Известия РАН. Серия географическая, 2020, T. 84, № 3, стр. 451-460

ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ

Основным инструментом оценки качества поверхностных вод являются предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ. Если содержание того или иного вещества превышает ПДК, то качество водной среды считается неудовлетворительным и необходимо принимать меры по снижению уровня загрязнения водного объекта. Несмотря на многочисленную критику ПДК [3, 4, 8, 16 ] , данный норматив используется повсеместно в системе экологического нормирования химического загрязнения водных экосистем, оценке качества воды и состояния водных объектов. В поверхностные водные объекты поступает более 200 тыс. различных веществ и этот список пополняется новыми синтезированными соединениями, в то время как значения ПДК установлены только для 10% химических веществ [8].

Использование системы ПДК не позволяет оценить реальное влияние на экологическое состояние водных объектов кратности превышения ПДК и длительности воздействия высоких концентраций загрязняющих веществ. Не учитываются также эффекты влияния на биоту отдельных загрязняющих веществ, проявление токсичных свойств которых зависит от конкретной гидрохимической обстановки в водном объекте [8]. Так, например, токсические свойства многих тяжелых металлов и алюминия могут значительно меняться в зависимости от температуры, кислотности, окислительно-восстановительных условий и жесткости воды [18, 19].

Нормативы ПДК химических веществ разработаны без учета регионального фонового их содержания в поверхностных водах, наличия территорий с повышенным или пониженным содержанием отдельных элементов (геохимические аномалии) и т.п. Поэтому использование единых ПДК при проведении различных прогнозных оценок не всегда корректно в силу завышения или занижения результатов оценки. Так, прогноз возможного ухудшения состояния водных экосистем с использованием единых ПДК в районах с различными экологическими условиями может быть некорректен по следующим причинам [2, 3, 14, 16]:

– в отдельных экосистемах фоновые концентрации некоторых показателей на порядок превышают ПДК, но водные организмы адаптированы к ним, и трансформации их структуры и функций не происходит;

– некоторые химические соединения даже при содержании в воде ниже ПДК могут негативно влиять на отдельные популяции водных организмов.

Поэтому концепция ПДК уже на протяжении последних десятков лет подвергается справедливой критике и результаты оценки качества поверхностных вод оказываются не вполне достоверными [4, 9 ] .

Для устранения этого несоответствия нами предлагается использовать региональный фон и новый комплексный подход к оценке качества речных вод Восточного Донбасса, основанный на использовании таких критериев оценки, как уровень загрязнения воды (по суммарному показателю загрязнения Zc относительно фона) и степень токсичности воды по трем биотестам.

Оценить токсическое загрязнение водных экосистем каким-либо одним из известных методических подходов (физико-химический, биологический) не представляется возможным, поскольку для получения адекватной картины необходимо изучить не только состояние гидробиоты, но и определить качество среды ее обитания, т.е. качество воды, одной из характеристик которой является токсичность [1].

Биотическая составляющая экосистем является базовой в изучении формирования и восстановления качества вод в условиях антропогенной нагрузки. Только биота может дать ответ о токсичности компонентов водной экосистемы, поскольку токсичность – характеристика биологическая. В настоящее время оценка токсичности пресноводных экосистем включена в число обязательных характеристик экологического состояния водных объектов многих европейских государств и США [1]. Однако биотестирование дает ответ об общей токсичности вод без идентификации загрязняющих веществ. Качественный и количественный состав загрязняющих веществ определяют только аналитическими методами.

Вследствие сказанного нами предпринята попытка оценить качество поверхностных вод Восточного Донбасса с учетом их гидроэкологических особенностей, опираясь на комплекс гидрохимических и биотестовых данных.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

Поверхностные воды Восточного Донбасса в пределах Ростовской облacти представлены, в основном, малыми реками бассейнов Тузлова и Северского Донца. Они расположены на территории, где представлена угледобывающая промышленность, претерпевающая реструктуризацию с 1990 г. Длительная разработка угольных месторождений и последующее закрытие шахт “мокрым способом” привели к формированию серьезных гидроэкологических проблем в регионе, связанных с воздействием техногенных шахтных вод на поверхностные воды. Шахтные воды агрессивны, поскольку они имеют в своем составе спектр тяжелых металлов, низкую рН и высокоминерализованы [5, 6].

Исследованиями охвачены реки двух бассейнов на территории Восточного Донбасса в пределах Ростовской области: Северского Донца – рр. Калитва, Кундрючья, Быстрая, Лихая, Большая Гнилуша, Большая и Малая Каменка, и Тузлова – рр. Большой и Малый Несветай, Аюта, Грушевка, Кадамовка и Атюхта. Эти реки испытывают разный уровень антропогенного воздействия, в первую очередь, со стороны сельского хозяйства и объектов угледобывающей промышленности. Особое внимание уделено малым и средним рекам региона, так как именно они формируют более крупные водотоки, имеют более низкую самоочищающую способность и являются чувствительным индикатором антропогенного воздействия и экологического состояния водосборных территорий.

В основу работы положены результаты изучения степени токсичности и загрязненности вод тяжелыми металлами, полученные в ходе комплексных экспедиционных исследований. Исследования проведены сотрудниками кафедры геоэкологии и прикладной геохимии Института наук о Земле ЮФУ, Института водных проблем РАН и Гидрохимического института в 2014–2016 гг.

Створы отбора проб расположены на трех основных участках рек: верховья, устья и ниже выхода шахтных вод (рис. 1). Кроме того, выбранные створы отражали различные виды антропогенной нагрузки: отсутствие промышленной нагрузки (наличие в большей степени сельскохозяйственной деятельности) в верховьях рек, воздействие техногенно измененных шахтных вод в местах ниже их выхода, хозяйственно-бытовая нагрузка населенных пунктов, устья рек.

Рис. 1.

Схема расположения точек отбора проб воды и донных отложений рек Восточного Донбасса.

Отбор проб поверхностных вод для гидрохимических исследований проводился согласно ГОСТ 17.1.3.07-82 и ГОСТ 17.1.5.01-80. На малых и средних реках при однородном химическом составе воды отбор проб проводился на стрежне водотока, в поверхностном слое воды на глубине до 50 см. Объем взятой пробы воды (1.5 л) соответствовал установленным нормативным документам с учетом количества определяемых показателей и возможности проведения повторного исследования. Для хранения и транспортировки гидрохимических проб использована темная стеклянная посуда с герметически закрывающимися крышками.

Химический анализ воды выполнялся по методикам, допущенным для целей государственного экологического контроля. Растворенные формы металлов в природной воде определялись атомно-абсорбционным спектрофотометром “Квант-2МТ” по методикам ПНД Ф 14.1:2:4.214-06 и ПНД Ф 14.1:2:4.138-98.

Установление токсичности поверхностных вод проводили методом биотестирования с помощью набора из трех биотестов в соответствии с руководящими документами Росгидромета [10–12], согласно которым рекомендовано при использовании набора биотестов оценку токсичности вод проводить по тест-объекту (или тест-показателю), проявившему наибольшую чувствительность.

Оценивали воды как оказывающие или неоказывающие острое (ОТД), подострое (пОТД) и хроническое (ХТД) токсическое действие, поскольку биотестирование позволяет получить оценку суммарного (интегрального) качества воды по их способности оказывать токсическое действие на представителей гидробиоты и не предусматривает идентификацию отдельных загрязняющих веществ.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Как уже отмечалось ранее [5–7], поверхностные воды Восточного Донбасса отличаются высокой минерализацией (от 1.0 до 6.8 г/дм³), обусловленной, в первую очередь, очень высокими концентрациями сульфатов, ионов натрия и калия. Повышение минерализации воды и изменение ее химического состава прослеживается в большей степени на тех участках рек в бассейнах Северского Донца и Тузлова, которые находятся в зоне непосредственного техногенного влияния объектов угледобычи. В целом же речные воды исследуемых бассейнов имеют нейтральную или слабо щелочную кислотность среды (6.5–8.5) и достаточное содержание растворенного в воде кислорода (от 6.8 до 14.9 мг/дм³).

Из числа макрокомпонентов достаточно стабильная загрязненность речных вод Восточного Донбасса наблюдается по сульфатам $\left( {{\text{SO}}_{{\text{4}}}^{{{\text{2}} - }}} \right),$ сумме ионов Na⁺ + К⁺ и ионам Mg²⁺. Максимальные значения этих компонентов достигали соответственно 3 360 мг/дм³ (33.6 ПДК) – р. Атюхта, 1258 мг/дм³ (7.4 ПДК) – р. Атюхта и 172 мг/дм³ (7.4 ПДК) – р. Аюта [5].

Поверхностные воды в пределах угленосных территорий обогащаются также микроэлементами, особенно марганцем, алюминием, железом, медью и стронцием. Именно металлы этой группы представляют наибольшую опасность для поверхностных вод Восточного Донбасса, поскольку загрязнение ими носит устойчивый характер, а уровень загрязненности – высокий и экстремально высокий. Нередки случаи высокого (ВЗ) и экстремально высокого уровня загрязненности (ЭВЗ) вод этими металлами. Содержание их в воде рек в отдельных створах достигало в 2014–2015 гг. уровней ВЗ по Fe (1 случай в р. Грушевка), Al (5 случаев в рр. Аюта, Большая Гнилуша, Грушевка, Кадамовка и Кундрючья), Mn (18 случаев ВЗ), Sr (12 случаев ВЗ) и всего 5 случаев ЭВЗ по Mn (3 − в рр. Аюта, Кадамовка и Малая Каменка) и Cd (2 − в р. Грушевка) [5, 13].

Если рассматривать гидроэкологическую ситуацию по бассейнам в целом, можно отметить более высокую комплексность и уровень загрязненности воды рек в бассейне Тузлова. Здесь к наиболее загрязненным следует отнести рр. Аюта, Кадамовка и Грушевка. Причем последняя, по данным за 2014–2015 гг., характеризуется высоким уровнем загрязненности воды и наибольшим количеством случаев ВЗ и ЭВЗ. Наиболее загрязненными водотоками в бассейне Северского Донца являются р. Кундрючья и ее приток р. Большая Гнилуша. Можно также выделить реки, состояние которых характеризуется как наиболее благополучное: это рр. Северский Донец и Быстрая, а также верховья рр. Большой Несветай и Кадамовка в бассейне Тузлова [5].

Важнейшим этапом в изучении качества речных вод с учетом региональных особенностей является установление для них фоновых значений гидрохимических показателей. Решение этой задачи часто сопряжено с определенными трудностями, в первую очередь – с выбором водных объектов для характеристики фона. Последние должны располагаться за пределами влияния источников загрязнения и формировать химический состав воды в аналогичных природных условиях, что и исследуемые реки. В соответствии с этими критериями пробы воды в бассейнах Тузлова и Северского Донца для оценки фоновых характеристик отбирались либо в верховьях малых рек, либо на их притоках, но в любом случае выше зоны возможного влияния антропогенных источников (в первую очередь объектов угольной промышленности).

Фоновые концентрации макро- и микрокомпонентов (табл. 1) для рек бассейна Северского Донца рассчитаны по данным двух участков – р. Калитва (выше устья балки Обливинской у хут. Рудаков) и р. Быстрая (северная окраина хут. Карпово-Обрывский), для бассейна Тузлова – р. Большой Несветай (выше выхода шахтных вод ш. “Соколовская”, северная окраина хут. Черников).

При оценке загрязненности речных вод по отношению к фону за основу взят суммарный показатель загрязненности (Zc) воды, аналогичный суммарному показателю загрязнения водных экосистем по интенсивности накопления металлов в донных отложениях [15, 17]. Градации уровня загрязненности поверхностных вод приняты в соответствии с классификационной шкалой, приведенной в [17], а именно: “слабый”, “средний”, “высокий” и “очень высокий”. Результаты расчета Zc воды позволили сгруппировать исследуемые реки в бассейнах Северского Донца и Тузлова в три группы по каждому бассейну. Результаты группировки представлены в табл. 2. Полученная классификация рек вполне согласуется с ранее полученными данными об особенностях и различиях в химическом составе воды двух бассейнов и качестве речных вод [5–7].

Анализы полученных данных по расчету загрязненности воды Zc воды (абсолютному значению показателя) и группировке рек позволили выделить следующие уровни загрязненности и определить диапазоны изменения суммарного показателя загрязнения поверхностных вод Восточного Донбасса:

– Zc ≤ 2 – “условно чистая” вода;

– Zc = 2–10 – “слабый уровень загрязнeности”;

– Zc = 11–30 – “средний уровень загрязнeности”;

– Zc = 31–50 – “сильный уровень загрязнeности”;

– Zc > 50 – “очень сильный уровень загрязнeности”.

Затем по соответствующим значениям Zc выделены пять классов качества воды: от 1 до 5. Дана вербальная характеристика качества вод по уровню загрязненности в диапазоне от “условно чистых” (1-й класс качества) до “очень сильно загрязненных” (5-й класс).

Затем выполнена оценка токсичности поверхностных вод изучаемой территории по результатам биотестового анализа с использованием трех биотестов. Итоговую оценку токсичности вод рекомендовано проводить по тест-объекту (или тест-показателю), проявившему наибольшую чувствительность. Такой способ оценки выявляет наиболее слабое звено в экосистеме, например, автотрофы, фильтраторы из гетеротрофов, или один из двух использованных близкородственных видов (хлорелла и сценедесмус – представители фитопланктона). Так, по результатам экспедиционных исследований 2015 г. токсичность вод во всех створax фиксировалась только по одному биотесту с автотрофами – микроводорослевым тест-объектом Chlorella vulgaris. Согласно такому подходу воды малых рек обоих бассейнов обладали высокой степенью токсичности: оказывали острое и подострое токсическое действие (табл. 3).

Следует подчеркнуть, что в таком случае неучтенной остается важная информация по двум другим биотестам, отличная от слабого звена, но которую также необходимо принимать во внимание. В связи с этим нами разработана шкала оценки качества вод с учетом данных трех используемых биотестов (табл. 4).

Подклассы токсичности вод выделены с учетом того, что различные виды живых организмов по-разному реагируют на одни и те же загрязняющие вещества. Для получения более объективной оценки биотестирование токсичности проводят на трех биотестах с использованием в качестве тест-объектов гидробионтов, принадлежащих к различным трофическим уровням и система-тической принадлежности. Степень токсичности (острая, подострая, хроническая) могут не совпадать по результатам разных биотестов. В предлагаемой шкале отличия в ответах биотестов учтены. В связи с этим в шкале предусмотрены возможные варианты сочетаний выявленной степени токсичности по трем биотестам и проведено деление на классы (от 1 до 5) и более детальное – на подклассы. Степень токсичности вод каждого класса характеризуется в диапазоне от “условно нетоксичной” до “экстремально токсичной”.

Сопоставление результатов оценки степени загрязненности речных вод по гидрохимическим показателям и степени токсичности воды позволило разработать шкалу комплексной оценки состояния и качества воды по этим показателям (см. табл. 4). В случае несовпадения классов по химическим и биотестовым данным следует учитывать, во-первых, что аналитический анализ не способен охватить весь спектр загрязняющих веществ, содержащихся в речной воде; во-вторых, для живых объектов важны не только концентрации токсикантов, но и их биодоступность. В связи с этим при окончательной оценке качества воды при высокой степени загрязненности химическими веществами, но низкой степени токсичности указывают класс по химическим данным и добавляют “с низкой биодоступностью токсикантов” (НБТ). В случае “хорошего” качества воды по химическим данным, но высокой степенью токсичности указывают класс по химическим данным с добавлением “с высокой биодоступностью токсикантов” (ВБТ). Так, в случае 1–3-го классов качества воды по химическим данным и наличием подострой степени токсичности (пОТД) хотя бы в одной из проб, окончательную характеристику качества вод формулируют: “качество воды хорошее (2) с высокой биодоступностью токсикантов”. В случае высокой загрязненности воды (4–5 классы качества) по химическим данным и наличия невысокой степени токсичности формулируют “качество воды плохое с низкой биодоступностью токсикантов”. В дальнейшем планируется уточнение подуровней, основанных на вариантах сочетания токсичности. В соответствии с разработанной шкалой проведена оценка качества поверхностных вод исследованных рек, результаты которой представлены в табл. 5.

Как видно из табл. 5, качество речных вод в пределах бассейна Северского Донца меняется от 2-го класса (“слабо загрязненные”, например, фоновые реки бассейна Быстрая и Калитва) до 4-го класса (“сильно загрязненные” участки рр. Кундрючья и Большая Гнилуша), Тузлова – от 3-го класса (“средне загрязненные”) до 4-го класса, за исключением р. Атюхта.

По данным о степени токсичности, качество речных вод в пределах бассейнов Северского Донца и Тузлова меняется от 1-го класса “условно нетоксичные” до 3-го класса “токсичные”.

Класс качества вод исследованных рек оценен согласно разработанной шкале (см. табл. 4), и, как видим, не всегда данные аналитических методов согласуются с результатами биотестового анализа. Известно, что токсическое действие на гидробиоту определяется биодоступностью загрязняющих веществ. То есть наличие высоких концентраций загрязняющих веществ не обязательно и не во всех случаях проявляется в токсическом действии на живое. Итоговую оценку качества поверхностных вод надо проводить с учетом класса по гидрохимическим данным с указанием возможной биодоступности для гидробионтов.

Таким образом, наблюдения за гидроэкологической ситуацией в поверхностных водах Восточного Донбасса в зоне ликвидации шахт “мокрым” способом наряду с гидрохимическими методами должны дополняться современными биологическими методами, включающими в обязательном порядке биотестовый анализ. Биотестирование должно включать набор, как минимум, из трех тест-объектов, позволяющих оценить качество вод с учетом специфики химического состава воды и загрязнения водных объектов. Это связано с тем, что биотестирование позволяет получить суммарную (интегральную) оценку влияния всего комплекса загрязняющих веществ, находящихся в водной экосистеме, но часто не определяемыx аналитически, и нередко оказывающих непредсказуемое воздействие на гидробиоту.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основе данных комплексных гидрохимических и экотоксикологических исследований разработан новый подход к оценке состояния и качества вод рек Восточного Донбасса в зоне влияния техногенных шахтных вод. Основу подхода составляет использование регионального фона, комплекса гидрохимических и биотестовых данных по набору биотестов. Итоговая интегральная оценка состояния вод проводится в соответствии с пятью классами качества воды по комплексу результатов аналитических данных и биотестов.

Предложенный подход позволяет получить более объективную информацию о качестве поверхностных вод. Так, впервые учтены особенности региона, поскольку все заложенные в классификацию критерии рассчитываются относительно фона. Впервые предложено оценивать качество вод по вариантам сочетаний токсичности, выявленной по набору из трех используемых биотестов с тест-объектами различной систематической принадлежности и трофических уровней.

Разработанная шкала интегральной оценки состояния и качества вод основана на результатах двух подходов: метода биотестирования токсичности вод и определения концентраций загрязняющих веществ в воде аналитическими методами в синхронно отобранных пробах.