, electron spectroscopy, and X-ray fluorescence analysis. It is shown that the bottom sediments of these lakes can be classified as moderately polluted. The total hydrocarbon content varies from 58.14 to 82.2 micrograms/kg. The content of polyaromatic compounds in the studied surface water samples varies from 0.01 to 0.13 ng/l for various compounds, and in bottom sediments from 0.11 to 14.44 ng/g. In a mixture of polyaromatic hydrocarbons (PAHs) in aqueous samples, there is an increased content of compounds such as naphthalene, fluorene and phenanthrene, as well as benz[a]anthracene. In general, lighter 2-3 nuclear polyarenes with better solubility predominate in water compared to bottom sediments. The content of inorganic components represented by cations, anions, and heavy metals does not exceed the maximum permissible concentrations. The natural pigments identified in the DO allow us to characterize the hydrobiological condition of the lakes as satisfactory and indicate the normal functioning of algal communities. Studies have shown that the proposed integrated approach is effective for assessing the ecological status of small lakes and can be used as a basis for long-term monitoring studies with a more detailed study of bottom sediments.
Keywords: surface waters, bottom sediments, polyaromatic hydrocarbons, heavy metals, natural pigments, anthropogenic load
Acknowledgments: The research was conducted as part of the fundamental scientific research project of the Russian Academy of Sciences No. 0266-2022-0016 "Digital
hydrogeological and hydrogeochemical models of oil and gas-bearing basins in the central and southern regions of Western Siberia." The results of the X-ray fluorescence studies were obtained using equipment at the Tomsk Regional Center for Collective Use of the TNTS SB RAS.
For citation: Korol, I.S., Chuikina, D.I., Mukhortina, N.A. Chemical composition of waters and sediments small lakes of the Tomsk region. Vestnik Tomskogo gosudar-stvennogo universiteta. Chimia - Tomsk State University Journal of Chemistry, 2024, 34, 55-69. doi: 10.17223/24135542/34/5
Введение
Изучению экологического состояния природных объектов особое внимание начали уделять еще во второй половине XX в. Общегосударственная служба наблюдений и контроля состояния окружающей среды (ОГСНК) была организована в 1972 г. на базе станций гидрометеослужбы. До сих пор к основным задачам специальных наблюдений и исследований, проводимых в рамках работы ОГСНК, относятся:
- установление основных закономерностей процессов самоочищения;
- определение влияния накопленных в донных отложениях загрязняющих веществ на качество воды;
- составление балансов химических веществ водоемов или участков водотоков;
- оценка выноса химических веществ через замыкающий створ рек, выноса химических веществ с коллекторно-дренажными водами и др. [1].
Оценка экологического состояния водных объектов подразумевает комплексный подход, однако в научных работах, посвященных изучению состояния природных объектов, как правило, представлены отдельные исследования, направленные на определение содержания в поверхностных водах и донных отложениях металлов, полиароматических углеводородов, природных пигментов [2, 3]. Кроме того, мониторинговые исследования чаще всего касаются крупных озер, имеющих важное значение (например, оз. Байкал, оз. Ладожское и др. [3-5], в то время как малым озерам не уделяется такого пристального внимания. Для того чтобы понять причины изменения экологического и трофического состояния озер, а также оценить механизмы этих изменений, необходим постоянный мониторинг с учетом различных биологических, климатических и антропогенных факторов воздействия на водные системы. Многолетние наблюдения гидрологического режима водоемов связаны с колебаниями уровня воды, что, вероятно, связано с часто неблагоприятным использованием озер и прилегающих территорий. Достоверно известно, что колебания уровня воды приводят к изменениям химических и биологических характеристик водных экосистем [6].
На территории Томской области в окрестностях поселка Самусь, расположенного на правом берегу протоки Томи, напротив Кижировского острова, в 21 км к северу от Томска, находится особо охраняемая природная территория «Озерный комплекс поселка Самусь ЗАТО Северск». Целью
создания территории стало сохранение уникальной водной экосистемы, имеющей природоохранное, научное, эстетическое, рекреационное и оздоровительное значение для населения ЗАТО Северск и г. Томска. Она включает в себя уникальный природный комплекс малых лесных озер Мальцево, Круглое и Яково. Общая площадь озерного комплекса составляет 3 732 га.
Все озера имеют песчаное дно, вода в них насыщенного коричневого оттенка, питание озер - ручьи, берущие свое начало в торфяных болотах. Озера Мальцево и Круглое входят в единую озерную систему, соединенную между собой протокой, приурочены к поверхности второй надпойменной террасы р. Томи, в рельефе располагаются каскадом.
Следует отметить, что природоохранный статус озер Мальцево и Круглое не защищает их от антропогенной нагрузки. Озера и территории, прилегающие к ним, являются одной из любимых зон отдыха местных жителей, там обустроены зоны пляжа и барбекю.
Цель данной работы - изучение химического состава поверхностных вод и донных отложений (ДО) озер Круглое и Мальцево для оценки влияния на них антропогенной нагрузки за 2-летний период.
Материалы и методы исследования
Площадь водной поверхности оз. Круглое - около 0,23 км2, оз. Мальцево -0,28 км2, озера имеют пологий ландшафт дна, максимальная глубина составляет от 4 до 5 м.
Рис. 1. Точки отбора проб оз. Мальцево и Круглое (1 - N 56°45'00,8" Е 84°44'33,8";
2 - N 56°45'02,1" Е 84°44'14,1"; 3 - N 56°45'08,6" Е 84°42'22,1";
4 - N 56°45'13,6" Е 84°42'44,9")
Отбор проб воды проводили в августе 2021 и 2023 гг. с глубины 0,4-0,6 м от поверхности в стеклянные емкости с последующей консервацией н-гек-саном (рис. 1). Пробы донных отложений (ДО) были отобраны с глубины 0-10 см с использованием пробоотборника ПДО-500, образцы представлены мелкозернистым песком с единичными вкраплениями растительных остатков. В пробах вод и донных отложений определяли общее содержание углеводородов (УВ) и их массовую долю по методикам ПНД Ф 14.1:2.116-97 и
РД 52.18.647-2003. Выделение органических углеводородов из воды и почвы проводили 3-х кратной экстракцией хлороформом с последующей очисткой экстракта методом колоночной хроматографии на оксиде алюминия II ст. активности.
Определение содержания полиароматических углеводородов (ПАУ) в водном образце проводили в соответствии с действующей методикой государственного экологического контроля ПНД Ф 14.1:2:4.70-96. ПАУ экстрагировали н-гексаном. Полученный экстракт упаривали до следовых количеств гексана, доводили объем пробы до 1 мл ацетонитрилом. Экстракцию ПАУ из донных отложений проводили по методике РД 52.24.537-2019. Навеску пробы (10 г) трижды экстрагировали смесью гексана и ацетонит-рила, взятых в соотношении 10:1. Экстракты фильтровали через бумажный фильтр в пробирку для последующего концентрирования на вакуумном концентраторе до объема 0,5 см3. Полученный экстракт очищали методом тонкослойной хроматографии на оксиде алюминия и доводили объем исследуемого образца до 1 мл ацетонитрилом для последующего анализа. Содержание ПАУ в воде и ДО определяли с использованием метода высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) на хроматографе Shimadzu LC-20 (Shimadzu, Япония) с одновременным диодноматричным и флуоресцентным детектированием, на обращенно-фазовой колонке 150-4,6 мм SupelcoSil LC-PAH, фаза C18, размер частиц 5 мкм. В качестве элюента использовали смесь ацетонитрила (1 -й сорт) и бидистиллированной воды. Хроматографи-рование проводили в градиентном режиме: ацетонитрил / вода = (50:50)-(100:0) первые 20 мин, 100% ацетонитрила с 20-й по 40-ю минуту анализа. Скорость потока растворителя составляла 1 мл/мин, объем пробы 20 мкл, рабочая температура колонки 40°С. Время анализа в выбранных условиях 32 мин. Спектры фиксировали в интервале 190-500 нм с регистрацией сигнала на длине волны 254 нм для количественного определения изучаемых компонентов.
Фотосинтетические пигменты в донных отложениях и их концентрацию определяли по методике, предложенной в работе [7] на спектрофотометре Cary 50 (Varian, США). Экстракцию пигментов из ДО проводили 90%-ным водным раствором ацетона. Экстракты оставляли на несколько часов в темном месте для предотвращения разрушения пигментов, затем центрифугировали. Измерение оптической плотности проводили в диапазоне 350800 нм.
Определение тяжелых металлов проводили с использованием волнового рентгенофлуоресцентного спектрометра ARL PERFORM'X 4200 (Thermo Fisher Scietific, Швейцария) последовательного анализа в твердых и жидких пробах c детектором FRC, SC, напряжением на рентгеновской трубке 30 кВ, 80 мА, кристаллами LiF200, Ge111, AX09. Донные образцы были помолоты на планетарной мельнице Pulverisette 6 (Fritsch, Германия) до состояния 200 меш, просеяны, высушены при 105°С в течение одного часа, спрессованы в таблетки диаметром 29 мм на прессе Fluxana Vaneox 40t automatic (FLUXANA GmbH & Co. KG, Германия) на подложке с Н3ВО3. Рентгено-
флуоресцентный анализ (РФА) проведен в вакууме. Обсчет результатов проводили программой Thermo OXSAS 2.1.54 UniQuant (Thermo Fisher Scietific, Швейцария). Использовали стандартные образцы ДО оз. Байкал (БИЛ-2, рег. номер типа СО .№7176-95) для построения калибровочной кривой.
В соответствии с методиками ПНД Ф 16.1:2:2.2:2.3.74-2012, ПНД Ф 14.1:2:4.167-2000, ПНД Ф 14.1:2:3:4.282-18, ПНД Ф 16.1:2:2.3:2.2.69-10 определены массовые концентрации ионного состава воды и водных вытяжек из донных отложений. Для капиллярного электрофореза образцы воды были подготовлены согласно требованиям работы на приборе «Капель-205» и отфильтрованы на мембранном ацетатно-целлюлозном фильтре пористостью 0,40 мкм (Владипор, Россия). Испытания проводили с использованием системы капельного электрофореза «Капель-205» (Люмэкс, Россия). Нижний порог обнаружения составил 0,004 мг/л.
Все пробы были проанализированы не менее трех раз. В статье указаны средние значения. Все полученные значения для донных отложений указаны в пересчете на сухой вес.
Результаты
Проведенные исследования водных образцов и ДО озер Круглое и Маль-цево позволили оценить состояние данных озер и учесть антропогенный вклад в экологическую обстановку. Так, в исследованных водных образцах суммарное содержание УВ находится в интервале 1,3-1,5 мкг/л для 2021 г. и 1,1-1,4 мкг/л для 2023 г., максимальным содержанием характеризуется точка отбора 2 на оз. Мальцево - 20,8 мкг/л в 2021 г. Согласно СанПиН 1.2.3685-21 суммарное содержание нефтепродуктов не должно превышать 0,1 мг/л. В донных отложениях содержание углеводородов изменяется от 58,14 до 82,2 мкг/кг в 2021 г. в оз. Мальцево и Круглое соответственно, а в 2023 г. зафиксировано их незначительное увеличение от 64,93 до 87,7 мкг/кг.
Для ПАУ характерно сочетание токсичных и канцерогенных свойств, они широко распространены и имеют как природное, так и антропогенное происхождение. В литературе содержится информация, как правило, относящая 5-6-циклические ароматические соединения к техногенному происхождению, в то время как более легкие полиарены связывают с гумусовой и наземной высшей растительностью [8, 9]. Согласно рекомендациям СанПиН 1.2.3685-21 содержание нафталина в воде не должно превышать 10 мкг/л, а бенз(а)пирена - 0,01 мкг/л. В почвах ПДК для нафталина не нормируется, а для бенз(а)пирена составляет 0,02 мг/кг.
В пробах воды и донных отложений оз. Мальцево и Круглое были количественно определены в порядке выхода на хроматограммах следующие индивидуальные ПАУ: нафталин (Naph), 2-матилнафталин (2-Naph), флуорен (Fl), фенантрен (Phe), флуорантен (Flu), пирен (Py), бенз[а]антрацен (B[a]A), хризен (Chry), бенз[Ь]флуорантен (B[b]F), бенз[к]флуорантен (B[k]F), бенз[а]пирен (B[a]P), дибенз[а,Цантрацен (D[a,h]A). Результаты представлены на рис. 2.
Содержание ПАУ в изученных пробах поверхностных вод изменяется от 0,01 до 0,13 нг/л для различных соединений при определении в 2021 г., при проведении лабораторных исследований в 2023 г. их содержание зафиксировано в интервале величин от 0,01 до 0,11 нг/л. Суммарное содержание ПАУ в поверхностных водах в оз. Мальцево и Круглое в 2021 г. составило 0,38 и 0,45 нг/л соответственно. В смеси ПАУ в водных образцах отмечается повышенное содержание таких соединений, как нафталин, флуорен и фенан-трен, бенз[а]антрацен. В целом в воде по сравнению с донными отложениями преобладают более легкие 2-3-ядерные полиарены, обладающие лучшей растворимостью. В 2023 г. произошло незначительное повышение содержания ПАУ в оз. Мальцево и Круглое до 0,51 и 0,47 нг/соответственно. Сравнивая результаты мониторинговых исследований, стоит отметить, что характер соединений и их распределение практически не изменились, при этом установлены незначительные изменения в содержания ПАУ в исследуемых пробах (см. рис. 2).
Рис. 2. Содержание полиароматических углеводородов в воде и донных отложениях озер Мальцево и Круглое Томского района
Для оценки степени загрязнения полученные результаты сравнивались с результатами исследованиями содержания ПАУ в других озерах, в том числе оз. Байкал. Результаты, полученные для озер Мальцево и Круглое, сопоставимы с уровнем концентраций ПАУ в поверхностных водах и донных отложениях оз. Байкал. Суммарное содержание ПАУ в водах оз. Байкал изменяется от 0,03 до 0,13 мкг/л [10], а в донных отложениях от 24 до 245 нг/г [9]. Озера, расположенные в зонах повышенной антропогенной нагрузки, характеризуются более высокими значениями содержания ПАУ в воде и донных отложениях. В исследовании [11] показано, что сумма ПАУ в донных отложениях может достигать значений 1 207-4 754 нг/г (оз. Тайху в Восточном Китае), 101,3-322,8 нг/г (оз. Байяндянь в Северном Китае) [12].
В донных отложениях озер Мальцево и Круглое суммарное содержание всех ПАУ в 2021 г составило 49,05 и 48,47 нг/г, что выше, чем в водных образцах. Это связано с их аккумуляцией в осадочном материале. В 2023 г. тенденция к накоплению ПАУ в ДО сохранилась, из содержание составило 50,95 нг/г в оз. Мальцево и 51,85 нг/г в оз. Круглое. Наибольшее содержание выявлено для флуорена, фенантрена, флуорантена, хризена и дибенз[а,Цан-
трацена. На источники пирогенного характера указывают высокие содержания таких соединений, как бенз(а)пирен, пирен, бенз(а)антрацен, которые связаны с антропогенным загрязнением береговой линии, где в летний период отдыхают люди, разжигают костры. Полученные результаты свидетельствуют, что уровень содержания ПАУ в озерах Мальцево и Круглое не превышает ПДК по контролируемым соединениям и находится примерно на том же уровне, что и для оз. Байкал.
Для оценки экологического состояния исследуемых объектов, в том числе для возможности определения антропогенного загрязнения [13], необходимо изучение катионно-анионного состава природных вод и донных отложений. Методом капиллярного электрофореза определен ионный состав воды и ДО озер Круглое и Мальцево, включающий основные катионы Са2+, М§2+, №+, К+, КЫ4+ и анионы С1-, БО42-, Ш3-, РО43-, Р-.
Повышенное содержание соединений азота и фосфора в водных объектах указывает на загрязнения промышленными и бытовыми сточными водами [14]. На территориях, подверженных высокой хозяйственной деятельности человека, содержание КН4+ и РО43- часто превышает значения ПДК. В работе [15] было показано, что химический состав вод малых озер, расположенных на территориях нефтедобывающих районов, отличается повышенным содержанием КН4+ до 1,432 мг/дм3 и содержанием РО43- до 0,417 мг/дм3. Из табл. 1 следует, что концентрации КЫ4+ и РО43- в озерах Круглое и Маль-цево не превышает нормы предельно допустимых концентраций, что говорит об отсутствии различных загрязняющих стоков. Содержание всех определенных катионов и анионов не превышает ПДК согласно СанПиН 1.2.3685-21. Результаты исследования указывают на удовлетворительное качество природных вод, все показатели находятся в пределах нормы.
Таблица 1
Катионно-анионный состав поверхностных вод и донных отложений озер Мальцево и Круглое
Объект Вода Донные отложения ПДК мг/л*
оз. Мальцево оз. Круглое оз. Мальцево оз. Круглое
Точка отбора 2021 2023 2021 2023 2021 2023 2021 2023
Ионы Катионы (С ± Д), мг/л Катионы (С ± Д), мг/лг
№+ 0,05 ± 0,02 0,06 ± 0,02 0,15 ± 0,04 0,17 ± 0,04 2,41 ± 0,39 2,44 ± 0,16 0,47 ± 0,08 0,46 ± 0,08 2,0
К+ 2,23 ± 0,31 2,27 ± 0,32 1,81 ± 0,36 1,86 ± 0,38 4,15 ± 0,66 4,15 ± 0,66 3,00 ± 0,48 3,05 ± 0,48 200,0
Ыа+ 0,99 ± 0,20 1,04 ± 0,22 2,47 ± 0,35 2,49 ± 0,36 4,96 ± 0,79 5,07 ± 0,80 15,07 ± 2,4 16,83 ± 2,89
Mg2+ 0,96 ± 0,19 0,94 ± 0,19 1,02 ± 0,14 0,94 ± 0,13 1,35 ± 0,22 1,38 ± 0,22 5,14 ± 0,82 5,52 ± 0,84 50
Са2+ 2,66 ± 0,37 2,99 ± 0,42 3,43 ± 0,48 3,51 ± 0,49 7,02 ± 1,12 7,52 ± 1,32 12,86 ± 2,06 13,35 ± 2,79 180
Окончание табл. 1
Объект Вода Донные отложения ПДК мг/л*
оз. Мальцево оз. Круглое оз. Мальцево оз. Круглое
Анионы (С ± Д), мг/л Анионы (С ± Д), мг/л
а- 0,74 ± 0,18 0,76 ± 0,18 2,67 ± 0,64 2,69 ± 0,65 1,3 ± 0,31 1,46 ± 0,38 1,63 ± 0,4 1,78 ± 0,5 350,0
< 0,004 0,006 < 0,2 < 0,22 0,30 ± 0,07 0,36 ± 0,08 0,37 ± 0,07 0,42 ± 0,10 3,0
Б042- 1,6 ± 0,46 1,67 ± 0,46 2,67 ± 0,65 2,94 ± 0,68 2,49 ± 0,60 2,55 ± 0,67 2,35 ± 0,60 2,41 ± 0,62 500,0
Шз- < 0,004 < 0,004 < 0,2 < 0,2 < 0,004 < 0,004 0,54 ± 0,08 0,49 ± 0,07 45,0
Е- < 0,1 < 0,12 < 0,1 < 0,1 < 0,1 < 0,1 < 0,1 < 0,1 1,5
РО43- < 0,2 < 0,2 < 0,2 < 0,2 0,12 0,17 0,16 0,13 3,5
Примечания. С ± Д - доверительный интервал при доверительной вероятности 0,95; * - значения ПДК для вод централизованного водоснабжения.
Донные отложения являются наиболее консервативным компонентом природных водных объектов и содержат информацию о загрязненности и особенностях водосборного бассейна, поэтому они могут выступать в качестве индикатора для выявления состава, интенсивности и масштаба техногенного загрязнения.
Для оценки техногенной трансформации потоков тяжелых металлов проведен рентгенофлуоресцентный анализ донных отложений. В табл. 2 представлены данные по содержанию тяжелых металлов в изучаемых образцах.
Таблица 2
Содержание тяжелых металлов (С ± А, мг/кг) в донных отложениях озер Мальцево и Круглое
ТМ оз. Мальцево оз. Круглое ПДК, мг/кг валовое
2021 2023 2021 2023
V 102,1 ± 10,2 100,4 ± 9,95 92,3 ± 9,2 95,3 ± 9,17 150
N1 31,6 ± 4,7 32,7 ± 4,9 79,1 ± 11,9 82,8 ± 12,2 80
Сг 376,6 ± 18,8 372,6 ± 18,8 139,2 ± 6,9 136,8 ± 6,01 не уст.
Мп 1 270,4 ± 63,5 1 279,3 ± 63,85 715,2 ± 35,8 714,9 ± 35,2 1 500
Си 31,5 ± 1,6 32,2 ± 1,7 11,7 ± 0,6 11,3 ± 0,59 132
гп 82,6 ± 12,4 86,5 ± 14,7 169,9 ± 25,4 1 71,2 ± 25,96 220
са 0,4 ± 0,1 0,6 ± 0,1 0,5 ± 0,1 0,6 ± 0,1 2
РЬ 26,2 ± 2,6 26,9 ± 3,1 17,7 ± 1,8 17,2 ± 1,8 32
ЕТМ 1 921,4 1 935,9 1 195,6 1 230,1
Примечание. С ± Д - доверительный интервал при доверительной вероятности 0,95.
Большинство исследователей, занимающихся изучением ТМ в природных объектах [16], в первую очередь акцентируют свое внимание на изучении таких элементов, как V, №, Сг, Мп, Си, Zn, Cd, Sn, Pb. Такое внимание к этим металлам связано с тем, что они могут накапливаться в природных объектах и проявлять токсические свойства [17]. Также в этой работе показана
взаимосвязь между изменением рН и возможностью перехода тяжелых металлов из растворенной формы в адсорбированную. Значение рН в исследованных образцах поверхностных вод озер Мальцево и Круглое находится в диапазоне 6,8-7,2.
Из табл. 2 видно, что валовое содержание определенных тяжелых металлов в образцах донных отложений озер Мальцево и Круглое не превышает значений ПДК, установленных СанПин 1.2.3685-21. За истекшие два года их содержание в ДО изменилось незначительно с тенденцией к увеличению, таким образом, подтверждая тезис, что ДО являются надежным источником информации о процессах, происходящих в природных системах.
Для оценки степени загрязнения рассматривались озера России и мира с различным содержанием ТМ. К чистым озерам относится неглубокое оз. Радужное (природный парк «Ергаки») в котором содержание ТМ составляет: N1 - 20,8 мг/кг, 2п - 104,4 мг/кг, Мп - 160 мг/кг [18]. В озерах, расположенных в непосредственной близости от промышленных производств, содержание ТМ может достигать высоких значений: Cd - 4,2 мг/кг (оз. Яково, Томская обл.), РЬ - 3 345 мг/кг (оз. Большие Ракиты, Алтайский край) [16]. В работе [19] приведено содержание ТМ в озерах, расположенных на территориях Камеруна, Турции, Танзании, Китая. Эти образцы характеризуются широким содержанием ТМ: РЬ - 5,83-91,3 мг/кг, Zn - 53,24-123,0 мг/кг, Cd - 0,08-3,53 мг/кг, - которое зависит от условий осадконакопления (рН, количество взвешенных веществ, антропогенная нагрузка и т.д).
Полученные нами результаты можно сопоставить со значениями содержания данных металлов в оз. Байкал и других различных экосистемах [20]. Они свидетельствуют, что содержание Си, 2п, Cd, РЬ находится на уровне фонового и умеренного загрязнения [18] и не оказывает значительного влияния на биоту. Выявлено повышенное содержание Сг, причины этого на данном этапе исследования не установлены.
Природные водоемы представляют собой сложную экосистему, поэтому оценка их состояния включает не только определение химических показателей (содержание ионов, ТМ, ПАУ и т.д. ), но и учет биологических характеристик. Контроль за качеством поверхностных вод по гидробиологическим показателям предусматривает изучение фотосинтеза фитопланктона и деструкции органического вещества, определение отношения интенсивности фотосинтеза к деструкции органического вещества, содержания хлорофилла [2]. В работе [21] показано, что распределение пигментов неоднородно и зависит не только от качества вод, но и от свойств донных отложений. Для морских прибрежных зон с высоким содержанием песка суммарное содержание пигментов незначительно и может доходить до 4,9 мкг/г, в то время как для илов содержание Хла + Ф составляет 9,1-19,5 мкг/г (Ф -это феофитин, РЬ). Для песчаных донных отложений пресных водохранилищ суммарное содержание Хла + Ф может составлять 0,1-5,5 мкг/г [2].
В рамках нашей работы в донных отложениях было определено содержание природных пигментов: хлорофилла «а», «Ь», «с», каротиноидов. Результаты представлены на рис. 3.
■ Хлорофилл "а" ■ Хлорофилл 'Ь" ■ Хлорофилл 'к" ■ Каротиноиды ■ ПО
1,80
1.60
1,40
£
оз. Мальцеве, 2021 оз. Мальцеве, 2023 оз. Круглое, 2021 оз. Круглое, 2023
Рис. 3. Содержание фитопигментов в донных отложениях озер Томского района
Суммарное содержание хлорофиллов колебалось от 0,5 до 1,14 мкг/г, содержание каротиноидов не превышало 0,9 мкг/г. Такие низкие концентрации пигментов могут быть связаны с гранулометрическим составом ДО, представленных песчаником с размером фракций 0,5-0,25 мм, а также особенностями гидродинамики в прибрежной зоне. Содержание хлорофиллов в донных осадках неоднородно, трофическое состояние изученных озер может оцениваться как мезотрофное [22].
Содержание хлорофилла «а» может отражать состояние автохтонного органического вещества. Этот пигмент в первую очередь подвергается микробиологической и физико-химической деградации, что приводит к накоплению более устойчивых каротиноидов. Для оценки уровня функциональной активности фитоценоза используют пигментное отношение (ПО), которое представляет собой отношение суммы концентраций общих каротиноидов к концентрации хлорофилла «а» [23]. При оптимальном состоянии водорослевой системы значение ПО обычно не превышает 2-5 [24]. Необходимо учитывать, что сезонность влияет на величину ПО. Для мезотрофных водоемов характерно преобладание каротиноидов над зелеными пигментами. Для изученных нами озер данное условие выполняется: значение не превысило 2, что указывает на нормальное функционирование водорослевых сообществ.
Выводы
Проведенное исследование показало, что поверхностные воды озер содержат незначительные количества ПАУ, большая часть которых приходится на 2- и 3-членные циклы. Поверхностный слой ДО, состоящий из мелкого песчаника, характеризуется низким суммарным содержанием ПАУ
до 49,05 нг/г в 2021 г. и 51,85 нг/г в 2023 г., представленными 5- и 6-член-ными структурами, поступление которых связано с антропогенной деятельностью человека и носит пирогенный характер.
Данные по катионно-анионному составу и содержанию ТМ в изучаемых объектах находятся в пределах нормы и не превышают ПДК.
Природные пигменты, определенные в ДО, позволяют охарактеризовать гидробиологическое состояние озер как удовлетворительное и указывают на нормальное функционирование водорослевых сообществ.
По принятым в настоящее время градациям озера относятся к умеренно загрязненным. Проведенные исследования показали, что антропогенная нагрузка не оказала значительного влияния на текущее экологическое состояние озер Мальцево и Круглое, в период с 2021 по 2023 г. процессы саморегуляции данных водоемов были эффективными.
Полученные результаты носят промежуточный характер для оценки экологического состояния малых озер. Для дальнейшей разработки мероприятий по комплексному мониторингу малых водоемов требуется более детальное изучение донных отложений, являющихся информативным источником о загрязнениях.
Список источников
1. Петин А.Н., Лебедева М.Г., Крымская О.В. Анализ и оценка качества поверхностных
вод : учеб. пособие. Белгород : БелГУ, 2006. 252 с.
2. Беляева П.Г., Минеева Н.М., Сигарева Л.Е. и др. Содержание растительных пиментов
в воде и донных отложениях водохранилищ р. Камы // Труды Института биологии внутренних вод им. И.Д. Папанина. 2018. Вып. 81 (84). С. 97-104.
3. Семенов М.Ю., Зимник Е.А. Исследование взаимосвязи содержаний органических и
минеральных компонентов в водах притоков озера Байкал // География и природные ресурсы. 2011. № 4. С. 61-68.
4. Тахтеева В.В., Хадеева Е.Р., Еропова И.О. и др. О химическом составе воды в малых
притооках и прибрежной зоне озера Байкал в период экологического кризиса // Водные ресурсы. 2020. № 47 (3). С. 291-301.
5. Белкина Н.А., Субетто Н.А., Ефременко Н.А. и др. Химический состав донных отло-
жений северной части Ладожского озера как показатель многолетней изменчивости экосистемы водоема // Труды Карельского научного центра РАН. 2015. № 9. С. 53-61.
6. Савкин В.М., Двуреченская С.Я., Сапрыкина Я.В., Марусин К.В. Основные гидро-
лого-морфометрические и гидрохимические характеристики оз. Чаны // Сибирский экологический журнал. 2002. № 2. С. 183-192.
7. Сигарева Л. Е. Хлорофилл в донных отложениях волжских водоемов. М. : Т-во науч.
изд. КМК, 2012. 217 с.
8. Опекунов А.Ю., Митрофанова Е.С., Санни С. и др. Полициклические ароматические
углеводороды в донных отложениях рек и каналов С.-Петербурга // Вестник Санкт-Петербургского университета. 2015. № 7 (4). С. 98-109.
9. Халиков И.С., Лукьянова Н.Н. Содержание полициклических ароматических углеводоро-
дов в донных отложениях озера Байкал по результатам мониторинга в 2017-2018 гг. // Международный научно-исследовательский журнал. 2020. № 6-2 (96). С. 69-73.
10. Горшков А.Г., Маринайте И.И., Земская Т.И., Ходжер Т.В. Современный уровень нефтепродуктов в воде оз. Байкал и его притоков //. Химия в интересах устойчивого развития. 2010. № 18. С. 711-718.
11. Qiao M., Wang C., Huang S., Wang D., Wang Z. Organochlorine compounds and polycyclic aromatic hydrocarbons in surface sediment from Baiyangdian Lake, North China // Environ. Int. 2006. Vol. 32. P. 28-33.
12. Guocheng Hu, Xiaojun Luo. Fengchao Li. Jiayin Dai. Concentrations, sources profiles and potential risk // Journal of Environmental Sciences. 2010. Vol. 22 (2). P. 176-183.
13. Сагдеев М.А., Чигринева Н.А., Сальникова В.И. Определение содержания катионов и анионов в питьевой воде методом капиллярного электрофореза // Современные научные исследования и инновации. 2017. № 3 (71). С. 36-39.
14. Неверова-Дзиопак Е. Оценка трофического состояния поверхностных вод. СПб. : СПбГАСУ, 2020. 176 с.
15. Агбалян Е.В., Шинкарук Е.В. Химический состав вод малых озер нефтегазодобывающих районов Севера Западной Сибири // Успехи современного естествознания. 2019. № 7. С. 45-51.
16. Страховенко В.Д. Геохимия донных отложений малых континентальных озер Сибири : автореф. ... д-ра геол.-минер. наук, 2011. 33 с.
17. Папина Т.С. Транспорт и особенности распределения тяжелых металлов в ряду: вода-взвешенное вещество-донные отложения речных экосистем : аналит. обзор / ГПНТБ СО РАН; ИВЭП СО РАН. Новосибирск, 2001. 58 с. (Сер. Экология; вып. 62).
18. Анищенко О.В., Глущенко Л.А., Дубовская О.П., Зуев И.В., Агеев А.В., Иванова Е.А. Морфологическая характеристика и содержание металлов в воде и донных отложениях горных озер природного парка «Ергаки» (Западный Саян) // Водные ресурсы. 2015. Т. 42, № 5. С. 522-535.
19. Akono D.F., Assomo Ph.S., Atangana J.N., Nkongho A.E., Belinga C.B., Ekomane E. Assessment of traces metals in sediment from Ebolowa Municipal Lake basin (central-africa): potential risk and provenance // Hellyon. 2022. Vol. 8. P. 543-556.
20. Янчук М.С. Экологическая оценка состояния прибрежных вод и донных отложений озера Байкал и его притоков (западное побережье) // Известия Иркутского государственного университета. Сер. Науки о Земле. 2021. № 37. С. 103-114.
21. Коренева Т.Г., Сигарева Л.Е. Пигменты в донных отложениях зал. Анива (Охотское море) // Геосистемы переходных зон. 2022. № 6 (1). С. 60-73.
22. Минеева Н.М. Растительные пигменты в воде волжских водохранилищ. М. : Наука, 2004. 156 с.
23. Смольская О.С., Жукова А.А., Люля А.С. Пигментные и физико-химические характеристики донных отложений озер Нарочь и Мястро // Журнал Белорусского государственного университета. Биология. 2018. № 2. С. 65-77.
24. Фишер Н.К., Гаретова Л.А., Левшина С.И. Состав и распределение органического вещества в донных отложениях нижнего течения р. Тумнин // Региональные проблемы. 2019. № 22 (2). С. 48-54.
References
1. Petin A.N.; Lebedeva M.G.; Krymskaya O.V. Analysis and assessment of surface water
quality. A study guide. BelSU: Belgorod, 2006. 252 p.
2. Belyaeva P.G.; Mineeva N.M.; Sigareva L.E. et al. The content of plant pigments in the water
and bottom sediments of the reservoirs of the Kama River. Proceedings of the IBVV RAS, 2018, issue 81(84), pp. 97-104
3. Semenov M.Yu.; Zimnik E.A. Investigation of the relationship between the contents of or-
ganic and mineral components in the waters of tributaries of Lake Baikal. Geography and natural resources. 2011, 4, 61-68.
4. Takhteeva V.V.; Khadeeva E.R.; Eropova I.O. et al. On the chemical composition of water
in small tributaries and the coastal zone of Lake Baikal during the ecological crisis. Water resources. 2020, 47, 3, 291-301.
H.C. Kopom, ff.H. HyuKuna, H.A. Myxopmuna
5. Belkina N.A.; Subetto N.A.; Efremenko N.A. et al. The chemical composition of bottom
sediments of the northern part of Lake Ladoga as an indicator of the long-term variability of the ecosystem of the reservoir. Proceedings of the Karelian Scientific Center of the Russian Academy of Sciences, 2015, 9, 53-61.
6. Savkin V.M.; Dvurechenskaya S.Ya.; Saprykina Ya.V.; Marusin K.V. Basic hydro-morpho-
metric and hydrochemical characteristics of the lake Chany. Sib. Ecol. Journal. 2002, 2, 183-192.
7. Sigareva L.E. Chlorophyll in bottom sediments of Volga reservoirs. Moscow: Comrade
scientific publishing House of the KMC. 2012, 217.
8. Guardians A.Yu.; Mitrofanova E.S.; Sunny S. et al. Polycyclic aromatic hydrocarbons in
bottom sediments of rivers and canals of St. Petersburg. Vestnik SPb. University. 2015, 7 (4), 98-109.
9. Khalikov I.S.; Lukyanova N.N. The content of polycyclic aromatic hydrocarbons in the
bottom sediments of Lake Baikal according to the results of monitoring in 2017-2018. International Scientific Research Journal. 2020, 6-2 (96), 69-73.
10. Gorshkov A.G.; Marinaite I.I.; Zemskaya T.I.; Hodger T.V. The current level of petroleum products in the lake water. Baikal and its tributaries. Chemistry for Sustainable Development. 2010, 18, 711-718.
11. Qiao M.; Wang C.; Huang S.; Wang D.; Wang Z. Organochlorine compounds and polycyclic aromatic hydrocarbons in surface sediment from Baiyangdian Lake, North China. Environ. Int. 2006, 32, 28-33.
12. Guocheng Hu; Xiaojun Luo; Fengchao Li; Jiayin Dai Concentrations, sources profiles and potential risk. Journal of Environmental Sciences. 22 (2), 2010, 176-183
13. Sagdeev M.A.; Chigrineva N.A.; Salnikova V.I. Determination of the content of cations and anions in drinking water by capillary electrophoresis. Modern Scientific Research and Innovation. 2017, 3 (71), 36-39.
14. Neverova-Dziopak, E. Assessment of the trophic state of surface waters. SPbGASU. St. Petersburg, 2020, ss. 176.
15. Agbalyan E.V.; Shinkaruk E.V. Chemical composition of waters of small lakes of oil and gas producing regions of the North of Western Siberia. The Successes of Modern Natural Science. 2019, 7, 45-51.
16. Strakhovenko V.D. Geochemistry of bottom sediments of small continental lakes of Siberia. The author is a candidate for the degree of Dr. Geol-miner.Sciences, 2011.
17. Papina T.S. Transport and distribution features of heavy metals in the series: water - suspended matter - bottom sediments of river ecosystems. The analyte. review / GPNTB SB RAS; IVEP SB RAS. Novosibirsk, (Ser. Ecology. Issue 62).2001, ss. 58.
18. Anishchenko O.V.; Glushchenko L.A.; Dubovskaya O.P.; Zuev I.V.; Ageev A.V.; Ivanova E.A. Morphological characteristics and metal content in water and bottom sediments of mountain lakes of the Yergaki Natural Park (Western Sayan). Water Resources, 2015, volume 42, 5, 522-535.
19. Akono D.F.; Assomo Ph.S.; Atangana J.N.; Nkongho A.E.; Belinga C.B.; Ekomane E. Assessment of traces metals in sedi-ment from Ebolowa Municipal Lake basin (central-africa): potential risk and provenance. Hellyon, 8, 2022, 543-556.
20. Yanchuk M.S. Ecological assessment of the state of coastal waters and bottom sediments of Lake Baikal and its tributaries (west coast). Proceedings of Irkutsk State University: Series "Earth Sciences", 2021, 37, 103-114.
21. Koreneva T.G.; Sigareva L.E. Pigments in bottom sediments hall. Aniva (Sea of Okhotsk). Geosystems of transition zones, 2022, 6(1), 193.
22. Mineeva N.M. Plant pigments in the water of the Volga reservoirs. Moscow: Nauka. 2004, pp. 156.
23. Smolskaya O.S.; Zhukova A.A.; Lyulya A.S. Pigment and physico-chemical characteristics of bottom sediments of lakes Naroch and Myastro. Journal White Russian State University. Biology. 2018, 2, 65-77.
24. Fisher N.K.; Garetova L.A.; Levshina S.I. Composition and distribution of organic matter in bottom sediments of the lower reaches of the Tumnin River. Regional Problems. 2019, 22,2, 48-54.
Сведения об авторах:
Король Ирина Степановна - кандидат химических наук, старший научный сотрудник, заведующая лабораторией физико-химических исследований кернов и пластовых флюидов Томского филиала Института нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофи-мука Сибирского отделения РАН (Томск, Россия). E-mail: [email protected] Чуйкина Дарья Ивановна - кандидат химических наук, старший научный сотрудник лаборатории физико-химических исследований кернов и пластовых флюидов Томского филиала Института нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука Сибирского отделения РАН (Томск, Россия). E-mail: [email protected]
Мухортина Наталья Андреевна - младший научный сотрудник лаборатории физико-химических исследований кернов и пластовых флюидов Томского филиала Института нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука Сибирского отделения РАН (Томск, Россия). E-mail: [email protected]
Вклад авторов: все авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку публикации. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Information about the authors:
Korol Irina S. - PhD, Head of Laboratory Physic-Chemical Studies of Cores and Reservoir Fluids of the Trofimuk Institute of Petroleum-Gas Geology and Geophysics of the Siberian Branch of RAS, Tomsk Department (Tomsk, Russia). E-mail: [email protected] Chuikina Daria I. - PhD, Researcher Laboratories of Physic-Chemical Studies of Cores and Reservoir Fluids of the Trofimuk Institute of Petroleum-Gas Geology and Geophysics of the Siberian Branch of RAS, Tomsk Department (Tomsk, Russia). E-mail: [email protected] Mukhortina Natalia A. - Researcher Laboratories of Physic-Chemical Studies of Cores and Reservoir Fluids of the Trofimuk Institute of Petroleum-Gas Geology and Geophysics of the Siberian Branch of RAS, Tomsk Department (Tomsk, Russia). E-mail: mukhortinana@ipgg. sbras.ru
Contribution of the authors: the authors contributed equally to this article. The authors declare no conflicts of interests.
Статья поступила в редакцию 16.04.2024; принята к публикации 16.08.2024 The article was submitted 16.04.2024; accepted for publication 16.08.2024
