CC BY
20
УДК 574.58
ОПРЕДЕЛЕНИЕ УРОВНЯ САПРОБНОСТИ ВОДЫ ПРУДОВ ПОСЁЛКА ПЕРВОМАЙСКИЙ ЩЁКИНСКОГО РАЙОНА
ТУЛЬСКОЙ ОБЛАСТИ
А.А. Лештаев, М.Е. Изволов
Изучено экологическое состояние прудов посёлка Первомайский Щёкинского района Тульской области с использованием метода Майера, а также определения содержания растворённого кислорода в воде по методу Винклера и определения химического потребления кислорода этой водой. Метод Майера основан на приверженности различных групп водных беспозвоночных к водоёмам разной степени загрязнённости. Содержание растворённого кислорода в воде обычно обратно пропорционально уровню её загрязнённости. Химическое потребление кислорода (ХПК) показывает общий уровень загрязнения воды окисляемыми веществами. Обследовано четыре пруда. Большинство водоёмов показало средний уровень загрязнения, лишь один из них признан грязным.
Ключевые слова: водоём, мониторинг, зообентос, биоиндикатор, кислород.
Введение
На территории Тульской области находится немало прудов. Эти искусственные водоёмы широко используются для нужд рекреации и рыболовства. Вместе с тем, экологическое состояние многих из них вызывает вопросы. Целью нашего исследования являлось выявить уровень сапробности (то есть степени загрязнённости органическими веществами) прудов посёлка Первомайский Щёкинского района Тульской области с помощью методов биоиндикации [4], а также методов химического анализа [2].
Материалы и методы
Нами были исследованы пруд в Первомайском лесопарке, Поповский пруд, пруд на улице Солнечная, пруд рядом с улицей Толстовская дубрава. Исследования проводились в период с мая по сентябрь 2017 года. При выборе участков для отлова животных учитывался ряд условий: отсутствие на них мелководий с густой водной растительностью и затонов с застойной водой. Пробы грунта с обитающими в нём беспозвоночными животными отбирали с помощью гидробиологического сачка около берега через каждые 10 метров. Затем производился разбор добытого материала с помощью пинцетов. Пойманных животных помещали для фиксации в ёмкости с формидроном. Определение животных производилось по определителю водных беспозвоночных [3].
Уровень сапробности определяли по методу Майера [4]. Метод Майера основан на приуроченности различных групп водных
беспозвоночных, распространённых в умеренной зоне Евразии, к водоёмам с определённым уровнем загрязнённости. Организмы-индикаторы отнесены к одному из трёх разделов (табл. 1).
Таблица 1
Определена сапробности по методу Майера_
Обитатели чистых вод Организмы средней степени чувствительности Обитатели загрязнённых водоёмов
Личинки веснянок Рачок бокоплав Личинки комаров-звонцов
Личинки подёнок Речной рак Пиявки
Личинки ручейников Личинки стрекоз Рачок водяной ослик
Личинки вислокрылок Личинки комаров-долгоножек Моллюски прудовики
Двустворчатые моллюски Моллюски-катушки Личинки мошки
Моллюски дрейссены Моллюски-живородки Малощетинковые черви
Нужно отметить, какие из приведённых в таблице индикаторных групп обнаружены в исследуемом водоёме. Число обнаруженных групп из первого столбца таблицы нужно умножить на три, из второго — на два, из третьего — на один. Полученные числа складываются, их сумма является характеристикой загрязнённости водоёма в баллах. Если сумма превышает 22 балла, то вода водоёма имеет первый класс качества (низкий уровень загрязнения). Если сумма составляет от 17 до 21 балла, воду водоёма относят ко второму классу качества (умеренный уровень загрязнения). При сумме от 11 до 16 баллов воде водоёма присваивают 3-й класс качества (средний уровень загрязнения). Сумма меньше 11 баллов — это четвёртый класс качества (грязный водоём) [4].
Содержание кислорода в воде во многом связано с уровнем её загрязнённости. Во-первых, в мутной воде хуже протекает фотосинтез. Во-вторых, разложение загрязняющих воду органических веществ сопровождается поглощением кислорода. Таким образом, чем меньше концентрация кислорода в воде, тем сильнее загрязнён водоём. Принцип метода определения содержания растворённого кислорода по Винклеру, основан на способности растворённого кислорода, содержащегося в определенном объеме воды, для окисления гидроксида марганца (II) в гидроксид марганца (III):
М^04 + 2№ОН = Мп(ОН)2 + Na2SO4 ; (1)
4Мп(ОН)2 + О2 + Н2О = 4Мп(ОН)з . (2)
Гидроксид марганца (III), в свою очередь, окисляет в кислой среде
К1:
2Мп(ОН)з + 3H2SO4 + 2К1 = 2MnSO4 + K2SO4 + 12 + 6Н2О ; (3)
12 + 2Na2S2Oз = 2Ш1 + Na2S4O6 . (4)
Для определения содержания кислорода в воде по методу Винклера пробы воды отбирали в колбы с притертой пробкой вместимостью 250 мл. Колбы опускали на глубину 0,5 м, вынимали и сразу закрывали пробкой, чтобы не образовались пузырьки воздуха. После этого сразу же на месте отбора фиксировали кислород, для чего в колбу при помощи пипетки на 1 мл, погружая ее до дна, вносили 1 мл раствора М^04 (готовили растворением 200 г М^04 х 2Н2О в дистиллированной воде и доводением объема до 0,5 л ). Другой такой пипеткой в верхнюю часть колбы вносили 1 мл щёлочного раствора К1 (готовили растворением 75 г К1 в 50 мл дистиллированной воды). Колбу осторожно закрывали пробкой, при этом из склянки выливали 2 мл исследуемой воды, то есть столько, сколько налили реактивов. Затем жидкость перемешивали перевертыванием. В таком состоянии оставляли пробу для транспортировки.
Перед титрованием (осадок должен хорошо осесть) приливали 2 мл Н^04 (1:1). Раствор Н^04 вносили пипеткой в нижнюю часть колбы. Закрывали колбу пробкой по тем же правилам и перемешивали до растворения осадка Мп(ОН)2.
После этого всю пробу переливали в коническую колбу для титрования вместимостью 250-300 мл и быстро титровали 0,01 н раствором тиосульфата натрия при непрерывном помешивании до слабожелтого цвета, после чего прибавляли 1 мл раствора крахмала и продолжали титровать до исчезновения синей окраски.
Расчет содержания растворенного кислорода в воде X (мг/л) производили по формуле:
X = (А х Н х 8 х 1000 ) / ( V! - У2 ), (5)
где А - объем раствора тиосульфата натрия, пошедшего на титрование, мл; Н - нормальность раствора Nа2S2Оз с учётом поправки; V1 - объем пробы в склянке, мл (120 мл);
V - объем реактивов, добавленный до образования Мп(ОН)2, (2 мл); 1000 - пересчет на 1 л;
8 - эквивалентная масса кислорода, соответствующая 1 мл 1 н раствора Na2S2Oз.
Для определения поправки к титру тиосульфата натрия к 15 мл 0,01 н раствора дихромата калия прибавляют 2 г иода, перемешивают, взбалтывают, дают отстояться 5 мин и затем титруют в присутствии
крахмала проверяемым раствором тиосульфата натрия до исчезновения синей окраски. Нормальность раствора тиосульфата определяют по стандартной формуле:
V! х N1 = У2 х N2, (6)
где V1 - объём раствора К2Сг207; V - объём раствора №^203; N - нормальность раствора К2Сг207; N2 - нормальность раствора Na2S2Oз [2].
Химическое потребление кислорода (ХПК) показывает общий уровень загрязнения воды окисляемыми веществами. Чем грязнее водоём, тем выше его ХПК. Одним из способов определения химического потребления кислорода является вычисление перманганатной окисляемости растворённых в воде веществ. Определение перманганатной окисляемости воды основано на том, что КМпО4, будучи в кислой среде сильным окислителем, реагирует с присутствующими в воде восстановителями (органические вещества, соли железа (II), нитраты). Ион МпО4- принимает при этом 5 электронов и переходит в двухвалентный катион Мп2+ по уравнению:
МпО4- + 8Н+ + 5е = Мп2+ + 4Н2О. (7)
Избыток КМп04 реагирует с вводимой в раствор щавелевой кислотой:
2МпО4- + 5Н2С2О4 + 6Н+ = 2Мп2+ + 1ОСО2 + 8Н2О. (8)
Не вступившая в реакцию щавелевая кислота оттитровывается КМпО4 по приведенному уравнению.
Для определения перманганатной окисляемости воды воду отбирали с поверхности водоёма в колбу объёмом 250 мл. В термостойкую колбу отмеряли пипеткой 100 мл исследуемой пробы. В колбу приливали 5 мл раствора Н^О4 (1:3) и 15 мл 0,01 н раствора КМпО4. Затем нагревали пробу до появления первых пузырьков пара, и с этого момента содержимое колбы кипятили 10 мин.
В процессе кипячения могли произойти следующие изменения первоначального фиолетового цвета раствора перманганата:
1) жидкость обесцвечивалась, что свидетельствовало о большом содержании в данном объеме пробы восстанавливающих веществ. В таком случае определение повторяли и брали меньший объем исследуемой пробы, разбавляя его дистиллятом до 100 мл;
2) жидкость приобретала коричнево-бурый цвет, что свидетельствовало о недостаточном количестве Н^О4. В таком случае в раствор добавляли еще 5 мл раствора Н^О4 и продолжали определение;
3) жидкость приобретала красноватый оттенок или оставалась после 10-минутного кипячения окрашенной в фиолетовый цвет. Это свидетельствовало о том, что определение идет правильно.
В окрашенную жидкость приливали пипеткой 15 мл 0,01 н раствора Н2С2О4. Содержимое колбы при этом обесцвечивалось, Н2С2О4 окислялась атомарным кислородом, который образуется при распаде КМп04. Не доливая бюретки с раствором КМп04, титровали пробу до появления устойчивой слабо-розовой окраски от одной прибавленной капли КМп04. Записывали суммарное количество КМп04, израсходованное как на окисление органических веществ в пробе, так и на окисление 15 мл Н2С2О4.
Для определения поправочного коэффициента к нормальности КМп04, затраченного на окисление 15 мл НгС2О4, в колбу, в которой производился анализ, приливали пипеткой 15 мл стандартного 0,01 н раствора Н2С2О4 и пробу титровали вновь до слаборозовой окраски (температура пробы при титровании должна быть 50-60°С).
Поправочный коэффициент к нормальности КМп04 вычисляют по формуле:
К = 15 / п, (9)
где п - количество мл раствора перманганата калия, пошедшее на титрование 15 мл 0,01 н раствора щавелевой кислоты.
Вычисление результатов производилось по формуле:
0 = {[(А1 + А2) К - В] 0,08 х 1000}^
где А1- количество раствора КМпО4, добавленное в пробу в начале закипания мл; А2 - количество раствора КМпО4, пошедшее на титрование пробы, мл; К - поправочный коэффициент к титру раствора перманганата калия; В - количество 0,01 н раствора щавелевой кислоты, добавленное в пробу после ее окисления, мл; 0,08 - количество кислорода, эквивалентное
1 мл 0,01 н КМпО4, мл; V - объем пробы, взятый для анализа, мл [2].
Результаты и обсуждение
В пруду Первомайского лесопарка обнаружены личинки стрекоз, личинки комаров долгоножек, личинки комаров звонцов, личинки мошки, рачки водяные ослики, моллюски прудовики, моллюски катушки, малощетинковые черви. В Поповском пруду в пробах встречались личинки стрекоз, личинки комаров долгоножек, личинки комаров звонцов, личинки мошки, рачки бокоплавы, рачки водяные ослики, моллюски прудовики, моллюски катушки, пиявки, малощетинкоые черви. В пруду на улице Солнечная были обнаружены личинки комаров долгоножек, личинки комаров звонцов, рачки водяные ослики, моллюски катушки, моллюски прудовики, пиявки, малощетинковые черви. В пруду рядом с улицей Толстовская дубрава в пробах встречались личинки стрекоз, личинки комаров долгоножек, личинки комаров звонцов, личинки мошки, рачки бокоплавы, рачки водяные ослики, моллюски прудовики, моллюски катушки, моллюски живородки, пиявки, малощетинковые черви.
По полученным данным был подсчитан индекс Майера. По пруду Первомайского лесопарка: 2 (личинки стрекоз) + 2 (личинки комаров долгоножек) + 1 (личинки комаров звонцов) + 1 (личинки мошки) + 1 (рачки водяные ослики) + 1 (моллюски прудовики) + 2 (моллюски катушки) + 1 (малощетинковые черви) = 11 баллов (средний уровень загрязнения). Для Поповского пруда: 2 (личинки стрекоз) + 2 (личинки комаров долгоножек) + 1 (личинки комаров звонцов) + 1 (личинки мошки) + 2 (рачки бокоплавы) + 1 (рачки водяные ослики) + 1 (моллюски прудовики) + 2 (моллюски катушки) + 1 (пиявки) + 1 (малощетинковые черви) = 15 баллов (средний уровень загрязнения). Для пруда на улице Солнечная: 2 (личинки комаров долгоножек) + 1 (личинки комаров звонцов) + 1 (рачки водяные ослики) + 2 (моллюски катушки) + 1 (моллюски прудовики) + 1 (пиявки) + 1 (малощетинковые черви) = 9 баллов (грязный водоём). Для пруда рядом с улицей Толстовская дубрава: 2 (личинки стрекоз) + 2 (личинки комаров долгоножек) + 1 (личинки комаров звонцов) + 1 (личинки мошки) + 2 (рачки бокоплавы) + 1 (рачки водяные ослики) + 1 (моллюски прудовики) + 2 (моллюски катушки) + 2 (моллюски живородки) + 1 (пиявки) + 1 (малощетинковые черви) = 16 баллов (средний уровень загрязнения). Как видно из полученных данных, все водоёмы имеют средний уровень загрязнения, кроме одного.
Воды прудов были также подвергнуты анализу на содержание растворённого кислорода в воде. Концентрация тиосульфата натрия в нашем случае получилась с учётом поправки: N = 15 х 0,01 / 13,6 = 0,011 н. На титрование пробы воды из пруда Первомайского лесопарка ушло 6,1 мл раствора тиосульфата натрия. В результате титрования содержание кислорода в воде X = (6,1 х 0,011 х 8 х 1000) / (120 - 2) = 4,54 мг/л О2. На титрование пробы воды из Поповского пруда было истрачено 5,8 мл тиосульфата натрия. По результатам титрования концентрация кислорода в воде X = (5,8 х 0,011 х 8 х 1000) / (120 — 2) = 4,32 мг/л О2 . Титрование пробы воды из пруда на улице Солнечная потребовало 4,7 мл тиосульфата натрия. По его результатам концентрация кислорода в воде X = (4,7 х 0,01 х 8 х 1000) / (120 - 2) = 3,51 мг/л 02. На титрование воды из пруда около улицы Толстовская дубрава израсходовано 6,8 мл тиосульфата натрия. Согласно этим результатам концентрация кислорода в воде X = (5,2 х 0,011 х 8 х 1000) / (120 - 2) = 3,88 мг/л О2. Желательная концентрация кислорода для водоёмов рыбохозяйственного значения в зависимости от разводимых рыб составляет от 3 до 5 мг/л [1]. Как видно из полученных данных, вода всех исследуемых прудов отвечает этим требованиям, при этом наиболее богаты растворённым кислородом воды пруда Первомайского лесопарка и Поповского пруда.
Нами был также было проведено определение содержания химического потребления кислорода водой прудов. На титрование пробы для получения поправочного коэффициента было затрачено 14,8 мл 0,01 н
раствора КМпО4. Таким образом, поправочный коэффициент составил: К = 15/14,6=1,03. На титрование пробы воды из пруда в Первомайском лесопарке ушло 25,7 мл 0,01 н раствора КМпО4. Отсюда величина перманганатной окисляемости воды в пересчёте на атомарный кислород будет: О={[(15 + 25,7) х 1,03 - 15] х 0,08 х 1000} / 100 = 21,54. Титрование пробы воды из Поповского пруда потребовало 28,1 мл 0,01 н раствора КМпО4. Вычислим величину перманганатной окисляемости: О={[(15 + 28,1) х 1,03 - 15] х 0,08 х 1000} / 100 = 23,51 мг/л О. На титрование пробы воды из пруда на улице Солнечное было израсходовано 37,8 мл 0,01 н раствора КМпО4. Отсюда величина перманганатной окисляемости: О={[(15 + 37,8) х 1,03 - 15] х 0,08 х 1000} / 100 = 31,51 мг/л О. На титрование пробы воды из пруда около улицы Толстовская Дубрава истратили 33,4 мл 0,01 н раствора КМпО4. Рассчитаем величину перманганатной окисляемости: О={[(15 + 33,4) х 1,03 - 15] х 0,08 х 1000} / 100 = 27,88 мг/л О. Максимально допустимой величиной ХПК для водоёмов растворённых мест является 30 мг/л О [1]. В данном случае это величина превышена только в пруду на улице Солнечная. Минимальная величина ХПК характерна для пруда в Первомайском лесопарке.
Заключение
Таким образом, исходя из полученных данных, можно сделать вывод, что в наилучшем экологическом состоянии находится пруд на территории Первомайского лесопарка. Это можно объяснить тем, что данный пруд широко используется в рекреационных целях властями Щёкинского района, поэтому за качеством воды в нём регулярно следят органы санитарно-эпидемиологической службы. Поповский пруд находится на окраине посёлка Первомайский вдали от таких мощных источников загрязнения, как автотрассы и городские застройки, что, видимо, обуславливает его относительно хорошее экологическое состояние. Пруд недалеко от улицы Толстовская Дубрава отделён от городской застройки небольшой лесополосой, которая, видимо, частично препятствует попаданию в него смывов с проезжей части и придомовых территорий. Тем не менее, его экологическое состояние хуже, чем у двух вышеописанных водоёмов. В наиболее невыгодном положении находится пруд на улице Солнечная, находящийся в непосредственной близости от жилой и гаражной застройки. Его воды беспрепятственно загрязняются смывами с этих территорий.
Список литературы
1. Оценка и нормирование качества природных вод: критерии, методы, существующие проблемы: учеб.-метод. пособие / сост. О.В. Гагарина. Ижевск: Издательство «Удмуртский университет», 2012. 199 с.
2. Федорова А.И., Никольская А.Н. Практикум по экологии и охране окружающей среды: учеб. пособие для высших учебных заведений. М.: Гуманитарный издательский центр «Владос», 2001. 288 с.
3. Шалапенок Е.С., Мелешко Ж.Е. Краткий определитель водных беспозвоночных животных: учеб. пособие для стул. биол. факультетов. Минск: БГУ, 2005. 243 с.
4. Экологический мониторинг: учебное пособие для преподавателей, студентов, учащихся / под ред. Т. Я. Ашихминой. М.: Академический проект, 2008. 416 с.
Лештаев Алексей Александрович, канд. биол. наук, доц., leshtaevaiimaiLru, Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого,
Изволов Матвей Евгеньевич, студент, leshtaevaiimaiLru, Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого
DETERMINATION OF THE LEVEL OF SAPROBITY OF WATER PONDS IN THE SETTLEMENT MAY DAY SHCHEKINSKY DISTRICT OF TULA REGION
A.A. Leshtaev, M.E. Izvolov
The ecological state of the ponds of Pervomaisky settlement of Shchekinsky district of Tula region was studied using the Mayer method, as well as the determination of the dissolved oxygen content in water by the Winkler method and the determination of the chemical oxygen consumption by this water. Meyer the method is based on the commitment of the various groups of aquatic invertebrates to water bodies with different degrees of contamination. The dissolved oxygen content in water is usually inversely proportional to its pollution level. Chemical oxygen demand (COD) indicates the overall level of water pollution by oxidizable substances. Examined four ponds. Most reservoirs showed an average level of pollution, only one of them was found dirty.
Key words: pond, monitoring, zoobenthos, bioindicator, oxygen.
Leshtaev Aleksej Aleksandrovich, candidate of biological, docent, leshtaevaiimaiL ru, Russia, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University,
Izvolov Matvej Evgen'evich, student, leshtaevaiimaiL ru, Russia, Tula, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University
