The determination of the nitrogen-containing ions concentrations dynamics in the oxbow of Ishimchik to assess the impact of 2016–2017 floods

Full Text

Введение

За последние 5 лет г. Ишим подвергался паводкам в весенний период, которые были вызваны обильным снеготаянием во время оттепелей. Самые крупные паводки произошли веснами 2016–2017 годов. В 2016 году произошел разлив рек Мергень и Карасуль, русла которых расположены к северу от города, что повлекло за собой подтопление западного частного сектора города. Для купирования паводка городской администрацией совместно с губернатором Тюменской области было принято решение произвести сброс паводковых вод в старицу Ишимчик с помощью прорытых по улицам города каналов. В результате в водоем вместе с паводковыми водами попало большое количество азотсодержащих ионов, вымытых с частных участков и септических ям. Это привело к значительному ускорению процесса эвтрофирования летом 2016 года. В 2017 г. причиной паводка стало переполнение Сергеевского водохранилища, расположенного на территории республики Казахстан, выше по течению р. Ишим. Для минимизации ущерба водохранилищу был начат сброс воды, что привело к значительному повышению уровня воды в р. Ишим и к последующему прорыву дамбы в южной части г. Ишима, которая находится в непосредственной близости от старицы. В старицу снова попали паводковые воды, которые, предположительно, должны были содержать меньшее количество азотсодержащих ионов. Таким образом, целью данной работы стало изучение динамики минеральных форм азота в воде старицы Ишимчик для оценки последствий паводков 2016–2017 гг.

Азотсодержащие соединения выступают одним из главных агентов эвтрофирования [1, с. 10; 2, с. 10–11]. Азот находится в водоемах в виде органических и неорганических соединений. Наибольший интерес представляют аммонийные NH₄⁺, нитритные NO₂^– и нитратные NO₃^– ионы [3, с. 49; 4, с. 39; 5, p. 157; 6, с. 28; 7, с. 52]. Главными источниками нитратов в воде являются органические вещества, бытовые, индустриальные и сельскохозяйственные сбросы, а также минеральные удобрения, используемые на полях и огородах. Азот также является компонентом белков, поэтому при их разложении образуются аммиак, нитриты и, наконец, нитраты [8, с. 44; 9, с. 78; 10, с. 422]. Содержания нитратов, нитритов и аммонийного азота являются важными показателями химического состава воды, которые используются при проведении экологической оценки и нормировании качества природных вод. Анализируя их содержание в водоеме и соотношение между концентрациями азотсодержащих ионов, можно определить, существуют ли предпосылки для развития антропогенного эвтрофирования, и внести вклад в изучение степени трофности водоема [11, с. 180]. Высокие концентрации азотсодержащих ионов будут способствовать развитию процесса антропогенного эвтрофирования, а перевес в содержании восстановленных форм ионов азота над окисленными может свидетельствовать о перенесенном кислородном голодании [12, с. 142–150; 13, с. 69–77; 14, p. 27; 15, с. 80–82].

Цель исследования: изучение динамики минеральных форм азота в воде старицы Ишимчик для оценки последствий паводков 2016–2017 годов.

Объект исследования: поверхностные воды старицы Ишимчик.

Материалы и методика исследований

Местом данного исследования является старица Ишимчик, расположенная на территории города Ишима. Она имеет подковообразный изгиб, а внутри нее располагается Народный парк. На восточном берегу находятся жилые и некоторые промышленные постройки. Согласно ботаническим описаниям, регулярно выполняемыми студентами и сотрудниками Ишимского педагогического института, старица относится к мезотрофным водоемам.

Для достижения поставленной цели был проведен анализ химического состава поверхностных вод старицы. Всего было исследовано 9 точек. С каждой точки было отобрано по две пробы: 18 июня 2017 года и 24 сентября 2017 года. Данные периоды (весна-начало лета и осень) наиболее информативны для определения концентраций минеральных форм азота [16, с. 3–4; 17, с. 65]. Места пробоотбора указаны на рисунке ниже (рис. 1).

 

Рисунок 1 – Места пробоотбора старицы Ишимчик

 

Проба № 1 была отобрана в месте соприкосновения реки Ишим и старицы Ишимчик, там находится труба, через которую производился сброс паводковых вод из старицы в реку в период весеннего паводка 2016 года, а также через эту же точку старица была затоплена со стороны реки Ишим весной 2017 года. Места проб № 2, № 3 и № 9 находятся в частном секторе города, там имеются самодельные помосты, что свидетельствует о том, что местные жители активно пользуются этой водой в бытовых и рекреационных целях. Около точки № 4 располагается несанкционированное складирование бытовых отходов. Пробы № 5–8 соответствуют местам, где производился сброс паводковых вод в старицу Ишимчик в период паводка 2016 года. Столь малое количество проб было определено двумя факторами: действием режима ЧС на момент сбора материала и необходимостью их транспортировки в другой город (Тюмень). Из-за запрета использования лодок и из-за подтопления территории Народного парка отобрать воды с середины старицы и около внутренней части подковообразного изгиба было невозможно.

Все пробы были отобраны в соответствии с ГОСТ 33045-2014 в пластиковые бутылки объемом в 1000 см³, далее помещены в самодельный холодильник и охлаждены до +2…+4°С. В этом холодильнике пробы были транспортированы в лабораторию в городе Тюмень. Химические анализы проб были выполнены менее чем за 24 часа с момента пробоотбора [18, с. 2].

Для определения содержания всех вышеперечисленных ионов использовался метод фотометрии. Данные эксперименты проводились в соответствии с ГОСТ 33045-2014 и ПНД Ф 14.1:2:4.112-97 [18, с. 1; 19, с. 2–4]. Фотометрирование проводилось на базе аккредитованной лаборатории экологических исследований Тюменского государственного университета. Согласно предварительной оценке, данной сотрудниками лаборатории, устранение влияния катионов железа Fe³⁺ на светопоглощение всех исследуемых проб не производилось. Содержание аммиака и ионов аммония (суммарно) определялось с помощью раствора виннокислого калия-натрия и реактива Несслера. Для определения нитрит-ионов использовался реактив Грисса. Наличие нитрат-ионов выявляли реактивами концентрированной серной кислоты и раствором сегнетовой соли в NaOH. Используемые длины волн и толщина кювет для аммиака и аммония, нитрит-анионов и нитрат-анионов составляют 425 нм и 50 мм; 520 нм и 30 мм; 410 нм и 20 мм, соответственно. Анализы выполнялись на спектрофотометре Unico 1201. Для определения содержания веществ использовался метод градуировочного графика. Градуировочные графики были предоставлены сотрудниками лаборатории.

Результаты исследований и их обсуждение

В пробах исследуемого водоема было получено следующее содержание азотсодержащих ионов (табл. 1). В силу большой занятости сотрудников лаборатории, химический анализ проб первого пробоотбора выполнялся ими без участия авторов статьи. Химический анализ проб второго пробоотбора выполнялся авторами работы лично, на базе той же лаборатории и на том же спектрофотометре.

 

Таблица 1 – Содержание аммиака и катиона аммония (суммарно), нитрит-анионов и нитрат-анионов

№ пробы	1-й пробоотбор			2-й пробоотбор
	C*(NH4+ и NH3), мг/л	C*(NO2–), мг/л	C*(NO3–), мг/л	C(NH4+ и NH3), мг/л	C(NO2–), мг/л	C(NO3–), мг/л
1	0,027	0,11	0,11	0,019	0,0038	0,4
2	0,17	0,069	0,11	0,023	0,087	2
3	0,14	0,11	<0,1	0,015	0,10	2,9
4	0,13	0,053	<0,1	0,012	0,13	4,3
5	0,056	0,034	<0,1	0,012	0,16	3
6	0,065	0,032	<0,1	0,013	0,15	2,7
7	0,051	0,040	<0,1	0,014	0,16	2,9
8	0,050	0,015	<0,1	0,011	0,016	2,2
9	0,032	0,019	<0,1	0,012	0,16	1

Примечание. Символом «*» отмечены данные, полученные сотрудниками лаборатории.

 

Полученные результаты химического анализа проб первого пробоотбора свидетельствуют о том, что наибольшая концентрация азотсодержащих элементов отмечается в точках № 2, № 3 и № 4, кроме того, наблюдается перевес в пользу неокисленных форм азота, что свидетельствует о нарушении кислородного режима по итогам зимы 2016–2017 гг. Полученные результаты химического анализа проб второго пробоотбора свидетельствуют о том, что концентрация азотсодержащих ионов вернулась к соотношению, которое характерно для вод с ненарушенным кислородным обменом. Основной формой азота осенью 2017 года является нитрат-анион. Это соотношение можно изучить более детально, если пересчитать концентрации с титра (мг/л, который потребуется для сравнения с ПДК) в более информативную молярную концентрацию. Так как в каждом азотсодержащем ионе содержится один атом азота, то такой способ позволяет более точно оценить соотношение его минеральных форм (рис. 2 и 3).

 

Рисунок 2 – соотношение между минеральными формами азота в пробах 1-го пробоотбора

 

Рисунок 3 – соотношение между минеральными формами азота в пробах 2-го пробоотбора

 

В пробах первого пробоотбора наблюдается превалирование восстановленной минеральной формы азота, за исключением точки 1. Превалирование восстановленной формы азота в водоеме вызывается недостатком кислорода для его окисления. Недостаток кислорода можно объяснить двумя факторами: во-первых, изоляцией водоема от атмосферного кислорода слоем льда за зиму-весну 2016–2017, во-вторых, последствиями паводка 2016 года, в результате которого водоем попали паводковые воды с частного сектора города Ишим, обогащенные органическим веществом, которое потребовало растворенный кислород старицы на свою минерализацию. Первый пробоотбор был выполнен сразу после паводка весны 2017 года, воды которого должны были содержать малое количество азота, т.к. они попадали в старицу через трубу в точке 1, соединяющую старицу с рекой Ишим. Это подтверждают низкие концентрации ионов в исследуемых пробах. Кроме того, необходимо отметить превалирование нитрит-аниона, промежуточного продукта окисления азота, в точке 1. Вероятно, это можно объяснить тем, что паводковые воды р. Ишим содержали достаточное количество кислорода для запуска процесса окисления аммония в нитрат в месте смешения вод реки и старицы. В пробах второго пробоотбора наблюдается превалирование окисленной формы азота. Это можно объяснить появлением доступа к атмосферному кислороду за летне-осенний период и малыми концентрациями азотсодержащих ионов после паводка 2017 г., на окисление которых потребовалось меньше кислорода.

Выводы

Во-первых, имеющееся соотношение концентраций изучаемых форм азота на момент 2-го пробоотбора свидетельствует о восстановлении нормального кислородного режима, т.к. наблюдается перевес в сторону его окисленных форм. Это объясняется малым количеством азотсодержащих ионов в воде старицы, оставшихся после паводка 2017 года, и появлением доступа к достаточному количеству атмосферного кислорода в летне-осенний период 2017 года для окисления аммония и аммиака. Однако, судя по превалированию нитрит-анионов в месте смешения вод старицы и р. Ишим, частично этот процесс запустился за счет кислорода, растворенного в паводковых водах.

Во-вторых, концентрации азотсодержащих ионов в пробах 1 и 2 пробоотбора не превышают уровень ПДК (2,0 мг/л по азоту для аммиака, 3,0 мг/л для нитрит-аниона, 45 мг/л для нитрат-аниона) [20, с. 10–11]. Этих концентраций недостаточно для запуска процесса антропогенного эвтрофирования в мезотрофном водоеме.

На основании этих данных можно сделать общий вывод: после паводков 2016–2017 годов концентрации азотсодержащих ионов не превышают ПДК, и они недостаточны для запуска процесса антропогенного эвтрофирования, а смена преобладающей минеральной формы азота с аммония на нитрат-анион свидетельствует о восстановлении нормального кислородного режима к осени 2017.

About the authors

Anastasia A. Novik

P.P. Ershov Ishim Pedagogical Institute (branch) of Tyumen State University

Author for correspondence.
Email: a.novik27@yandex.ru

student of Mathematics, Computer Science and Natural Sciences Faculty

Russian Federation, Ishim, Tyumen Region

Aleksey A. Shavnin

P.P. Ershov Ishim Pedagogical Institute (branch) of Tyumen State University

Email: shal_ishim@mail.ru

candidate of chemical sciences, senior lecturer of Biology, Geography and Methods of Teaching Department

Russian Federation, Ishim, Tyumen Region

References

Supplementary files