РЕЗУЛЬТАТЫ ГИДРОХИМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОД ОЗЕРА БАЙКАЛ В ИЮНЕ И ИЮЛЕ 2017 ГОДА (ЦЕНТРАЛЬНЫЙ БАССЕЙН)

Экспедиция по исследованию экологической ситуации на озере Байкал проходила в июле-августе 2017 года. В процессе экспедиции изучалось восточное побережье от поселка Танхой до поселка Усть-Баргузин. Сбор данных проводился вблизи и по маршруту движения между населенных пунктов Танхой, Клюевка, Бабушкин, Посольское, Энхалук, Турка, Горячинск, Максимиха, Усть-Баргузин.

В ней принимали участие сотрудники кафедры гидробиологии Биологического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова (Москва), сотрудники Главного контрольно-испытательного центра питьевой воды (ГИЦ ПВ) (Москва) и сотрудники МФТИ им. Баумана (Москва).

В числе прочего, были отобраны пробы воды на Ушканьих островах, являющихся заповедной территорией. В акватории островов располагается крупнейшее лежбище байкальской нерпы. Территория входит в состав Забайкальского национального парка. Для работы на островах было получено специальное разрешение от администрации ФГБУ «Заповедное Подлеморье».

На западном побережье Байкала были собраны гидробиологические данные и пробы воды на западном берегу острова Ольхон: от мыса Хобой, включая поселок Хужир, и до юго-западной оконечности острова. Кроме того, были собраны пробы воды в поселке Листвянка.

На маршруте движения, в полевых условиях, в поверхностном слое воды измерялись: кислотность (pH), температура, электропроводность воды для определения общей минерализации, содержание кислорода и редокс-потенциал. Проведен комплекс измерений (более 300) в 34 точках (табл. 1). Для измерений использовались переносные приборы: рН-метр «Milwaukee pH56», кондуктометр «Milwaukee EC60», ORP-метр «Martini Instruments ORP57», анализатор «Эксперт-001-4» с датчиком кислорода ДКТП-02.4.

Во время экспедиции всего было собрано 24 пробы воды для подробного лабораторного анализа (табл. 2) в 12 точках. Данные пробы собирались из поверхностного слоя воды в герметичные пластиковые емкости объемом 1 литр.

Из емкости удалялся воздух для предотвращения окислительных процессов, и она герметично закрывалась пластиковой крышкой. Кроме того, было взято несколько проб воды с глубины 60 м с помощью батометра Паталаса, с объемом колбы 1 литр. Запечатанные пробы воды отправлялись в лабораторию, где проводился анализ на определение концентрации различных загрязняющих веществ (табл. 3).

Определение элементного состава воды проводилось по аттестованным методикам в аккредитованной лаборатории Главного контрольно-испытательного центра питьевой воды (ГИЦ ПВ) (№ РОСС RU.0001.21ПВ06 (Росаккредитация), № ААС.А.00259 (ILAC)) (табл.3).

Лаборатория имеет лицензию на определение уровня загрязнения (включая радиоактивное загрязнение) водных объектов и почв № Р/2015/2954/100/Л (Росгидромет) и сертификат системы менеджмента качества по ГОСТ ISO 9001-20011 № РОСС RU.ИК32.К00143.

В процессе лабораторных исследований использовалась разнообразная приборная база (табл. 4). Для определения содержания металлов в воде использовался метод атомно-абсорбционной спектрометрии (спектрометр атомно-абсорбционный «КВАНТ - Z.ЭТА-Т»).

Параллельно с отбором проб проводилась аэрофотосъемка береговой линии с помощью квадрокоптера Xiaomi MiDrone 4K для определения особенностей прибрежного рельефа и определения интенсивности зарастания дна микроводорослями и макрофитами.

Микроводоросли служат надежным индикатором повышенного содержания в воде различных биогенных веществ, как органических, так и неорганических, таких как нитраты, нитриты, фосфаты, железо, калий и пр. Кроме того, с помощью снимков с квадрокоптера удается обнаружить затопленные бревна и места накопления детрита.

Хорошими экспресс-показателями состояния среды служат температура, pH (кислотность), общая минерализация и концентрация растворенного кислорода в воде. Снижение рН, содержания кислорода и увеличение общей минерализации воды могут являться признаками эвтрофирования – накопления в водоеме органических веществ и биогенов, и свидетельствовать о возможном экологическом неблагополучии.

Можно отметить, что концентрация кислорода в поверхностном слое воды, общая минерализация и кислотность, в целом, соответствуют обычной картине, наблюдаемой на озере Байкал разными исследователями в течение многих лет. Наблюдалось падение кислотности воды на 0.5-1.0 единиц и увеличение общей минерализации вблизи населенных пунктов до 130-140 мг/л. Возможно, это отражает увеличение концентрации органических веществ в воде из-за поступления промышленных стоков и канализации. Картина с обратным знаком наблюдалась в акватории рядом с дельтами рек – не увеличение, а снижение общей минерализации, за счет поступления значительных объемов слабоминерализованной воды (дождевые стоки, талая вода) (рис. 8).

Температура воды является важнейшим фактором среды, оказывающим влияние на гидрохимические характеристики – при повышении температуры уменьшается растворимость газов в воде и увеличивается скорость химических реакций. Водные организмы также в значительной степени зависят от температуры среды. Поверхностный слой подвержен наибольшим температурным колебаниям – он активно прогревается солнцем и охлаждается ночью и при падении температуры воздуха.

Средняя температура поверхностного слоя воды постепенно снижалась при продвижении с юга на север по восточному побережью Байкала (рис.4) и в среднем составила 15,4 ˚С. Максимальное отмеченное значение температуры воды вблизи берега составило 20,0 ˚С, и отмечено на траверзе станций Тельная и Поворот, рядом с городом Бабушкин. Минимальное значение температуры 9,9 ˚С, отмечено рядом с островом Большой Ушканий и мысом Нижнее Изголовье, где возможен апвеллинг.

Аналогичная картина отмечена и для западного побережья Байкала (рис.5) – температура воды постепенно снижалась в направлении с юга на север, в среднем составила 13,3 ˚С. Максимум температуры поверхностного слоя воды отмечен в поселке Листвянка – 16,1 ˚С.

Общая минерализация – суммарный количественный показатель содержания растворенных в воде веществ (TDS – от англ. total dissolved solids). Выражается в миллиграммах на литр (мг/л), а также может выражаться в частицах на миллион частиц воды – ppm (от англ. parts per million).

Этот параметр также называют содержанием растворимых веществ или общим солесодержанием, так как растворенные в воде вещества, как правило, находятся именно в виде солей. К числу наиболее распространенных относятся неорганические соли (в основном бикарбонаты, силикаты, хлориды и сульфаты кальция, магния, калия и натрия) и органические вещества, растворимые в воде. Уровень солесодержания воде, в значительной мере, зависит от химического состава пород, формирующих дно Байкала, и состава грунтов водосборного бассейна. Поскольку прибайкальская территория характеризуется огромным геологическим и минералогическим разнообразием, то и состав поступающих в озеро вод разнообразен, в том числе, и вследствие различной растворимости минералов.

Кроме природных факторов, на общую минерализацию воды большое влияние оказывают промышленные, бытовые и сельскохозяйственные сточные воды. Реки, несущие талые или дождевые воды с очень малым содержанием минералов, напротив, снижают общую минерализацию воды.

Измеряется общая минерализация по удельной электролитической проводимости воды (EC – от англ. electrical conductivity), поскольку, чем больше в воде растворенных веществ, тем лучше она проводит электрический ток. В нашем случае, единица измерения – миллисименс на сантиметр (mS/см), что отражает проводимость, измеренную между противоположными сторонами кубика воды со стороной 1 см. Для приблизительной оценки минерализации и перевода электропроводности в содержание солей в мг/л используют эмпирическое соотношение: TDS = 0,64 EC.

Как видно на рис. 8, минерализация вод озера Байкал вдоль восточного берега, при перемещении с юга на север, подвергается заметным колебаниям, без выраженного общего тренда. В среднем, электропроводность поверхностного слоя воды составила 0,13 mS/см, что ориентировочно соответствует общей минерализации 0,08 г/л. Это несколько ниже средних значений в целом для Байкала (0,1 г/л) и отражает процесс накопления более легкой слабоминерализованной воды, выносимой реками, в поверхностном слое.

Акватории, прилегающие к местам впадения рек Большая, Турка характеризуются более низкой минерализацией на уровне 0,07-0,77 г/л. Река Селенга несет большее количество минеральных веществ, поэтому уровень минерализации равен средним значениям 0,08 г/л.

Наибольшая минерализация воды отмечена вблизи следующих населенных пунктов: г. Бабушкин (0,96 г/л), поселок Старый Энхалук (0,1 г/л), поселок Листвянка (0,1 г/л), поселок Хужир на о. Ольхон (0,09 г/л), а также рядом с впадением реки Большая Сухая (0,96 г/л). Относительно высокие значения общей минерализации воды, в сочетании с локализацией вблизи крупных населенных пунктов, служит поводом для дальнейшего контроля химического состава воды в этих районах.

При значительной волновой активности Байкала, в зоне прибоя, в большинстве случаев, не образуется органической пены. Это показатель очень незначительного количества растворенной или взвешенной органики. Небольшое количество автохтонного или аллохтонного органического вещества, которое все-таки оказывается в воде в свободной форме, очень быстро утилизируется водными организмами и переводится в биомассу. На маршруте своего передвижения по Байкалу, мы не обнаружили визуальных признаков какого-то катастрофического или значительного загрязнения. Байкал – олиготрофный водоем, и для него характерны низкие концентрации питательных веществ, которые, в норме, утилизируются быстро.

Для оценки количества содержания органического вещества в воде используется такой показатель как ХПК (химическое потребление кислорода) – количество кислорода, необходимое для химического окисления содержащихся в воде органических веществ. Выражается в миллиграммах кислорода, необходимого для окисления органических веществ, содержащихся в литре воды. Анализ проб поверхностных вод озера показал, что во всех случаях ХПК ниже 5,0 мг/л, что говорит о низких концентрациях органического вещества в воде, в целом.

В процессе анализа байкальской воды в 2017 году из поверхностного слоя заметных отклонений в содержании алкилсульфатов, сурьмы, фенолов, фосфатов, мышьяка, ртути, свинца, нитратов, нитритов, нефтепродуктов не выявлено.

Концентрации тяжелых металлов, в целом, в байкальской воде либо исчезающее малы, либо значительно ниже предельно допустимых концентраций: ртуть – <0,0001 мг/л, свинец – <0,001 мг/л, мышьяк – <0.005 мг/л, цинк – 0,0049 мг/л, медь – 0,0009 мг/л, железо – 0,017 мг/л. Однако, в отдельных пробах, взятых, в основном, в местах впадения рек, обнаружено превышение предельно допустимых концентраций меди, цинка и железа. Главная опасность тяжёлых металлов состоит в том, что в отличие от органических токсикантов, которые в различной степени разлагаются в природных водах, ионы тяжёлых металлов сохраняются в неизменном виде. Они практически не подвержены процессам самоочищения и лишь перемещаются из одного места в водоеме в другое, взаимодействуя с различными живыми организмами.

Медь и цинк обладают высокой биологической активностью, и в микродозах необходимы для нормальной жизнедеятельности организмов. Они участвуют в процессах роста, развития и репродукции. Они являются главными составляющими многих металлосодержащих ферментов, участвующих в окислительно-восстановительных процессах тканей, иммунной реакции, стабилизации рибосом и мембран клеток. Однако повышенные концентрации этих веществ влекут за собой угнетение процессов жизнедеятельности, развитие патологических процессов и уменьшение выживаемости многих водных организмов. Даже при отсутствии повышения смертности водных организмов, это может привести к серьезным трансформациям всей экосистемы.

Эти элементы можно считать хорошими индикаторами терригенного стока, с высокой эффективностью накопления в планктонных организмах, что определяет их особое значение для водных организмов.

Металл-токсикант, попав в водоем, существует в следующих формах: 1) в растворенной форме; 2) сорбированный и аккумулированный фитопланктоном; 3) адсорбированный на взвешенных частицах; 4) адсорбированный на поверхности донных отложений; 5) захороненный в донных отложениях в результате седиментации. При оценке устойчивости экосистемы к токсическому воздействию принято говорить о буферной емкости. Так, под буферной емкостью пресноводных экосистем по отношению к тяжелым металлам понимают такое количество металла-токсиканта, поступление которого существенно не нарушает естественного характера функционирования всей изучаемой экосистемы. Сорбированные формы обладают меньшей биодоступностью и считаются менее опасными.

Однако, в случае Байкала, его очень чистая, не содержащая значительного количества взвесей вода, а также хорошее перемешивание воды в прибрежной зоне, отсутствие значительных донных отложений играют отрицательную роль. Совокупность данных факторов снижает вероятность образования связанных форм токсикантов, существующих в растворенной форме или сорбируясь на поверхностях взвешенных частиц и клетках микроводорослей, являющихся начальными звеньями пищевой цепи. Токсичность тяжелых металлов для планктона определяется тем, что планктонные организмы-фильтраторы концентрируют в себе металлы, которые сохраняются в живых тканях неограниченное время, способствуют гибели планктона. Металлы аккумулируются и накапливаются организмами и передаются по пищевым цепям, вплоть до человека.