CC BY
20
УДК [502.51(282.02):556.3.01]:574.24
Лузева Ю.С., Буймова С.А., Бубнов А.Г., Буймов С.Д. КАЧЕСТВО РОДНИКОВОЙ ВОДЫ
Лузева Юлия Сергеевна - магистрант 1-го года обучения кафедры промышленной экологии ФГБОУ ВО Ивановский государственный химико-технологический университет, Россия, Иваново, 153000, пр. Шереметевский, 7; luzeva.yulya@mail.ru
Буймова Светлана Александровна - кандидат химических наук, доцент, доцент кафедры промышленной экологии ФГБОУ ВО Ивановский государственный химико-технологический университет, Россия, Иваново, 153000, пр. Шереметевский, 7.
Бубнов Андрей Германович - доктор химических наук, доцент, профессор кафедры промышленной экологии ФГБОУ ВО Ивановский государственный химико-технологический университет, Россия, Иваново, 153000, пр. Шереметевский, 7
Буймов Станислав Дмитриевич - учащийся МБОУ СШ № 28, Россия, Иваново, 153022, ул. Нефедова, 10. В статье рассмотрены проблемы безопасности родников. Проведена оценка уровня токсичности родниковых вод, а также воды из системы водопровода в городах Иваново и Кохма Ивановской области с помощью методов биотестирования с применением в качестве тест-организмов ракообразных Daphnia Magna. Определён химический состав родниковой воды с применением физико-химических методов исследования. А также проведён корреляционный анализ между содержанием различных компонентов в родниковой воде и процентом гибели тест-организмов.
Ключевые слова: мониторинг, биотестирование, родниковая вода, химический анализ, критериальные поллютанты.
QUALITY OF SPRING WATER
Luzeva Yu.S.1, Buymova S.A.1, Bubnov A.G.1, Buimov S.D.2
1 Ivanovo State University of Chemistry and Technology, Russia, Ivanovo, 153000, Sheremetyevo Avenue, 7.
2 MBOU SOSH № 28, Russia, Ivanovo, 153022, Nefedova str., 10.
The article discusses the problems of spring safety. The toxicity level of spring waters, as well as water from the water supply system in the cities of Ivanovo and Kohma of the Ivanovo region was assessed using biotesting methods using Daphnia Magna crustaceans as test organisms. The chemical composition of spring water was determined using physico-chemical research methods. A correlation analysis was also carried out between the content of various components in spring water and the percentage of death of test organisms. Keywords: monitoring, biotesting, spring water, chemical analysis, criteria pollutants.
Введение
Возрастающая техногенная нагрузка в крупных промышленных городах влечёт за собой вероятность возникновения (увеличения) аварийных и чрезвычайных ситуаций техногенного характера. Антропогенный фактор является причиной возникновения аварий и чрезвычайных ситуаций, влекущих за собой экологические проблемы, связанные с негативным воздействием на объекты окружающей среды. При возникновении проблем с подачей населению питьевой воды из централизованных систем водоснабжения, резервным источником могут стать родники, расположенные на территории или вблизи населённых пунктов. Кроме того, проблема качества питьевой воды в крупных городах также вынуждает население искать резервные источники питьевого водоснабжения.
Ливневые сточные воды с автомобильных дорог проходя через почвенный слой могут стать источником загрязнения подземных вод (в том числе родниковых). В связи с этим необходимо проводить постоянный контроль качества подземных вод. Оценка качества окружающей среды и эффективность мер по её восстановлению стала важной научно-практической задачей. Поэтому целью работы являлись анализ и
оценка состояния родниковых вод с применением физико-химических методов и биотестового анализа.
Экспериментальная часть
В работе проводился биотестовый анализ образцов родниковых вод с применением ракообразных Daphnia Magna [1]. Daphnia Magna в природных условиях живут в мелких водоёмах, питаются бактериями и фитопланктоном. Легко культивируется в лабораторных условиях в любое время года и обладают высокой чувствительностью к токсикантам различной природы [2]. Методика биотестирования рекомендована органами Росприроднадзора для анализа и оценки качества сточных, подземных и поверхностных вод, донных отложений, а также водных растворов отдельных веществ и их смесей [1]. Представленный метод позволяет установить наличие или отсутствие острого токсического действия и хронической интоксикации.
Для анализа были отобраны пробы воды из трёх родников, расположенных в городах Иваново и Кохма, а также анализировалась вода из городской централизованной системы водопровода города Иваново. Для анализа использовались Daphnia Magna в возрасте до 24 часов. Продолжительность биотестирования - 96 часов, начальная посадка Daphnia Magna - 10 штук. В каждом опыте, согласно РД
52.24.635-2002, в течение определённого времени подсчитывалось количество выживших Daphnia Magna. Пробы родниковой воды отбирались с марта 2021 по февраль 2022 года. Пригодность культуры к биотестированию определяли с помощью чувствительности тест-организмов к стандартному токсиканту (К2Сг2О7). С этой целью установили среднее значение величины летального времени - LT50, которое находилось в пределах 24 часов. Результаты биотестирования считались достоверными, так как гибель тест-организмов в контрольной пробе за всё время наблюдений не превысила 10 %.
Результаты исследований проб родниковой и водопроводной воды представлены на рис. 1 и 2. Контроль качества водопроводной воды проводился параллельно с родниковой водой.
Количество погибших дафний, % 50г
40
30
20
101
_1_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_
III IV V VI VII VIII IX X XI XII I II (а) Период исследования 2021-2022 гг.
Количество погибших дафний, % 70
60
50
40
Ш IV V VI VII VIII IX X XI XII I II
(б) Период исследования 2021-2022 гг.
Рис. 1. Динамика количества погибших Daphnia Magna от времени при биотестировании родниковой воды (а - острое токсическое действие; б - хроническая
интоксикация) - ■ - родник № 1 (г. Иваново, район городского
бассейна); - • - родник № 2 (г. Кохма); - ▲ - родник № 3 (г. Иваново, парк отдыха).
Для примера на рис. 2 представлены результаты, полученные в ноябре 2021 г. Результаты эксперимента показали, что пробы водопроводной воды обладают острым токсическим действием на тест-организмы, а для проб родниковой воды характерно наличие хронической интоксикации.
Количество погибших 80 г дафний, %
70 60 50 40 30 20 10 0
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Время, ч
Рис. 2. Зависимость количества погибших Daphnia Magna от времени при биотестировании
водопроводной воды (г. Иваново) в ноябре 2021 г.
На основании полученных данных можно провести ранжирование источников родниковой воды по уровню токсического эффекта (в порядке снижения) [3]:
городская водопроводная вода ^ родник в городе Кохма ^ родник в районе городского бассейна г. Иваново ^ родник в парке отдыха «Харинка» г. Иваново.
Отметим, что подготовка и обеззараживание воды, поступающей в централизованную систему водоснабжения г. Иваново, осуществляется с применением этапов хлорирования, поэтому вполне ожидаемы результаты гибели дафний. Этот факт подтверждает отсутствие благоприятной среды для развития патогенных микроорганизмов, продукты жизнедеятельности которых, могут оказать токсичное действие на организм человека и вызвать заболевания желудочно-кишечного тракта.
Для определения возможных причин гибели тест-организмов и идентификации поллютантов, содержащихся в пробах родниковой воды, в работе проводился анализ состояния исследованных образцов вод с применением физико-химических методов исследования. Отбор и анализ проб воды проводились в соответствии с действующей нормативной документацией при участии специалистов аккредитованной лаборатории. Контроль качества воды осуществлялся по следующим показателям:
1) органолептическим: запах, привкус, цветность, мутность (согласно ГОСТ Р 57164-2016);
2) обобщённым: рН (РД 52.24.495-2017), ХПКкмп04 (ГОСТ Р 55684-2013), жёсткость (ГОСТ 31954-2012), общая минерализация (ГОСТ 18164-72), синтетические поверхностно-активные вещества - СПАВ (ГОСТ 31857-2012.);
3) содержанию анионов: SO42- (ГОСТ 31940-2012),
а- (ГОСТ 4245-72), NO3- (ГОСТ 23268.9-78), NO2-
(ГОСТ 33045-2014);
4) содержанию катионов: NH+ (ГОСТ 33045-2014), Pb2+ (ГОСТ 18293-72), Al3+ (ПНД Ф 14.1:2:4.166-2000), Zn2+, Cd2+, Со2+, Ni2+ (ПНД Ф 14.1:2.214-06, РД 52.24.494-2006) а также общее содержание Сиобщ (ГОСТ 4388-72), Геобщ (ГОСТ 4011-72), Мпобщ (ГОСТ 4974-2014), Сгобщ (ПНД Ф 14.1:2:4.52-96, ГОСТ 319562012).
Для определения вышеперечисленных показателей использовались термогравиметрический,
фотометрический (в частности,
фотоэлектроколориметрия), титриметрический,
потенциометрический методы анализа, а также метод атомно-абсорбционной спектрофотометрии. В случае возникновения чрезвычайных ситуаций техногенного или природного характера возможно использование для питьевых целей родниковой воды, а гигиенические требования, предъявляемые к качеству воды нецентрализованного водоснабжения такие же, как и предъявляемые к водопроводной воде, то для оценки качества родниковой воды нами были использованы ПДКпит в соответствии с СанПиН 2.1.4.1074-01 [4]. Отметим, что результаты исследования с применением физико-химических методов подтвердили данные, полученные с помощью метода биотестирования с применением Daphnia Magna [5].
Общая жёсткость, С/Норма 1,4-
1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2
норма
III V VII IX XI I Период исследования 2021-2022 гг. а)
Содержание СПАВ, C/ПДК 4,0|-
3,5
3,0
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
норма
III V VII IX XI I Период исследования 2021-2022 гг.
2 ^Содержание NO3", C/ПДК
2,0 1,5 1,0 0,5
б)
норма
III V VII IX XI I Период исследования 2021-2022 гг. в)
Рис 3. Изменение величин общей жёсткости (а), СПАВ (б), величины Nüs~ (в) для родниковой воды за период с марта 2021 по февраль 2022 гг. - ■ - родник № 1 (г. Иваново, район городского бассейна); - • - родник № 2 (г. Кохма);
- ▲ - родник № 3 (г. Иваново, парк отдыха).
В исследованных источниках обнаружено превышение нормативных требований по показателям качества: по величине общей жёсткости (на уровне 1,3 ПДКпит), СПАВ (до 4,0 ПДКпит) и содержанию NO3- (до 2,4 ПДКпит) - рис. 3.
Таким образом, результаты исследования с применением физико-химических методов
подтвердили данные, полученные с помощью метода биотестирования с применением Daphnia Magna [5].
Обнаруженные в воде компоненты могут вызвать неблагоприятное влияние на организм человека при постоянном употреблении воды данного состава в питьевых целях. Поэтому перед пероральным употреблением родниковой воды необходима её очистка (обработка). Эксперименты показали, что после дополнительной обработки воды (например -кипячения и фильтрования на бытовых фильтрах) содержание вредных компонентов в воде снижается до достижения значений, установленных нормативными документами.
В работе был проведён корреляционный анализ между различными показателями качества на основе рассчитанных значений:
- коэффициента регрессии (R2);
- точечной оценки коэффициента парной корреляции (I'jk);
- стандартной ошибки коэффициента парной корреляции (сгг).
На основе полученного коэффициента регрессии для источника №1 (г. Иваново, район городского бассейна) наблюдались выраженные корреляционные зависимости между количеством погибших Daphnia Magna и величиной общей минерализации и ХПК родниковой воды, содержанием солей жёсткости, синтетических поверхностно-активных веществ (СПАВ), Cl-, SO42-, NO3-, NO2-, NH+, соединений Реобщ, Мпобщ., Zn2+, Ni2+, Со2+ ( рис. 4).
Вероятнее всего содержание именно этих компонентов влечёт гибель тест-организмов. Полученные данные подтверждают сделанные ранее выводы о выборе приоритетных (критериальных) поллютантов, характерных для родниковой воды города Иваново.
Отметим, что не было выявлено корреляционных зависимостей между количеством погибших Daphnia Magna и содержанием соединений меди (Cu общ ).
Аналогичным образом были проанализированы и сопоставлены данные химического и биотестового анализов родниковой воды, отобранной из источников № 2 (г. Кохма) (рис. 5) и № 3 (г. Иваново, парк отдыха «Харинка») (рис. 6). Результаты показали, что для родников № 2 и № 3 наблюдались аналогичные зависимости. Для родника № 2 исключения составили показатели величина общей минерализации родниковой воды, а также содержание NHH+и соединений Zn2+. Для родника № 3 - общее содержание солей жёсткости. Это может быть связано с более низкими концентрациями вышеперечисленных компонентов, по сравнению с водой из родника № 1.
0,35
. 0,30
&
§ 0,25 |0,20 I 0,15 0,10
J_I_I_I_и
70
65 я
я
60 я и
55 ю
Е
50 ё
о
45 ё
40 £
III IV V VIУПУПИХ X XIXII I II Период исследования 2021-2022 гг.
о
о
3,0 2,5 2,0 1,5
В. 1,0 0,5
III IV V ^УТ^УПУППХ X XIXII I II Период исследования 2021-2022 гг.
1,0
§ 0,8
О
Г 0,6
8
0,4-
0,2
70 65 60 55 50 45 40
Ш IV V VIVПVШIX X XIXII I II Период исследования 2021-2022 гг.
0,003 -
о
0,002
Ц 0,001 у
III IV V ^УЛУШК X XIXП I II Период исследования 2021-2022 гг.
Рис. 4. Результаты химического и биотестового анализа (хроническая интоксикация)родниковой воды г. Иваново (район городского бассейна) за период с марта 2021 по февраль 2022 гг.
о
0,12 0,10 0,08 I 0,06
I 0,04 5 0,02
- 70
й
65
III IV V VIУПУШК X XIXII I II Период исследования 2021-2022 гг.
—! -|60 ш IV V VIушита X XIXIГT II
Период исследования 2021-2022 гг.
£
Рис. 5. Результаты химического и биотестового анализа (хроническая интоксикация)родниковой воды из источника в г. Кохма за период с марта 2021 по февраль 2022 гг.
0,06
& £
0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0,00
хО 50 £ й а 0,7 § 0,6 о Щ,5
45 Л ё я ¿Г 0,4 И 0,3
О Количество ! 0,2 5 0,1
50
=я я
£
и
45 £
¡5
40
I
IIIIV V VI ^мига X XIXII I II Период исследования 2021-2022 гг.
Ш IV V ^^МПИ: X XIX!! I II Период исследования 2021-2022 гг.
Рис. 6. Результаты химического и биотестового анализа (хроническая интоксикация)родниковой воды г. Иваново (парк отдыха «Харинка») за период с марта 2021по февраль 2022 гг.
В работе были проведены расчёты точечной оценки коэффициента парной корреляции между рассматриваемыми показателями, характеризующими химический состав родниковой воды, и результатами биотестирования (количеством погибших тест-организмов).
Далее полученные в работе значения коэффициентов парной корреляции были обработаны расчётным путём и определена стандартная ошибка коэффициента парной корреляции.
Поскольку значение стандартной ошибки коэффициента парной корреляции, в большинстве случаев, составило менее 20 %, то можно судить о степени стохастической связи между рассматриваемыми компонентами, т.е. о тесноте стохастической связи между результатами химического анализа по различным компонентам и процентом погибших тест-организмов в родниковой воде при данном объёме выборки.
Исключение составили следующие пары показателей: для родника № 3 (г. Иваново, парк «Харинка») NO2- / процент погибших тест-организмов (ог = 80 % от величины г), NH+ / процент погибших тест-организмов (ог = 57 %), Си общ. / процент погибших тест-организмов (ог = 53% от величины г) и Co2+ / процент погибших тест-организмов (ог = 60 % от величины г). Следовательно, полученные значения не позволяют судить о тесноте стохастической связи между показателями.
Поскольку полученное значение точечной оценки коэффициента парной корреляции г > 0,6 наблюдалось для большинства зависимостей, то можно сделать вывод о высоком значении коэффициента парной корреляции между контролируемыми показателями (содержанием различных компонентов и процентом гибели дафний) в родниковой воде. Исключение составили: содержание ионов аммония (NH4+) = 0,505 и соединений кобальта (Co2+) = 0,516. Здесь была характерна заметная корреляция между показателями. Содержание нитритов (NO2-) не коррелировало с процентом гибели тест-организмов (для родниковой воды из источника № 3).
Отметим, что рассчитанное значение стандартной ошибки коэффициента парной корреляции ( ог ), в большинстве случаев, оказалось отрицательным или значительно меньше 1. Это позволяет судить о наличии стохастической связи между рассматриваемыми компонентами.
Выявлено, что связь между наличием в родниковой воде большинства контролируемых компонентов и процентом гибели тест-организмов высокая. При этом следует отметить, что выводы, полученные на основании точечных оценок коэффициентов парной корреляции между двумя переменными (содержанием компонентов и процентом гибели дафний) и коэффициентов регрессии согласуются, т.е. нельзя исключать вероятность возможного негативного влияния вышеперечисленных компонентов,
содержащихся в родниковой воде, на гибель Daphnia Magna.
Таким образом, для родниковой воды из исследованных природных источников выявлены корреляционные зависимости между количеством
погибших Daphnia Magna и содержанием в воде большинства контролируемых показателей. Однако следует отметить, что наибольшее влияние на гибель дафний оказывали следующие величины:
- для родника № 1 (г. Иваново, район городского бассейна): перманганатная окисляемость, содержание Cl-, SO42-, NO3-, NO2-, Реобщ., Zn2+, Ni2+;
- для родника № 2 (г. Кохма): жёсткость, СПАВ, содержание Cl-, SO42-, NO2-, Zn2+, Ni2+;
- для родника № 3 (г. Иваново, парк «Харинка»): общая минерализация, СПАВ, содержание Cl-, SO42-, Zn2+, Cu общ., Ni2+.
Заключение
1) результаты биотестирования подтверждают данные, полученные с помощью физико-химического анализа проб родниковой и водопроводной воды;
2) оценка состояния вод с применением биотестового и физико-химических методов анализа показала наличие в воде поллютантов, которые могут приводить к хронической интоксикации организма (при постоянном употреблении воды в питьевых целях);
3) для родниковой воды из исследованных природных источников выявлены корреляционные зависимости между количеством погибших Daphnia Magna и содержанием в воде большинства контролируемых показателей. Наибольшее влияние на гибель Daphnia Magna оказывали следующие компоненты: СПАВ, Cl-, SO42-, Zn2+, Ni2+, Cu общ., Реобщ.;
4) выводы, полученные на основании точечных оценок коэффициентов парной корреляции между двумя переменными (содержанием компонентов и процентом гибели дафний) и точечных оценок коэффициентов регрессии согласуются;
5) вода из исследованных природных источников может быть использована в качестве резервного источника питьевой воды строго после предварительной водоподготовки.
Список литературы
1. ПНД Ф Т 14.1:2:4.12-06 Токсикологические методы анализа. Методика определения токсичности водных вытяжек из почв, осадков сточных вод и отходов, питьевой, сточной и природной воды по смертности тест-объекта Daphnia Magna. - М.: 2006.44 с.
2. Руководство по определению методов биотестирования токсичности вод, донных отложений, загрязняющих веществ и буровых растворов. - М: РЭФИА, НИА-Природа. 2002. - 118 с.
3. Буймова, С.А. Проблемы безопасности родниковых вод и оценка воздействия уровня загрязнения на объекты биосферы / С.А. Буймова, А.Г. Бубнов, А.А. Каленова, Ю.А. Малова, А.А. Колотилова, Ю.С. Лузева // Актуальные проблемы безопасности в техносфере (научно-аналитический журнал). - 2021. - № 1 (1). - С. 11 - 18.
4. СанПиН 2.1.4.1074-01 Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения.
5. Буймова С.А. Комплексная оценка качества родниковых вод на примере Ивановской области/ С.А. Буймова, А.Г. Бубнов; под ред. А.Г. Бубнова; Иван. гос.хим.-технол. ун-т.- Иваново, 2012. - 463 с.
