Влияние естественных и антропогенных нарушений на экологию малых рек

Малые реки являются начальными звеньями более крупных речных систем. Именно они определяют своеобразие водных биоценозов, особенности гидрологического и гидрохимического режимов питающихся их водами систем.

Вследствие ограниченной площади бассейна химический состав вод малых рек характеризуется большой изменчивостью во времени и пространстве, обусловленной влиянием различных факторов, среди которых определяющее действие имеют гидрологические, антропогенные и биотические.

Кислород является одним из важнейших растворенных газов, постоянно присутствующих в поверхностных водах, режим которого в значительной степени определяет химико-биологическое состояние водоемов.

Главными источниками поступления кислорода в поверхностные воды являются процессы абсорбции его из атмосферы и продуцирование в результате фотосинтетической деятельности водных организмов. Кислород может также поступать в водоемы с дождевыми и снеговыми водами, которые обычно им пересыщены.

Потребление в воде кислорода связано с химическими и биохимическими процессами окисления органических и некоторых неорганических веществ (Fe2+, Mn2+, NH4+, NO2-, Н2S, CH4 и др.), а также с дыханием водных организмов. Скорость потребления кислорода увеличивается с повышением температуры, количества бактерий и других водных организмов и веществ, подвергающихся химическому и биохимическому окислению. В поверхностных водах содержание растворенного кислорода колеблется от 0 до 14 мг/л и подвержено значительным сезонным и суточным колебаниям. В речных водах наиболее высокие концентрации наблюдаются обычно в осеннее время, наиболее низкие - зимой. Дефицит кислорода чаще наблюдается в водоемах, содержащих большое количество загрязняющих и гумусовых веществ. ПДК растворенного кислорода в природных водах составляет 4-6 мг/л.

Состав органических веществ в поверхностных водах формируется под влиянием многих факторов. К важнейшим из них относятся внутриводоемные биохимические процессы продуцирования и трансформации, поступления из других водных объектов, с поверхностным и подземным стоком, с атмосферными осадками, с промышленными сточными водами.

Под окисляемостью понимают число миллиграммов окислителя, которое нужно затратить на окисление органических примесей, содержащихся в анализируемой воде, объемом один литр. Различают окисляемость перманганатную, дихроматную, иодатную.

При хранении (инкубации) воды в склянке с притертой пробкой в условиях полной темноты содержание растворенного кислорода в ней убывает. Он затрачивается в результате жизнедеятельности микроорганизмов на окисление имеющегося в воде легкоусвояемого органического вещества.

Убыль растворенного кислорода в аэробных условиях за определенный промежуток времени называется биохимическим потреблением кислорода (в мг О2/л). Обычно инкубация проводится в течение 5 суток в темноте при 20°С (БПК5). Чем выше содержание в воде легкоокисляющегося органического вещества, тем больше потребление кислорода. В поверхностных водах величины БПК5 колеблются обычно в пределах от 0,5 до 4 мг О2/л и подвержены сезонным и суточным изменениям. Сезонные колебания в основном зависят от изменения температуры и от исходной концентрации растворенного кислорода.

Определение БПК в поверхностных водах используется для оценки содержания биохимически подвижных органических веществ, условий обитания гидробионтов, характеристики качества воды, а также при контролировании эффективности работы очистных сооружений. ПДК БПК в природных водах составляют 3,0 мг О2/л.

Определение растворенного кислорода

Титриметрический метод определения массовой концентрации растворенного кислорода по Винклеру основан на его реакции с гидроксидом марганца (II) в щелочной среде. Последний количественно связывает кислород, переходя при этом в соединение марганца (IV):

4MnCl2 + 8NaOH = 8NaCl + 4Мn(ОН)2 ,

2Mn(OH)2 + O2 = 2Н2МnО3,

2Н2МnО3 + 2Mn(OH)2 = 2МnМnО3 + 4Н2O.

При подкислении пробы в присутствии избытка иодида калия образуется иод, количество которого эквивалентно содержанию растворенного кислорода и определяется титрованием раствором тиосульфата натрия.

4КI + 4НС1 = 4КС1 + 4НI,

2МnМnО3 + 8НС1 + 4НI(изб.) = 4MnCl2 + 2I2 + 6Н2O,

2I2 + 4Na2S2O3 = 4NaI + 2Nа2S4O6.

Стандартизация раствора тиосульфата натрия

В колбу для титрования вносят 80 - 90 см3 дистиллированной воды, 10,0 см3 стандартного раствора дихромата калия, добавляют 1 г сухого KI и 10 см3 раствора НС1. Раствор перемешивают, выдерживают 5 мин. в темном месте и титруют пробу раствором тиосульфата натрия до появления слабо - желтой окраски. Затем добавляют 1 см3 раствора крахмала и продолжают титрование до исчезновения синей окраски.

Точную концентрацию раствора тиосульфата натрия находят по формуле:

СТ = СД · VД / VT, где

СТ - молярная концентрация эквивалента раствора тиосульфата натрия; СД - молярная концентрация эквивалента раствора дихромата калия; VТ - объем раствора тиосульфата натрия, пошедший на титрование, VД - объем раствора дихромата калия, взятый для титрования.

Выполнение измерений

Сразу после заполнения водой склянки фиксируют растворенный кислород, для чего в склянку с пробой воды вводят отдельными пипетками 1 см3 (при вместимости склянки до 150 см3) или 2 см3 (при вместимости склянки более 150 см3) раствора хлорида марганца и 1 или 2 см3 щелочного раствора иодида калия (при вместимости склянки до 150 см3 и более 150 см3 соответственно). Пипетку погружают каждый раз до половины склянки и по мере выливания раствора поднимают вверх. Затем быстро закрывают склянку стеклянной пробкой так, чтобы в ней не оставалось пузырьков воздуха, и содержимое тщательно перемешивают до равномерного распределения осадка в воде. Склянки с зафиксированными пробами помещают в темное место для отстаивания (не менее 10 мин. и не более 24 час.). После того, как осадок будет занимать менее половины высоты склянки, к пробе приливают 5 см3 или 10 см3 (в зависимости от вместимости склянки) раствора НС1, погружая при этом пипетку до осадка и медленно поднимая ее вверх по мере опорожнения. Склянку закрывают пробкой и содержимое тщательно перемешивают. Отбирают 50 см3 раствора, переносят его в колбу для титрования и титруют стандартным раствором тиосульфата натрия до тех пор, пока он не станет светло - желтым. Затем прибавляют 1 см3 раствора крахмала и продолжают титрование до исчезновения синей окраски.

Вычисления

Содержание растворенного в воде кислорода (мг/дм3) находят по формуле:

X = 8,0 · CT · VT · V · 1000 / 50 · (V - V1), где

Х - содержание растворенного кислорода в пробе воды; Ст - молярная концентрация эквивалента раствора тиосульфата натрия; VТ - объем раствора тиосульфата натрия, пошедший на титрование; V - вместимость кислородной склянки; V1 - суммарный объем растворов хлорида марганца и иодида калия, добавленных в склянку при фиксации растворенного кислорода; 8,0 - молярная масса моль-эквивалента кислорода.

Определение перманганатной окисляемости

Окисление вещества в воде проводится раствором КМnO4 с молярной концентрацией эквивалента 0,01 моль/л в сернокислой среде при кипячении.

Избыток КМnО4 связывается прибавлением раствора Na2C2О4, избыток которого дотитровывается окончательно перманганатом калия:

5Na2C2O4 + 2KMnO4 + 8H2SO4 = 10CO2 + K2SO4 + 2MnSO4 + 5Na2SO4 + 8H2O.

Стандартизация раствора КMпО4

В коническую колбу наливают 100 см3 бидистиллированной воды, прибавляют 10 см3 раствора щавелевой кислоты с молярной концентрацией эквивалента 0,01 моль/л и 5 см3 раствора H2SO4. Смесь нагревают до кипения, слегка охлаждают и титруют раствором KMnO4 с молярной концентрацией эквивалента 0,01 моль/л до слабо-розовой окраски.

Поправка рассчитывается по формуле:

K = V2 / V1, где

V1 - объем раствора KMnO4, пошедший на титрование 10 см3 раствора щавелевой кислоты; V2 - объем раствора щавелевой кислоты.

Выполнение измерений

В коническую колбу наливают 100 см3 исследуемой воды или при большом содержании органического вещества меньший объем с добавлением до 100 см3 бидистиллированной воды. Добавляют стеклянные капилляры, приливают 5 см3 раствора H2SО4, 20 см3 раствора KMnO4 с молярной концентрацией эквивалента 0,01 моль/л. Смесь нагревают так, чтобы она закипела через 5 минут, и кипятят точно 10 минут. Если окраска раствора осталась розовой, то к нему добавляют 20 см3 раствора щавелевой кислоты с молярной концентрацией эквивалента 0,01 моль/л. Обесцвеченную, еще горячую смесь титруют раствором KMnO4 с молярной концентрацией эквивалента 0,01 моль/л до слабо-розовой окраски.

Вычисления

Значение перманганатной окисляемости находят по формуле:

Х = [(А1 + А2) · К - В · 0,01] · 8,0 · 1000 / V, где

Х - значение перманганатной окисляемости, мг О/дм3; A1 и А2 - объем раствора KMnO4, прибавленного в начале и конце определения; К - поправочный коэффициент этого раствора для приведения к точной концентрации 0,01моль/л; В - объем введенного раствора щавелевой кислоты; V - объем пробы; 8,0 - молярная масса моль-эквивалента кислорода.

Определение дихроматной окисляемости

Титриметрический метод химического потребления кислорода основан на окислении органических веществ избытком дихромата калия в растворе серной кислоты при нагревании в присутствии катализатора - сульфата серебра. Остаток дихромата калия находят титрованием раствором соли Мора и по разности определяют количество дихромата калия, израсходованное на окисление органических веществ:

Ag2SO4

K2Cr2O7 + 6FeSO4 + 7H2SO4 ==== Cr2(SO4)3 + K2SO4 + 3Fe2(SO4)3 + 7H2O.

Стандартизация раствора соли Мора

10 см3 раствора дихромата калия с молярной концентрацией эквивалента 0,025 моль/дм3 переносят в коническую колбу, добавляют 180 см3 дистиллированной воды, 20 см3 конц. H2SO4, после охлаждения - 10 капель индикатора и титруют раствором соли Мора до перехода окраски из красно-фиолетовой в синевато-зеленую.

Точную концентрацию раствора соли Мора находят по формуле:

СМ = СД · VД / VМ, где

СМ - молярная концентрация эквивалента соли Мора; СД - молярная концентрация эквивалента раствора дихромата калия; VД - объем раствора дихромата калия, взятый для титрования; VМ - объем раствора соли Мора, пошедший на титрование.

Выполнение измерений

В колбу со шлифом для кипячения помещают 20 см3 воды, добавляют 10 см3 раствора дихромата калия с молярной концентрацией эквивалента 0,025 моль/дм3, 30 см3 раствора сульфата серебра и для равномерного кипения бросают 2 - 3 капилляра. К колбе присоединяют обратный холодильник и смесь кипятят на песчаной бане в течение 2 часов.

После охлаждения промывают холодильник дистиллированной водой, отсоединяют его, добавляют в колбу, обмывая ее стенки, еще 50 см3 дистиллированной воды, переносят пробу в коническую колбу, дважды споласкивая колбу, в которой кипятили смесь, дистиллированной водой. Добавляют 10 капель индикатора и титруют избыток непрореагировавшего дихромата калия раствором соли Мора до перехода окраски из красно-фиолетовой в синевато-зеленую.

Аналогичным образом проводят холостой опыт с 20 см3 дистиллированной воды.

Вычисления

Значение дихроматной окисляемости находят по формуле:

X = 8,0 · (VM - VMX) · CM ·1000 / V, где

X - значение ХПК, мгО/дм3; VMX - объем раствора соли Мора, израсходованный на титрование в холостом опыте; VM - объем раствора соли Мора, израсходованный на титрование пробы воды; СM - молярная концентрация эквивалента соли Мора; V -объем пробы воды, взятый для определения; 8,0 - молярная масса моль-эквивалента кислорода, г/моль.

Определение биохимического потребления кислорода (БПК5)

Метод определения БПК основан на способности микроорганизмов потреблять растворенный кислород при биохимическом окислении органических и неорганических веществ в воде. БПК определяют содержанием кислорода, которое необходимо для окисления находящихся в воде углеродосодержащих органических веществ, в аэробных условиях в результате биохимических процессов.

Выполнение измерений

Исследуемую воду наливают в лаборатории в бутыль не более чем на 2/3 объема, устанавливают температуру воды 20° С и сильно встряхивают для насыщения кислородом до 8 мг/дм3. После этого сифоном исследуемой водой заполняют, слегка переполняя, 6 кислородных колб. Предварительно каждую колбу ополаскивают ~30 см3 пробы. Наполненные кислородные колбы закрывают притертой пробкой так, чтобы внутри не оставалось пузырьков воздуха.

В трех кислородных колбах тотчас же определяют кислород. Остальные колбы с испытуемой водой помещают в термостат. Кислородные колбы хранят при 20° С в темноте в течение 5 суток. Через 5 суток от начала инкубации вынимают оставшиеся 3 колбы из термостата, определяют в них растворенный кислород.

Вычисления

Расчет результатов определения БПК5 производится по формуле:

Х = Сх1 - Сх2, где

Х - значение БПК5, мгО2/дм3; Сх1- содержание растворенного кислорода до инкубации; Сх2 - содержание растворенного кислорода после инкубации.

Определение содержания растворенного кислорода проводится иодометрическим методом.

Экспериментальная часть

Объектом исследования была малая река Латка бассейна Рыбинского водохранилища. Длина Латки -15 км, площадь водосбора - 35,1 км2.

Цель работы - выявить нарушения кислородного режима воды, вызванные жизнедеятельностью бобровых сообществ и хозяйственной деятельностью (сброс сточных вод сырзавода).

Задачи исследования:

Провести определение в воде р. Латки растворенного кислорода, перманганатной и дихроматной окисляемости, биохимического потребления кислорода за 5 суток (БПК5) и сделать выводы о нарушениях кислородного режима воды, вызванных естественными, антропогенными и зоогенными факторами.

Материал был собран в мае, августе и октябре 1999г. на пяти станциях: 1 - фоновая, 2 - бобровый пруд, 3 - место сброса сточных вод сырзавода, 4 - в 2 км ниже сброса, 5 - в 6,5 км ниже сброса.

Результаты исследования представлены в таблицах 1,2,3.

Обсуждение результатов эксперимента

В бобровом пруду в весенний период минимальная проточность наряду с жизнедеятельностью бобров обусловила содержание растворенного кислорода ниже фонового значения, а летом и осенью полное отсутствие течения способствовало прогреву воды до максимального значения и, как следствие, низкое содержание растворенного кислорода. На ст. 5 при небольшой скорости течения содержание растворенного кислорода в период лето - осень было максимальным (таб.1).

На ст. 3 поступление сточных вод явилось одной из причин резкого дефицита кислорода, но основная причина - особенности гидрометеорологического режима в мае - августе. После засушливого периода питание реки происходило главным образом за счет подземных обескислороженных вод. На этом фоне влияние сточных вод сырзавода еще более отрицательно сказалось на содержании растворенного кислорода на ст. 3: 2,0 мг/дм3 - летом и осенью (таб.1); на БПК5 на протяжении всего времени исследования (таб.3).

По данным БПК5, активно идущий процесс самоочищения прослеживается от места сброса сточных вод к ст. 4 и завершается к ст. 5 на протяжении всего времени наблюдений (таб. 3).

Высокие значения БПК5 весной обусловлены поступлением органического вещества в основном гумусовой природы, характерной для поверхностного стока лесной зоны. В летний период более низкие значения БПК5 - за счет питания реки грунтовыми водами. Осенью величина БКП5 была равна среднему (между весной и летом) значению, что обусловлено грунтовым питанием реки и незначительным количеством атмосферных осадков.

О природе органического вещества воды позволяет судить значение отношения ПО/ДО: в случае преобладания гумусовых соединений оно > 40% (весной на протяжении всей реки; летом на ст. 1; осенью на ст. 1,3,5). Если органическое вещество состоит главным образом из свежеобразованных соединений, это отношение < 40% (ст. 2 - 5 летом и ст. 2,4 осенью).

Таким образом, на формирование кислородного режима, БПК5, значение окисляемости вод малой реки заметное влияние оказывает проточность, температура, антропогенное загрязнение, жизнедеятельность бобров и поверхностный сток.