Главная → Наука → Научные статьи ООО НПО "Альгобиотехнология" → Научные статьи 2013 года → МЕХАНИЗМЫ ИЗМЕНЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ ПРИ БИОЛОГИЧЕСКОЙ РЕАБИЛИТАЦИИ МАТЫРСКОГО ВОДОХРАНИЛИЩА МЕТОДОМ КОРРЕКЦИИ АЛЬГОЦЕНОЗА

МЕХАНИЗМЫ ИЗМЕНЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ ПРИ БИОЛОГИЧЕСКОЙ РЕАБИЛИТАЦИИ МАТЫРСКОГО ВОДОХРАНИЛИЩА МЕТОДОМ КОРРЕКЦИИ АЛЬГОЦЕНОЗА

Кульнев В. В.

Общество с ограниченной ответственностью научно-производственное объединение «Альгобиотехнология», Воронеж, Россия

Базарский О. В.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Воронежский государственный университет», Воронеж, Россия

Матырское водохранилище территориально расположено в Грязинском районе Липецкой области. Площадь его составляет 46 км².

Суть биологической реабилитации методом коррекции альгоценоза заключается в искусственном увеличении биомассы зеленых водорослей, которые проявляют антагонизм к цианобактериям [1]. Существует гипотеза о том, что вселение в водоем штамма одноклеточной зеленой микроводоросли – хлореллы (альголизация), улучшает качество воды по гидрохимическим показателям.

В данной работе приводятся результаты анализа гидрохимического состояния водохранилища при применении биологической реабилитации методом коррекции альгоценоза, которая проводилась в течение трех лет – с 2009 по 2011 гг [2].

Контрольными данными являются результаты 2007 – 2008 гг. и 2012 г. [3], когда биологическая реабилитация не проводилась. Предмет исследования – данные о химическом составе поверхностного слоя воды в районе гидроузла, расположенного в приплотинной части водохранилища.

Для анализа тесноты связи между изучаемыми процессами приведем результаты расчета коэффициентов взаимной корреляции изучаемых компонентов (таблица 1).

Таблица 1 – коэффициенты взаимной корреляции между значениями содержания исследуемых компонентов.

O₂	БПК₅	ХПК	NH₄⁺	NO₂^-	NO₃^-	POx^y-	Fe_Общ	Mn	Cu	Нефтепродукты
O₂	-0,34	0,11	0,11	0,01	0,35	-0,42	0,42	0,78	-0,58	0,24
БПК₅		0,79	-0,87	0,76	-0,87	0,62	0,43	0,13	-0,46	-0,81
ХПК	0,79		-0,59	0,98	-0,61	0,73	0,88	0,53	-0,53	-0,40
NH₄⁺	-0,87	-0,59		-0,59	0,89	-0,21	-0,195	-0,3	0,70	0,94
NO₂^-	0,76	0,98	-0,59		-0,54	0,85	0,87	0,39	-0,43	-0,30
NO₃^-	-0,87	-0,61	0,89	-0,54		-0,4	-0,17	-0,19	0,39	0,82
POx^y-	0,62	0,73	-0,21	0,85	-0,4		0,61	-0,1	0,07	-0,1
Fe_Общ.	0,43	0,88	-0,195	0,87	-0,17	0,61		0,66	-0,44	0,01
Mn	0,13	0,53	-0,3	0,39	-0,19	-0,1	0,66		-0,59	-0,11
Cu	-0,46	-0,53	0,7	-0,43	0,39	0,07	-0,44	-0,59		0,55
Нефтепродукты	0,24	-0,81	-0,40	0,94	-0,30	0,82	-0,1	0,01	0,55

Высокий уровень корреляции ХПК наблюдается с формами азота, что связано с деятельностью нитрифицирующих бактерий. Тесная связь ХПК и фосфатов обусловлена деструкцией органики путем субстратного фосфолитирования. Аналогичная корреляция наблюдается и для БПК₅. Механизм этих процессов понятен и изучен ранее.

Менее понятна значимая связь содержания растворенного кислорода и химического потребления кислорода с изменением концентраций тяжелых металлов. Обращает на себя внимание отрицательная корреляция для меди. Очевидно, что концентрация тяжелых металлов в воде связана со взаимодействием кислорода с металлами и гидробионтами.

На рисунке 1 приведен график, отражающий изменение концентрации растворенного кислорода. В течение года проводилось четыре измерения, данные которых, усреднялись. До начала биологической реабилитации содержание растворенного кислорода находилось примерно на одном уровне. Флуктуации связаны с изменением метеопараметров. Выявленная тенденция снижения концентрации кислорода, вызвана интенсификацией деятельности нитрифицирующих бактерий, являющихся облигатными аэробами. В 2012 г. после прекращения альголизации содержание кислорода вновь начало возрастать.

Рис. 1 – динамика изменения содержания растворенного кислорода в низовьях Матырского водохранилища с 2007 по 2012 гг.

На рисунках 2 и 3 приведена динамика изменения концентраций общего железа и марганца – сидерофильных компонентов. Прослеживается общая закономерность уменьшения их концентрации в годы проведения альголизации, когда снижалось и содержание кислорода в воде.

Рис. 2 – динамика изменения концентрации железа в низовьях Матырского водохранилища с 2007 по 2012 гг.

В среде кислорода возможно образование оксидов и гидроксидов металлов. Как известно, при уменьшении концентрации кислорода возрастает количество нерастворимых гидроксидов (кристаллогидратов), оседающих в донные отложения.

Приведем химические реакции окисления железа при недостатке кислорода.

2Fe +1.5O₂ +n H₂O = Fe₂O₃*n H₂O

3Fe +2O₂ +n H₂O = Fe₃O₄*n H₂O

Наряду с железом, такой сидерофильный компонент как марганец имеет еще более тесную связь с кислородом. Образование кристаллогидратов данного компонента идет сходным путем.

Рис. 3 – динамика изменения содержания марганца в низовьях Матырского водохранилища с 2007 по 2012 гг.

Результатом является снижение концентрации сидерофильных тяжелых металлов в воде Матырского водохранилища. Динамика изменения концентрации меди показана на рисунке 4.

Рис. 4 – динамика изменения содержания меди в низовьях Матырского водохранилища с 2007 по 2012 гг.

Отрицательная корреляция для меди, являющейся халькофильным элементом, по-видимому, связана с электролитической диссоциацией медного купороса в водном растворе. Медный купорос попадает в водохранилище с обширных сельскохозяйственных угодий. При уменьшении содержания кислорода и аномальном повышении температуры, что наблюдалось в 2010 году, возрастает как коэффициент (константа) диссоциации, так и содержание ионов меди в воде.

Таким образом, во-первых, в процессе биологической реабилитации Матырского водохранилища наблюдалось уменьшение концентрации растворенного кислорода за счет активной деятельности нитрифицирующих облигатных аэробных гидробионтов, что связано с высокой концентрацией биогенных элементов, привносимых с различных источников.

Во-вторых, в результате снижения уровня растворенного кислорода наблюдается преимущественное образование кристаллогидратов сидерофильных тяжелых металлов, депонирование их в донных отложениях, и снижение их концентрации в воде.

В-третьих, повышение концентрации ионов меди в воде связано с увеличением коэффициента электролитической диссоциации медного купороса, при снижении концентрации растворенного кислорода и аномальном повышении температуры воды.

Список использованных источников

1. Богданов Н.И. Биологическая реабилитация водоемов. - Пенза, 2008. – 137 с.

2. Отчеты о проведенных работах по биологической реабилитации Матырского водохранилища методом коррекции альгоценоза / ООО НПО «Альгобиотехнология» 2009 – 2011 гг.

3. Архивные данные Филиала ОАО «Геоцентр-Москва» ТЦ «Липецкгеомониторинг» и ООО «Экогеосистема» за 2007 – 2008 и 2012 гг.