Экогеохимическая и биоиндикационная оценка загрязнения малых рек города Березники

Снижение качества водных ресурсов в пределах урбанизированных территорий является закономерным явлением (Клёцкина, 2022; Копылов, 2014). Поступление с урбанизированных и селитебных территорий ливневых и талых вод приводит к загрязнению водотоков нефтепродуктами, соединениями азота, взвешенными веществами и тяжелыми металлами (Семенов, 2013; Abdel-Satar, 2017; Ushakova, 2021). Кроме того, в поверхностные воды осуществляется сброс сточных вод коммунальных и производственных предприятий, очистка которых не всегда проводится в должной степени (Ко-ронкевич, 2022). Такие стоки могут нести с собой химические загрязнители, приводить к эвтрофикации, кислородному голоданию, тепловому загрязнению водных объектов, что в свою очередь неизбежно сказывается на условиях обитания водных организмов (Говоркова, 2020). Учитывая важную роль малых рек как нерестилищ, они оказывают значительное влияние на экологическое состояние более крупных водотоков и играют важную роль в воспроизводстве многих видов рыб.

Ярким примером проявления высокой ур-ботехногенной нагрузки на малые реки служит территория Березниковско-Соликамской агломерации (Белкин, 2020). Крупная городская агломерация и широкий перечень промышленных предприятий различных отраслей оказывают значительное влияние на состояние местной гидросферы. По результатам многочисленных исследований (Лепихин, 2020; Меньшикова, 2016; Зиновьев, 2018; Khayrulina, 2022 и др.), высокий уровень техногенного воздействия характерен как для малых рек района, так и для Камского водохранилища.

Стоит отметить, что система мониторинга качества малых водотоков на территории Соликамско-Березниковской агломерации в настоящее время развита недостаточно. В связи с этим целью настоящего исследования является достоверная оценка современного состояния вод малых рек города Березники (р. Быгель, р. Зырянка и р. Толыч), проводимая с использованием современных оценочных инструментов.

Материалы и методы исследований

Исследуемые реки расположены в пределах Березниковского городского округа Пермского края (59°24′29″ N 56°48′19″ E). Р. Толыч берет начало на северо-восточной границе города Березники и протекает через комплекс промышленных предприятий (ти-таномагниевый комбинат, ТЭЦ, содовый завод). Р. Быгель, верховья которой расположены в зоне влияния калийного рудоуправ- ления, протекает по восточной границе города вдоль зоны жилой застройки, после чего впадает в р. Зырянку, которая огибает город с южной стороны. Сток Зырянки зарегулирован водохранилищами, в приустьевой части расположены затопленный калийный рудник и ряд крупных химических производств. По данным Камского БВУ, во все изучаемые водотоки осуществляется сброс сточных вод.

Рис. 1. Карта-схема расположения точек отбора проб в районе исследования

В летний меженный период (конец августа) 2018 г. был произведен отбор проб воды в верхнем, среднем и нижнем течении р. Толыч (1Т-3Т), среднем и нижнем течении рр. Быгель (1B-3B) и Зырянки (1Z-4Z). Для установления местного фона наряду с этими образцами были отобраны 6 проб из рр. Аленка, Бушкашер, Ольховка, Орловка, Талажанка, Легчим, которые расположены на значительном удалении от источников антропогенного воздействия (рис. 1).

Отбор проб речных вод для исследований микроэлементов производили из слоя 0,5 м от поверхности в хорошо промытую пластиковую тару объемом 0,1 л. В каждую ёмкость добавляли HNO3 для стабилизации образцов до pH < 2. Хранение проб до прове- дения анализа производилось при фиксированной температуре - 4°С.

В воде определены следующие показатели: pH – потенциометрическим методом; Li, V, Ti, Al, Cr, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, As, Cd, Pb, Sr, Ba – методом масс-спектрометрии ICP-MS на приборе спектрометр Aurora M90 ICP-MS, Bruker. Точность анализа была проверена путем анализа пустых образцов и сертифицированных стандартных образцов. Анализ микроэлементов проводился в трех сериях, результаты анализа были представлены в виде среднего значения, ошибка не превышала 10%.

Для определения таксономической структуры макрозообентоса произведен отбор проб в 7 точках опробования: в бассейне р. Толыч (TB1-TB3), в бассейне р. Зырянка (ZB1-ZB3) и в среднем течении ее притока – р. Быгель (ВВ) (рис. 1). Отбор проб зообентоса проводили гидробиологическим скребком с шириной лезвия 20 см. Площадь облова определялась умножением ширины скребка на длину протяга. Организмы бентоса отделяли от грунта путем многократного отмучивания в кювете и процеживания слива через мельничный газ № 49 и фиксировали 4% формалином. Идентификация организмов осуществлялась на основании систематической принадлежности гидробионтов (Руководство…, 1992).

Обработку результатов исследований микроэлементного состава образцов проводили с использованием широкого ряда классификационных и комплексных показателей.

Расчет способности микроэлементов к миграции в воде, либо аккумуляции в донных осадках, проводили с использованием коэффициента распределения Kd

Kd = Cs/c , b w где Cs и Cw - содержание микроэлементов в донных отложениях и в поверхностных водах, соответственно. Логарифм (Log(Kd)) этого показателя надёжно отражает способность веществ к миграции между водной фазой и твердой фазой, что позволяет оценить потенциальную экологическую опасность загрязняющих веществ (Li и др., 2017; Na-belkova, 2014).

Классификация степени загрязнения воды металлами и металлоидами произведена с применением диаграммы Фиклика-Кабоя (Sharmin, 2020; Zakir, 2020). Согласно данному подходу, разработанному в 1990-х гг., степень загрязнения элементами в пределах исследуемых бассейнов оценивались как отношение pH к сумме элементов Li+V+ Ti+Al+Cr+Mn+Fe+Ni+Cu+Zn+As+Cd+Pb+Sr +Ba (мкг/л).

Комплексный анализ качества воды произведен с применением интегральных показателей. Индекс содержания металлов (MI) , согласно Тамаси и Чини (Tamasi, Cini, 2004), рассчитан по формуле:

Ml = 27-1-^ , ‘-1 (ПДК); , где Cj - концентрация i-го элемента в образце, а ПДК – предельно допустимая концентрация, основанная на значениях российских рыбохозяйственных нормативов. Показатель MI классифицирует качество воды на шесть классов: от очень чистых до чрезвычайно загрязненных.

Оценка потенциальной экологической опасности (ERI) , связанной с содержанием микроэлементов в воде (Maskooni et al., 2020), рассчитана по формуле:

вы = sum х ^ , где Cj - концентрация i-го элемента, измеренного в образце, Mj - фоновое содержание i-го элемента в поверхностных водах, Tj — коэффициент токсичности, который отражает уровень его токсичности и чувствительность биоты к нему (Fu et al., 2009). Принятые значения коэффициента токсичности: Cd=30; Cr=25; Ni=As=10; Cu=Pb=5; V=2; и Mn=Zn=1 (Yu et al., 2021). Показатель ERI классифицирует качество воды по категориям экологического риска: низкий, умеренный, значительный и очень высокий (Maskooni et al, 2020).

Рассчитанные аналитические результаты ERI и MI были импортированы в ArcGIS для демонстрации параметров качества поверхностных вод. С помощью приложения Statistica были обработаны различные описательные данные (среднее значение, минимум, максимум), диаграмма размаха и многомерный статистический анализ (кластерный анализ) по методу Уорда. MS Excel 19 использовался для построения диаграммы Фиклика-Кабоя.

Результаты и их обсуждение

Содержание микроэлементов в изучаемых водотоках

Концентрации микроэлементов в исследуемых реках представлены в табл. 1. Средняя концентрация исследуемых элементов в воде р. Толыч следовала в следующем порядке убывания: Sr > Fe > Ba > Mn > Ti> Li > Al > Ni > Cr > Zn> Cu> As > Cd > Pb.

При сравнении с нормативами качества воды водных объектов рыбохозяйственного значения (ПДКрх) в точке отбора 2Т отмечено превышение концентраций по Mn (в 3,6 раза) и Cu (1,1). На всем протяжении водотока зафиксировано превышение по Fe (1,7– 4,9) и Sr (4,1–7,5). В устье реки отмечено превышение по Fe и Sr до 4,9 и 6,7 раза, со- ответственно. Средняя концентрация Sr в воде (614,32 мкг/л) превышает ПДКрх (400 мкг/л).

Средняя концентрация исследуемых элементов в воде р. Быгель следовала в следующем порядке убывания: Sr > Fe > Ba > Mn >Ti>Li> Ni > Cr > Zn> As >Al> Cu>Cd > Pb. Относительно ПДК рх в устьевой части (3B) зафиксирована высокая концентрация Sr (6,7) и Mn (3,9). На всем протяжении водотока наблюдается превышение относительно по V (1,6–6,0) и Fe (1,1–3,4), причем концентрации V уменьшаются вниз по течению, а концентрации Fe – возрастают. В устьевой части реки перед впадением в р. Зырянку ПДК рх превышает Sr (6,7), Mn (3,9), Fe (3,4) и V (1,6). Средняя концентрация Sr – 1074,63 мкг/л.

Средняя концентрация микроэлементов в воде р. Зырянка следовала в следующем порядке убывания: Sr > Fe > Ba >Ti>Li> Mn>Al>Ni >Zn>Cr >As >V > Cu>Cd > Pb. Ниже Верне-Зырянского вдхр. отмечено превышение по V (2,1) и Mn (1,2). На всем протяжении исследуемой части водотока от 1Z до 4Z зафиксированы высокие концентрации Sr (1,1–6,1) и Fe (1,2–2,9) с тенденцией снижения их к устьевой части. Средняя концентрация Sr в воде составила 1204,50 мкг/л.

Расчет миграционной способности микроэлементов

Логарифм коэффициента распределения Log(Kd) рассчитан для металлов и металлоидов с учетом сводных данных по всей терри- тории исследований. По результатам расчета выявлена следующая последовательность миграционной способности элементов: Pb> Cu> V> Cr> Zn> Ni> Ba> Cd> Li>As>Sr (рис. 2), где свинец наименее подвижен, а стронций – наиболее.

Результаты расчета коэффициента распределения большинства элементов соответствуют диапазону Log(Kd)<3, что свидетельствует о преимущественном нахождении металлов в жидкой фазе.

Диапазон значений 3

Разовые значения по Сu (1B) и Pb (1T) попали в диапазон logKd>4, что означает что медь и свинец в этих точках связаны с твердой фазой (донные отложения) и лишь незначительно мигрируют в жидкую фазу.

Классификация степени загрязнения воды металлами

Диаграмма Фиклика-Кабоя (рис. 3) была использована для классификации степени загрязнения поверхностных вод металлами на основе их подвижности в различных кислотно-щелочных условиях.

Анализ данных диаграммы свидетельствует о преимущественно нейтральных и щелочных условиях в изученных водотоках. Содержание металлов находится на среднем и относительно высоком уровне, не достигая экстремальных значений.

Таблица 1. Концентрации микроэлементов в воде (мкг/л) рек Толыч, Быгель и Зырянка

	Li	V	Ti	Al	Cr	Mn	Fe	Ni	Cu	Zn	As	Cd	Pb	Sr	Ba
Река Толыч
1T	16,4	0,8	5,6	1,2	2,9	0,9	179,8	1,2	0,5	1,3	0,3	0,05	<0,1	412,4	71,0
2T	20,0	0,7	6,5	14,1	4,1	36,1	283,2	5,5	1,1	0,4	0,6	0,05	<0,1	759,4	68,7
3T	6,7	0,5	13,8	1,6	1,5	8,4	496,9	3,5	0,8	1,5	0,4	0,07	<0,1	671,2	234,2
Река Быгель
1B	1,9	6,0	1,2	0,6	2,6	0,5	105,2	0,4	0,0	1,7	1,0	0,05	<0,1	148,1	16,5
2B	4,5	4,1	4,7	0,4	2,7	0,2	220,6	1,0	0,0	1,8	0,8	0,05	<0,1	391,5	68,0
3B	13,7	1,6	22,0	0,8	3,1	39,9	340,5	5,1	0,7	1,1	2,2	0,06	<0,1	2684,3	114,8
Река Зырянка
1Z	3,5	2,1	2,7	6,6	1,4	12,7	162,5	0,9	0,2	1,6	0,7	0,05	<0,1	524,0	25,0
2Z	9,3	0,8	18,0	1,4	1,6	1,1	299,1	3,4	0,5	1,2	1,7	0,06	<0,1	2421,7	90,1
3Z	5,7	0,4	5,7	2,4	1,2	1,1	222,9	1,4	0,1	1,7	0,9	0,05	<0,1	1444,4	39,3
4Z	4,0	0,4	4,4	1,1	1,3	0,6	123,7	0,8	0,0	1,7	0,5	0,06	<0,1	427,9	21,0
Фон	-	1,85	-	-	1,51	21,18	-	1,97	1,68	10,67	1,41	0,32	4,14	-	-
ПДКрх	80	1	60	40	20	10	100	10	1	10	50	5	6	400	740

Рис. 2. Диаграмма размаха Log(Kd) для исследуемых элементов во всех водных объектах. Голубая зона соответствует Log(Kd)<3, розовая зона – 3< Log(Kd)<4 и Log(Kd)>4, согласно классификации Набелковой и Коминковой (Nаbelkova, 2014)

Рис. 3. Диаграмма Фиклика-Кабоя показывающая степень загрязнения элементами к водородному показателю

Причем содержание металлов в приустьевых зонах водотоков закономерно растёт. Самое высокое содержание элементов среди всех исследуемых бассейнов зафиксировано в точке опробования 3В и самое низкое – 1В.

Оценка качества поверхностных вод

На рис. 4 приведены рассчитанные значения MI, на основании ПДК рыбохозяйственного значения, для каждого участка реки. Значения MI в бассейне р. Толыч варьировались от 5,1 до 11,8 при среднем 9,0.

Качество вод от 1Т до 2Т соответствуют категории «грязные» по показателю MI, ниже участка 2Т до устья – «чрезвычайно грязные». При этом на основании показателя ERI на участке 2Т наблюдаются наихудшие значения экологического риска (ERI=110,8), ко- торые соответствуют «умеренному риску», а в остальных точках опробования (T1 и T3) экологический риск характеризуется как низкий.

Значения MI в бассейне р. Зырянка, включая р. Быгель, изменяются от 3,2 до 17,9 при среднем значении в р. Быгель – 11,3 и в р. Зырянка – 7,3. Качество вод на участках 1В-3В и 1Z-3Z характеризуется как «чрезвычайно грязные» и только в устьевой части р. Зырянки (4Z), находящейся в зоне подпора Камского водохранилища, уровень загрязнения снижается до категории «слабо загрязненные». Качество вод в р. Зырянка и ее притоке р. Быгель по показателю ERI соответствуют низкому экологическому риску.

Классификация участков опробования по значениям показателей MI и ERI с применением кластерного анализа приведена на рис. 5.

При евклидовом расстоянии 40 выделено 3 кластера: кластер 1 (1Т, 1В, 2В, 2Z и 3Т), кластер 2 (1Z, 3Z и 4Z) и кластер 3 (2Ти 3В).

В целом, кластерный анализ подтверждает неравномерность техногенной нагрузки на водотоки по территории исследований, особенно выделяя участки наибольшего воздействия (точки 2Ти 3В).

Средние значения показателя MI в первом и третьем кластере составили 8,5 и 14,9 соответственно (категория «чрезвычайно грязные»), во втором – 5,9 («грязные»). Усредненное значение показателя ERI во всех кластерах соответствовало низкому экологическому риску, при этом достигая в кластере 3 значения 107,7 (при пороговом 110).

Таксономическая структура зообентоса

Бассейн р. Толыч. В условиях сбросов сточных вод в верхней части бассейна р. Толыч от предприятий энергетического профиля и цветной металлургии и в нижней части от предприятия химической отрасли зафиксирована изменчивость в распределении по численности и биомассе донных бес позвоночных от 452 экз./м² до 5812 экз./м² и 0,14 г/м² до 9,78 г/м², соответственно (рис. 6).

Дендрограмма для 10 перемен. Метод Варда Евклидово расстояние

Рис. 5. Дендрограмма, показывающая кластеризацию водных объектов на основе показателей MI и ERI

Рис. 4. Классификация качества вод исследуемых рек по показателям MI и ERI

Донная фауна р. Толыч в точке опробования TB1 представлена олигохетами, равноногими ракообразными и насекомыми: веснянками из семейства Perlodidae, поденками семейства Baetidae, вислокрылками семейства Sialidae, двукрылыми семейства Chironomidae. Биомасса зообентоса составила 2,59 г/м2, численность – 1497 экз./м2.

В пробе зообентоса из р. Толыч после сброса БСЗ в точке опробования ТВ2 присутствовали олигохеты и двукрылые: стрекозы семейства Coenagrionidae, и двукрылые семейства Chironomidae. Биомасса зообентоса составила 0,14 г/м2, численность – 452 экз./м2.

Бентофауна р. Толыч в приустьевой части в точке опробования ТВ3 включает в себя олигохеты, двустворчатых моллюсков семейства Sphaeriidae, брюхоногих моллюсков семейств Bithyniidae, Lymnaeidae и Planorbidae, равноногих ракообразных и насекомых: поденок семейства Caenidae, стрекоз семейства Coenagrionidae, ручейников семейств Ecnomidae и Polycentropodidae, жуков семейства Haliplidae, двукрылых семейств Ceratopogonidae, Chironomidae, Tabanidae. Биомасса зообентоса составила 9,78 г/м2, численность – 5812 экз./м2. Видовое доминирование Oligochaeta и Chironomidae среди бентосных макробеспозвоночных свидетельствует о вариации степени загрязнения вод в бассейне р. Толыч от сильного до среднего. По данным дистанционного зондирования, в пределах акватории р. Толыч расположены шламохранилища как в среднем течении, так и в нижнем течении реки, которое также оказывает влияние на качество вод.

Бассейн р. Зырянки. В бентофауне р. Зырянки ниже Верхне-Зырянского водохранилища в точке опробования ZB1 зарегистрировано 18 видов и форм из 5 классов: малощетинковые черви, пиявки, двустворчатые и брюхоногие моллюски и насекомые. Среди насекомых отмечены подёнки, ручейники и двукрылые, из последних – атерици-ды, мошки, комары-долгоножки и комары-звонцы.

Рис. 6. Количественные и качественные показатели макрозообентоса

Наряду с собственно речными формами – ручейниками Hydropsyche contubernalis McLachlan и Hydroptila sp., атерицидами Atherix ibis (F.), мошками – здесь встречаются лимнофильные и эврибионтные виды – олигохеты Chaetogaster diastrophus (Gruith) Stylaria lacustris (L.), Psammoryctides albicola (Michaelsen), пиявки Helobdella stagnalis (L.), рачки Asellus aquaticus (L.).

Биомасса зообентоса составила 155,42 г/м² при численности около 24,2 тыс. экз./м². Ключевую роль здесь играли моллюски Sphaerium corneum (L.) Sphaerium nucleus (Studer) и ракообразные Asellus aquaticus (L.), достаточно велико количество пиявки Helobdella stagnalis (L.) и мошек. Большое количество оксифильных форм, высокое разнообразие бентофауны свидетельствуют о хорошем состоянии экосистемы на этом участке р. Зырянки.

В точке опробования ZB2 ниже Нижнезырянского водохранилища отмечено 16 видов и форм донных беспозвоночных, в том числе 6 видов хирономид, 4 вида олигохет, 2 вида подёнок и по 1 виду брюхоногих и двустворчатых моллюсков, жуков, бабочек, мокрецов и сциомизид.

Биомасса донных животных составляла 5,1 г/м2 при численности 4,8 тыс. экз./м2. Основу биомассы слагали личинки комаров-звонцов (60%), малощетинковые черви (19%), подёнки (8%) и брюхоногие моллюски (7%). По численности лидировали хиро-номиды (73%) и олигохеты (19%). В донных сообществах доминировали пелофильные хирономиды Isocladius gr. sylvestris и Polypedilum nubeculosum (Meigen) и олигохеты Lumbriculus variegatus (Muller).

В устьевой части р. Зырянки (точка опробования ZB3) зафиксировано 17 видов и форм донных беспозвоночных, в том числе 7 видов хирономид, 4 вида олигохет, 3 вида жуков, по 2 вида брюхоногих моллюсков, мокрецов и сциомизид и 1 вид подёнок.

Бассейн р. Быгель. В устьевой части р. Быгель зарегистрировано 13 видов, представителей двух классов: Oligochaeta – малощетинковые черви и Insecta – насекомые. Среди насекомых отмечены Trichoptera – ручейники, Coleoptera – жуки, Megaloptera – большекрылые, Ceratopogonidae – мокрецы, Pediciidae – педицииды, Psychodidae – ба-бочницы и Chironomidae – комары-звонцы. Наибольшее число видов (5) насчитывали хирономиды, олигохеты были представлены двумя видами, остальные группы зообентон-тов – одним видов каждая. Все отмеченные виды типичны для самых малых рек европейской части России.

Биомасса зообентоса составила 23,46 г/м² при численности около 10,5 тыс. экз./м². Основу биомассы донных сообществ обеспечивали своим развитием виды комаров-звонцов Prodiamesa olivacea (Meigen), Procladius culiciformis (Linnaeus) и Micropsectra atrofasciata (Kieffer). Высокие количественные показатели зообентоса указывают на поступление в реку избыточного количества органического вещества.

Общее количество зообентоса незначительно отличалось от вышележащего участка. Биомасса донных животных составляла 1,8 г/м2 при численности 1,9 тыс. экз./м2. Основу биомассы слагали брюхоногие моллюски (82%), малощетинковые черви (7%), хи- рономиды (6%). По численности преобладали хирономиды (50%) и олигохеты (29%).

В донных сообществах доминировали широко распространенные эврибионтные брюхоногие моллюски Valvata ambigua Westerlund, создававшие 74% общей биомассы зообентоса. Величины индексов видового разнообразия бентоса на этом участке реки принимали средние значения.

Учет биотических показателей в настоящем исследовании согласуется с результатами исследований (Kownacki, 2022), указывающих на то, что Tubificidae (Oligochaeta) и Chironomidae (Diptera) являются индикаторами загрязнения пресных вод. Текущее исследование подтверждает, что использование зообентоса в качестве биоиндикаторной группы для оценки качества речных вод является важной частью системы мониторинга водных экосистем.

Заключение

Апробация геохимических, экотоксиколо-гических и биоиндикаторных подходов дает обширную оценку экологического состояния водных экосистем, что подтверждено в текущем исследовании. Одновременное использование различных классификаций и индексов позволяет более точно оценить загрязнение. Комплексирование нескольких интегральных показателей в сочетании с оценкой распределения зообентоса в водных объектах является важной частью системы мониторинга водных экосистем.

Использование зообентоса в качестве биоиндикаторной группы в исследуемых водоемах подтверждает вывод о влиянии урбанизации на качество вод на основании доминирования представителей Oligochaeta и Chironomidae в рр. Толыч, Зырянка и Быгель. Данное исследование показывает, что макрозообентос чувствителен к загрязнению вод на территории Березниковского городского округа и должен включаться в мониторинг водных экосистем с использованием таксономической структуры и количественных параметров донных животных в дополнении к абиотическим показателям.

Исследования проведены при поддержке гранта Президента РФ № МК-4377.2022.1.5.