Оценка санитарно-микробиологического и гидрохимического состояния водотоков заповедника Шульган-Таш

Пещера представляет собой открытую систему, через которую проходят инфильтрационные, ин-флюоционные, паводковые воды и воздушные потоки. Тесная связь карстовых вод с поверхностью, условия циркуляции пещерных инфлюационных водотоков, аэрация подземного пространства определяют повышенное содержание в них органики, наличие организмов и повышенную – микробиологическую активность в сравнении с пластовыми подземными водами. Большое число микроорганизмов попадает в водотоки с загрязненными почвенными водами верховодки, содержащими биологически разлагаемые вещества.

Целью настоящей работы было изучение микробиологического и гидрохимического состояния водотоков поступающих в спелеосистему Шуль-ган-Таш – памятник археологии и природы глобального ранга и определение влияния уровня антропогенной нагрузки на состояние природных карстовых вод.

ХАРАКТЕРИСТИКА РАЙОНА

Район исследований расположен в западной части Бурзянского района Республики Башкортостан. Поверхностный водосбор речки Шульган находится в юго-восточной части заповедника Шульган-Таш в кварталах № 19, 25 и 51 и в энтомологическом заказнике Алтын-Солок.

Геология. Бассейн речки Шульган структурно приурочен к ассиметричной меридиональной Ир-гизлинской синклинальной складке, имеет площадь около 45 км² и вытянут с юга на север на расстояние 12,5 км. Пещера Шульган-Таш приурочена к карстовому массиву, нижнекаменноугольных ви-зейско-намюрских хемогенных известняков (C 1 v).

Гидрология и гидрография. Речной сток района формируется в основном за счет снеговых (6080%) и дождевых (2-12%) осадков, а также подзем-

ных вод (13-38%), около 60-70% осадков выпадает жидкой фазе. Средняя величина испарения составляет около 51% от выпадающих осадков, это образует избыток влаги, что создает предпосылки для накопления подземных вод и их оттока на соседние площади [2]. Воды пресные (общая минерализация до 500 мг/л), гидрокарбонатного класса, кальциевой группы, II типа, по водородному показателю – слабощелочные или (реже) нейтральные.

Основными водотоком района является малая речка Шульган длинной 13 км, являющейся правым притоком реки Белой. В зимнюю и летнюю межень Шульган частично пересыхает. В 6,7 км ниже истока речка Шульган принимает свой единственный постоянный правый приток – ручей Ха-рала. Питание ручья происходит за счет родников пластовых вод. Наиболее крупный (3-5 л/сек) родник каптирован и на нем организован водозабор д. Гадельгареево. В нижней части водосбора ручья Харала расположен родник Антон, иссякающий в межень, предположительно питающийся за счет верховодки. Река Шульган на расстоянии 3 км к северу от пещеры Шульган-Таш поглощается в воронку пещеры им. Ожиганова. Далее поток проходит под суходолом, появляется на протяжении около 150 м в залах пещеры Дальнем и Бездны, и выходит на поверхность в виде воклюзного источника во входном гроте Пещеры – Портале, образуя Голубое озеро.

Ручей Каран, начинается в 2 км от пещеры, одноименным карстовым источником к северо-западу от Пещерного массива, протекает вдоль Больший поляны и далее по каньону речки Шульган. В межень он полностью поглощается понорами, наиболее крупный из которых находится у лога Клин и поставляет воду в пещеру – в зал Хаоса, благодаря чему осуществляется питание очага капежа около композиции «Лошадки зала Хаоса».

Слобопроточное подвешенное Большое верхнее озеро расположено на втором этаже пещеры, питается мелким ручьем, поступающим в пещеру предположительно за счет поглощения стока воронками Северного лога.

Антропогенный фактор. В 1986-1987 гг. в верховье реки Шульган и в центральной части водо- сбора был вырублен лес для формирования сельскохозяйственных угодий (выпаса скота и сенокошения) на площади 0,9 км2. В д. Гадельгареево находится 125 домов, проживает 522 жителя и содержится около 750 голов крупного и 1000 - мелкого скота. В деревне многие хозяйственные постройки (скотные дворы) стоят на берегах ручья Харала или его притоков. Воды стекают со скотных дворов, поступают в ручей, а оттуда в речку Шульган.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ

Объекты исследований – водные источники и бактериальная микрофлора воды. Мониторинг проводился весной (18.04.2012 и 18-20.04.2013), летом (22.07.2012) и зимой (21-23.02.2012).

Для микробиологических анализов отбирали образцы воды (0-10 см). Учет численности микроорганизмов в водотоках осуществляли методом посева воды на твердые питательные среды, гетеротрофных бактерий на среде МПА (мясо пептонный агар) и бактерий группы кишечной палочки (БГКП) - Эндо. Оценку качества воды и уровня опасности в зависимости от содержания бактерий группы кишечной палочки осуществляли по санитарным нормативам. По содержанию гетеротрофных бактерий оценивали санитарное состояние водоемов: ~ 10 - очень чистое, 10-102 - чистое, 102-103 - умеренно загрязненное, 103-104 - загрязненное, 104-105 - грязные, >105 - очень грязные. Гидрохимический анализ проводили титрометрическими и фотоколо-риметрическими методами гидрохимического анализа полевыми методами (ГОСТ 24902). При колориметрических определениях применялся фотоколориметр Экотест-2020. Растворенный кислород определяли методом Винклера.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Микробиологический мониторинг водотоков. В зимнюю межень вода отсутствовала в роднике Антон, ручья Харала и в речке Шульган выше и ниже д. Гадельгареево (табл.). В это время года была самая низкая численность гетеротрофных бактерий в воде 1,5х10²-2,5х10³ КОЕ/мл. Из всех исследованных водотоков максимальное количество бактерий содержали воды скважины глубиной 60 м. Меньше всего контаминированны бактериями были воды родника Харала и Голубого озера речки Шульган. Содержание бактерий в водных источниках пещеры (Капельник, Большое озеро, речки подземный Шульган) зимой было приблизительно -3,7-7,7х10² КОЕ/мл. В феврале бактерии группы кишечной палочки не были обнаружены в исследованных пробах воды (табл.).

Весной, в половодье, в воде наблюдалась самая высокая численность бактерий (1,4х103-2,1х105 КОЕ/мл), что объясняется большим количеством взвешенных частиц почвы смываемыми бурными потоками талой воды (табл.). Максимальное количество гетеротрофных бактерий обнаружено в р. Шульган, а также в устье ручья Харала. В д. Га- дельгареево больше всего бактериями были конта-минированны воды родника Антон - 8,2х103-3,1х104 КОЕ/мл и скважины - 1,4х104 КОЕ/мл. Самыми чистыми в деревне были воды родника Ха-рала, по бактериям - 1,8х103 КОЕ/мл. В пещере численность бактерий в воде Большого озера была выше (5,8х103 КОЕ/мл), чем в капельнике у Лошадок (1,3х103).

Весной самая высокая численность бактерий группы кишечной палочки обнаружено в устье ручья Харала, она превышала в 2,8-17 раз показатели СанПиН для поверхностных вод (табл.). В остальных водотоках попадающих в пещеру и выходящих из неё уровень численности БГКП превышал норму в 2012 г. в 2,6-6,4 раза и в 2013 г. - 1,1-3,0.

Проведенная весной 2012 г. микробиологическая оценка качества воды показала более высокую численность бактерий и БГКП, чем исследования 2013 г. Этот факт можно объяснить тем, что зима 2013 г. была многоснежной. Весной 2013 г. наблюдалось три пика паводка, микробиологические исследования производились на втором подъеме вод в условиях сильного их разбавления. Поэтому, возможно полученные результаты по численности бактерий в воде в половодье 2013 г. по числовым показателям имеют меньшие величины, чем 2012 г.

В летнюю межень вода отсутствовала в роднике Антон, ручье Харала и в речке Шульган выше и ниже деревни (табл.). Наибольшая численность бактерий обнаружена в воде ручья Харала - 6,0х104 КОЕ/мл, там же выявлена и самая большая численность БГКП, превышающая показатели СанПиН в 120 раз (табл.). На порядок меньше бактерий было в воде родников Антон и Каран (1,8-2,2х103). При этом бактерии БГКП отсутствовали в воде родника Каран, однако в роднике Антон, выходящем в районе деревни, их численность превышала показатели СанПиН в 3,4 раза (табл.). Водам родника и ручья Каран свойственны те же закономерности, как и для вод Харалы (табл.). Весной и летом воды родников не были заражены БГКП и содержали меньшее количество гетеротрофных бактерий, чем ручьи. Воды ручья Каран загрязняются бактериями когда проходят по Большой поляне где идет выпас скота.

Летом в воде из Голубого озера, численность бактерий составляла 3,5х103 КОЕ/мл и была примерно такого же порядка, как и показатели в верховьях реки Шульган, 8 км от пещеры (табл.). Однако вода в Голубом озере по бактериям БГКП была чище, чем в её верховьях (4 и 1,5х102 КОЕ/мл, соответственно). По-видимому, здесь прослеживается та же самая закономерность, как и в случае родника и ручья Каран и Харала.

В водотоках заповедника и прилегающего района, в зимнюю межень присутствует минимальное количество гетеротрофных бактерий (воды умеренно загрязненные и загрязненные - 102-103 КОЕ/мл), в паводок количество бактерий достигает

Таблица. Микробиологический и гидрохимический мониторинг воды на территории Заповедника, пещеры Шульган-Таш и окружающих территорий

Водопункт; км до входа в пещеру		S	ё ю о о fc	о	е g Z к К	6 Ё К	2 2 <	8 8 о	и
Скважина	23.02.13	9,30	0	7,10	3,53	0	0,2	2,5х103	0
60 м; 4,6	18.04.13	0	0,16	8,9	2,52	0	0	1,4х104	0
Родник	14.04.12	6,20		16,02	57,83*	0,4	0	3,1х104	-
Антон; 4,7	20.07.12	0,60	0	8,20	11,6	0	0	1,8х103	34
	18.04.13	6,82	0,07	21,36	8,67	0	0	8,2х103	0
Харала	23.02.13	26,7*	0	5,30	0	0	0,1	1,8х102	0
родник; 5,2	18.04.13	9,30		3,56	0,07	0	0	1,8х103	0
устье	08.04.12	4,34		9.8	19,66	0,22		9,4х104	168
ручья; 3,9	20.07.12	16,00	0,09	15.0	5,55	0,21	0,3	6,0х104	1191
	18.04.13	3,10		8,9	2,61	0	0,1	8,6х104	27
р. Шульган выше устья	09.04.12	3,10		4,5	1,85	0	-	2,1х105	65
ручья	20.07.12	5,50	0,09	3,2	0	0	0	4,0х103	146
Харала; 4,0	18.04.13				-	-	-	3,4х104	0
р. Шульган	08.04.12	9,30		8,9	14,18	0,27	-	4,7х104	26
воронка
Ожиганова (3,2)	18.04.13	0		1,78	0,60	0,01	0	4,7х104	30
Каран	20.07.12	0	0	2,10	0,60	0	0	2,2х103	0
родник (2)	18.04.13	1,24	0,14	5,34	0,65	0,01	0,1	1,8х102	0
ручей 1,8	20.07.12	0	0,13	4,3	0,84	0	0	2,0х104	576
1,65	18.04.13	4,96		7,12	0,07	0	0,1	2,2х104	0
р. Шульган,	22.04.12	3,72			1,32	0,01	0	1,6х104	46
Голубое	20.07.12	4,30	0,05	4,30	2,33	0	0	3,5х103	4
Озеро; 0	20.02.13	0	0,10	7,10	2,18	0	-	1,5х102	0
	18.04.13	0	0,9*	7,12	0,45	0,01	0	1,3х104	11
Капельник	19.02.13	1,24			2,18	0	-	3,7х102	0
з. Хаоса; 0,28	20.04.13	1,24	0,19	5,34	0	0	0	1,3х103	8
Большое	21.02.13	1,86	0,07	5,30	0,69	0	0	7,7х102	0
Озеро; 0,57	20.04.13	0	0,11	5,34	0	0	0	5,8х103	0
СанПиН: 4630-88; 2.1.4.1175-02		20,0	0,3	350	45	3.3	2.0	-	<10

Прим. * - данные превышения ПДК по СанПиН; «-» - нет данных, ОМЧ –общее микробное число, БГКП – бактерии группы кишечной палочки максимального значения (загрязненные и очень грязные - от 103 и > 105). Летом численность гетеротрофных бактерий снижается и соответствует загрязненным и грязным (103-104 КОЕ/мл). Не один исследуемый водоток по содержанию гетеротроф- ных бактерий не оценен как чистый или очень чистый.

Гидрохимический мониторинг водных источников. Ионы магния в ощутимых количествах появляются только в родниках у ручья Харала

(табл.), что связано с наличием доломитов в области их питания. Концентрации основных ионов (гидрокарбонат, кальций) сильно варьируются в зависимости от фазы водности и степени разбавления атмосферными (снеговыми, дождевыми) водами. Во время прохождения весеннего половодья на главном воклюзе - источнике Голубое озеро содержание гидрокарбоната и общая жесткость воды уменьшаются по сравнению с меженью в 3-5 раз. Наблюдения показали, что природные воды, не затронутые антропогенной деятельностью, обеднены анионом хлора (2-3 мг/л), но в водотоках, подверженных загрязнению, он появляется в концентрациях до 16-21 мг/л. Содержание общего железа в среднем 0,09-0,1 мг/л, некоторое увеличение (0,9 мг/л) отмечалось при паводках, что отвечает росту общего загрязнения паводковых вод, а также, возможно, отражает увеличение миграции железа счет поступления органических кислот. Содержание растворенного кислорода в воде (весна 2013 г.) показывает его постепенное нарастание в поверхностном потоке от родника Харала (4,8 мг/л) до воронки Ожиганова (11,5 мг/л), что связано с хорошей аэрацией водного потока в турбулентных условиях.

В водотоках и подземных водах в районе деревни отмечается повышенное (по сравнению с местными фоновыми значениями) содержание аммония, нитрит и нитрат-ионов (табл.), но превышение ПДК по СанПиН для нитратов было отмечено только для родника Антон, расположенного в нижней части поселения и питающегося из верховодки с замедленным режимом водообмена.

Один из основных источников поступления в гидросистему соединений азота - зоогенное загрязнение, бытовые стоки. Накопление нитратов вызывает прогрессирующее увеличение загрязнения подземных вод. Отсутствие потребителей нитратов в подземных водах приводит к тому, что они становятся преобладающими в анионном составе на значительную глубину [1]. С этим связана известная проблема сельских поселений - накопление соединений азота в подземных водах, используемых для питья и орошения. Сохранению удовлетворительного качества подземных вод участка д. Гадельгареево способствует интенсивный приток вод по первому водоносному горизонту в связи с особенностями его структуры.

Сопоставление данных по химическому и микробиологическому состоянию воды для родника Антон, ручьев Харала, Каран и речки Шульган у воронки пещеры им. Ожиганова позволяет выявить роль антропогенного фактора на степень загрязнение воды. Относительно высокое количество анионов Cl^-, NO 2 ^-, NO 3 ^- и катионов NH 4+ (по сравнению с местными фоновыми значениями) в воде этих источников соответствует высокой численности микроорганизмов.

Уязвимость карстовых вод района. Известно, что санитарное состояние подземных вод опреде- ляется их защищенностью от загрязнения и пере-крытостью водоносного горизонта отложениями, преимущественно слабопроницаемыми, препятствующими проникновению загрязняющих веществ с поверхности земли в подземные воды. Территория, на которой расположен заповедник, отнесена к категории районов II Б (не защищенных от поверхностных загрязнений). В настоящее время активно применяется ранговая система оценки защищенности карстовых вод (COP+K метод), базирующаяся на производной по трем основным показателям: «O-показатель» (литологические и фильтрационные свойства перекрывающих слоев над зоной постоянного насыщения), «С-показатель» (факторы поверхностной и подпочвенной фильтрации) и «P-показатель» (режим осадков) [3].

В нашей оценке по этой методики для зоны активного поглощения поверхностного стока карстовыми формами (площадь 13,2 км2) были приняты следующие значения параметров: почвенный горизонт 0,2-0,5 м, перекрывающие четвертичные отложения (суглинки) 2-3 м, мощность перекрывающей толщи известняков над горизонтом постоянного насыщения - в среднем 70-90 м, эпикарстовая зона (по средним глубинам воронок) 5 м, условия циркуляции - безнапорные и полуоткрытые; водосборы замкнутые, характер руслового стока - тальвеги, замкнутые на поноры 50-100 м, уклоны наклона < 80, преобладающий тип растительности в зоне поглощения луговой, плотность карстовых воронок 24 шт/км2, коэффициент концентрации подземного стока пещерами - 1. «P-показатель» был упущен в связи с отсутствием рядов метеорологических данных для данного района (не менее 30 лет). Данный расчет дал оценку защищенности карстовый вод 0,1 (класс уязвимости - очень высокая).

Таким образом, существующая антропогенная нагрузка являются мощным загрязняющим фактором на водосборе карстовой системы Шульган-Таш. Оценка защищенности карстовых вод района по COP+K методу показывает высокую степень их уязвимости, что согласуется с более ранними оценками, проведенными классическими гидрогеологическими методами при региональном картировании [1].

Установлено, что водные источники на территории д. Гадельгареево и на выпасах более загряз-няные гетеротрофными бактериями и бактериями группы кишечной палочки, чем в водотоках за их пределами. Загрязненные воды собираются в основной водоток изучаемого района - речку Шуль-ган, воды которой поступают в Голубое озеро пещеры. Воклюзный источник Голубое озеро по численности гетеротрофных бактерий оценивается от умеренно загрязненного до грязного, а по уровню загрязнения БГКП как удовлетворительно чистый зима-лето и загрязненный весной. В водотоках и подземных водах участка д. Гадельгареево отмечается повышенное (по сравнению с местными фоно- выми значениями) содержание аммония, нитрит и нитрат-ионов, но превышение ПДК по СанПиН для нитратов было отмечено только для родника Антон. Сохранению удовлетворительно (относительно соединений азота) качества подземных вод района д. Гадельгареево способствует интенсивный водообмен первого водоносного горизонта за счет пластовых источников района и развитию карстовых процессов. В настоящее время экосистема пещеры пока еще способна справляться с таким уровнем микробного загрязнения, но при паводках механизмы самоочищения нарушаются. При увеличении антропогенного пресса подземный фильтр самоочищения вод может не справиться с такой нагрузкой.

Гидрохимическая часть работы выполнена при частичной финансовой поддержке гранта РФФИ 13-06-00277.