Результаты микробиологических исследований

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО НАУЧНЫХ ОРГАНИЗАЦИЙ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ ИНСТИТУТ ОЗЕРОВЕДЕНИЯ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК (ИНОЗ РАН)

ОТЧЕТ

о выполнениинаучно-исследовательских работ

в рамках Договора по исследованию водоемов во Всеволожском районе Ленинградской области.

Исследование оз. Школьного.

Санкт-Петербург

Содержание

1. Введение.
2. Анализ содержания фосфора и других гидрохимических показателей (к.г.н., зав. лаб. гидрохимии Н.В. Игнатьева)
3. Анализ содержания металлов (м.н.с. М.О. Гусева)
4. Санитарно–микробиологическое исследование (м.н.с. Митрукова Г.Г.)
5. Заключение (к.г.н., рук. группы палеолимнологии Т.В. Сапелко)

ВВЕДЕНИЕ

Сотрудниками ИНОЗ РАН на озере Школьном 6 июня 2016 года проведены полевые работы, в результате которых отобраны пробы воды и донных отложений в 3-х точках озера (рис.1). Точки отбора проб располагались в разных частых озера: станция 1 – в нижней части водоема, вблизи плотины; станция 2 – в верхней части водоема; станция 3 – в центральной части. На станциях 1 и 3 отбор проб воды осуществлялся с поверхностного и придонного горизонтов, на мелководной станции 2 (глубина 0.35 м) – с одного горизонта. Для отбора проб воды использовался батометр Limnos. Всего отобрано 5 проб воды. Температура воды измерялась in situ встроенным в батометр термометром.Пробы на содержание растворенного кислорода фиксировались немедленно после отбора по методу Винклера. Отобранные пробы воды наливались в полиэтиленовые бутыли и транспортировались в Лабораторию гидрохимии ИНОЗ РАН для дальнейшего анализа. Пробы поверхностных донных отложений отбирались дночерпателем Экмана-Берджа. На станциях 1 и 2 был отобран только самый верхний слой отложений (наилок), на центральной станции 3 осадок глубиной до 8 см от границы раздела «вода – дно» был отобран послойно (0 – 2, 2 – 4, 4 – 6, 6 – 8 см). Всего отобрано 6 проб донных отложений.

Рис.1. Отбор проб на озере Школьном.

АНАЛИЗ СОДЕРЖАНИЯ ФОСФОРА И ДРУГИХ ГИДРОХИМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ

В лабораторных условиях в пробах воды были определены следующие гидрохимические показатели: сумма ионов (∑и), содержание главных ионов, растворенного кислорода, взвешенных веществ, диоксида углерода (СО₂), общего (ТР) и неорганического (IР) фосфора, аммонийного (NH₄⁺), нитритного (NO₂^-), нитратного (NO₃^-) и общего (ТN) азота, нефтяных углеводородов (НУВ), а также величины водородного показателя (рН), цветности (Цв), биохимического потребления кислорода в течение 5 суток (БПК₅), бихроматной окисляемости (ХПК), удельной электропроводности (УЭП). Химические анализы выполнялись в соответствии с нормативными документами. Результаты представлены в таблицах 1 и 2 .

В воздушно-сухих навесках (в.с.н.) проб донных отложений было определено содержание органического вещества (по величине потери при прокаливании п.п.п.), фосфора, макро- и микрокомпонентов. Величины п.п.п. определялись методом озоления абсолютно сухих проб донных отложений в муфельной печи при температуре 450-500 ° С в течение 8 часов. Содержание общего и неорганического фосфора в донных отложениях определялось по методу Мета в путем ряда последовательных экстракций концентрированной HCl и 0.5 н NaOH и определения общего фосфора в объединенных экстрактах молибдатным методом. Остиальные макро- и микроэлементы донных отложений определялись рентгено-флуоресцентным методом на оборудовании фирмы Шимадзу (Япония). Результаты анализа проб донных отложений представлены в таблицах 3 и 4.

Водная масса

Содержание главных ионов (∑и) в основной водной массе озера составляет 356 – 373 мг л^-1 (табл. 1). Только на наиболее глубоком (1.9 м) приплотинном участке (ст. 1) придонный слой воды выделяется повышенной минерализацией – 489 мг л^-1. Возможно, здесь происходит подпитка водоема подземными водами. Кроме того, как по величине данного показателя, так и большинства других гидрохимических показателей, что будет показано ниже, можно говорить о наличии на приплотинном участке застойной зоны в придонном горизонте. Электропроводность воды, определяемая минерализацией, составляет 580 – 611 мкСм см^-1, в придонном слое на ст. 1 – 728 мкСм см^-1. Полученные значения ∑и и УЭП в 5 – 10 раз выше соответствующих значений для Ладожского озера и большинства озер Карельского перешейка. Повышенное содержание ионов сильных ⁾электролитов в воде озера создает повышенную буферную емкость, что способствует устойчивости по отношению к внешним негативным воздействиям.

Таблица 1. Минерализация (∑и) и содержание главных ионов в воде оз. Школьного 08.06.2016

Станция	Глубина, м	Гори-зонт	∑и, мг л-1	Ca2+	Mg2+	Na++K+	HCO3-	Cl-	SO42-
мг л-1
	1,90	пов.		33,55	8,59	72,18	160,26	80,97	17,19
		дно		41,00	6,33	100,65	238,08	95,40	7,20
	0,35	пов.		31,30	13,56	60,45	160,39	79,51	10,80
	1,15	пов.		36,53	13,37	61,63	160,45	78,06	12,34
		дно		34,67	10,17	63,70	161,18	79,51	11,09

Таблица 2. Показатели состава и свойств воды оз. Школьного 08.06.2016

Стан-ция	Глуби-на, м	Гори-зонт	t, оС	pH	О2	IР	TР	УЭП, мкСм см-1	СО2, мг л-1	NH4+	NO2-	NO3-	ТN	Цв, град.	ХПК, мг О л-1	БПК5, мг О2 л-1	Взвеси, мг л-1	НУВ, мг л-1
мг л-1	%	мг P л-1	мг N л-1
	1,90	пов.	16,8	7,35	7,59		0,020	0,117		16,5	1,538	0,060	0,299	2,11		62,75	5,76	13,6	0,100
		дно	16,0	6,61	1,79		0,068	0,236		129,3	4,104	0,000	0,078	4,89		160,09	14,63	109,6	0,110
	0,35	пов.	17,3	7,32	7,76		0,044	0,142		17,7	1,694	0,055	0,304	2,24		56,48	6,04	17,0	0,130
	1,15	пов.	17,1	7,37	7,59		0,024	0,113		15,8	1,615	0,062	0,315	2,24		57,73	6,21	10,9	0,100
		дно	16,8	7,35	7,42		0,030	0,122		16,6	1,645	0,058	0,317	2,26		55,22	6,49	8,7	0,100

Благодаря мелководности, водная масса озера достаточно хорошо аэрирована. Во время отбора проб относительное содержание растворенного кислорода составляло 79 – 83 % насыщения (табл. 2). Только в придонном слое на ст. 1 был отмечен существенный дефицит О₂ – 5 %. Очевидно, в непосредственной близости к поверхности дна кислород полностью отсутствовал. Некоторое недонасыщение кислородом поверхностного горизонта может быть связано как с чисто природным процессом – явлением гистерезиса при охлаждении воды из-за дождя в период отбора проб, так и с наличием загрязнения водоема.

Для озера характерна высокая загруженность органическим веществом (ОВ). Величины ХПК, косвенно характеризующие содержание ОВ, составляли 55 – 63 мг О л^-1 в основной водной массе и 160 мг О л^-1 в придонном слое на ст. 1 (табл. 2) . По величине ХПК вода оз. Школьного классифицирована как «очень грязная» ()ХПК > 15 мг О л^-1). В соответствии с требованиями к составу и свойствам воды водоемов в зонах рекреации в водных объектах допускается величина ХПК до 30 мг О л^-1, т.е. по данному показателю соответствующий норматив в оз. Школьном существенно превышен. Следует отметить, что ОВ в озере имеет как антропогенное, так и природное происхождение, о чем можно судить по высокому значению цветности воды, составляющему 57 – 68 град. в основной водной массе и 560 град. в придонном слое на ст. 1. Высокая цветность воды обусловлена повышенным содержанием гумусовых веществ и вероятно железа. В придонном слое на ст. 1 основным источником окрашивания воды является железо, диффундирующее в придонную воду из донных отложений в анаэробных условиях в форме Fe²⁺ (бесцветный раствор) и окисляющееся здесь до Fe³⁺, что придает воде бурую окраску.

Содержание легкоокисляемого ОВ (по БПК) в воде озера также очень высоко. В основной водной массе значения БПК₅ составляли 5.76 – 6.49 мг О₂ л^-1, в придонном слое на ст. 1 – 14.63 мг О₂ л^-1 (табл. 2), что соответствует «грязным» и «очень грязным» водам. Обогащенность воды озера легкоокисляемым ОВ обусловлена как высокой биологической продуктивностью водоема, так и наличием органического загрязнения, в частности, хозяйственно-бытовых стоков.

В озере выявлена несбалансированность продукционно-деструкционных процессов, о чем свидетельствуют очень высокие для летнего периода значения концентраций диоксида углерода – 15.8 – 17.7 мг л^-1 в основной водной массе и 129.3 в придонном горизонте на ст. 1 мг л^-1 (табл. 2).

Содержание взвесей в поверхностном слое составляло 10.9 – 17.0 мг л^-1 (табл. 2), в придонном, судя по ст. 3, несколько ниже – 8.7 мг л^-1. Очевидно, взвесь представлена в основном клетками фитопланктона. Наибольшее содержание взвеси было зафиксировано в придонном слое на ст. 1 (110 мг л^-1). Здесь взвешенное вещество представляло собой, главным образом, гидроокись железа (III).

Содержание биогенных элементов в воде озера достаточно высокое: ТР – 0.113 – 0.142 мг Р л^-1 (на ст. 1 у дна 0.236 мг Р л^-1), TN – 2.11 – 2.26 мг N л^-1 (на ст. 1 у дна 4.89 мг N л^-1) (табл. 2). По содержанию общего фосфора водоем классифицирован как гиперэвтрофный. Высокое содержание неутилизированного неорганического фосфора, наличие нитритов в ощутимых концентрациях и доминирование среди неорганических форм азота ионов аммония свидетельствуют о наличии загрязнения водоема, вероятнее всего, органического загрязнения.

Содержание нефтяных углеводородов в воде озера было невысоким – от 0.10 до 0.13 мг л^-1.

Таким образом, выполненное гидрохимическое исследование выявило признаки органического загрязнения озера, источником которого, вероятнее всего, являются хозяйственно-бытовые стоки. В целом, водная масса озера, благодаря высокой проточности, достаточно однородна. Исключением является только застойная зона, выявленная в придонном горизонте приплотинного участка водоема.

Донные отложения

Донные отложения оз. Школьного представляют собой глинистые илы с высоким содержанием органического вещества (п.п.п. 20.6 – 31. 0 %) (табл. 3). Значения гигроскопической влаги также достаточно высоки. Содержание фосфора в донных отложениях следует охарактеризовать как чрезвычайно высокое. Если в большинстве озер региона содержание ТР в поверхностных пробах илистых отложений в основном составляет десятые доли миллиграмма на грамм воздушно-сухого осадка, редко превышая значение 2 мг г^-1, то в оз. Школьном содержание ТР в наилках достигает 24 – 40 мг г^-1. Наименьшее значение относится к наиболее мелководной ст. 2. Очевидно, здесь гидродинамические условия в меньшей степени способствуют осадконакоплению, и тонкодисперсные фосфорсодержащие частицы транспортируются в центральную часть и приплотинный участок (ст. 1). Фосфор в донных отложениях представлен в основном неорганическими соединениями, содержание ОР составляет лишь 3 – 6 % ТР.

Исследование вертикального распределения компонентов в короткой колонке донных отложений в центральной части озера (ст. 3) показало, что по мере углубления в толщу осадка содержание ОВ и фосфора возрастает (рис. 2). Наибольшее содержание ОВ, фосфора и наибольшая его доля в составе органических соединений (ОР) относятся к нижнему слою колонки осадка (соответственно, п.п.п. 31%, ТР 84.1 мг Р г^-1 и ОР 28 % ТР). Полученный результат является очень важным для планирования оздоровительных мероприятий на водоеме. С одной стороны, удаление верхнего слоя донных отложений, обогащенных органическим веществом и биогенными элементами, способствовало бы улучшению экологической обстановки в водоеме, с другой, в результате дноочистительных работ могут обнажиться слои, содержащие еще большее количество этих компонентов, что только ухудшит состояние водоема. Поэтому для разработки комплекса оздоровительных мероприятий на озере необходимо проведение дополнительных исследований, включающих изучение длинных колонок (1 м и более) донных отложений.

АНАЛИЗ СОДЕРЖАНИЯ МЕТАЛЛОВ

Оценка степени загрязнения донных отложений наиболее корректно дается путем сравнения содержания загрязняющих элементов в осадке с фоновыми значениями для данного региона и данного типа донных отложений. К сожалению, в настоящее время фоновые значения для большинства регионов, включая Северо-Запад РФ, отсутствуют. Проводить сравнение с фоновыми значениями для почв, как это рекомендуется в некоторых руководящих документах, также некорректно. Анализ результатов, представленных в таблице 4, выявил наличие высокого содержания свинца и цинка по сравнению с рядом озер региона, не подверженных столь сильному антропогенному воздействию, как исследуемый водоем. Как видно из рисунка 2, содержание этих тяжелых металлов в современных осадках имеет тенденцию к возрастанию, что дает основание говорить об антропогенном поступлении свинца и цинка в озеро в последние десятилетия, т.е. о техногенном загрязнении водоема. Более точная оценка степени загрязнения донных отложений тяжелыми металлами также требует дополнительных исследований длинных колонок донных отложений.

Таблица 3. Гигроскопическая влага, потери при прокаливании и содержание форм фосфора в пробах донных отложений оз. Школьного

Станция	Горизонт	Гигроск. влага, %	П.п.п., %	IР	OР	TР
мг Р г-1 в.с.н.
	наилок	9,9	24,0	37,13	2,40	39,53
	наилок	5,3	20,6	23,48	0,94	24,42
	0-2 см	6,5	23,6	39,02	1,14	40,16
	2-4 см	7,1	24,0	41,97	1,17	43,13
	4-6 см	7,2	26,6	53,68	1,39	55,07
	6-8 см	6,9	31,0	60,93	23,78	84,71

Таблица 4. Содержание макро- и микроэлементов в пробах донных отложений оз. Школьного

Стан-ция	Горизонт	Si	Al	K	Ti	Mn	Fe	Ca	S
мг г-1 в.с.н.
	наилок	115,3	10,3	3,4	2,3	6,2	106,1	18,7	45,4
	наилок	239,2	34,4	8,4	3,5	6,4	65,5	18,9	7,3
	0-2 см	236,3	33,3	8,2	3,8	5,1	69,3	15,7	16,8
	2-4 см	234,0	32,4	7,9	3,6	5,4	68,3	15,0	17,4
	4-6 см	210,8	24,1	6,9	3,1	5,0	71,9	15,5	33,8
	6-8 см	186,4	22,4	6,0	2,8	4,6	76,1	13,4	47,6

Стан-ция	Горизонт	Co	Ni	Cu	Sr	Ba	V	Zn	Pb
мкг г-1 в.с.н.
	наилок
	наилок
	0-2 см
	2-4 см
	4-6 см
	6-8 см

Рис. 2. Вертикальное распределение значений п.п.п. и содержания элементов в донных отложениях на ст. 3.

САНИТАРНО–МИКРОБИОЛОГИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ОЗ. ШКОЛЬНОЕ.

Материалы и методы

При определении качества воды необходимо определять группы бактерий, свидетельствующие о наличии хозяйственно-бытового загрязнения, в том числе фекального загрязнения. Санитарно–микробиологическое исследование объектов окружающей среды включает определение общего микробного числа (ОМЧ) и наличия санитарно–показательных микробов. Наличие санитарно–показательных микроорганизмов (СПМО) в воде является индикатором загрязнения этих объектов выделениями человека и теплокровных животных (Ананьева и др., 2012). К СПМО для воды относятся общие и термотолерантные колиформные бактерии, возбудители кишечных инфекций, колифаги и жизнеспособные яйца гельминтов (СанПиН 2.1.5.980-00, 2000).

Мы определяли следующие санитарно-микробиологические показатели:

1. Общее микробное число (ОМЧ)- это общее число сапрофитных микроорганизмов, способных образовывать колонии на питательном агаре при температуре 37 °C в течение 24 ч. ОМЧ при температуре инкубации 37°С - индикаторная группа микроорганизмов, в числе которых определяют в большей мере аллохтонную микрофлору, внесенную в водоем в результате антропогенного загрязнения, в т. ч. фекального (МУК 4.2.1884-04, 2004).

2. Содержание колиформных бактерий, общих и термотолерантных. К общим колиформным (ОКБ) относят грамотрицательные, не образующие спор палочки семейства Enterobacteriaceae, не обладающие цитохромоксидазной активностью, ферментирующие лактозу или маннит с образованием альдегида, кислоты и газа при 37 °С в течение 24 часов. Термотолерантные колиформные бактерии (ТКБ) обладают всеми признаками общих колиформных бактерий и, кроме того, способны ферментировать лактозу до кислоты и газа при 44 °С в течение 24 часов. Эти бактерии могут попадать в воду при загрязнении ее фекалиями человека и животных (МУК 4.2.1884-04, 2004; Ананьева и др., 2012).

Результаты микробиологических исследований

Приводятся данные обследования оз. Школьного в начале июня 2016 г. по санитарно-микробиологическим показателям. Результаты микробиологического исследования представлены в таблице 5. Достаточно высокие величины ОМЧ и ОКБ на некоторых станциях (660 – 3460 КОЕ/мл и 600-800 КОЕ/100мл соответственно) свидетельствуют об антропогенной нагрузке на водоём, в который могут попадать стоки с окружающей территории, повышая количество микроорганизмов в воде.

Таблица 5. Величины санитарных показателей в оз. Школьном. КОЕ - колониеобразующая единица, т. е. отдельная колония микроорганизмов, вырастающая на твердой питательной среде.

Станция	ОМЧ, КОЕ/мл	ОКБ КОЕ/100 мл	ТКБ, КОЕ/100 мл.
Ст. 1 поверхность			-
Ст. 1 дно
Ст. 2			-
Ст. 3 поверхность
Ст. 3 дно			-

Колиформные бактерии свидетельствуют о фекальном загрязнении и достаточно высокие величины этого показателя могут свидетельствовать об интенсивном использовании озера для рекреации, выгула собак, обитания водоплавающих птиц и т.п. Относительно высокие значения отмечаются только на ст. 2 и в придонных горизонтах станций 1 и 3.

Гигиенические требования к качеству воды водных объектов в пунктах питьевого, хозяйственно-бытового и рекреационного водопользования устанавливает СанПиН 2.1.5.980-00. СанПиН построен на основе органо­леп­тических, токсико­ло­гических, санитар­ных и бактериологических показателей состояния во­до­ема. В соответствии с данным документом для вод, используемых для купания, спорта и отдыха населения (рекреационного водопользования), а также для водое­мов в черте населенных мест установлены санитарные нормы – числен­ность термотолерантных колиформных бактерий не более 100 КОЕ/100мл, общих колиформных бактерий не более 500 КОЕ/100 мл (СанПиН 2.1.5.980-00, 2000). Как видно из представленных данных, требованиям нормативных документов соответствует вода поверхностных горизонтов на станциях 1 и 3. Наиболее неблагоприятная ситуация наблюдается в придонном горизонте станции 1, где имеет место превышение норм содержания ТКБ в четыре раза (400 КОЕ/100 мл.), в придонном горизонте станции 3 наблюдается большее количество ОКБ (800 КОЕ/100 мл.), чем указано в СанПиН. Также превышение норм содержания ОКБ (600 КОЕ/100 мл) наблюдается и в поверхностном горизонте воды на станции 2. И, таким образом, качество воды большинства проб из озера Школьное не соответствует требованиям нормативных документов и его использование в рекреационных целях не желательно.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполненное гидрохимическое исследование выявило признаки органического загрязнения озера, источником которого, вероятнее всего, являются хозяйственно-бытовые стоки. В целом, водная масса озера, благодаря высокой проточности, достаточно однородна. Исключением является только застойная зона, выявленная в придонном горизонте приплотинного участка водоема. Содержание фосфора в донных отложениях следует охарактеризовать как чрезвычайно высокое. Если в большинстве озер региона содержание общего фосфора в поверхностных пробах илистых отложений в основном составляет десятые доли миллиграмма на грамм воздушно-сухого осадка, редко превышая значение 2 мг г^-1, то в оз. Школьном содержание общего фосфора в наилках достигает 24 – 40 мг г^-1, а на глубине 6 – 8 см в осадке – 85 мг г^-1.

Полученный результат изучения верхнего слоя донных отложений является очень важным для планирования оздоровительных мероприятий на водоеме. С одной стороны, удаление верхнего слоя донных отложений, обогащенных очень высоким содержанием органического вещества и биогенных элементов, способствовало бы улучшению экологической обстановки в водоеме, с другой, в результате дноочистительных работ могут обнажиться слои, содержащие еще большее количество этих компонентов, что только ухудшит состояние водоема. Поэтому для разработки комплекса оздоровительных мероприятий на озере необходимо проведение дополнительных исследований, включающих изучение длинных колонок (1 м и более) донных отложений. Анализ подержания металлов в верхнем слое донных отложений выявил наличие высокого содержания свинца и цинка по сравнению с рядом озер региона, не подверженных столь сильному антропогенному воздействию, как исследуемый водоем. Содержание этих тяжелых металлов в современных осадках имеет тенденцию к возрастанию, что дает основание говорить об антропогенном поступлении свинца и цинка в озеро в последние десятилетия, т.е. о техногенном загрязнении водоема. Более точная оценка степени загрязнения донных отложений тяжелыми металлами также требует дополнительных исследований длинных колонок донных отложений.

Санитарно-микробиологическое изучение воды озера показало превышение норм содержания общих колиформных бактерий. Особенно велико превышение содержания термотолерантных колиформных бактерий (в четыре раза). В результате проведенного исследования качество воды в озере Школьное не соответствует требованиям нормативных документов и его использование в рекреационных целях не желательно.

В целом экологическое состояние оз. Школьного следует признать крайне неблагоприятным, требующим незамедлительного принятия мер по его оздоровлению. Необходимо, прекратить поступление загрязнений, в том числе хозяйственно-бытовых стоков, в водоем и выполнить комплекс научно-обоснованных природоохранных мероприятий, для разработки которого необходимы дополнительные, более детальные исследования озера (водной массы и донных отложений) и его водосбора.

ЛИТЕРАТУРА:

Ананьева Е. П. Микробиология. Часть I: учебное пособие к практическим занятиям по микробиологии для студентов очного отделения фармацевтического факультета / Е. П. Ананьева, С. В. Гурина, Т. С. Потехина, И. П. Соколова, О. М. Тихомирова. — СПб.: Издательство СПХФА , 2012. — 96 с.

МУК 4.2.1884-04.Санитарно-микробиологический и санитарно-паразитологический анализ воды поверхностных водных объектов. 2004 г.

СанПиН 2.1.5.980-00. Гигиенические требования к охране поверхностных вод: Санитарные правила и нормы. - М.: Федеральный центр госсанэпиднадзора Минздрава России, 2000.