Район р. Печоры в верхнем течении относится участкам западных склонов Северного и Приполярного Урала и прилегающим территориям Печорской низменности, схожим по генезису, структуре и экосистемным характеристикам. На Урале, как известно, с середины ХХ века усиленно разрабатываются месторождения полезных ископаемых и проводится заготовка древесины. Рост степени антропогенной нагрузки на эти территории меняет природную среду для многих видов организмов, что ведет к увеличению научного интереса к выявлению и использованию экологических индикаторов для оценки антропогенной нагрузки на природные территории. Потребность в таких индикаторах возникает также при оценке экологического состояния экосистемы для принятия управленческих решений и создания нормативных документов. Фоновое содержание металлов желательно определять на территориях, не испытывающих антропогенного воздействия.

В связи с этим в качестве объектов исследования выбраны водные объекты, расположенные на территории Печоро-Илычского государственного биосферного заповедника.

Целью работы являлось выявление накопления Cu в донных отложениях, гидробионтах и гидрофитах из разных типов водоемов.

Физико-географические условия района исследования

Для Верхней Печоры характерно устойчивое русло, образованное древними террасами. Участки аллювиальной поймы сформированы лишь на аккумулятивных отрезках долины и в местах впадения притоков. Палеозойские породы девонского, каменноугольного и пермского возрастов, перекрытые сверху четвертичными отложениями, составляют основу исследуемых районов бассейна р. Печоры. Девонские отложения представлены карбонатными породами [1]. Характерной чертой верховьев р. Печоры являются сильно заиленные древние старицы, имеющие сообщение в нижних концах рукавов с руслом реки [2].

Водное питание Верхней Печоры в основном снеговое и дождевое, и лишь малую долю вносят грунтовые воды, следствием чего является слабая минерализация вод реки [1].

Река Большая Шайтановка на всем своем протяжении протекает по территории Печоро-Илычского биосферного заповедника. Большая часть русла Б. Шайтановки пролегает по однородной заболоченной лесистой местности [3].

Материалы и методы исследования

Материалы были собраны в 2009–2010 гг. (третья декада июня – первая декада июля) из русловых и пойменных участков р. Печоры в верхнем и среднем течении (рис. 1).

Исследования выполнены в соответствии с требованиями ГОСТ 26929-94; ГОСТ 7631-85; ГОСТ 17.4.4.02-84; ГОСТ 17.8.1.02-88; ГОСТ 2874-82; ГОСТ 7731-85.

Для изучения рН, температуры и электропроводности воды использовали портативный анализатор «Анион–7051» (НПП «Инфраспак–Аналит», г. Новосибирск). Ошибка измерения рН ± 0,02, О2 – от 0 до 10 мгО2/дм3 ± 0,1, от 10 до 20 мгО2/дм3 ± 0,2, температуры – ± 0,1, электропроводности – до 20 мСм/см ± 2 %, более 20 мСм/см ± 4 %.

Концентрацию металлов в образцах устанавливали на базе ЦКП научным оборудованием Воронежского государственного университета с использованием электронного сканирующего микроскопа JEOL JSM-6380 LV (Япония), оснащенного системой микроанализа INCA Energy 250 (Великобритания). Погрешность анализов 0,1–3,0 %.

Все анализы выполнены в пяти повторностях. Каждая повторность представляет собой среднее значение в результате наложения пяти спектров.

Из участков р. Печоры в районе пос. Якша был собран хвощ болотный Equisetum palustre L., в других пунктах – хвощ речной E. fluviatile L. (syn.: E. limosum). Каждая анализируемая навеска хвоща составлена из смеси 10–20 растений.

Выборки гольяна Phoxinus phoxinus (Linnaeus, 1758) формировали из равного числа самок и самцов. Каждая анализируемая навеска состояла из смеси 10–20 экз. рыб. Рыбу для пробы брали одного размера и возраста.

Для перерасчета концентрации металла от сухой (минерализованной) к сырой массе проб использовали коэффициент усушки (К = 23,7 ± 0,2), полученный экспериментально. Коэффициент вычисляли как отношение сырой массы пробы к ее сухой массе.

Для установления зависимости накопления меди в донных осадках, гольяне и хвоще от течения воды и факторов, связанных с ним, использован однофакторный и двухфакторный дисперсионный анализ; для выявления степени корреляционной связи между концентрацией металла в рыбе, высшей водной растительности и донных отложениях применен ранговый критерий Крускала-Уоллиса.

В 1993–1994 гг. в Нидерландах приняты и опубликованы два вида экологических нормативов: «намеченный» (экологический) («Streewaarde» S) и «нормативы санации» («Interventiewaarde» I), на основании которых ранжируют донные отложения, почвы и грунтовые воды [цит. по: 4]. «Намеченным» (экологическим) стандартом является уровень стабильности экосистемы, при трансформации которого ей наносится ущерб. Превышение нормативов санации наносит вред окружающей среде и здоровью человека. В Российской Федерации предельно допустимые концентрации (ПДК) тяжелых металлов в донных отложениях на данный момент не назначены [5].

Рис. 1. Схематическое изображение района сбора материала. Русловые участки р. Печоры: Р1 – район устья р. Гаревка; Р2 – 1,0 км ниже устья р. Б. Шайтановки; Р3 – 2,7 км выше пос. Якша; Р4 – район пос. Якша. Пойменные водоемы р. Печоры: П1 – старица Манская; П2 – старица Кременная. Участки р. Б. Шайтановки: Ш1 – 5,0 км выше устья; Ш2 – 3,0 км выше устья; Ш3 – 0,2 км выше устья; Ш4 – стоянка лодок; Ш5 – старица

Результаты исследования и их обсуждение

Русло р. Печоры. Донные отложения из русла верхнего течения р. Печоры (tst = 1.235; P > 0,05), а также из района устья р. Гаревки и пос. Якша (tst = 0,712; P >> 0,05), последнего пункта и точки в 1 км ниже устья р. Шайтановки (tst = 1,923; P > 0,05), по содержанию меди статистически одинаковы. Ил из двух точек среднего течения р. Печоры (tst = 2,111; P < 0,05) и из ее русла в районах в 1,0 км ниже устья р. Шайтановки и 2,7 км выше пос. Якша (tst = 3,517; P < 0,01) по концентрации в них меди различный (табл. 1).

Аккумуляция Cu в хвоще из русла р. Печоры на участке от устья р. Б. Шайтановки и до пос. Якша (tst = 2,051; P > 0,05) статистически одинакова. Содержание меди в гидрофитах из района устья р. Гаревки статистически достоверно отличается от такового из прочих пунктов русла р. Печоры (tst = 3,390–5,533; 0,01 > P < 0,001).

Накопление Cu в рыбе из русла р. Печоры на участке между устьями р. Гаревки и р. Б. Шайтановки (tst = 0,554; P >> 0,05), в обеих точках у пос. Якша (tst = 1,428; P > 0,05) одинаково; различия в накоплении Cu в гольяне из верхнего и среднего течения р. Печоры статистически достоверны (tst = 25,898–28,166; P < 0,001).

Двухфакторный дисперсионный анализ позволил сделать вывод, что течение воды и факторы, связанные с ним (F = 13,9; υ = 2; P > 0,05), не оказывают влияние на аккумуляцию меди в пробах из верхнего и среднего течения р. Печоры. Хотя эффект совместного действия этих причин на накопление Cu в иле и биологических объектах присутствует (F = 5726,0; υ = 5; P << 0,001).

Результаты однофакторного дисперсионного анализа показали, что влияние течения воды и факторов, связанных с ним, на содержание меди в гидробионтах достоверно (F = 2401,0; υ = 1; P << 0,05), тогда как на таковое в донных отложениях (F = 36,0; υ = 1; P >> 0,05) и хвоще (F = 10,8; υ = 1; P >> 0,05) нет.

Следует отметить, что нами не обнаружено публикаций других исследователей, характеризующих аккумуляцию тяжелых металлов (ТМ) на территории Печоро-Илычского заповедника. В связи с этим для сравнения приведены реки, схожие по географо-климатическим характеристикам из источников [6–10] (табл. 1).

Русло р. Б. Шайтановки (рис. 2). В донных отложениях р. Б. Шайтановки, в нижнем ее 5-км отрезке (табл. 1), содержание меди примерно одинаково (tst = 0,344–1,465; P >> 0,05). В илах старицы концентрация Cu значительно выше (tst = 17,883–19,397; P < 0,001).

Концентрация Cu в хвоще из всех исследованных участков русла р. Б. Шайтановки (tst = 0,752; P >> 0,05) статистически одинакова. Содержание указанного металла в растениях из старицы в ее устьевой части достоверно ниже русловых участков (tst = 11,421–14,777; P < 0,001).

Аккумуляция Cu в гольяне из р. Б. Шайтановки на участках русла 3-й и 0,2 км (tst = 0,667; P >> 0,05), а также на последней точке и на стоянке лодок (tst = 2,195; P > 0,05) статистически одинакова. Содержание этого металла в рыбе с 3-го км статистически достоверно ниже такового в особях из района стоянки лодок (tst = 2,879; P < 0,05).

Таблица 1

Концентрация меди (Cu2+) в донных отложениях, хвоще и рыбе (мкг/г сух. массы для ДО и хвоща и мкг/г сыр. массы для рыбы) из водоемов и их участков в бассейне верхнего и среднего течения реки Печора

Наибольшие количества меди в донных отложениях и биологических объектах отмечены в старице и в районе стоянки лодок (рис. 2).

Рис. 2. Карта–схема района сбора материала в нижнем течении р. Б. Шайтановки: 1 – р. Печора; 2 – р. Шайтановка; 3 – старица; 4 – место отлова гольяна из старицы; 5 – стоянка лодок, пристань; 6 – место отлова гольяна из р. Шайтановки в 0,2 км от устья; 7 – устье р. Шайтановка; 8 – заливчик

Пойменные водоемы. В донных отложениях стариц Манская и Кременная содержание меди различается (tst = 2,532; P < 0,05). Концентрирование этого металла в илах пойменных водоемов р. Печоры существенно ниже такового в старице р. Б. Шайтановки (tst = 16,437–18,031; P < 0,001).

Содержание Cu в хвоще из старицы Манской выше, чем у такового из старицы Кременной (tst = 3,043; P < 0,05). В растениях из старицы р. Б. Шайтановки содержится меди существенно меньше, чем в хвоще из пойменных водоемов р. Печоры (tst = 169,352–12,840; P < 0,001).

Концентрация Cu в рыбе из стариц Манская и Кременная статистически одинакова (tst = 1,431; P > 0,05). У рыбы из низовий р. Б. Шайтановки в районе стоянки лодок содержание меди статистически такое же, как у гольяна из Кременной старицы (tst = 1,355; P > 0,05), и выше, чем у гидробионтов из старицы Манской (tst = 3,1703; P < 0,01).

Влияние течения воды и факторов, связанных с ним, на накопление меди в грунтах и биологических объектах из пойменных водоемов, согласно результатам двухфакторного дисперсионного анализа, статистически достоверно (F = 110,6; υ = 2; P < 0,01).

Определено фоновое содержание Cu в донных отложениях и биологических объектах из разных типов водоемов и их участков в бассейне верхнего и среднего течения р. Печоры.

Донные отложения водоемов, аккумулируя и концентрируя ТМ и другие загрязнители, служат характерным индикатором загрязнения среды. Выявление природных концентраций ТМ в донных отложениях дает возможность судить о загрязненности водоемов. ТМ, концентрирующиеся в донных отложениях, могут стать причиной вторичного загрязнения водных объектов [11].

Индикатором уровня загрязненности может являться коэффициент обогащения, определяющий, в каком размере концентрация ТМ в илах превосходит их кларковые или фоновые показатели и критерии санации [4; 5; 12].

В период исследований во всех пунктах сбора материала по грунтам отмечено превышение ПДК и нормативов санации Cu для донных отложений (табл. 2).

Таблица 2

Нормативы для донных отложений

Примечания.

1Экологические нормативы для донных отложений.

2Критерии санации для донных отложений.

(Концентрация ТМ в донных отложениях в мкг/г нормирована по универсальному стандартному образцу, включающему 10 % биологического вещества и 25 % частиц размером < 2 мкм).

Кларковым уровнем в земной коре для Cu является 57 мкг/г [13]. В полнокристаллических сланцеватых горных породах Cu 35–50 мкг/г, метаморфических сланцах 44–60 мкг/г и прочих породах, имеющих примеси сульфидных руд, 200–300 мкг/г. Причиной поступления Cu в донные отложения являются отложения четвертичного возраста, в которых ее валовая концентрация превосходит кларковые значения для данного металла [14]. Тем не менее выявлено, что концентрация меди в илах р. Печоры выше представленных значений ее содержания в разных горных породах.

Проведенные исследования выявили максимальную концентрацию Сu в донных отложениях из старицы вблизи устья р. Б. Шайтановки, что свидетельствует о неблагоприятной экологической ситуации на этой территории бассейна р. Печоры.

Значительное количество Cu в старицы поступает, по-видимому, в периоды половодий. В результате размывания берегов, преодолевая почвенный слой, воды насыщаются взвесями и осадками, вовлекая в водную миграцию ТМ, существенная часть которых включена в состав именно тонких почвенных частиц. Чем меньше размер фракций илов, тем выше содержание практически всех ТМ [15]. Металлы, находясь в ионной форме, способны довольно быстро переходить в коллоидную форму и взвеси, которым присущи значительные сорбционные свойства. По этой причине в илах водных объектов концентрируются различные химические вещества из водной толщи [16]. Доказательством того, что ТМ проникают в пойменные водоемы большей частью в составе коллоидов и взвесей, служат малые величины удельной электропроводности воды вблизи устья р. Гаревки, старице Кременной и старице р. Б. Шайтановки (табл. 3). То есть наиболее низкие значения удельной электропроводности обнаружены на участках наиболее интенсивной седиментации. Усиленный рост в старицах водной, околоводной и полуводной растительности способствует аккумуляции в водных объектах продуктов распада гидрофитов, что также содействует концентрированию ТМ в этих районах бассейна р. Печоры.

В донных осадках р. Б. Шайтановки, в ее приустьевом 5-км участке (табл. 1), концентрация Cu примерно одинакова. Указанный участок реки протекает на однотипной заболоченной лесистой территории. Вымываемые горные породы залегают значительно выше обследуемого участка. В илах старицы р. Б. Шайтановки концентрация Cu наиболее высока. В период половодий старица затопляется водами и р. Б. Шайтановки, и р. Печоры. В результате в ее донные отложения попадают коллоиды и взвеси двух водотоков.

Таблица 3

Характеристики некоторых водотоков в бассейне Верхней и Средней Печоры

Концентрация Cu в хвоще, произрастающем по берегам р. Б. Шайтановки, выше, чем в таковом с берегов р. Печоры (tst = 3,428–5,789; 0,01 > P > 0,001). Значительно ниже концентрация этого элемента у гидрофитов, произрастающих вблизи устья р. Гаревки. Наиболее низкое содержание указанного металла выявлено в хвоще из пойменной в устьевой части р. Б. Шайтановки. Концентрация Cu в растениях статистически достоверно сопряжена с ее содержанием в донных осадках (rs = 0,679; tst = 2,613; P < 0,05). Во всех изученных точках количество Cu в хвоще значительно выше, чем в донных отложениях, и только в старице р. Б. Шайтановки установлена противоположная зависимость.

Содержание Cu, приходящееся на единицу веса рыбы из р. Б. Шайтановки (точки отбора в 3,0 и 0,2 км от устья) и русла Верхней Печоры, статистически одинаково (tst = 0,680–1,274; P >> 0,05). В то же время концентрация Cu в гольяне, отловленном в районе стоянки лодок, выше таковой у рыб из русла верхнего течения р. Печоры (tst = 2,463–3,334; P < 0,05).

В Российской Федерации нормативы, устанавливающие предельные концентрации меди для донных отложений, не разработаны. Зачастую проводится сравнение содержания ТМ в донных осадках с предельно допустимыми концентрациями для почвенного горизонта. Хотя в некоторых странах такие нормативы существуют, например, в Польше предельные значения содержания Cu в донных осадках составляют 150 мкг/г [17].

Выводы

Определено фоновое содержание Cu в донных отложениях, хвоще и гольяне из разных типов водоемов и их участков в бассейне верхнего и среднего течения р. Печоры. Особенности стариц р. Печоры, такие как значительный подъём воды во время половодий, интенсивное зарастание водной растительностью и отсутствие течения, способствуют развитию мощного пласта ила, который аккумулирует в себе Cu. Кумуляция Cu в хвоще сопряжено с ее количеством в донных отложениях, тогда как связь концентрации Cu в рыбе с таковой в донных отложениях и хвоще не доказана. Отмечена зависимость содержания Cu в тушках гольяна от интенсивности отложения ила в конкретном участке рассматриваемого бассейна.