краткий отчет
О НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЕ
МОНИТОРИНГ СОСТОЯНИЯ И ОЦЕНКА УРОВНЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ МИКРО- И МАКРОПЛАСТИКОМ ВОДНОЙ СРЕДЫ ОЗЕРА МАРКАКОЛЬ
Выполненный в рамках грантового финансирования № АР14870595
Объектом исследования является озеро Маркаколь.
Цель работы – проведение мониторинга и оценки качества водной среды посредством изучения количественных характеристик частиц микро- и макропластика, тяжелых металлов, стойких органических загрязнителей (полихлорированных бифенилов), а также обновление морфометрических характеристик для сохранения водной экосистемы озера Маркаколь.
В процессе исследования применялись системный, сравнительный анализ, компьютерные технологии для обработки информации.
В 2022 г. представлены обзор мирового опыта по исследованию загрязнения водных объектов частицами микро- и макропластика. Подобраны научные и методические подходы по количественно-качественному определению частиц микро- и макропластика, загрязняющих веществ в воде и донных отложениях. Проведен анализ современного состояния водной экосистемы озера Маркаколь на основе мониторинговых данных
Изучение мирового опыта по исследованию загрязнений водных объектов частицами микро- и макропластика
Изучение мировой литературы и наукометрических баз обозначила проблемы загрязнения окружающей среды пластиком, в том числе изучаемые нами микро- и макропластиком, которые вызвали общественный и мировой резонанс, как глобальная проблема 21 века. Само пластиковое загрязнение внутренних вод рассматривается в контексте путей поступления пластикового мусора в морские воды, однако загрязнение континентальных водоемов, водных и прибрежных экосистем представляет собой отдельную проблему, хотя бы потому что поверхностные воды являются основным источником водоснабжения населения Земли и пластиковое загрязнение внутренних вод является частью глобального пластикового загрязнения. Состояние исследований загрязнений микро- и макропластиком внутренних водоемов и водотоков примерно такое же, как и исследований загрязнений пластиковыми отходами наземных экосистем – они или отсутствуют, или только начинаются, хотя Программой по окружающей среде (UNEP, 2011) пластиковое загрязнение рассматривается на уровне глобального изменения климата. Потенциальный ущерб, наносимый микро- и макропластиками широкому диапазону пресноводной фауны еще не установлен, несмотря на то что отрицательные последствия хорошо описаны для аналогичных морских видов (запутывание в сетях, использование в качестве материала при строительстве гнезд и др.) (Bletter et al., 2018).
Япония имеет длительный опыт изучения микропластика. Глубокие исследования проводятся с 2009 года Токийским университетом науки и технологии, а также университетом Кюсю. Активное сотрудничество МГУ им. адмирала Г. И. Невельского с этими учебными заведениями позволило им подробно изучить их опыт. Так в результате совместных исследований на плавучей лаборатории Токийского университета в летнем сезоне 2016 года были отобраны серия образцов микропластика в западных акваториях Японского архипелага. Эти совместные исследования позволили получить более целостную картину распределения микропластика в приповерхностной толще. Химанализ полученных частиц позволил распознать частицы, определить их размерный и качественный состав. Как выяснилось, в структуре микро- и макропластика преобладают полипропилен и полистирол, однако количественный состав частиц существенно меньше (Якименко и др., 2016).
Разные исследователи определяют понятие «микропластик» неодинаково. Так, например, ученые из США М. Грегори и А. Андради считают, что микропластик – это едва заметные частицы, которые свободно проходят сквозь сетчатый фильтр с диаметром ячейки в 500 мкм, но которые могут задерживаться сетчатым фильтром с диаметром ячейки 67 мкм, при этом более крупные частицы названы ими как «мезомусор». Авторы (Румянцев и др.,2019) отмечают, что в некоторых исследовательских работах, касающихся водных сред частицы пластика подразделяют по размерам на нанопластик (< 1 мкм), а малый микропластик (< 1 мм), крупный микропластик (1-5 мм), микропластик (< 5 мм), мезопластик (< 25 мм), макропластик (> 25 мм) и мегапластик (> 1 м). В этой связи представляется целесообразным в соответствии с изложенным далее сведениями о частицах пластика рассматривать трансформацию в водной среде исследуемого водоема только микро- и макропластика с указанными выше размерами их частиц.
Несмотря на то, что основные проблемы пластикового загрязнения находится на территории стран с низким и средним уровнем доходов, и где расположены основные объекты пресноводного рыболовства, подавляющее большинство исследований (69 %) приурочено водным объектам на территории индустриально развитых стран (Казмирук В. Д., 2020). Примерно равное количество исследований посвящено рекам, озера и эстуариям. Почти нет исследований, посвященных водохранилищам, а те, что есть, посвящены исключительно водохранилищам Китая. Абсолютное большинство исследований приурочено к поверхности воды и грунтам береговой линии. Однако, исследования, проведенные на реке Темза (Лондон, Великобритания), показывают, что значительная часть пластикового мусора перемещается у дна (Corcoran P.L et al., 2015).
В Казахстане имеется ряд высокогорных озер, различных размеров, как непосредственно подверженные антропогенному воздействию, так и условно не нарушенные, но тем не менее уязвимых к загрязнению микро- и макропластиком. До настоящего времени в литературе не было данных о содержании микро- и макропластика в поверхностных водах Казахстана в целом, и в частности уникального озера Маркаколь. Несмотря на увеличение числа публикаций, этот аспект проблемы в нашей стране неизучен. В связи с этим, в целях улучшения понимания о степени и масштабах загрязнения пластиком пресноводных экосистем, данная пилотная работа предполагает выполнение комплекса научных работ, включая оценку качества воды, обновление морфометрических характеристик и определение содержания микро- и макропластика в водной экосистеме.
Основной целью данного исследования является восполнения пробела в знаниях и определения численности, пространственного распределения и изменчивость микро- и макропластика в водной экосистеме озера Маркаколь
Анализ научных и методических подходов по определению микро- макропластика, тяжелых металлов и полихлорированных бифенилов в водной экосистеме
Методы по определению МП предложены в методическом пособии Зобкова М.Б. и Есюковой Е.Е. (Esiukova, E., 2016.), (M. Zobkov, et al., 2017) которые являются одним из первых документов на русском языке. Данные методики переведенные на русский язык авторов методик Masura J., Baker J., Foster G., Arthur C. (Masura J., et al., 2015) и Hidalgo-Ruz, V., L. Gutow, R.C. Thompson, M. Thiel (Hidalgo-Ruz V et al., 2012) с некоторыми поправками и пояснениями переводчиков, как для морских вод, так и для пресноводных водоемов для количественного анализа микро- и макропластика в воде и донных отложениях (программа исследования морского мусора NOAA). Данное руководство является одним из первых методических документов, предлагающих пошаговую методику анализа микропластика в морской среде. Значительным преимуществом предлагаемой методики является использование однообразных процедур для анализа как проб воды, так и донных и береговых отложений, что позволяет получать сравнимые между собой результаты, делать выводы о потоках вещества между различными морскими зонами. Методика имеет три раздела, в каждом из которых описывается порядок действий при анализе пробы соответствующего состава (пробы воды, песка или донных отложений), с формулами для вычисления концентраций МП.
Процесс анализа проб проходит по стадиям просеивания, сушки, жидкого окисления в перекиси водорода, плотностного разделения (флотация), визуальной сортировки с помощью микроскопа. Операции просеивания производятся несколько раз при выполнении каждого анализа. Данный факт значительно ускоряет процесс, по сравнению с фильтрацией, поскольку используются сита с размером ячеи 0,3 мм, который хорошо применим для пластиковых гранул, являющихся сырьем для производства пластика (пленок, листов, лесок и волокон).
Из существующих на данный момент методик по определению МП нами были выбраны методы анализа, разработанные американскими учеными Я. Масура, Д. Бэйкером, Г. Фостером и С. Артуром на основе проведенных ими исследований.
Отбор проб воды в поверхностном слое будет проводиться путем траления планктонной сетью (сеть Апштейна), длительностью сбора проб 15 мин. Формы пластика, определяемые этим методом, включают: твердые и мягкие пластики, пленки, лески, волокна, листы. Метод состоит из фильтрации взвеси, собранной с помощью поверхностной планктонной сетки, через 5,6 мм и/или 0,3 мм сита для отбора материала нужной размерной группы. Просеянный материал высушивается для определения массы твердых веществ в пробе. Твердые вещества подвергаются мокрому окислению в среде перекиси водорода в присутствии катализатора – Fe (II) для растворения лабильного органического вещества. Пластик остается незатронутым. Оставшиеся нерастворенные фрагменты подвергаются плотностному разделению в растворе NaCl для отделения частиц пластика от остальных через флотацию с помощью сепаратора. После сепаратора частицы пластика собираются на 0,3 мм фильтр, сушатся, пластик отделяется с помощью микроскопа и взвешивается для определения его концентрации.
Для анализа пластикового загрязнения донных отложении отбор проб будет произведен с помощью дночерпателя Петерсена. Дальнейшее определение МП будет выполняться после высушивания проб донных отложений, которые просеиваются через 5 мм и 0,3 мм сита, установленные друг над другом. Микропластик, оставшийся на 0,3 мм сетке подвергается жидкому окислению в растворе перекиси водорода в присутствии катализатора Fe(II) для растворения лабильного органического вещества. Частицы пластика остаются незатронутыми. Полученный после разложения органического вещества субстрат подвергается плотностному разделению в водном растворе NaCl для отделения пластиковых частиц с помощью флотации. Всплывшие частицы отделяются от более плотных нерастворенных минеральных фрагментов в плотностном разделителе. Всплывшие пластиковые частицы собираются из плотностного разделителя с использованием специально изготовленных 0,3 мм сит, высушиваются, и отбираются для взвешивания и определения концентрации пластика.
Метод применим для определения многих пластиков в воде и донных отложениях, включая полиэтилен (0,91-0,97 г/см3), полипропилен (0,94 г/см3), поливинилхлорид (1,4 г/см3) и полистирол (1.05 г/см3).
Этим методом частицы определяются как микропластик, если они имеют размер от 5 до 0,3 мм, не подвержены разложению в среде перекиси водорода, проходят флотацию в 5 М растворе NaCl (1,15 г/мл) или 5,4 М растворе метавольфрамата лития (1,62 г/мл) и проходят визуальный микроскопический контроль при 40Х увеличении.
Определение тяжелых металлов. Тяжелые металлы в отобранных пробах будут определяться пламенным атомно-абсорбционным спектрометрическим методом, который основан на анализе подвижных форм металлов в пробах воды и донных отложений. Пробы донных отложений предварительно будут высушиваться до воздушно-сухого состояния с обработкой ацетатно-аммонийным буферным раствором с рН 4,8 и последующим определением металлов в полученном растворе атомно-абсорбционным анализом. Метод атомно-абсорбционного анализа основан на свойстве атомов металлов поглощать в основном состоянии свет определенных длин волн (Cu – 324,7 нм; Zn – 213,9 нм; Pb – 283,3 нм; Cd – 228,8 нм; Co – 240,7 нм; Ni – 232,0 нм), который они испускают в возбужденном состоянии. Необходимую для поглощения резонансную линию чаще всего получают от лампы с полым катодом, прямым определением концентрации каждого элемента по величине удельной абсорбции элемента при использовании спектрометра в сочетании с системой постоянной фоновой корректировки или после введения поправки на коэффициент неудельной абсорбции. Излучение от лампы с полым катодом проходит через атомизатор, генерируемое за счет импульсного питания лампы поочередно низкими (порядка 10 мА) и высокими (порядка 500 мА) токами. При низких токах питания излучение лампы поглощается как атомами определяемого элемента, так и молекулами, в то время как при высоких токах питания излучение поглощается только молекулами. Величина абсорбции анализируемого элемента определяется как разность величин абсорбции при низких и высоких токах питания лампы. Таким образом, осуществляется коррекция сигнала абсорбции определяемого элемента с помощью системы коррекции фона по самообращенной линии. Эта система коррекции фона характеризуется тем, что учитывает спектральные влияния, возникающие за счет близко лежащих линий других элементов.
Определение полихлорированных бифенилов (ПХБ). Полихлорированные бифенилы (ПХБ) в биологическом отношении являются одними из наиболее опасных среди хлорорганических веществ. Полихлорированные бифенилы или полихлорированные дифенилы – группа органических соединений, включающая в себя хлорзамещенные производные бифенила (дифенила), молекула которого составлена из двух бензольных колец, содержащих от 1 до 10 атомов хлора, соединенных с любым атомом углерода, соответствующих общей формуле С12НnСln, в которой n = 1÷10 (РМГ 76, Государственная система обеспечения единства измерений..., 2004, Руководство ЕВРОХИМ/СИТАК…., «Количественное описание неопределенности в аналитических измерениях». 2-е издание, 2000).
Определение физико-химических параметров и биогенных веществ В природных условиях оценить экологическое состояние водного объекта возможно только при изучении комплекса параметров основных элементов водной среды, т.е. анализ комплекса физико-химических показателей, включающих определение растворенных газов, главных ионов, взвешенных, органических и биогенных веществ (Алекин О. А., 1970).
Батиметрические работы. Промерные работы с целью составления батиметрической карты исследуемого озера будут выполнятся на моторной лодке с помощью эхолот-картплоттера Lоwrance HDS-12 Live с цифровой записью глубин на электронный носитель, непрерывно регистрирующим профиль дна по галсу, батиметрические карты будут составлены в программном обеспечении ArcMap.
Анализ и оценка современного состояния водной экосистемы озера Маркаколь на основе многолетних мониторинговых данных
Озеро Маркаколь регулирует сток реки р. Калжыр в ее нижнем течении, регулирующее влияние озера на сток реки в разные по водности годы существенно различается. Согласно представленному данным колебания многолетнего среднегодового уровня имеют отрицательный тренд, тренд стока положителен, что объясняет регулирующую роль озера в расходе воды. Величина достоверности аппроксимации трендов расхода воды и уровня озера практически одинаковая, но с разными знаками. Коэффициент корреляции составляет 0,5, что говорит о имеющейся слабой зависимости расхода р. Калжыр от уровня оз. Маркаколь.
Установлена существенная связь между расходом воды и уровнем озера, коэффициенты корреляции зимой – 0,54, весной – 0,51, летом – 0,95, осенью – 0,88. Как отмечалось, озеро имеет влияние на режим реки.
Климат. Климат Маркакольской котловины резко континентальный, с суровой многоснежной зимой и теплым умеренно влажным летом, отличается большим разнообразием в зависимости от высоты над уровнем моря, экспозиции склонов, ширины и глубины долин, характера растительного покрова и пр. На восточном берегу оз. Маркаколь в с. Урунхайка расположена гидрометеорологическая станция, основанная в 1983 году, наблюдательной сети РГП «Казгидромет».
Физико-географические характеристики. Озеро Маркаколь – самое крупное озеро Горного Алтая, расположен в тектонической котловине. Озеро имеет форму неправильного эллипса, расширяющегося с северо-востока на юго-запад. Площадь водосборного бассейна составляет 1180 км. Общая площадь ее поверхности составляет 454,1 км2, максимальная глубина – 23,8 м, объем 6,5 км3. Длина озера равна 38 км, ширина – 19 км (Березовиков Н.Н., 1990). В озеро впадает 27 ручьев и речек, основные из них – Тополевка, Матабай, Еловка, Карагайлыбулак, Жирень-Байтал, и берет свое начало р. Калжыр.
Уровенный режим озера. Изучение уровенного режима озера является актуальным, так как от высоты стояния уровня в озере, его изменчивости во времени зависят многие режимные характеристики этого водоема и его состояние. От наполнения озера, с которым тесно связаны его размеры, зависят динамика вод, минерализация, развитие высшей водной растительности и соответственно кормовая база ихтиофауны. От состояния озера зависит уровень жизни большого количества людей, проживающих на его берегах.
Многолетние изменения колебании стока р. Калжыр и уровня озера Маркаколь. Озеро Маркаколь регулирует сток реки р. Калжыр в ее нижнем течении, регулирующее влияние озера на сток реки в разные по водности годы существенно различается. Согласно представленным данным колебания многолетнего среднегодового уровня имеют отрицательный тренд, тренд стока положителен, что объясняет регулирующую роль озера в расходе воды. Величина достоверности аппроксимации трендов расхода воды и уровня озера практически одинаковая, но с разными знаками. Коэффициент корреляции составляет 0,5, что говорит о имеющейся слабой зависимости расхода р. Калжыр от уровня оз. Маркаколь.
Физико-химические параметры озера. Динамика многолетних гидрохимических показателей оз. Маркаколь представлена на основе исходных материалов наблюдений постов Казгидромета (Ежегодник качества поверхностных вод по территории..., 1984, 1986, Ежегодник качества поверхностных вод и эффективности...., 1987, Характеристика уровня загрязненности вод..., 2002, 2003, 2013, 2010,2014, Филонец П.П, и др., 1974).
Величина рН, в воде озера Маркаколь в исследуемые периоды, была в интервале 7,1- 8,1, что указывает перехода с нейтрального на слабощелочную реакцию.
Содержание органических веществ в воде озера колебалось в широком интервале от 4,0 до 24,0 мгО/дм3. Концентрация растворенного в воде кислорода колебалась в незначительных пределах от 6,53 до 12,8 мг/дм3, насыщение воды кислородом в среднем составляет 89 %, что благоприятно влияет на жизнедеятельность водных организмов. Биогенные соединения в воде озера с незначительными превышениями присутствовали в исследуемые годы. Содержание нитритного азота было в значениях 0,0-0,10 мг/дм3, почти во все рассматриваемые годы оно превышало уровень ПДКрх или было на уровне. По ионному составу вода оз. Маркаколь относится к гидрокарбонатному классу кальциевой группы. Сравнительно высокие значения минерализации воды озера – 111 и 119 мг/дм3 были в 2002 и 2008 гг. соответственно. В целом по озеру минерализация воды варьировала в интервале от 38,0 до 93,0 мг/дм3, вода озера пресная.
Токсикологическое состояние озера. Результаты анализа литературных, научных и проектных данных позволяет сделать вывод, что в последние десятилетия экосистема озера испытывает ряд неблагоприятных факторов, к числу которых относятся загрязнение отходами животноводства, химического и токсикологического загрязнения воды и почвы, чрезмерный промысел, браконьерство на обитающих в нем лососеобразных рыб, вселение чужеродных видов (Национальные доклады Конвенции по сохранению биоразнообразия.., 2008, Состояние гидробионтов водоемов особо охраняемых природных территорий……, 2017, Ракыбаева А.А., и др., 2011, Определение рыбопродуктивности рыбохозяйственных водоемов......., 2021).
Проведенные геоэкологические исследования показывают, что эволюция рыб озера проходила в условиях повышенного содержания в воде тяжелых металлов: цинка, меди, свинца (Филонец П.П., и др., 1974).
Особенно высок уровень содержания цинка за счет нахождения в бассейне озера Еловского месторождения полиметаллических руд (южные склоны Курчумского хребта). Так, по данным 1992-1993 гг. содержание цинка в воде составляло 0,005-0,061 мг/л, в среднем 0,022 мг/л, Его накопление в высших водных растениях составляет 0,5-80,0 г/т, в среднем 8,67 г/т (Филонец П.П., и др., 1974, Состояние гидробионтов водоемов особо охраняемых природных территорий …, 2017).
Результаты анализа литературных, научных и проектных данных позволяют сделать вывод, что в последние десятилетия водная экосистема озера испытывает ряд неблагоприятных факторов, к числу которых относятся загрязнение отходами животноводства, химического и токсикологического загрязнения воды и почвы. Одними из важных, насущных проблем в настоящее время, помимо загрязнения токсичными соединениями, негативно влияющих на экосистему озера, являются браконьерство и неконструктивный туризм нарушающий заповедный режим, которые помимо ловли и истребления эндемичных видов рыб, засоряют ее пластиковым мусором (оставленные сети из полиамидного волокна, мононити и др.).
Члены исследовательской группы
| ФИО | Scopus Author ID | ORCID |
| Мадибеков А.С | 56178059400 | https://orcid.org/0000-0001-9303-6640 |
| Амиргалиев Н.А. | 57211299540 | https://orcid.org/0000-0002-2664-7473 |
| Мұсақұлқызы А. | 57211290294 | https://orcid.org/0000-0002-6562-6456 |
| Исмуханова Л.Т. | 57215587283 | https://orcid.org/0000-0001-6421-8621 |
| Жәди А.Ө. | 57211288345 | https://orcid.org/0000-0001-7044-3454 |
| Султанбекова Б.М | 00000000000 | https://orcid.org/0000-0002-6782-5790 |
| Болатов К.М. | 57193166668 | https://orcid.org/0000-0002-6349-8569 |
| Алекеева Н. Б | 00000000000 | https://orcid.org/0000-0001-7464-9820 |
| Кайырбаева К.Б. | - | - |