Химический состав и качество воды Шершнёвского водохранилища в 2001-2009 годах

Вестник Челябинского государственного университета. 2010. № 8 (189).

Экология. Природопользование. Вып. 4. С. 67-71.

Д. Ю. Нохрин, Ю. Г. Грибовский, Н. А. Давыдова, Н. Ю. Арсентьева

химический состав и качество воды

ШЕРШНЁВСКОГО ВОДОХРАНИЛИЩА В 2001-2009 ГОДАХ

Приведены краткие результаты исследований химического состава и качества воды Шершнёвского водохранилища, проводившихся в 2001-2009 гг. методом капиллярного электрофореза и химикоаналитическими методами. Микробиологическими методами оценено её санитарное качество воды.

С привлечением методов биотестирования на простейших и эколого-генетического мониторинга на рыбах начаты работы по оценке токсического и генотоксического потенциала водоёма.

Ключевые слова: Шершнёвское водохранилище, химический состав воды, санитарное качество воды, биотестирование, токсичность, цитогенетические нарушения у рыб.

Шершнёвское водохранилище (ШВ) является единственным источником питьевого водоснабжения г. Челябинска, поэтому вопросы его экологического состояния постоянно являются предметом повышенного внимания как со стороны специалистов в области охраны окружающей среды и природопользования, так и со стороны жителей города, активно использующих его в рекреационных и рыболовных целях.

На протяжении нескольких лет Уральским филиалом ВНИИ ветеринарной санитарии, гигиены и экологии РАСХН был выполнен ряд исследований на этом водоёме, включая договорные научно-исследовательские работы с администрацией г. Челябинска, муниципальными и федеральными организациями города, а также плановые исследования по государственной тематике. В данной статье приводятся краткие результаты исследования химического состава и качества воды ШВ.

Материал и методы. Отбор проб воды на химический анализ проводился преимущественно со среднего, реже — с поверхностного горизонта. Концентрация главных ионов (С1-, SO42 -, К+, Ка+, Mg2+, Са2+), соединений азота и фосфора (КН^, N02", N03, НР04 ), а также ионов F-, Li+, 8г2+ и Ва2+ определялась методом капиллярного электрофореза на системе «Капель 103 -Р» (НПФ АП «Люмекс», Россия) по методикам [10-11]. Сбор данных, анализ полученных электрофореграмм и расчёты по калибровочным кривым выполнены в пакете для обработки хроматографических данных «МультиХром для Windows» (версия 1.52и, ЗАО «Амперсенд»). Водородный показатель определялся потенци-ометрией на иономере И-135М, щёлочность — титрометрией с метиловым оранжевым, минерализация — расчётом по сумме ионов, окисля-емость — перманганатным методом Кубеля [8].

Концентрация ионов CO3 - рассчитывалась по карбонатному равновесию при известных температуре и щёлочности [1].

Подготовка проб воды для определения Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Cd, Pb проводилась согласно инструкции [2] методом сухой минерализации без предварительной фильтрации, анализ — на пламенном атомно-абсорбционном спектрофотометре «AAS-1» («Karl Zeiss Jena», Германия).

Отбор проб на микробиологический анализ проводился с учётом требований асептики. Определение мезофильных аэробных и факультативно анаэробных бактерий (МАФАнМ) проводилось согласно МУ № 13-4-2/1742 методом глубинного посева на среду МПА, а коли-тит-ра — титрационным методом [9]. Также пробы исследовались на наличие нефтеокисляющих и фенолокисляющих микроорганизмов [7].

Экспресс-оценка токсичности проб воды проводилась с использованием культуры инфузории-туфельки и специализированного фотометра «Биотестер-1» согласно методике к прибору [6].

Кровь индикаторных видов рыб для мазков на цитогенетический анализ брали из хвостовой вены. Мазки высушивали на воздухе, фиксировали в смеси Никифорова и окрашивали стандартным раствором азур-эозина по Романовскому. Анализ препаратов проводился на бинокулярном микроскопе SK-14 («PZO Warszawa», Польша) при увеличении 12^100 с масляной иммерсией. От каждой рыбы анализировали 1000-2000 эритроцитов. Учитывали следующие типы ядерных и цитоплазматических нарушений: микроядра, ядерные отростки, инвагинацию ядра, смещение ядра, амитоз, пикноз и пойкилоцитоз [4-5].

Результаты и обсуждение. 1. Химический состав. Данные по химическому составу воды ШВ представлены в таблице. Вода ШВ пресная, минерализация варьировала в разные

годы и сезоны от 278 до 417 мг/л. По показателю жёсткости она мягкая, имеет преимущественно слабощелочную реакцию и по классификации

О. А. Алекина [1] относится к гидрокарбонатному классу, кальциевой группе, первому типу.

Как видно из рисунка, для воды ШВ характерно высокое постоянство химического состава. Изменения соотношения анионов имеют вид короткого тренда и затрагивают гидрокарбонаты и сульфаты при относительном постоянстве эквивалентной концентрации хлоридов.

Из 28 изученных нами показателей, содержащихся в перечне нормируемых в рыбохозяйственных водоёмах веществ [13], превышения ПДКВР обнаружены по 11 показателям (39,3 %). Приоритетными загрязнителями водоёма являются: медь (100 % случаев), марганец и фосфаты (83,3 %), вызывающая биохимическое потребление кислорода микрофлора (75,0 %), цинк и нитриты (66,7 %), железо (50,0 %). В отдельные годы регистрировались превышения ПДКВР по следующим показателям: рН, катиону аммония, аниону фтора и содержанию никеля (по 16,7 %).

Оценка сапробности водоёма по гидрохимическим показателям [3] варьировала от ксеносап-робной (окисляемость, нитраты) до поли- и ги-персапробной (фосфаты, БПК). В целом, по изученным показателям ШВ следует классифици-

ровать как преимущественно Р-мезосапробный водоём, а его воды — как загрязнённые.

2. Санитарное состояние. По результатам микробиологического исследования ШВ в сентябре 2008 и феврале 2009 г. было установлено, что содержание мезофильных аэробных и факультативно анаэробных бактерий не превышало нормативов и составило соответственно: 301 КОЕ/мл (95 % ДИ 206-439 КОЕ/мл) и 78,1 КОЕ/мл (95 % ДИ 20,5-298 КОЕ/мл). По коли-индексу и в осенний и в зимний период были обнаружены пробы с превышением норматива. Средние показатели составили соответственно: 21,5 КОЕ/мл (95 % ДИ 8,3-55,8 КОЕ/мл) и 4,6 КОЕ/мл (95 % ДИ 1,0-20,9 КОЕ/мл).

В воде ШВ были обнаружены нефтеокисляющие бактерии, но не было выявлено фенолокис-ляющих микроорганизмов.

3. Экспресс-оценка токсичности воды. В последние годы методы биотестирования стали неотъемлемой частью работ по оценке степени антропогенного загрязнения экосистем и его последствий. Причины этого заключаются в сложном характере взаимодействий пол-лютантов между собой и компонентами окружающей среды, носящими часто непредсказуемый характер, а также в высокой чувствительности живых организмов к воздействиям даже

Соотношение эквивалентного содержания главных ионов в химическом составе воды Шершнёвского водохранилища на диаграмме Пайпера по результатам анализа 42 проб

Состав воды Шершнёвского водохранилища в 2001-2009 гг.

Показатель Среднее значение

Год 2001 2003 2004 2007 2008 2009

Месяц X VIII VI VII IX II

Количество проб, шт. 12 4 4 10 6 6

Общие

Температура, оС 4,1 22,7 24,6 - 15,3 0,2

Водородный показатель, pH 8,67 8,26 7,93 7,84 6,79 7,95

Щелочность, мг-экв/дм3 2,76 2,91 2,47 2,91 2,9 3,37

Жесткость, мг-экв/дм3 3,21 3,40 2,87 3,81 3,95 4,72

Минерализация, мг/дм3 278 326 275 308 328 417

Главные ионы, мг/дм3

Хлориды (С1) 3,1 8,5 5,4 8,2 11,6 10,4

Сульфаты ^04 ) 25,7 25,0 22,6 42,2 40,2 52,8

Гидрокарбонаты (НСОр 180,2 210,3 177,3 174,0 191,7 246,6

Калий (К+) 1,9 2,3 4,5 2,4 2,6 2,1

Натрий ^а+) 7,9 16,2 12,5 15,4 14,6 15,6

Магний (Mg2+) 17,9 20,7 12,6 22,1 21,0 23,8

Кальций (Са2+) 34,8 35,7 36,8 40,1 44,4 55,3

Биогенное (мг/дм3) и органическое вещество

Аммоний (КН^) 0,057 0,162 0,389 0,610 0,134 0,120

Нитриты (N0^) 0,055 0,085 0,131 0,146 0,045 0,229

Нитраты (N0^) 0,950 0,626 0,299 0,170 0,420 0,436

Гидрофосфаты (НР04 ) 0,589 2,92 0,585 0,034 0,345 7,93

Окисляемость, мгО2/дм3 3,95 - - 7,11 7,55 4,10

БПК5, мгО2/дм3 2,91 4,95 - - 4,02 3,64

Растворённые газы, мг/дм3

Кислород (О2) 9,47 4,78 9,13 - 6,87 8,46

Углекислый газ (С02) 1,20 2,58 4,32 7,63 >20 9,96

Сероводород (H2S) н/о н/о н/о н/о н/о н/о

Микроэлементы и тяжёлые металлы, мкг/дм3

Литий ^ї+) 9,2 1,3 17,5 < 22,3 17,4 58,3

Фториды ^") 109 299 317 1583 538 196

Хром (Сг) < 2 < 35 < 10 < 10 < 39 < 11

Марганец (Мп) 41,8 36,0 95,8 26,4 8,8 21,8

Железо (Fe) 428 140 1147 49,3 74,6 67,0

Кобальт (Со) 1,50 < 13 6,0 < 2 < 1,6 < 3,7

Никель (№) 20,5 < 25 < 25 1,2 5,2 5,2

Медь (Си) 47,3 22,8 24,3 4,0 10,2 36,3

Цинк (2п) 61,1 30,0 380 3,7 2,5 25,8

Стронций (Sr2+) 250 187 266 202 233 37,7

Кадмий (Cd) < 1 < 2 < 2 < 3 < 2,4 < 0,2

Барий (Ва2+) 83,5 133 15,1 21,6 32,8 45,8

Свинец(РЬ) 1,75 < 25 < 1 < 7 < 8,6 < 3,8

Примечание: выделены значения более ПДКВР [13].

низкой интенсивности. В основе использовавшегося нами приборного биотестирования лежит измерение хемотаксиса простейших — способности избегать неблагоприятных концентраций химических веществ в окружающей среде. Восприятие на внешние раздражители происходит у инфузорий на рецепторном уровне, поэтому для данного теста характерна высокая чувствительность и быстрота ответной реакции на химическое воздействие [12].

В ходе приборного биотестирования 10 проб воды ШВ в 2007 г. была установлена слабая токсичность 3 проб (30 %). Индексы токсичности варьировали от -0,41±0,093 до 0,47±0,055 и составили в среднем 0,09±0,042, что соответствует оценке «не токсично». В двух пробах индексы имели отрицательные значения, что указывает на большую предпочтительность для инфузорий этих проб по сравнению с очищенной водой, используемой для их культивации.

4. Цитогенетические эффекты в крови индикаторных видов рыб. Многие распространённые загрязняющие вещества наряду с токсическим действием обладают выраженным мутагенным эффектом. К ним, например, относятся тяжёлые металлы, радионуклиды, некоторые пестициды и другие ксенобиотики. Вызываемые ими генетические нарушения ведут к дегенеративным процессам в популяциях и повышают смертность. Использованный нами микроядерный тест фиксирует и кластогенное действие химических и физических факторов, то есть способность вызывать повреждения ДНК по типу разрывов, и анеугенное их действие — способность приводить к анеуплои-дии — недостатку либо избытку хромосом в клеточном наборе.

Средняя частота микроядерных клеток у плотвы и леща ШВ составила соответственно 4,6 и 14,1 %о. Исходя из данных литературы эти значения следует рассматривать как повышенные, однако важно отметить, что они близки к таковым у рыб Верхнеуральского водохранилища (6,0 и 9,6 %о), для которого нами был установлен минимальный уровень химического загрязнения и который поэтому был использован нами в качестве регионального контроля. Рыбы ШВ и контрольного водоёма не различались также по частотам клеток с пойкилоцитозом, а по другим типам ядерных нарушений (смещение, инвагинация, пикноз ядра, амитоз) отмечалась видоспецифичная картина.

Единственным типом нарушений, по которому у обоих индикаторных видов наблюдались сильные и однонаправленные различия с контрольным водоёмом являлись ядерные отростки. Они были представлены как палочковидными отростками («broken eggs»), так и выпячиваниями ядра («lobed nuclei») и регистрировались почти исключительно в ШВ (0,25 и 1,75 %о в ШВ против 0,00 и 0,07 %о в контрольном водоёме для плотвы и леща соответственно). Происхождение данного типа ядерных нарушений точно не установлено. Считается, что отростки ядра или маркируют попытки клетки восстановить повреждения путём элиминации дефектного генетического материала, или представляют собой специфические аномалии ядра, возникающие в ответ на действие стрессирующих факторов низкой интенсивности [14]. Если принять данную точку зрения, результаты нашего исследования указывают на наличие в ШВ отрицательных для генома рыб воздействий низкой интенсивности немутагенной природы.

В целом проведённые исследования указывают на некритичный для экосистемы водохранилища уровень загрязнения воды и позволяют выделить в качестве наиболее неблагополучного звена процессы трансформации в водоёме органического вещества.

Список литературы

1. Алекин, О. А. Руководство по химическому анализу вод суши / О. А. Алекин, А. Д. Семенов, Б. А. Скопинцев. Л. : Гидрометеоиздат, 1989. 351 с.

2. Атомно-абсорбционные методы определения токсичных элементов в пищевых продуктах и пищевом сырье : утв. гл. сан. врачом РФ, № 0119/47-11 от 25 дек. 1992 г. 27 с. (Препринт).

3. ГОСТ 17.1.2.04-77. Охрана природы. Гидросфера. Показатели состояния и правила таксации рыбохозяйственных водных объектов.

4. Житенева, Л. Д. Атлас нормальных и патологически изменённых клеток крови рыб / Л. Д. Житенева, Т. Г. Полтавцева, О. А. Рудницкая. Ростов н/Д : Рост. кн. изд-во, 1989. 112 с.

5. Ильинских, Н. Н. Микроядерный анализ и цитогенетическая нестабильность / Н. Н. Ильинских, В. В. Новицкий, Н. Н. Ванчугова, И. Н. Ильинских. Томск, 1992. 272 с.

6. Методика экспресс-оценки степеней токсического загрязнения водных проб с помощью прибора «Биотестер». М., 1991. 26 с.

7. Намсараев, Б. Б. Полевой практикум по водной микробиологии и гидрохимии : метод. пособие / Б. Б. Намсараев, Д. Д. Бархутова, В. В. Хаси-нов. М. ; Улан-Удэ : Изд-во БГУ, 2006. 68 с.

8. Новиков, Ю. В. Методы исследования качества воды водоёмов / Ю. В. Новиков, К. О. Ласточкина, З. Н. Болдина. М. : Медицина, 1990. 400 с.

9. Общая и санитарная микробиология с техникой микробиологических исследований / под ред. А. С. Лабинской и др. М. : Медицина, 2004. 576 с.

10. ПНД Ф 14.1:2:4.157-99. Методика выполнения измерений массовых концентраций хлорида, нитрита, сульфата, нитрата, фторида, фосфата в пробах природных, питьевых и сточных вод с использованием системы капиллярного электрофореза «Капель». НПФ «Люмекс». 2004.

11. ПНД Ф 14.1:2:4.167-2000. Методика выполнения измерений массовой концентрации

катионов: цезия, калия, лития, магния, кальция, стронция, бария в пробах питьевых, природных и сточных вод и катионов аммония в пробах сточных вод с использованием системы капиллярного электрофореза «Капель». НПФ «Люмекс». 2007.

12. Пожаров, А. В. Использование экспресс-биотестирования для оценки антропоэкологиче-ской ситуации / А. В. Пожаров, С. А. Шелемотов // Экология. 1992. № 2. С. 94-95.

13. Приказ Государственного комитета РФ по рыболовству от 28 апреля 1999 г. № 96 «О рыбохозяйственных нормативах» и «Перечень предельно допустимых концентраций (ПДК) и ориентировочно безопасных уровней воздействия (ОБУВ) вредных веществ для воды рыбохозяйственных водоёмов».

14. Nersesyan, A. K. The Nature of «Broken Egg» Events in Exfoliated Human Cells / A. K. Nersesyan // Acta Cytologica. 2006. Vol. 50, № 5. P. 598-599.