The analysis of spatio-temporal features of microbiological and hydrochemical indicators of the rivers within Surgutsky and Oktyabrsky Districts in Khanty-Mansi Autonomous Okrug – Yugra

Full Text

Введение

Качество водных ресурсов является одной из актуальных проблем общества, имеющей значение как для экосистем, так и для обеспечения здоровья и качества жизни населения. Пригодность воды для определенных целей водопользования определяется в зависимости от ее состава и свойств.

Состав вод достаточно сложен и обусловлен комплексом химических и биохимических процессов. Загрязнение рек веществами антропогенного происхождения обретает все большую важность. Природные загрязнители поступают из почв и горных пород в результате выщелачивания минералов с паводковыми и дождевыми водами. Антропогенные источники представлены отходами промышленных предприятий, бытовыми сбросами и загрязнителями, попадающими в воды в результате сельскохозяйственной деятельности (удобрениями, средствами защиты растений от вредителей и т.д.) [1]. Поверхностные воды, находящиеся в пределах лицензионных участков нефтегазовых месторождений, подвергаются возрастающему антропогенному загрязнению, что связано с освоением и использованием объектов нефтегазовой промышленности [2].

Статистическая универсализация микробиологических и гидрохимических показателей является одним из основных критериев в современной экологии и выступает неотъемлемой частью при проведении долговременного мониторинга состояния воды исследуемых рек, оценки их потенциала к самоочищению, поиска возможностей использования микробиологических показателей в мониторинге водотоков в нефтегазовой отрасли.

Исследованиями экологического состояния рек территории Ханты-Мансийского автономного округа – Югры в разные годы занимались многие авторы [3; 4]. Однако в основном эти исследования сводились к определению физико-химических показателей и сравнению их с нормативами ПДК. Взаимосвязи показателей химического состава с биологическими характеристиками водных экосистем были описаны в работах В.Г. Алехина, Н.И. Серебровой, С.Л. Шварцева, З.Д. Копалиани [5; 6].

Цель данной работы: анализ полученных гидрохимических и микробиологических данных и оценка влияния антропогенной нагрузки на формирование качества воды исследуемых рек.

Объекты и методы

Объектами исследования были выбраны 20 рек, находящихся в границах лицензионных участков нефтяных месторождений (ЛУНМ) (табл. 1).

 

Таблица 1 – Исследуемые водотоки

№ п/п	Координаты места отбора пробы		Район	Водный объект
	Широта (с.ш.)	Долгота (в.д.)
Р1	61°40′31″	72°48′45″	Сургутский	р. Вынга
Р2	61°26′17″	72°42′02″		р. Минчимкина
Р3	61°37′49″	72°51′50″		Правый приток р. Минчимкина
Р4	61°25′01″	72°45′19″		р. Быстрый Кульеган
Р5	61°19′35″	72°27′19″		р. Кавык
Р6	61°58′03″	72°36′19″		р. Тапъяун
Р7	61°55′42″	72°46′32″		р. Якъявин
Р8	61°26′24″	72°15′22″		р. Комарья
Р9	61°28′50″	72°10′28″		р. Вирсиявин
Р10	61°28′37″	72°07′59″		р. Пим
Р11	61°04′46″	67°19′34″	Октябрьский	р. Обь
Р12	62°10′45″	67°10′31″		р. Большая Леушинская
Р13	62°05′57″	67°30′08″		р. Малая Леушинская
Р14	62°04′00″	67°30′35″		р. Большая Карымкарская
Р15	62°22′24″	67°02′28″		р. Малая Карымкарская
Р16	62°19′40″	67°11′44″		р. Курнисоим
Р17	62°24′51″	67°13′27″		р. Большой Охтач
Р18	62°06′10″	67°23′37″		р. Хомпа
Р19	62°05′57″	67°30′08″		р. Малый Атлым
Р20	62°20′03″	67°12′07″		р. Овыньеган

 

Отбор проб осуществлялся в весенний, летний и осенний период года, в соответствии с требованиями ГОСТ 31861-2012 [7]. Пробы отбирались в стерильные емкости.

В данной работе представлены результаты мониторинга водотоков с 2018 по 2019 гг. по следующим показателям качества воды: рН, ионы аммония, токсичность острая, которые анализировались с использованием стандартных методик.

Для определения острой токсичности исследуемых вод использовался метод биотестирования. Метод основывается на воздействии токсических веществ на смертность дафний, при котором положительным критерием служила гибель более 50% особей относительно контрольного образца.

Микробиологический анализ проводили глубинным способом [8] с высевом соответствующего разведения на универсальные и селективные среды.

Для выделения доминирующих родов бактерий и мицелиальных грибов проводили изучение морфолого-биохимических свойств микроорганизмов и идентифицировали при помощи определителей Берджи и В.И. Билай [9–11].

Выполнение анализа и обработки полученных данных осуществляли с помощью пакета прикладных программ Statistica 10 и MS Excel 2010.

Результаты исследований и их обсуждение

Для малых и средних рек таежной зоны Западной Сибири характерны слабокислые и кислые значения рН, что обусловлено геохимическими особенностями территории [12; 13]. Преимущественно значения рН исследуемых рек за два года показало преобладание нейтральной и слабощелочной среды. По временной характеристике максимальное значение рН 7,6 приходится на летний период. Антропогенное влияние на реки проявляется в переходе рН в область щелочных значений.

Пик концентрации ионов аммония приходится на весенний период и наблюдается превышение ПДКвр (0,5 мг/дм³) [14], такому результату могло способствовать таяние снега (рис. 1). Причиной является высокая концентрация ионов аммония в поверхностном стоке, питающем реки в период начала половодья, а также присутствие большого количества легко окисляемого органического вещества, отвлекающего кислород от процессов нитрификации и способствующего накоплению восстановленных форм азота. В период открытой воды наблюдается сравнительно невысокая концентрация вследствие благоприятного кислородного режима и интенсивного усвоения иона аммония растениями при фотосинтезе.

 

Рисунок 1 – Особенности распределения ионов аммония

 

Токсичностью воды в водной токсикологии принято считать свойство воды оказывать вредное, патологическое, вплоть до гибели, действие на организм гидробионтов [15].

На рис. 2 представлено процентное соотношение токсичности проб воды в зависимости от сезона года по всем исследованным водотокам. В сезонной динамике не наблюдается постоянства, вероятно, показатель острой токсичности зависит от индивидуальной нагрузки на реки (рис. 2). За весь период исследования максимальное количество токсичных проб воды наблюдались у рек Кавык, Большая Карымкарская, Овыньеган, а наименьшее – у рек Малая Леушинская, Малая Карымкарская, Курнисоим, Большой Охтач и Хомпа.

 

Рисунок 2 – Динамика токсичности рек в зависимости от сезона года

 

Полученные результаты исследования численности бактерий за 2018 год были опубликованы ранее [16]. Методом кластерного анализа были обработаны нормированные данные микробиологических исследований за период исследования с 2018 по 2019 гг. (рис. 3). В числе исследованных водотоков можно выделить 4 каскадные системы, различающиеся микробиологическими показателями:

а) очень чистые с общим микробным числом менее 1000 КОЕ/мл (Р4, Р5, Р7, Р8, Р9, Р10, Р14, Р17);

б) чистые – до 5 тыс. КОЕ/мл (Р11, Р13, Р15, Р16, Р20);

в) умеренно загрязнённые – с 5 до 15 тыс. КОЕ/мл (Р1, Р2, Р3);

г) загрязненные – свыше 20 тыс. КОЕ/мл (Р6, Р12, Р18, Р19).

Результаты анализа микробиологического состава поверхностных вод показали, что в сезонной динамике численности микроорганизмов за 2 года наблюдается относительное постоянство (рис. 4). В различные сезоны года общее микробное число в исследованных водотоках имеет отличие, прежде всего это связано с различным объемом поверхностного стока, поступающего в реки в разное время года. Небольшие скачки микробного числа в летний период обусловлено обильным поступлением органических веществ в воду.

 

Рисунок 3 – Результат кластер-анализа микробиологических данных, сгруппированных по точкам отбора проб

 

Рисунок 4 – Сезонная динамика численности микроорганизмов с 2018 по 2019 гг. А – Сургутский район, 2018 г.; Б – Сургутский район, 2019 г.; В – Октябрьский район, 2018 г.; Г – Октябрьский район, 2019 г.

 

Отличительные особенности выявились у реки Большая Леушинская. В годичной динамике отмечается рост общего микробного числа в 2019 году во все сезоны. При этом сезонные изменения остались стабильны. Такая динамика численности может быть обусловлена увеличением концентрации органического вещества в водотоке в связи с началом процессов обустройства кустовых площадок и буровых работ.

В результате проведения кластерного анализа рек выявлено, что на исследуемых объектах обнаруживается преимущественно органогетеротрофная микробиота (рис. 5). Наличие большого числа сапрофитных бактерий говорит об активных процессах самоочищения рек и обильном насыщении органическими веществами.

 

Рисунок 5 – Результат кластер-анализа трофических групп микроорганизмов

 

Довольно часто микробиота водных источников непостоянна из-за различных факторов, но также она имеет постоянные виды, которые не требуют большого количества органических веществ. В результате идентификации выделенных изолятов было выявлено, что преобладает бактериальная микробиота. При изучении родового состава мицелиальной микробиоты выделены только плесневые грибы (Cladosporium sp., Aspergillus sp., Penicillium sp.) [17]. На рис. 6 представлена частота встречаемости выделенных изолятов в исследуемых водотоках по сумме двух лет.

Изучение микроорганизмов в исследуемых водотоках показало, что чаще всего в водной биоте рек встречались бактерии аммонификаторы (Pseudomonas sp.), автотрофные и гетеротрофные нитрификаторы (Nitrosomonas sp.). Аммонификаторы осуществляют разложение азотсодержащих органических веществ. Процесс нитрификации в реке осуществляли автотрофные и гетеротрофные микроорганизмы. Присутствие нитрифицирующих бактерий в исследуемых водотоках подтверждает наличие полуразложившихся органических остатков, вовлеченных в процесс аммонификации [18].

Также часто встречались бактерии рода Flavobacterium, которые являются комменсалом рыб, и род Alcaligenes, который может являться показателем фекального загрязнения.

Заключение

Вариативность гидрохимических показателей в поверхностных водах рек в разное время года напрямую связана с изменением фаз гидрологического режима. По временной характеристике максимальное значение рН приходится на летний период, что обусловлено антропогенной нагрузкой на водоток.

В сезонной динамике по показателю острой токсичности закономерностей не выявлено, вероятно, данный показатель определяется индивидуальной нагрузкой на водоток.

В результате проведенного микробиологического исследования рек Сургутского и Октябрьского районов Ханты-Мансийского автономного округа – Югры выявлены 4 каскадные системы рек. В первый каскад «очень чистых» рек с общим микробным числом менее 1000 КОЕ/мл были отнесены 8 рек, в том числе 6 рек на территории Сургутского района; во второй каскад «чистые» реки с общим микробным числом до 5 тыс. КОЕ/мл отнесены 5 рек Октябрьского района; в третий каскад «умеренно загрязненные» реки с общим микробным числом свыше 20 тыс. КОЕ/мл отнесены 3 реки Сургутского района; в четвертый каскад «загрязненные» реки с общим микробным числом свыше 20 тыс. КОЕ/мл были отнесены 4 реки, в том числе 3 реки Октябрьского района.

Результаты анализа микробиологического состава поверхностных вод показали, что в сезонной динамике численности микроорганизмов за 2 года наблюдается относительное постоянство. То есть численность микроорганизмов определяется абиотическими факторами в водном объекте, а именно температурой воды, концентрацией растворенного кислорода и растворенного органического вещества.

В результате кластерного анализа полученных данных выявлено, что в исследованных водных объектах обнаруживается преимущественно органогетеротрофная микробиота. В составе выделенных изолятов было идентифицировано 16 бактериальных культур и 3 культуры из мицелиальной микробиоты.

 

Рисунок 6 – Частота встречаемости микроорганизмов в микробиоте рек

About the authors

Marina M. Arslanova

Surgut State University

Author for correspondence.
Email: marina.arslanova.93@mail.ru

postgraduate student of Ecology and Biophysics Department

Russian Federation, Surgut, Khanty-Mansi Autonomous Okrug – Yugra

Elena A. Shornikova

Surgut State University

Email: capucin72@mail.ru

candidate of biological sciences, associate professor of Ecology and Biophysics Department

Russian Federation, Surgut, Khanty-Mansi Autonomous Okrug – Yugra

Madina I. Muzieva

Surgut State University

Email: m-madina94@mail.ru

master student of Chemistry Department

Russian Federation, Surgut, Khanty-Mansi Autonomous Okrug – Yugra

References

Supplementary files