CC BY
83
ВЕСТНИК ТОМСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА
№ 348 Июль 2011
НАУКИ О ЗЕМЛЕ
УДК 550.4: 551.444.4: 553.973
П.В. Бернатонис, Ю.Г. Копылова, В.К. Бернатонис, Э.Д. Рябчикова, В. С. Архипов ОРГАНИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА В ВОДАХ САПРОПЕЛЕВЫХ ОЗЕР ТОМСКОЙ ОБЛАСТИ
Сапропелевые озера южных районов Томской области характеризуются высокой биологической продуктивностью. Это приводит к обогащению озерных вод органическими соединениями, оказывающими существенное влияние на миграцию в водах и накопление в донных отложениях различных макро- и микроэлементов.
Ключевые слова: озера; сапропель; органическое вещество; трофический статус озер; условия накопления сапропелей.
Введение
Сапропели - органо-минеральные отложения пресноводных озер, имеющие зольность не более 85% [1]. Они состоят из кластического материала, минеральных новообразований хемогенного и биогенного происхождения и продуктов распада растительных и животных организмов. Условия сапропелеобразования определяются характером происходящих в озерах физикохимических и биогенных процессов. При этом главную роль играют биогенные процессы [2-7], протекающие в три сменяющие друг друга стадии [8]: первичную (фотосинтез), промежуточную (взаимодействие водной флоры и фауны) и конечную (илообразование).
Методика исследований
Авторами статьи было обследовано более 300 сапропелевых озер в Асиновском (озера с шифром АСС), Зырянском (ЗЫС), Томском (ТОС), Кожевниковском (КОС), Шегарском (ШЕС) и Кривошеинском (КРС) районах Томской области.
Гидрогеохимические исследования при этом были выполнены на 20 озерах (табл. 1), расположенных в поймах рек Оби, Томи, Чулыма, Кии, Шегарки и Чети. На каждом озере потенциометрическим методом определяли pH, БИ и электропроводность вод. Пробы отбирали из приповерхностных слоев водоемов в специально подготовленную полиэтиленовую или стеклянную посуду. Видовой состав фито- и зоопланктона устанавливали с помощью микроскопических исследований (аналитики Э.Д. Рябчикова и Н.А. Антропова). Микробиологические анализы выполняли путем посева проб воды на питательные среды [8-10] для автотрофных и гетеротрофных микроорганизмов (аналитик Н.А. Трифонова). Анализы вод проводили в аккредитованной проблемной научно-исследовательской лаборатории гидрогеохимии Томского политехнического университета (аналитики В.М. Марулева, А.А. Хващевская, А.Н. Ефимова, Р.Ф. Зарубина и Н.И. Шердакова).
Органические вещества в озерных водах
Воды озер (табл. 2) имеют преимущественно слабощелочной и щелочной характер геохимической среды (pH = 6,88-8,46). Лишь в озерах АСС-48, АСС-65, АСС-14, КОС-16, ТОС-3 и КРС-36 отмечается нейтральная реакция среды. Окислительно-восстанови-
тельные условия в водах озер чаще всего характеризуются положительными значениями БИ (от +32 до +237 мВ). Лишь в зарастающих озерах с торфянистым видом сапропеля наблюдается более восстановительная обстановка (БИ от -43 до -82 мВ).
Минерализация озерных вод колеблется от 72 до 533 мг/л, составляя в среднем 251 мг/л, и хорошо коррелирует со значениями их электропроводности, которая изменяется от 0,079 до 0,512 мСм/см. С ростом минерализации вод наблюдается увеличение их рН и концентраций гидрокарбонат-иона, кремния, кальция, магния и натрия. Общая жесткость вод варьирует от 0,4 до 6,2 мг-экв/л. По ионному составу воды озер гидрокарбонатные кальциево-магниевые, иногда с присутствием сульфат-иона до 17 экв-% и хлор-иона - до 11 экв-%.
Обращает на себя внимание высокое содержание в водах органических веществ, в силу чего они нередко приобретают желтовато-бурый цвет. Цветность вод колеблется от 13,9 до 104,4° по РЮо шкале.
Значения перманганатной окисляемости изменяются от 2,00 до 18,56 мгО2/л. Причем в водах с минерализацией от 100 до 400 мг/л её значения обычно максимальные, а с минерализацией более 400 мг/л и менее 100 мг/л - минимальные. Бихроматная окисляемость (ХПК) озерных вод изменяется от 9,0 до 100,0 мгО2/л и, соответственно, содержание Сорг варьирует при этом в пределах от 3,3 до 37,5 мг/л.
Выявленная тенденция изменения значений пер-манганатной окисляемости в зависимости от минерализации озерных вод характерна и для ХПК. Наибольшие значения ХПК (от 20 до100 мгО2/л) отмечаются в водах с минерализацией от 100 до 400 мг/л. При этом превышение значений бихроматной окисляемости над пер-манганатной составляет от 3,5 до 13 раз в водах с минерализацией от 100 до 400 мг/л, снижаясь до 5 раз в водах с минерализацией до 100 мг/л и до 3 раз в водах с минерализацией более 400 мг/л. Содержание органического углерода в озерных водах при этом изменяется чаще всего от 10,0 до 37,5 мг/л, в то время как в водах с минерализацией менее 100 мг/л и более 400 мг/л его концентрация обычно не превышает 10 мгО2/л.
Аналогичная закономерность изменения концентраций в водах разной минерализации обнаруживается и для составляющих азота. Наиболее ярко это прослеживается при анализе распределения в водах иона аммония. Его концентрации до 0,5 мг/л обычно отмечаются в водах с минерализацией менее 100 мг/л, увеличиваются до 1 мг/л и более в водах с минерализацией от 100 до 400 мг/л и
уменьшаются до 0,36-0,65 мг/л в водах с минерализацией более 400 мг/л. Нитратная составляющая азота пользуется слабым проявлением в озерных водах (0,13-0,52 мг/л). Для неё также можно проследить установленные выше закономерности увеличения концентрации в водах с ми-
нерализацией от 100 до 400 мг/л. Нитриты в водах озер не обнаружены. Приведенные данные позволяют предположить, что в водах озер наблюдается начальная стадия разложения органических веществ с преобладанием природных процессов аммонификации.
Т а б л и ц а 1
Характеристика исследованных озер
№ п/п | Название водоема Шифр озера Географические координаты Площадь водоема, га
Асиновский район
1 Без названия АСС-14 57о15/41.3// с.ш.; 85о55/23.7// в.д 4,80
2 Озеро Чертаны (местное) АСС-15 57о93/31.9// с.ш.; 85о41/20.7// в.д 6,00
3 Озеро Тургайское АСС-26 57о21/31.8// с.ш.; 85о52'44.7'' в.д 10,00
4 Озеро Большое Колесниково АСС-48 57о19'04.9'' с.ш.; 85о54'33.4'' в.д. 4,00
5 Озеро Каштык АСС-65 57о01'46.5'' с.ш.; 86о11/16.5// в.д. 52,00
Томский район
6 Озеро Боярское ТОС-1 56о27/05.0// с.ш.; 84о55/05.7// в.д. 6,80
7 Озеро Песчаное ТОС-3 56о26'22.3'' с.ш.; 84о55'00.5'' в.д. 2,50
8 Озеро Таяново ТОС-9 56о28/02.0// с.ш.; 84о53/45.1// в.д. 16,50
Кожевниковский район
9 Без названия КОС-1 56о25/15.8// с.ш.; 83о53'59.6'' в.д. 6,00
10 Пруд на р. Кумлова КОС-16 56о03/11.4// с.ш.; 83о44'14.0'' в.д. 80,00
11 Озеро Линево КОС-26 56о44'56.9'' с.ш.; 83о38'24.12'' в.д 30,00
Зырянский район
12 Старица р. Четь ЗЫС-13 56о52'48.5'' с.ш.; 87о50/16.1// в.д. 14,00
13 Без названия ЗЫС-25 56о37'33.9'' с.ш.; 86о52'06.5'' в.д. 8,00
14 Озеро Марчиха ЗЫС-40 56о49/18.2// с.ш.; 87о41'06.5'' в.д. 2 40,00
Кривошеинский район
15 Без названия КРС-23 57о08/15.2// с.ш.; 83о58/16.0// в.д. 2,40
16 Без названия КРС-36 57о12'08.9'' с.ш.; 84о18/15.4// в.д. 6,00
17 Без названия КРС-42 57о10/50.7// с.ш.; 84о21/05.5// в.д. 40,00
Шегарский район
18 Озеро Жарково ШЕС-3 56о40'40.0'' с.ш.; 84о15'40.2'' в.д. 80,00
19 Без названия ШЕС-18 56о30/17.6// с.ш.; 84о00'36.7'' в.д. 12,00
20 Без названия ТТТЕС-19 56о29'55.9'' с.ш.; 84о00'00.9'' в.д. 2,50
Т а б л и ц а 2
Органические вещества в водах сапропелевых озер
Шифр озера pH ЕЬ, мВ М03 , мг/л МН4+, мг/л Р043 , мг/л Перман-ганатная окисля-емость, мгО2/л Сорг., мг/л Мине- рализация, мг/л Цветность, град. по Р-Со шкале
ТОС-1 7,76 - 0,13 0,247 0,010 3,20 3,3 72 25,5
ЗЫС-25 7,80 160 0,13 0,551 0,018 8,80 27,3 84 27,3
АСС-48 7,20 141 0,39 1,045 0,170 14,70 10,1 90 83,9
АСС-15 8,05 191 0,26 0,505 0,012 11,68 8,8 111 56,2
АСС-65 6,88 171 0,34 0,722 0,090 12,80 6,0 128 52,5
АСС-14 7,06 86 0,39 0,608 0,080 15,36 18,3 149 104,4
КОС-16 7,10 96 <0,10 1,064 0,170 10,40 10,8 164 47,4
ТОС-3 7,27 - 0,52 1,159 0,067 16,00 14,2 166 13,9
АСС-26 8,21 237 0,13 0,296 0,028 7,20 4,1 169 32,8
КРС-36 7,07 -82 0,39 1,064 0,120 16,48 16,5 219 60,6
КРС-42 8,10 32 0,26 1,390 0,050 18,56 16,1 233 67,2
ТОС-9 7,83 - 0,34 1,444 0,170 14,70 12,7 237 81,0
КОС-26 8,46 119 0,52 0,942 0,007 18,10 15,0 280 85,4
ШЕС-19 7,40 66 0,34 1,246 0,029 13,75 16,1 309 65,7
ЗЫС-40 8,46 119 0,26 1,037 <0,010 4,00 37,5 365 46,7
ШЕС-3 7,65 169 0,52 0,539 0,080 9,60 8,4 388 70,4
ЗЫС-13 7,76 190 0,13 0,600 0,060 2,00 7,5 391 21,1
ШЕС-18 8,03 -61 0,26 0,646 <0,010 5,84 11,2 413 34,5
КОС-1 7,40 -43 0,13 0,645 0,040 5,36 4,5 524 46,7
КРС-23 7,98 35 0,26 0,361 0,007 5,04 8,2 533 36,5
Эта тенденция прослеживается и в поведении других биогенных элементов. Так, в водах с минерализацией от 100 до 400 мг/л наблюдается увеличение концентрации ортофосфатов по сравнению с водами меньшей и большей минерализации. Повышенные концентрации калия обнаружены также в водах с минерализацией 100-400 мг/л, а максимальное его значение (8,9 мг/л) отмечается в водах озера КРС-42 с минерализацией 233 мг/л.
Обнаруженная закономерность определяется преобладанием разных составляющих органических веществ и степенью обогащения ими вод, связанной с общими условиями формирования их химического состава. Приведенные данные позволяют предполагать преобладание атмо-генной составляющей в химическом составе вод с минерализацией до 100 мг/л, биогенной - с минерализацией 100400 мг/л и литогенной - с минерализацией более 400 мг/л.
Микробиологический состав озерных вод
Обогащение вод органическими соединениями обусловлено высокой биологической продуктивностью сапропелевых озер. Наряду с водной растительностью для них характерно повышенное количество фито-, зоо- и бактериопланктона. Фитопланктон представлен в изученных озерах жгутиковыми и диатомовыми водорослями, а зоопланктон - инфузориями, дафниями и циклопами. В сапропелях обитает богатая и разнообразная микрофлора. Общая численность микроорганизмов составляет 6,3-9,5 млн клеток в 1 г сырого сапропеля.
Из-за различий физико-химических условий в озерных водах развиваются несколько иные микробные ценозы, нежели в сапропелях. В озерных водах доминируют гетеротрофные бактерии геохимических циклов углерода, азота и железа. Менее развиты в количественном отношении автотрофные бактерии, такие как нитрифицирующие микроорганизмы и автотрофные штаммы железобактерий. Доминирующими морфологическими типами микроорганизмов озерных вод являются палочковидные, реже встречаются кокки, спириллы и коринеформные бактерии. Среди микроорганизмов с характерной морфологией выявлены Lepto-thrix, Beggiatoa, Spirillum, Myxobacterium, Arthrobacter, Thiovulum, Azotobacter и Caulobacter.
Здесь отсутствуют сульфатвосстанавливающие бактерии и метанобразующие микроорганизмы, живущие в
обедненных кислородом условиях. Наблюдаются также увеличение роли аллохтонных сапрофитных бактерий и снижение количества автохтонных микроорганизмов в водах по сравнению с иловыми отложениями. Кроме того, воды имеют меньшую степень бактериальной об-семененности, чем сапропели. В них установлено лишь
0,04-2,6 млн клеток бактерий в 1 мл воды.
Характер сапропелеобразования в озерах определяется в основном трофическим статусом водоемов. В эвтрофных (гиперэвтрофных) озерах преобладают процессы продукции органического вещества над его деструкцией, а в дистрофных водоемах, наоборот, доминирует разложение остатков растений и животных.
Содержание растворенного органического вещества и азота общего, отношение (№+К) к (Са+М§) и индекс олиготрофности (отношение численности олиготрофных бактерий к количеству микроорганизмов, растущих на мясо-пептонном агаре) свидетельствуют о преимущественной принадлежности исследованных озер к эвтрофно-му типу (табл. 3). Правда, пять озер по некоторым параметрам имеют признаки олиго- и мезотрофности.
Показателем трофического статуса озер является также уровень их гумификации, обусловленный степенью насыщенности воды гуминовыми соединениями, определяющими ее цветность. По ее величине изученные озера относятся, в основном, к мезо- и олигогумозным, реже к ультра- и полигумозным (табл. 4).
Т а б л и ц а 3
статус озер
Шифр озера СорГ5 Мг/ Л ^бщ, мг/л Олиготрофные / гетеротрофные бактерии, тыс. кл./мл Индекс олиготрофности Na+K Ca+Mg Трофический статус озер
Олиго- трофные Мезо- трофные Эвтрофные
АСС-14 18,3 0,998 210/510 0,4 0,18 +
АСС-15 8,8 0,765 67/370 0,2 0,17 +
АСС-26 4,1 0,426 1730/865 2,0 0,18 + + +
АСС-48 10,1 1,435 42/124 0,3 0,20 +
АСС-65 6,0 1,062 378/1005 0,4 0,29 +
ТОС-1 3,3 0,377 ... --- 0,45 + + +
ТОС-3 14,2 1,679 13,2/27 0,5 0,36 + +
ТОС-9 12,7 1,784 --- --- 0,22 +
КОС-1 4,5 0,775 336/112 3,0 0,14 + + +
КОС-16 10,8 1,064 --- --- 0,19 +
КОС-26 15,0 1,462 --- --- 0,16 +
ЗЫС-13 7,5 0,730 133,5/173,2 0,8 0,07 + +
ЗЫС-25 27,3 0,681 --- --- 0,30 +
ЗЫС-40 37,5 1,297 --- --- 0,11 +
КРС-36 16,5 1,454 --- --- 0,18 +
КРС-42 16,1 1,650 --- --- 0,33 +
КРС-23 8,2 0,621 360/1320 0,3 0,09 +
ШЕС-3 8,4 1,059 17,6/1320 0,01 0,15 +
ШЕС-18 11,2 0,906 --- --- 0,09 +
ТТТЕС-19 16,1 1,586 --- --- 0,16 +
Показатель трос шческого статуса озер
СОРГ5 МГ/Л [11_| 1,7-6,0 6,0—13,0
Н>бщ, МГ/Л [121 <0,4 0,4-0,6 0, 6 1 5
Индекс олиготрофности [13] >1,0 1,0—0,5 <0,5
(Na+K):(Ca+Mg) [14] >2,0 2,0-1,2 <1,2
Т а б л и ц а 4
Уровень гумификации озер
Шифр озера Цветность, град. по Pt-Со шкале Уровень гумификации озер
Ультрагумозный Олигогумозный Мезогумозный Полигумозный
1 2 3 4 5 6
АСС-14 104,4 +
1 2 3 4 5 6
АСС-15 56,2 +
АСС-26 32,8 +
АСС-48 83,9 +
АСС-65 52,5 +
ТОС-1 25,5 +
ТОС-3 13,9 +
ТОС-9 81,0 +
КОС-1 46,7 +
КОС-16 47,4 +
КОС-26 85,4 +
ЗЫС-13 21,1 +
ЗЫС-25 27,3 +
ЗЫС-40 46,7 +
КРС-36 60,6 +
КРС-42 67,2 +
КРС-23 36,5 +
ШЕС-3 70,4 +
ШЕС-18 34,5 +
ШЕС-19 65,7 +
Нормативная степень цветности воды [15]
Цветность, град по Р^Со шкале <20 | 20-50 | 50-100 | >100
Сапропели формируются только в эвтрофных водоемах, в которых преобладают процессы накопления органического вещества над его распадом.
На основании вышеизложенного можно сделать следующие выводы:
1. В водах сапропелевых озер выявлены высокие концентрации органических веществ, предопределяющих условия миграции в них и накопления в сапропе-лях различных химических элементов. Обогащение вод
органическими соединениями обусловлено высокой биологической продуктивностью озер.
2. В озерных водах выявлены жгутиковые и диатомовые водоросли, инфузории, дафнии и циклопы, а также различные виды микроорганизмов в количестве от 0,04 до 2,6 млн клеток бактерий на 1 мл воды. Исследованные озера относятся в основном к водоемам эвтрофного типа, в которых преобладают процессы накопления органического вещества над его распадом.
ЛИТЕРАТУРА
1. Инструкция по разведке озерных месторождений сапропеля РСФСР / Под ред. Г.Н. Верхоярова, В.Д. Маркова, А.В. Предтеченского и др.
М.: Торфгеология, 1988. 96 с.
2. Кузнецов С.И., Романенко В.И. Окислительно-восстановительный потенциал в поверхностных слоях иловых отложений озер различного
типа // Доклады АН СССР. 1963. Т. 151, № 3. С. 679-682.
3. Кузнецов С.И. Микрофлора озер и ее геохимическая деятельность. Л.: Наука, 1970. 440 с.
4. Романенко В.И. Микробиологические процессы продукции и деструкции органических веществ во внутренних водоемах. Л.: Наука, 1985.
294 с.
5. Секи Х. Органические вещества в водных экосистемах. Л.: Гидрометеоиздат, 1986. 199 с.
6. ДрабковаВ.Г. Зональное изменение интенсивности микробиологических процессов в озерах. Л.: Наука, 1981. 212 с.
7. Трифонова И.С. Соотношение продукционно-деструкционных процессов как показатель качества воды // Особенности формирования каче-
ства воды в разнотипных озерах Карельского перешейка. Л., 1984. С. 216-221.
8. Перфильев Б.В. Микрозональное строение иловых озерных отложений и методы его исследования. Л.: Наука, 1972. 216 с.
9. РоманенкоВ.И., Кузнецов С.И. Экология микроорганизмов пресных водоемов: Лабораторное руководство. М.: Наука, 1974. 193 с.
10. Методы общей бактериологии / Под ред. Ф. Герхардта и др. М.: Мир, 1983. Т. 1. 536 с.
11. Калинина Л.А., Румянцева Э.А. Соотношение микрокомпонентов «системы углерода» как критерий равновесия продукционно-
деструкционных процессов в озерах // Антропогенное воздействие на малые озера. Л., 1980. С. 37^2.
12. Forsberg C., Ryding S.O. Eutrophication parametrs and tropic state indices in 30 wastereceiving Swedish Lakes // Archiv Hydrobiol. 1980. Vol. 89.
P. 189-207.
13. Аристовская Т.В. Микробиология подзолистых почв. М.; Л.: Наука, 1965. 187 с.
14. Zafar A.A. Taxonomy of lakes // Hydrobiologia. 1959. Vol. 13, № 3. Р. 287-299.
15. Мяэметс А.Х., Румянцева Э.А. Влияние различных факторов на интенсивность антропогенного эвтрофирования озер // Антропогенное
воздействие на малые озера. Л., 1980. С. 120-127.
Статья представлена научной редакцией «Науки о Земле» 6 апреля 2011 г.
