BioScience Blog – Научный Биологический блог

Банный А. Н., студент, Галяс А. В., аспирант

Курский государственный университет

Одной из актуальных проблем практической экологии является очистка разнообразных сточных вод и поверхностного стока. Одним из путей её решения является разработка и внедрение биологических методов очистки, основанных на использовании биохимического и физиологического самоочищения водоемов с помощью живых организмов, в частности высших растений [3, 4].

Биологической очистке в основном подвергаются стоки загрязненные веществами органической природы и биогенными элементами, с высоким содержанием взвешенных веществ. Биологические методы хорошо зарекомендовали себя в системе очистки коммунально-бытовых стоков, как наиболее экологически и экономически выгодные. Также они применяются для очистки сточных вод  предприятий молочно-консервной, пищевой, нефтеперерабатывающей промышленности, в животноводстве и т.п.

Биологическая очистка осуществляется как в специальных сооружениях, так и в естественных условиях, например в биологических водоемах (прудах), где в очистке сточных вод принимают активное участие все организмы, населяющие водоем. Их особенностью, определяющей гидробиологический режим, являются низкий уровень растворенного кислорода и обилие органогенных элементов в воде.

Очистка стоков в биологических прудах служит завершающим этапом после механической и физико-химической очистки. Именно в биологических прудах окончательно формируется качество воды, сбрасываемой в природные водные объекты или на рельеф.  Наличие в системе очистных сооружений биопрудов позволяет, даже при отсутствии предварительной механической или физико-химической очистки, что в современных условиях далеко не редкость, в значительной мере сгладить отрицательное влияние неочищенных или недоочищенных стоков на экологическое состояние водных бассейнов.

В формировании качества воды в биологических водоемах важную роль играют высшие водные растения – макрофиты. Их применяют в биологических водоёмах для очистки и доочистки хозбытовых сточных вод, стоков промышленных предприятий и животноводческих комплексов. Отмечено, что чем шире видовой состав растений в водоёме, тем эффективнее происходит очистка сточных вод [5].

Целью начатых нами исследований стало изучение систем гидрофитной очистки в биологических прудах Курского региона, как наиболее оптимального варианта решения водоохранных проблем. Планомерное исследование биологических прудов начато в 2008 году и, с небольшими перерывами, продолжается до настоящего времени.

На территории Курской области насчитывается более сорока биопрудов, расположенных вблизи населенных пунктов. На многих предприятиях жилищно-коммунальные хозяйства (ЖКХ) не имеется никаких других очистных сооружений кроме биологических прудов (Большесолдатское, Дичнянское и Октябрьское ЖКХ, а также Кореневский завод НВА, Горшеченский маслозавод и Курская птицефабрика), или же они работают неудовлетворительно (Горшеченское, Ново-Андросовское и Михайловское ЖКХ, а также Олымский молочно-консервный завод). Сток очищается плохо или неочищается совсем, и этих случаях биологические пруды, являются практически единственными действующими элементом в системе очистки стоков.

На данный момент, в практике  очистки хозбытовых и промышленных сточных вод региона, большинство биологических прудов, в том числе многие из вышеперечисленных, переведены в бессточный режим. Тем самым практически полностью прекратился поверхностный сброс воды в природные водоёмы. Это положительно повлияло на экологическое состояние средних и малых водных бассейнов Курской области, значительно замедлив их эвтрофикацию.

Практически все биологические водоёмы Курской области, как водные объекты, до настоящего времени не обследованы и даже не картированы. Малоисследованными остаются и обитающие в этих водоёмах высшие растения, их видовой состав и структура фитоценозов [7], а также особенности аккумуляции и распределения тяжелых металлов в них. Все это играет немаловажную роль в использовании растений в практике очистки сточных вод и поверхностного стока [1, 6].

В данной работе представлена краткая характеристика накопления и распределения тяжелых металлов в системе «вода–донные отложения–высшие водные растения» в водоеме биологической очистки сточных вод поселка Искра Курской области.

Водоем расположен в овраге на расстоянии 1,5 км от поселка Искра Курского района. Сформирован хозяйственно-бытовыми сточными водами (сток из близлежащих населенных пунктов и областной психиатрической больницы), прошедшими предварительную очистку в аэротенках. Местное население использует водоем для ловли рыбы и с целью рекреации.

Отбор образцов  растений, проб воды и донных отложений проводили в период полного физиологического развития растений (июль–сентябрь). Параллельно определяли экологические характеристики фитоценоза. Материал собрался и обрабатывался по стандартным методикам.

Растительный материал измельчали и высушивали в термостате при 105°С до абсолютно сухой массы, затем подвергали разложению с азотной кислотой и пергидролем. Содержание Zn, Cd, Pb и Cu в подготовленных растительных образцах, пробах воды и донных отложений определяли методом инверсной вольтамперметрии.

Исследуемый водоем прямоугольной формы, его длина 70 м, ширина 60 м, площадь 0,44 га. Средняя глубина около 1,7 м, максимальная – 2,8 м. Через сток в глиняной дамбе вода из пруда вытекает в болотистую пойму р. Тускарь. Берега глинистые; возвышенные, с востока и запада крутые, в северной и южной части – пологие. Рельеф прилегающей местности полого-холмистый.

Дно водоема глинистое с примесью дресвы и щебня. Донные отложения мощностью от 1 см до 17 см черно-коричневого цвета, со слабым сероводородным запахом. У берегов грунт почти целиком слагается из полуразложившихся остатков прибрежных растений мощностью 13—24 см.

Вода в пруду бледно-желтого цвета, слабо мутная с очень слабым болотным запахом, заметным, если обратить на него внимание.

Зарастание высшей растительностью исследованного пруда имеет сложный характер: у берегов имеется достаточно слабое обрастание – до 20%, но, в тоже время, плейстофитное зарастание зеркала достигает 50%–60%.

Фитоценоз водоема характеризуется наличием доминирующих видов – тростника (Phragmites communis Ttin.), рогоза широколистного (Typha latifolia L.) и ряски малой (Lemna minor L.). Другие отмеченные нами виды (Typha angustifolia L., Elodea canadensi Michx., Ceratophyllum demersum L.), имеют очень низкое обилие и практически не участвуют в формировании фитоценоза.

Нами определено, что Ph. communis произрастает в пруду куртинами, в основном вдоль северного берега, иногда в смеси с рогозом (T. latifolia) занимая площадь 0,035 га. Проективное покрытие вида – 80%, а его обилие (по Друде) – Soc. Gr.. Число побегов тросника – 57 шт. на 1 м²., продуктивность – 1,35 кг сухого веса на 1 м².

T. latifolia очень обилен, растет практически сплошной полосой вдоль берега, занимая площадь 0,09 га. Проективное покрытие вида – 65%, а его обилие (по Друде) – Soc. Число побегов рогоза – 43 шт. на 1 м²., продуктивность – 4,80 кг сухого веса на 1 м².

Практически большую половину зеркала покрывает L. minor , имеющая проективное покрытие окло 90% и занимая площадь 0,44 га. Обилие (по Друде) – Soc. Число растений ряски – около 180 000 шт. на 1 м²., продуктивность – 0,108 кг сухого веса на 1 м² зеркала пруда.

В качестве растения для исследование накопления и распределения тяжелых металлов в биогеоценозе водоема мы избрали тростник обыкновенный (Ph. communis), как вид обладающий достаточно широкой экологической амплитудой и широко применяемый для очистки стоков [2, 3, 4].

Определялось валовое содержание некоторых тяжелых металлов – Zn, Cd, Pb и Cu, в образцах растений тростника, пробах воды и донных отложений (см. таблицу).

Исследования показали, что концентрация тяжелых металлов в растении тростника колеблется  в очень широких пределах от 0,002 до 271,565 мг/кг сухого вещества. При этом у цинка имеется самый большой размах значений – от 26,2 до 271,565 мг/кг, у меди от гораздо меньше от 0,024 до 6,22 мг/кг, а у свинца – от 0,039 до 2,775 мг/кг. У кадмия, в тех частях и органах где он обнаружен, концентрация находится  в пределах от 0,045 до 0,124 мг/кг.

В целом значения не превышают фонового уровня содержания тяжелых металлов в водных растениях [1]. Вместе с тем в в некоторых частях и органах тростника отмечено превышение средней величины содержания цинка в водных растениях во много раз, что связанно со специфическими особенностями среды обитания исследуемого вида, на обогащенной цинком среде, ведь и в воде, и донных отложениях отмечено значительное превышение средних фоновых концентраций цинка.

Нами отмечено также, что большинство элементов, исключая кадмий, концентрируются в основном в подводных частях растений, в частности в корнях, что связанно с многолетним характером их существования, обуславливающим возможность длительного накопления.

Конечно, приведенные в данной работе результаты имеют преимущественно качественный, описательный, характер. Для выявления же имеющихся закономерностей требуется более глубокое и многостороннее дальнейшее изучение проблемы, тщательный анализ всего многообразия имеющихся структурных связей, между элементами биогеоценоза. Все это впоследствии может создать предпосылки развития системы контроля и оценок состояния экосистем биологических прудов.

Литература

1. Дикиева, Д. М. Химический состав макрофитов и факторы, определяющие концентрацию минеральных веществ в высших водных растениях / Д. М. Дикиева,  И. А. Петрова // Гидробиологические процессы в водоемах: Под ред. И. М. Распопова. – Л.: Наука, 1983. – С. 107—213.

2. Диренко, А. А. Использование высших водных растений в практике очистки сточных вод и поверхностного стока / А. А. Диренко, А. А. Кнуса, Е. М. Коцарь // Сантехника, Отопление, Кондиционирование. – 2005. – №3. – С.131—134.

3. Кравец, В. В. Высшая водная растительность как элемент очистки промышленных сточных вод / В. В. Кравец, Л. Б. Бухгалтер, А. П. Акользин // Экол. и пром. России. – 1999.– №8. – С. 20—23.

4. Кравец, В. В. Интенсификация процессов самоочищения воды в биологических прудах, являющихся третьей ступенью очистки сточных вод / В. В. Кравец // Биологическое самоочищение и формирование качества воды. – М.: Наука, 1975. – С.147—150.

5. Крот, Ю. Г. Использование высших водных растений в биотехнологиях очистки поверхностных и сточных вод / Ю. Г. Крот // Гидробиол. журнал.  – 2006. – Т. 42. – № 1. – С. 43—56.

6. Кроткевич П. ,Г. Роль растений в охране водоемов. – М.: Знание, 1982. – 64 с.

7. Galyas, A. V. The higher water plants of some reservoirs of biological clearing in the Kursk area / A. V. Galyas // Biodiversity. Ecology. Adaptation. Evolution: Theses of the 4th International Conference students, postgraduate students and youths of scientists, on September, 16—19, 2009. – Odessa, 2009. – Р. 174—175.

Опубликовано: Галяс, А. В. Особенности распределения тяжелых металлов в биогеоценозах биологических прудов / А. В. Галяс, А. Н. Банный // Модернизация аграрного производства: наука и практика: Материалы международной студенческой научно-практической конференции, 17—18 марта 2010 г. – Курск, 2010.