Особенности макро- и микроэлементного состава и пигментных характеристик планктонных водорослей озера Гусиное в подледный период

Озеро Гусиное — крупнейшее пресное озеро на территории Забайкалья. Площадь водосборного бассейна равна 924 км2, площадь водного зеркала 164 км2, длина — 24,8 км, средняя ширина — 8 км, максимальная глубина 26 м, средняя глубина 15 м. Объем водной массы — 2,4 км3. Абсолютная высота уреза воды составляет 551 м [1]. Озеро расположено в Гусиноозерской впадине, представляющей собой депрессию грабенсинклинального типа, расположенную между двумя кристаллическими поднятиями — хребтами Хамбинским на северо-западе и Моностойским на юго-востоке. С гидрогеологических позиций озеро занимает значительную часть одноименного субаквального артезианского бассейна забайкальского типа, сформировавшегося в юрско-меловое время [2] Литоральная часть озера составляет всего 6,3% общей площади зеркала. Берега слабоизрезан- ные, местами обрывистые, но в основном низкие и песчаные, протяжённость береговой линии 65 км. Дно преимущественно илистое. Озеро относится к слабопроточным водоемам (с коэффициентом относительного водообмена 0,0125). Впадающие в него притоки маловодны. Чаще всего зимой они перемерзают, а летом нередко не доходят до озера [1].

Озеро Гусиное подвержено значительному антропогенному воздействию. Наибольшее негативное влияние оказывают Гусиноозёрский промышленный узел, включающий ГРЭС, и Холбольджинский угольный разрез, расположенные на северном и северо-восточном берегах озера. В юго-западную часть озера поступают стоки поселка Гусиное озеро и локомотивного депо железнодорожной станции. Атмосферные выбросы ГРЭС составляют в среднем 830 т/год, а сброс теплых нормативно чистых сточных вод — 431 млн. м3 в 2016 г. [3].

Наиболее заметно на изменения климата и антропогенное воздействие реагируют малые озера. Донные отложения малых озер накапливают информацию даже о небольших климатических изменениях и о хозяйственной деятельности человека на озерных водосборах. Комплексное изучение донных осадков озер разной глубины и гидрологического режима, расположенных в различных ландшафтно-климатических зонах, дает основу для разнопериодных палеоклиматиче-ских реконструкций. Сопоставление данных по разным объектам позволит в будущем выявить тенденции изменения климата в отдельных частях крупного Азиатского региона [4]. Процесс формирования донных отложений в водоемах определяется различиями внутриводоёмных, гидродинамических, гидрохимических и гидробиологических характеристик экосистемы, а также характером и интенсивностью антропогенной нагрузки. В связи с этим необходимо исследование гидрохимических показателей и пигментных характеристик водной толщи оз. Гусиное для оценки современного состояния водоема.

Цель настоящей работы — исследование современного макро- и микроэле-ментного состава и фотосинтетической активности водной толщи оз. Гусиное в подледный период — в период без непосредственного влияния аллохтонного вещества водосборной территории.

Воздействие Гусиноозерского промышленного узла и селитебной территории, расположенных на водосборной площади, отражается на макро- и микрокомпо-нентном составе вод оз. Гусиное. Антропогенное воздействие, связанное с избыточным поступлением органического вещества и биогенных элементов могут быть установлены и количественно оценены на основе анализа пигментных характеристик планктонных водорослей [5, 6], что характеризует индикаторную значимость растительных пигментов в мониторинге природных вод [7, 8].

Материал и методы исследований

В данной работе рассмотрены материалы полевых исследований, проведенных в подледный период 2018 г. Пробы воды отобраны батометром Паталаса в различных частях озера и на разных глубинах (рис. 1). В полевых условиях были произведены измерения температуры, pH, мутности, содержания растворенного в воде кислорода. pH определяли потенциометрическим методом, со стеклянным электродом (pH-метр ИТ-1101), растворенный кислород определяли портативным оксиметром HI 9147. Ионный состав воды определяли с помощью ионного хроматографа Dionex ICS-1600. Минерализацию воды определяли расчетным путем как арифметическую сумму содержания всех определенных анализом ионов в мг/дм3.

Для многоэлементного ICP-анализа образцы отбирали в предварительно отмытые 0,5 л (ПЭТ) бутылки. Для определения растворенных форм элементов пробу фильтровали через мембранный фильтры с диаметром пор 0,45 мкм, а затем пробы фиксировали концентрированной азотной кислотой. Последующий анализ выполняли по ГОСТ Р 57165-2016 [9] на атомно-эмиссионном спектрометре с индуктивно связанной плазмой Profile Plus (Teledyne, США). Для калибровки прибора использовали многоэлементные стандартные растворы для ICP IV-STOCK-1.

Для анализа на пигменты пробу воды объемом 2 л концентрировали на мембранных фильтрах «Владисарт». Концентрации пигментов в ацетоновых экстрактах оценивали стандартным спектрофотометрическим методом (ГОСТ 17.1.4.02-90, с измениями от 13.07.2017) [10].

Рис. 1. Карта-схема точек отбора проб на акватории оз. Гусиное. Станция 1 (51°07´30.1″с.ш., 106°21´42.4″в.д.), глубина (гл.) 25 м, прозрачность воды (пр.) 4 м; станция 2 (51°10´12.3″с.ш., 106°23´20.1″в.д.), гл. — 21 м, пр. — 4 м; станция 3 (51°13´44.02″с.ш., 106°26´29.27″в.д.), гл. — 21 м, пр. — 8 м.

Результаты и их обсуждение

Хорошими экспресс-показателями, состояния водной среды, служат температура, pH, общая минерализация и концентрация растворенного кислорода в воде. Снижение рН, содержания кислорода и увеличение общей минерализации воды могут являться признаками эвтрофирования — накопления в водоеме органических веществ и биогенов, и о возможном экологическом неблагополучии [11].

Газовый режим в оз. Гусиное имеет свои особенности. Несмотря на использование озера в качестве водоема-охладителя ГРЭС, что часто приводит к нарушению газового режима, концентрация кислорода в воде находится на достаточно высоком уровне даже в подледный период (11,2-12,2 мг/дм3), что уже отмечалось ранее [12] и объясняется наличием высшей водной растительности, которая обогащает придонные слои воды кислородом. В результате чего, даже в зимний период насыщение им превышает 83%. pH среды в поверхностном слое (8,17-8,24) выше, чем в придонном слое (8,07-8,17), а вот окислительно-востановительный потенциал выше в придонном слое воды, что влияет на содержание тяжелых металлов в придонном слое.

Анализ результатов химического анализа образцов поверхностных и придонных вод, отобранных в акватории оз. Гусиное показал, что в подледный период минерализация вод изменялась в пределах — 392-403 мг/дм3, с большими значениями у поверхности и меньшими в придонном слое. В придонном слое заметно некоторое повышение содержания сульфатов и ионов натрия вблизи юго-западного побережья в точке с наибольшей глубиной (станция 1), обусловленное поступлением подземных вод, проходящих через угленосные отложения. В целом, содержание ионов было несколько ниже в северной котловине (станция 3).

Преобладающими ионами в макрокомпонентном составе вод озера являются гидрокарбонат-ион (211-220 мг/дм3), сульфат-ион (56-61 мг/дм3), ионы натрия (51-55 мг/дм3) и кальция (28-30 мг/дм3). Содержание биогенных веществ в подледный период было минимальным — нитриты, аммоний и фосфаты находились ниже предела обнаружения, содержание нитратов изменялось в пределах 0,01-0,08 мг/дм3. Проведенные исследования показали, что воды озера по составу относятся к гидрокарбонатному классу группе натрия.

Сравнение результатов гидрохимических исследований за многолетний период исследований озера [1, 12, 13] показывает значительные изменения химического состава воды и концентрации главных ионов. С гидрокарбонатно-кальциевой вода в результате антропогенного воздействия изменилась на гидрокарбонатно-натриевую. Начало промышленной разработки Хольбольджинского угольного разреза в 1965 г. и ввод в эксплуатацию Гусиноозерской ГРЭС в 1976 г. привели к значительному росту минерализации воды с соответствующим увеличением содержания ионов в макрокомпонентном составе, в особенности сульфат-ионов и щелочных металлов. Рост содержания сульфатов и натрия обусловлен поступлением в озеро карьерных вод угольного разреза, сбросов шахты «Гусиноозерская» и производственных стоков ГРЭС, влияние оказывают и карты золоотвалов, вблизи которых протекает протока р. Загустай — Тель. После прекращения сброса карьерных вод Хольбольджинского угольного разреза в 80-90-е годы наблюдалась стабилизация уровня воды и прекращение накопления сульфатов и щелочных металлов [12]. Предполагалось, что если не произойдет дальнейшего усиления антропогенного воздействия на водоем, содержание главных ионов в воде озера сохраниться на уровне 80-90-х гг. Однако, результаты проведенных исследований показывают, что накопление сульфатов и натрия продолжается.

Таблица 1

Состав главных ионов поверхностных вод акватории оз. Гусиное (мг/дм3)

стан ция	Горизонт, м	Cl-	SO4 2-	НСО 3 -	Na+	K +	Mg 2+	Ca 2+	сумма ионов
Ст.1	0	8,1	60,8	222,7	54,9	3,5	15,9	30,2	400,0
	дно	7,9	58,2	219,6	54,9	3,6	15,8	28,8	392,7
Ст.2	0	7,7	58,3	222,7	52,7	3,3	15,5	29,2	392,2
	дно	7,4	55,9	213,5	51,1	3,2	15,0	28,4	375,1
Ст.3	0	8,0	60,6	225,7	54,7	3,7	15,9	30,4	402,5
	дно	7,7	57,7	210,5	51,3	3,0	15,0	28,4	377,1
1958* (июнь)		6,0-7,0	7,6-8,1	153174	12,0-12,5		10,3 12,4	30,2-34,0	220-247
1974* (февраль)		4,0-4,8	18,0-21,7	169179	21,7-27,3		8,0 12,6	26,3-31,3	254-271
1974* (июнь)		3,2-3,8	8,4-12,2	148159	21,9-23,8		3,1 4,5	32,0-35,7	225-268
1991-1992**		8-12	32-38	175183	36-43		10-12	29-32	232-338

— по данным работы [13],** — по данным работ [1, 12]

Среди компонентов химического состава поверхностных вод соединения металлов занимают одно из важных положений. Это обстоятельство обусловлено их специфическими свойствами в водной среде: поливалентностью, высокой реакционной способностью, благодаря которым металлы участвуют практически во всех физико-химических, химических и биологических процессах, протекающих в водных объектах. Разнообразие природных условий водосборного бассейна в сочетании с техногенным воздействием определяет уровень содержания и пространственные различия в распределении растворенных форм химических элементов в воде.

Химический состав озерных вод находится в прямой зависимости от состава пород, слагающих водосбор и ложе озера, поскольку формируется в результате выщелачивания кристаллических пород водосбора под влиянием климатических и антропогенных условий, а также внутриводоемных процессов, обусловленных изменением кислотности воды, степенью эвтрофирования водоема и другими факторами [14]. Сравнение полученных данных с ранее проведенными исследованиями [12] показывает, что за последние 25 лет содержание железа, цинка, меди, марганца, свинца и кадмия с тех времен в озере значительно увеличилось (табл. 2.). Наблюдающееся накопление данных элементов в первую очередь связано с антропогенным влиянием на озеро населенных пунктов, сточных вод золоотвалов и сбрасываемых теплых вод с ГРЭС.

Таблица 2

Содержание некоторых элементов в воде оз. Гусиное, мкг/дм3

Участок озера	Элементы
	Fe		Zn		Cu		Mn		Pb		Cd
Северная котловина	4,8 6,4	8,3 5,8	0,5 1,5	12,3 13,0	1,2 1,9	14,3 14,4	2,0 6,6	13,9 13,7	˂0,1	10,8 15,4	˂0,05	13,6 13,6
Средняя	3,5	7,3		12,1	0,6	13,8	2,7	14,0	˂0,1	10,8	˂0,05	13,4
часть	3,8	6,7		13,5	0,7	13,7	2,4	13,9		17,6		13,6
Южная	1,7	8,3	0,2	13,9	0,4	15,0	2,1	13,8	˂0,1	16,5	˂0,05	13,5
котловина	1,6	10,6	1,1	13,4	0,5	14,6	1,2	24,3		12,9		13,4

В числителе — поверхностный слой воды, в знаменателе — придонный. В первом столбце данные за 1991-1992 гг [12], во втором столбце собственные данные.

Сравнительный анализ микроэлементного состава воды на разных глубинах оз. Гусиное, проведенный нами ранее, показал, что максимальные концентрации элементов наблюдаются в придонном слое [15]. Результаты определения содержания 10 микроэлементов в пробах поверхностных и придонных вод представлены на рис. 2. Полученные данные показывают наибольшие концентрации суммы микроэлементов в придонном слое, что связано с изменением окислительно-восстановительного потенциала в зимний период, способствующего переходу элементов в растворимые формы. Таким образом, донные отложения выступают как источник вторичного поступления элементов сначала в поровые воды, а затем — и в поверхностные. Наибольшее по акватории озера содержание суммы элементов было зафиксировано в самом глубоком месте озера на станции № 1 (рис. 2).

Состояние пигментных характеристик планктонных водорослей в водной толще оз. Гусиное представлено в табл. 3. Использование в качестве характеристик физиологического состояния фитопланктона содержания феофитина, индекса Маргалефа ( I ) и соотношения каротиноиды/хлорофилл а позволяет более полно оценить процессы, происходящие в сообществе фотосинтетиков.

Содержание хлорофилла а в озере меняется от 0,5 до 1,9 мг/м³, хлорофилла b — 0,51-0,58 мг/м³. Значения пигментного индекса, изменяющиеся в узких пределах (2,7–2,9), а также низкие показатели феопигментов свидетельствуют обСодержание хлорофилла а в озере меняется от 0,5 до 1,9 мг/м³, хлорофилла b — 0,51-0,58 мг/м³. Значения пигментного индекса, изменяющиеся в узких пределах (2,7–2,9), а также низкие показатели феопигментов свидетельствуют об активном функционировании фитопланктона. При высоком обилии водорослей значения пигментных индексов и относительное содержание феопигментов снижаются за счёт присутствия в фитопланктоне жизнеспособных активных клеток [16].

Рис. 2. Содержание микроэлементов в поверхностном и придонном слоях воды озера Гусиное, мг/дм3.

Увеличение концентрации хлорофилла а над каротиноидами связано с преобладанием сине-зеленых водорослей. Установлена небольшая связь между содержанием Хл а и суммой каротиноидов (рис. 3, А). Выявлена устойчивая обратная связь между величинами пигментного индекса и содержанием Хл а в планктоне (рис. 3, Б).

Вертикальное соотношение пигментов показывает, что по первой станции (табл. 3) происходит постепенное нарастание содержания хлорофилла а от поверхностного слоя до дна. По второй и третьей станциям увеличение концентрации хлорофилла а отмечается в зоне прозрачности. Большое содержание хлорофилла а в придонных слоях воды свидетельствует о постепенной седиментации хлорофилла [17]. Хлорофилл b и c и каротиноиды практически равномерно распределены по толще воды станций 1 и 2. По третьей станции — содержание каротиноидов в поверхностном горизонте воды выше среднего значения по станции отбора.

Таблица 3

Содержание фотосинтетических пигментов в пробах воды озера Гусиное (мкг/л)

№ стан -ции	Горизонт, м	С ха	С b	С фа	C c1 + c2	С k (син-зел)	С k (диатом)	I
1	0	1,28	0,534	0,152	0,676	1,46	1,88	2,7
	8	1,62	0,570	0,053	0,835	1,61	1,12	2,6
	24	1,89	0,563	-0,135	0,896	1,48	1,83	2,4
	Σ	1,60±0,76	0,556± 0,047	0,070± 0,023	0,802± 0,282	1,52±0,20	1,61±1,06	2,6±0,35
2	0	0,46	0,510	0,303	0,814	0,98	1,50	2,9
	8	1,27	0,518	-0,041	0,712	1,19	1,58	2,7
	20	0,73	0,506	0,274	0,744	1,13	1,45	2,7
	Σ	0,823± 1,25	0,511± 0,02	0,179± 0,05	0,757± 0,16	1,1±0,33	1,51±0,20	2,8±0,43
3	0	0,869	0,551	0,257	0,750	1,25	1,63	2,8
	4	0,651	0,533	0,032	0,575	0,71	1,08	2,7
	8	0,981	0,570	-0,121	0,643	0,82	1,18	2,7
	16	0,789	0,582	0,073	0,611	0,91	1,18	2,7
	20	0,927	0,516	0	0,626	0,92	1,25	2,7
	Σ	0,843± 0,36	0,550± 0,07	0,048± 0,038	0,641± 0,18	0,92±0,56	1,26±0,59	2,74±0,08
	ΣΣ	1,043± 0,29	0,541± 0,02	0,077± 0,01	0,717± 0,07	1,133± 0,198	1,425± 0,19	2,720± 0,09

Σ — среднее по станции; ΣΣ — среднее по всем станциям; С ха — концентрация хлорофилла а с поправкой на присутствие феофитина а ; С b — концентрация хлорофилла b ; С фа — концентрация феофитина а ; С k — концентрация каротиноидов; C c1 + c2 — концентрация хлорофиллов с1 и с2 ; I — пигментный индекс.

Соотношение пигментов дает представление о сбалансированности продукционных и деструкционных процессов в планктоне, позволяет дифференцировать изменения состава доминирующих групп фитопланктона, его физиологическое состояние [6, 17]. Соотношение пигментов в воде оз. Гусиное показывает, что более 50% составляют каротиноиды и хлорофилл а (рис. 4).

Рис. 3. Изменение содержания растительных каротиноидов (А) и пигментного индекса (Б) в воде оз. Гусиное (мг/м3)

Рис. 4. Соотношение пигментов планктона в оз. Гусиное

Следовательно, фитопланктон в основном представлен диатомовыми и синезелеными водорослями

Таким образом, проведено исследование современного макро-и микроэле-ментного состава и фотосинтетической активности водной толщи оз. Гусиное в подледный период — в период без непосредственного влияния аллохтонного вещества водосборной территории. Анализ результатов химического анализа образцов поверхностных и придонных вод, отобранных в акватории оз. Гусиное показал, что в подледный период минерализация вод изменялась в пределах — 392-403 мг/дм³, с большими значениями у поверхности и меньшими в придонном слое. В придонном слое заметно небольшое повышение содержания сульфатов и ионов натрия и суммы микроэлементов вблизи юго-западного побережья в точке с наибольшей глубиной, обусловленное поступлением подземных вод, проходящих через угленосные отложения. Фитопланктон в период наблюдений обладал высокой фотосинтетической и продукционной активностью, на что указывают полученные результаты по концентрации хлорофилла а , феофитина а , индекса Маргалефа и соотношение каротиноиды/хлорофилл а , характеризующие физиологическое состояние фитопланктона.

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке Комплексной программы фундаментальных исследований СО РАН «Междисциплинарные интеграционные исследования» на 2018-2020 гг. (проект № 0339-2018-0001) и проекта РФФИ № 17-05-00822.