Известия Русского географического общества, 2022, T. 154, № 3, стр. 28-46

ВВЕДЕНИЕ

Органическое вещество (ОВ) в природных водах принято разделять в зависимости от происхождения на автохтонное (образуется в водоемах в основном за счет фитопланктона) и аллохтонное (образуется на водосборе и поступает в природные воды с речным стоком). Состав автохтонного ОВ (ОВ_авт) характеризуется биохимически легко окисляемыми соединениями (свободными углеводами и аминокислотами, липидами, белками, мочевиной и другими веществами), а аллохтонного (ОВ_алл) – трудноокисляемыми гумусовыми веществами (ГВ) [3]. Следует отметить, что с ростом трофности существенный вклад в общее содержание ОВ вносит взвешенное вещество (ВВ), активно продуцируемое в воде в периоды вегетации.

Эвтрофные водоемы характеризуются высокими концентрациями биогенных веществ (БВ: соединений N, P, Si), высокой продукцией биомассы фитопланктона и низким качеством воды [2]. При этом биотрансформация БВ и продуцирование биомассы происходят при выраженных колебаниях активности этих процессов по сезонам, что связано с годовой динамикой факторов среды (температура, освещенность, прозрачность среды и содержание в ней БВ).

В сезонной динамике общего содержания ОВ_авт (растворенного и взвешенного) наименьшие его концентрации приходятся на период зимы, когда вегетация планктона низка и нет продуцирования ОВ. В большинстве водоемов Карелии пик концентраций ОВ_авт приходится на лето – период наибольшей активности фитопланктона [16]. При этом в эвтрофных водоемах концентрация взвешенного ОВ_авт существенно возрастает в вегетационный период при малой изменчивости содержания растворенного ОВ_авт [6].

На развитие кинетики в продолжительных БПК-экспериментах в воде из эвтрофных водоемов в значительной степени влияют следующие особенности: низкое содержание в придонных водах растворенного О₂ (иногда и его отсутствие), специфичный состав зоо- и фитопланктона (при весеннем цветении в сообществе фитопланктона часто присутствует вид Microcystis aeruginosa), наличие характерного антропогенного влияния на водоемы с выраженным поступлением БВ и ОВ с водосборов [2], высокое содержание легкоокисляемых компонентов ОВ_авт [17] и, в частности, взвешенное ОВ. В результате внешний (или характерный) вид БПК-кривых может существенно изменяться в разные сезоны, что характеризуется значениями кинетических параметров [11].

Поэтому цель данного исследования состояла в оценке особенностей кинетических процессов трансформации ОВ в эвтрофных водоемах. Для этого предстояло установить значения кинетических параметров БПК в воде с учетом основных факторов среды (температурные условия, разные сезоны, состав компонентов ОВ); охарактеризовать отличия окисления различных компонентов ОВ на отдельных стадиях развития БПК (I, II и L стадии); выявить взаимосвязи между кинетическими параметрами БПК и показателями компонентов ОВ.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследования проводили в 2012–2017 гг. на пяти эвтрофных водных объектах (озера Крошнозеро, Святозеро, Яндомозеро, Верхнее и р. Шуя), отличающихся морфометрическими характеристиками, размерами и химическим составом (рис. 1). Все выбранные для исследования кинетики БПК эвтрофные водоемы Карелии разнотипны по содержанию БВ. В озерах повышена концентрация Р_общ, и от зимы к лету его содержание возрастает при незначительных колебаниях Р_мин. Содержание форм N может сильно отличаться, а концентрация Si особенно зависит от его поступления с водосборов и зимой максимальна в большинстве водоемов [16].

Рис. 1.

Карта-схема расположения исследованных водных объектов.

Fig. 1. Schematic map of the sampling sites in water objects.

Озеро Крошнозеро (КР) относится к бассейну р. Шуи. Площадь водосборной территории 187.2 км², период водообмена озера составляет 0.9 года, средняя и максимальная глубины 5.7 и 12.6 м соответственно. Антропогенную нагрузку на водоем оказывают сельскохозяйственные угодья [14], а также форелевое хозяйство, расположенное на его акватории. Несмотря на то, что в вегетационный период в воде КР повышены концентрации углеводов, липидов, белков, она характеризуется не очень высокой долей ОВ_авт из-за проточности водоема [17].

Озеро Святозеро (СВ) – водоем сельскохозяйственного района [14], находится в бассейне р. Шуя. Площадь водосборной территории 50.5 км², а его зеркала 9.9 км². Водоем мелководный (максимальная глубина 17.2, средняя 7.2 м) и слабопроточный (период водообмена 7.7 лет) с хорошим прогревом воды. В воде СВ отмечены значительные концентрации лабильного ОВ (углеводов, липидов, белков, растворенных аминокислот) и повышенная доля общего ОВ_авт (>40% из-за замедленного водообмена [17]). Водоем подвергается интенсивному антропогенному воздействию (населенные пункты, сельское хозяйство, рыбоводство и др.), которое за многолетний период способствовало возрастанию его трофического статуса [7, 16].

Озеро Яндомозеро (ЯН) – мелководное (максимальная и средняя глубины 9 и 4 м соответственно), площадь поверхности 30 км². Предполагалось, что ЯН относится к водоемам мезотрофного типа, однако более детальные сезонные исследования дали информацию, которая позволяет считать озеро эвтрофным [16]. Водоем характеризуют следующие показатели: малый удельный водосбор (2.1) и средний по величине период водообмена (4.2 года). В зимний период в его водах повышено содержание ВВ (до 1.4 мг/л), а в осенний период отмечена наибольшая активность фитопланктона [16].

Озеро Верхнее (ВР) – мелководный водоем, расположенный на водосборе Онежского озера. Рядом с озером расположены дачные кооперативы, которые способствуют выносу БВ и загрязняющих веществ в него. Подробных гидрохимических исследований на озере ранее не проводилось, однако в этом полигумусном водоеме отмечена очень высокая концентрация ОВ_алл [6].

Река Шуя (РШ) – второй по величине приток Онежского озера (объем стока 3.1 км³/год). Устье реки расположено в вершинной части Петрозаводской губы озера, куда с речными водами поступает существенное количество ОВ гумусовой природы [3]. Река имеет освоенный под сельское хозяйство водосбор. Для водоемов бассейна р. Шуи характерно антропогенное евтрофирование при избыточном поступлении в водоемы БВ от рассредоточенных сельско- и рыбохозяйственных источников.

Вода для экспериментов отбиралась в районах формирования стока из озер Крошнозеро, Святозеро и Яндомозеро зимой-осенью 2012 г. и из центральной части озера Верхнее – в период открытой воды 2014 г. Из устьевой зоны р. Шуи отбор проб осуществлялся во все сезоны 2013 г., а также зимой и весной 2016 и 2017 гг. Пробы воды для БПК-опытов отбирались только из поверхностного горизонта 1 м. Всего было выполнено 48 экспериментов: 25 – при 20°С (по 7 – зимой и весной, 6 – летом и 5 – осенью), и 23 – при 10°С (6 экспериментов зимой, 7 – весной и по 5 – летом и осенью).

Методика постановки и проведения длительных БПК-экспериментов была подробно описана ранее [10]. Полученные в экспериментах мультистадийные БПК-кривые обрабатывались [13] и для каждой выделенной стадии оценивались значения кинетических параметров БПК: k – константа скорости БПК на I стадии, сут^–1; w1 – константа скорости БПК на II стадии, (л · мг^–1 · сут^–1); ${{v}_{1}}$, ω_S – соответственно скорости БПК на I и L стадиях, мг О₂/(л · сут); [O₂]^I, [O₂]^II – предельные значения БПК соответственно на I и II стадиях, мг О₂/л; ω_S·126 – общее потребление О₂ на L стадии, мг О₂/л; БПК_полн – БПК полное, то есть суммарное потребление О₂ по выделенным стадиям, мг О₂/л.

Перед началом эксперимента в пробах воды определяли значения химического потребления кислорода (ХПК) и перманганатной окисляемости (ПО), а также содержание общего фосфора (Р_общ) и взвешенного вещества (ВВ). Определение органического углерода (С_орг) проводилось согласно методике [5], а общего ОВ_авт и ОВ_алл сорбцией на диэтиламиноэтилцеллюлозе [15].

Значения ряда параметров ОВ оценивалось по эмпирическим уравнениям: содержание лабильного C(С_лаб = 0.3[O₂]^I); условно “стойкого” C (С_стаб = С_орг – С_лаб), С_орг в зависимости от общего содержания ОВ (ОВ_Ʃ) [1]; содержание С_орг – в случаях, где не велось его аналитическое определение (C_орг = 0.375 ХПК) [19].

Особенность воды эвтрофных водоемов заключается в высоком содержании биомассы фитопланктона и, следовательно, органического ВВ, особенно в летний период [16]. Поэтому при исследовании воды и ее использовании в БПК-экспериментах необходимо учитывать взвешенную фракцию ОВ (ОВ_взв), характеризующуюся высоким содержанием детрита, который при разложении определяет высокие скорости потребления О₂ на L стадии (значения ω_S могут быть сопоставимыми с ${{v}_{1}}$, и не исключаются случаи, когда ω_S ≥ ${{v}_{1}}$ или ω_S$ \gg $ ${{v}_{1}}$). В текущем исследовании содержание ОВ_взв оценивали по разнице: ОВ_взв, мг О/л = ХПК – растворенное ОВ_авт – ОВ_алл [15].

Статистическую обработку данных вели с помощью программного обеспечения So-faStatistics (www.sofastatistics.com) с пороговым критерием статистической значимости (p) равным 0.01.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Значения показателей ОВ в водах исследованных водных объектов. Среднее и сезонное содержание Р_общ, ВВ, ОВ и его компонентов отличалось во всех исследованных эвтрофных водных объектах (табл. 1). Концентрации Р_общ в воде всех озер оставались на высоком уровне в течение всего периода наблюдений, при этом отмечалось увеличение Р_общ от зимы к лету. Отдельно выделялось СВ, в воде которого при цветении воды летом 2012 г. отмечалось резкое возрастание содержания Р_общ до 222 мкг/л. В то же время были повышены значения косвенных показателей ОВ (табл. 1), а на содержание ОВ_взв приходилось 18.1 мг О/л (или 68% общего ОВ_авт). Во время цветения резко увеличивались концентрации легкоокисляемых соединений: углеводов – до 11.0 мг/л и липидов – 0.97 мг/л [4]. Это связано с тем, что в летний период в воде СВ активно развиваются сине-зеленые и зеленые водоросли (85% общей численности), в которых содержание углеводов обычно достигает 30–60% в расчете на сухую массу [21].

Содержание ВВ в воде эвтрофных озер выше, чем в мезо- и олиготрофных, что особенно заметно в период открытой воды во время активных продукционных процессов и подтверждается увеличением содержания взвешенной формы ОВ_авт, тесной связью ВВ и С_лаб (Тест Пирсона: 9.376е^–3 < 0.01; R = –0.541; df = 20). Однако, в озере ВР отмечались наименьшие содержания ВВ и ОВ_взв (табл. 1). Это может быть связано с высоким содержанием ОВ_алл в воде, которое уменьшает фотический слой и тем самым лимитирует первичную продукцию [19]. Такая тенденция подтверждается статистически: установлено, что с ростом ОВ_алл в исследованных объектах снижалось содержание ОВ_взв (Тест Пирсона: 6.601е^–3 <0.01; R = –0.561; df = 20). Исследованные водные объекты отличались по содержанию ОВ_алл, минимальные концентрации отмечались в мезогумусном СВ (в среднем 8.6 мг О/л), а максимальные – в полигумусном ВР (в среднем 59.5 мг О/л). Содержание ОВ_авт значительно варьировало в течение всего периода наблюдений, за счет изменения взвешенной его формы, минимальные значения которой были отмечены в зимний период, когда продуцирования ОВ практически не происходило.

Особенности кинетики БПК в воде из эвтрофных водных объектов. С помощью БПК-кривых c выраженными двумя-тремя стадиями потребления О₂ были получены значения отдельных кинетических параметров (табл. 2). Обработка данных по кинетике БПК показала ряд общих особенностей, характерных для всех эвтрофных водных объектов. Наблюдается резкое увеличение потребления О₂ от зимы к лету: в среднем – в 3.0 и 4.7 раза соответственно при 20 и 10°С. В зависимости от сезона изменяется вклад каждой стадии в общее потребление О₂ (БПК_полн) (рис. 2). Зимой и осенью при разных температурах наибольший вклад в БПК_полн (50% и более) оказывает L стадия. В зимний период, когда новообразования ОВ практически не происходит, выявлен минимальный вклад I и II стадий в БПК_полн. Весной при 20°С доминирует II стадия (45% от БПК_полн). Это связано с активным продуцированием диатомовыми водорослями липидов [6], взаимосвязь которых от потребления О₂ на II стадии была выявлена ранее [11]. В летний период, когда происходит максимальное продуцирование лабильного ОВ, превалирует I стадия, что подтверждается связью, установленной между [O₂]^I и ОВ_авт (Тест Пирсона: 5.666е^–3 < 0.01; R = –0.558; df = 21). Суммарное потребление О₂ на I и II стадиях летом при 20 и 10°С достигает соответственно 68 и 59%.

Рис. 2.

Вклад каждой стадии (I, II и L) в общее потребление кислорода, а также скорость окисления ОВ на I и L стадиях в различные сезоны при 20 (a) и 10°С (б). Пояснения в тексте.

Fig. 2. Contribution of each stages (I, II, and L) to total oxygen consumption and the rate of organic matter oxidation at I and L stages in different seasons at 20 (a) and 10°С (б). Explanations in the text.

Скорость окисления ОВ на L стадии во все сезоны наблюдений была в несколько раз ниже скорости на I стадии (см. рис. 2). Это связано с тем, что на L стадии происходит медленное окисление ГВ, а на I стадии – сравнительно быстрое окисление лабильных компонентов ОВ. Только летом скорость потребления О₂ на L стадии возрастала при 20°С в среднем до 0.076 мг О₂/(л · сут) и при 10°С – до 0.041 мг О₂/(л · сут). Это может быть связано с интенсивным окислением не только ГВ, но и взвешенного ОВ [11], образующегося в большом количестве в этот период. Скорость окисления ОВ на I стадии была минимальной в зимней воде, а в летней при 20 и 10°С она увеличивалась соответственно в 3.2 и 3.6 раза. Таким образом, вклад каждой стадии в общее потребление О₂, а также скорости окисления ОВ на разных стадиях, характеризуют состав и особенности окисления различных компонентов ОВ в разные сезоны года в эвтрофных водоемах.

Принципиальная особенность опытов с водой из эвтрофных водных объектов заключается в различиях скоростей процессов потребления О₂ на разных стадиях БПК и особенно на L стадии. В ходе экспериментов до завершения намеченного их срока, часто фиксируется полное исчерпание растворенного О₂ на I и II стадиях. Такие случаи были отмечены на 35–70-е сут в экспериментах с водой из КР, ЯН, ВР и РШ. Особенности процессов кинетики БПК и их параметров для конкретных исследованных водных объектов приведены ниже в описаниях каждой из пяти серий экспериментов.

Серия 1 – данные экспериментов с водой из озера Крошнозеро. В зимней и осенней воде сохранялся порядок значений констант скорости w1, но существенно отличались значения параметров [O₂]^I, и ${{v}_{1}}$_: они были выше осенью как при 20, так и при 10°С (табл. 2, рис. 3). Весной и летом средние значения констант скорости БПК при 20 и 10°С отличались мало, а средние значения параметров [O₂]^I и ${{v}_{1}}$ были выше в 2.1–2.2 раза в опытах при 20°С (см. табл. 2). Развитие II стадии отмечено в экспериментах весной и осенью, а значения потребления О₂ на II стадии в целом выше, чем на I стадии.

Рис. 3.

Развитие БПК в экспериментах при 20 и 10°С с водой из оз. Крошнозеро в 2012 г.: а – зима, б – весна, в – лето, г – осень. Обозначения расчетных кривых и экспериментальных данных по БПК при разных температурах на рис. 3б–г и рис. 4–7 такие же, как на рис. 3а. Под рисунками 3–7 приведены уравнения БПК-кривых.

Fig. 3. BOD-curves in the experiments at 20 and 10°С with water from the lake Kroshnozero in 2012: а – winter, б – spring, в – summer; г – autumn. The designations of the BOD calculation curves and experimental data in Figs. 3б–3г and Figs. 4–7 are the same as in Fig. 3a. Under the Fig. 3–7 are different BOD-curve equations.

Обнаружены повышенные значения скоростей БПК ω_S на L стадии (см. табл. 2). Весной из-за полного потребления О₂ на I стадии на развитие L стадии его не осталось. Наибольшие скорости потребления О₂ на L стадии отмечены в опытах с летней водой: при 20°С она была в 2.2 раза выше, чем при 10°С. Надо отметить, что в отличие от других озер, где максимальная скорость ${{v}_{1}}$ приходилась на летний период, в КР она наблюдалась весной, что, по-видимому, связано с особенностями продукционных процессов в данном водоеме.

Таким образом, в экспериментах с водой из КР при 10°С повышенное потребление О₂ отмечено на I стадии летом, а на L стадии – летом и осенью. При 20°С наибольшие значения потребления О₂ выявлены на I стадии весной и летом, на II стадии – весной и осенью, и на L стадии – летом и зимой (см. табл. 2). Высокие значения ω_S при 20°С были установлены в экспериментах при отсутствии II стадии. В опытах при 10°С развитие II стадии отмечено лишь весной, и оценить особенности развития БПК в другие сезоны нельзя.

Серия 2 – данные экспериментов с водой из озера Святозеро. В разные сезоны в воде из СВ при разных температурах выявлены небольшие визуальные отличия в развитии БПК в первые 10–15 сут. Такие особенности развития БПК предполагают высокую окислительную способность имеющихся в воде компонентов ОВ независимо от сезонной их изменчивости.

Зимой кинетику I стадии БПК при 20 и 10°С описывали близкие параметры уравнения А-типа, а значения параметров на II стадии при разных температурах отличались (табл. 2, рис. 4). Весной и осенью при разных температурах значения параметров I стадии БПК были близки, но оставались значительно ниже, чем летом во время цветения воды (см. табл. 2). Скорости потребления О₂ на L стадии при 20 и 10°С увеличивались от зимы к лету и затем постепенно снижались к осени.

Рис. 4.

Развитие БПК в экспериментах при 20 и 10°С с водой из оз. Святозеро в 2012 г.: а – зима, б – весна, в – лето, г – осень.

Fig. 4. BOD-curves in the experiments at 20 and 10°С with water from the lake Svyatozero in 2012: а – winter, б – spring, в – summer; г – autumn.

В результате были выявлены следующие особые свойства окисления имеющихся в воде СВ компонентов ОВ. На I стадии БПК предельные значения потребления О₂ в зимней воде при 20 и 10°С фактически совпадали, а в вегетационный период при 20°С были почти одинаково пропорционально превышены в 1.6–1.8 раза в сравнении с таковыми при 10°С. По L стадии установлен один порядок скоростей ω_S при 20 и 10°С весной и летом, и отличия в 3.5 и 2.2 раза зимой и осенью соответственно.

Интенсивное цветение воды в 2012 г., а также повышенное антропогенное воздействие на водоем, очевидно, нашли отражение не только в повышении концентраций БВ, показателей ОВ и ВВ, но и свойств окисляемых компонентов ОВ. Летом в воде СВ отмечено наибольшее общее потребление О₂, которое существенно выше, чем в других озерах, при этом вклад I и II стадий суммарно составлял 90%. А скорость потребления О₂ на I стадии при 20°С была в 88 и 64 раза выше, чем весной и осенью соответственно.

Серия 3 – данные экспериментов с водой из озера Яндомозеро. Развитие I стадии БПК в зимней и весенней воде при 20 и 10°С отражалось параметрами уравнения А-типа, при этом для зимней воды значения этих параметров были ниже, чем для весенней (рис. 5). Летом при 20°С развитие I стадии БПК отражали параметры уравнения А-типа, а при 10°С – уравнения Е-типа, при этом значения всех параметров были значительно выше, чем в другие сезоны. Скорости БПК на L стадии ω_S при 20°С в экспериментах с зимней, весенней и осенней водой были близки (в летней воде из-за отсутствия О₂ стадия не выражена) и в среднем составляли 0.0314 мг О₂/(л · сут), а при 10°С – 0.0186 мг О₂/(л · сут) во все четыре сезона.

Рис. 5.

Развитие БПК в экспериментах при 20 и 10°С с водой из озера Яндомозеро в 2012 г.: а – зима, б – весна, в – лето, г – осень.

Fig. 5. BOD-curves in the experiments at 20 and 10°С with water from the lake Yandomozero in 2012: а – winter, б – spring, в – summer; г – autumn.

Таким образом, высокое потребление О₂ в воде из озера ЯН отмечено в летней воде при 10°С: на I, II и L стадиях оно составляло соответственно 21, 24 и 55% общего потребления О₂, а при 20°С – 53 и 47% на I и II стадиях соответственно (L стадии зафиксировано не было из-за полного расхода О₂ на других стадиях).

Серия 4 – данные экспериментов с водой из озера Верхнее. При 20°С в 2014 г. в весенней воде из озера ВР развитие I стадии БПК характеризовали уравнения Е-типа, а в летней и осенней воде – уравнения А-типа (рис. 6). Потребление О₂ на L стадии воде ВР отражали скорости, которые летом были выше, чем весной и осенью, в 2.1 и 1.7 раза соответственно. Надо отметить, что скорости ω_S в воде ВР были наибольшими среди исследованных эвтрофных озер (см. табл. 2). Скорости БПК на L стадии ω_S при 10°С в весенней, летней и осенней воде были соответственно в 3.3, 9.3 и 3.1 раза ниже скоростей потребления О₂ на L стадии при 20°С.

Рис. 6.

Развитие БПК в экспериментах при 20 и 10°С с водой из оз. Верхнее в 2014 г.: а – весна, б – лето, в – осень.

Fig. 6. BOD-curves in the experiments at 20 and 10°С with water from the lake Verhnee in 2012: а – spring, б – summer; в – autumn.

Таким образом, повышенное потребление О₂ на I стадии при 20°С отмечено в весенней и осенней воде, II стадия не зафиксирована, а на L стадии – в летней воде. При 10°С повышенное потребление О₂ на I и II стадиях отмечено летом, а на L стадии – осенью (см. табл. 2). В отличие от других исследованных водных объектов вклад L стадии в общее потребление О₂ оставался неизменно высоким в течение всех сезонов и в среднем составлял 82%, что связано с высоким содержанием в воде ГВ.

Серия 5 – данные экспериментов с водой из реки Шуя. Анализ данных экспериментов с водой из устья РШ в 2013 г. [12] показал, что общее потребление О₂ зимой и осенью составляло соответственно 8.18 и 7.01 мг О₂/л (на I стадии – 16.2–21.4%, на II стадии – 35.0–37.0%, на L стадии – 48.8–41.6%), весной – 7.752 мг О₂/л (на I и II стадиях – 43.9 и 56.1% соответственно, L стадия не выявлена), и летом – 7.97 мг О₂/л (при 100% потреблении на I стадии). Выявлено резкое возрастание роли лабильной фракции в окислении ОВ в летний период, что связано с выраженной высокой трофностью вод р. Шуя.

В 2016 г. развитие БПК на L стадии при 20 и 10°С в зимней воде характеризовалось гораздо большими скоростями, чем в весенней, что связано с пониженным содержанием О₂ в исследуемой воде к концу эксперимента (рис. 7). В 2017 г. развитие L стадии БПК зимой отмечалось только при 10°С со скоростью ω_S = 0.0143 мг О₂/(л · сут). Весной при 20°С из-за полного расхода О₂ после 91 сут его потребление прекращалось. В тоже время при наличии в воде кислорода необъяснима остановка его потребления: при 20°С зимой после 50 сут и при 10°С весной после 90 сут (рис. 7). Отсутствие потребления О₂ при его наличии в воде отмечалось в опытах 2013 г. с водой из центрального плеса Онежского озера при 10 и 20°С в зимней воде и при 10°С в весенней (после 49–70 сут) [10]. Подобные случаи требуют тщательного изучения для выяснения причин остановки процесса потребления О₂ в исследуемых водах.

Рис. 7.

Развитие БПК в экспериментах при 20 и 10°С с водой из р. Шуя в 2016 г. (а – зима, б – весна) и 2017 г. (в – зима, г – весна).

Fig. 7. BOD-curves in the experiments at 20 and 10°С with water from River Shuya in 2016: (а – winter, б – spring) and in 2017 (в – summer, г – autumn).

Сопоставление показателей ОВ и параметров кинетики БПК. Ранее проведенный анализ соответствия значений кинетических параметров в пробах воды из разных районов Онежского озера со значениями показателей ОВ выявил взаимосвязи параметров для I, II и L стадий процесса [11]. В текущем исследовании выделенные взаимосвязи I–III для эвтрофных водных объектов отличались высокими значениями коэффициентов детерминации R² = 0.81–1.00 (рис. 8).

Рис. 8.

Соответствие значений показателей ОВ и кинетических параметров БПК. Пояснения в тексте.

Fig. 8. Correspondence of organic matter concentrations and kinetic BOD parameters. Explanations in the text.

Так как вода из эвтрофных водоемов характеризовалась повышенным потреблением О₂, то ряд экспериментов из-за полного его расходования на I и II стадиях заканчивался до завершения планируемых 126 сут (см. табл. 2). В таких случаях скорости потребления О₂ на L стадии, оцененные на промежуточных этапах развития БПК, пересчитывались на весь период эксперимента (ω_S × 126) и далее использовались для сопоставления c показателям ОВ.

В целом каждую группу взаимосвязей I–III характеризовали изменяющиеся по сезонам исходные концентрации форм ОВ и условия их окисления за период экспериментов, отражаемые развитием нескольких стадий окисления. В нижнюю зону всех взаимосвязей попадали данные с наименьшими значениями показателей ОВ и БПК, однако диапазон отличий параметров БПК был ниже, чем показателей ОВ. Верхнюю и центральную зону взаимосвязей I формировали данные только летних сезонов СВ, КР и РШ (период наибольших значений БПК и активной трансформации форм ОВ в природных водах). Взаимосвязи II определяли данные весенних, летних и осенних сезонов в водоемах ВР, КР и ЯН (в целом при высоких значениях показателей БПК и ОВ). Взаимосвязи III формировали в основном данные весенних и зимних сезонов (ВР, РШ) и в меньшей степени – осенних сезонов ЯН (пониженные значения показателей БПК и сравнительно высокие показатели ОВ).

Существенно изменялись значения тангенсов углов наклона к горизонтальным осям кривых взаимосвязей I–III. Между показателями С_орг и БПК₁₂₆ они составили соответственно 4.942, 0.999 и 0.323; между ХПК и ω_S × 126 – 0.982, 0.346 и 0.276; между ОВ_S и ([O₂]^I + ω_S × 126) – 7.550, 2.606 и 0.926; между С_взв и ω_S × 126 – 2.426, 0.969, 0.378; между ХПК_авт и [O₂]^I– 0.953, 0.256 и 0.183; и между ХПК_алл и ω_S × 126 – 1.154, 0.361 и 0.254. О более активном окислении ОВ свидетельствуют высокие значения коэффициентов 𝛂 (отношение показателя БПК к показателю ОВ) и тангенсы углов наклона взаимосвязей I в сравнении с меньшими их значениями во взаимосвязях II и III. В каждой паре показателей БПК и ОВ при переходе от взаимосвязи I ко II и далее к III, значения показателей БПК и 𝛂, как правило, снижались, а ОВ – возрастали. Максимальные значения коэффициента 𝛂 характеризовали взаимосвязи I между интегральными показателями: БПК₁₂₆ и С_орг (𝛂 = 3.387) и между общим потреблением О₂ на I-й и L стадиях и содержанием ОВ_S (𝛂 = 4.600). Высокий угол наклона (2.426) взаимосвязи I между потреблением О₂ на L стадии и содержанием С_стаб отражал условия окисления не только ГВ, но и ОВ_взв в воде эвтрофных водоемов, особенно в летний период, что подчеркивает важную роль ВВ в кинетике БПК.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В статье представлены результаты совместных сезонных исследований содержания разных форм ОВ и их способности к окислению в длительных БПК-экспериментах с водой из разных эвтрофных водных объектов (озера Святозеро, Крошнозеро, Яндомозеро, Верхнее и устьевая зона р. Шуя). Воды всех водоемов испытывают разное антропогенное воздействие, а также имеют состав ОВ разного генезиса, что в итоге отражается на процессе его окисления в течение длительных БПК-экспериментов.

Полученные в исследовании материалы позволяют охарактеризовать по сезонам состояние имеющихся в воде разных форм ОВ, их трансформацию и способность к окислению. По окислению лабильных компонентов ОВ (соотношение [O₂]^I/ПО) водоемы располагаются в следующей последовательности: СВ → ЯН → РШ → КР → ВР по снижению этого соотношения (2.03, 0.58, 0.53, 0.15 и 0.02 соответственно) при отличиях в 100 раз между крайними водоемами в этом ряду. Выявлен ряд общих особенностей, характерных для всех эвтрофных водных объектов: наблюдается резкое увеличение потребления О₂ от зимы к лету; в зависимости от сезона изменяется вклад каждой стадии в БПК_полн (зимой и осенью наибольший вклад оказывает L стадия, весной – II стадия, а летом – I стадия); скорость окисления ОВ на L стадии во все сезоны несколько раз ниже скорости на I стадии.

Разностороннюю оценку условий окисления компонентов ОВ можно получить по обобщенным данным соответствия разных показателей ОВ кинетическим параметрам БПК. По выбранным парам значений ОВ и БПК построены взаимосвязи I–III, которые отражают спектр сезонных особенностей изменения условий окисления разных ОВ по всем исследованным водоемам и сезонам как на основе общих показателей, так и показателей для отдельных стадий.

Финансовое обеспечение исследований осуществлялось из средств федерального бюджета в рамках государственного задания Института водных проблем Севера Кар НЦ РАН, а в ИО РАН им. П.П. Ширшова в рамках темы № 0128-2021-0016 “Взаимодействие биогеосфер в Мировом океане”. Исследования выполнены на научном оборудовании Центра коллективного пользования Кар НЦ РАН.