Scientific journal

Advances in current natural sciences

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,775

Водные экосистемы от малых озер до глубоководных океанов играют важную роль в глобальном углеродном цикле. Долгосрочное связывание углерода происходит посредством различных механизмов в отложениях естественных и искусственных озер, водно-болотных угодий. Природный и антропогенный углерод также может храниться в виде растворенной неорганической или органической форм как в пресноводных, так и в морских системах.

Преобразование водосборов, трансграничные потоки, атмосферные выпадения, индустриальные и хозяйственно-бытовые прямые сбросы, неорганизованные стоки приводят к изменению геохимических циклов элементов в системе «водосбор-водоем», появлению токсичных компонентов в водной среде, эвтрофированию, закислению. Сейчас редко можно встретить водные объекты, не подверженные прямым или косвенным антропогенным изменениям [1].

В этой связи донные отложения водоемов рассматриваются как носители информации об изменениях, имеющих место на территории водосбора и в самом водоеме, как своеобразный архив данных о состоянии окружающей среды.

Формирование донных отложений озер происходит в результате сложного взаимодействия разнообразных природных процессов: климатических, гидрологических, физических, химических и биологических [2].

Гранулометрический состав отложений озерных экосистем является одним из основных параметров, характеризующих типы осадков, а также дающих возможность судить о механизме процесса седиментации и динамике водной среды [3].

Генезис донных отложений влияет на состав органического вещества. При этом небольшие озера, не подвергшиеся прямому загрязнению, могут использоваться в качестве индикаторов естественных геохимических условий водообразования [4]. Органическое вещество сапропеля с различным типом биогенного вклада может значительно различается по элементному (CHNSO) составу [5].

На территории Большого Соловецкого острова есть объекты для исследования озер в качестве антропогенно нагруженных, так и не подвергающихся прямому воздействию.

Цель данной работы ‒ изучить распределение гранулометрического и элементного состава донных отложений различных по воздействию озер Соловецкого острова.

Материалы и методы исследования

Современный Соловецкий архипелаг расположен в наиболее мелководной западной части Белого моря, в «устье» Онежского залива, образуя западный и восточный проходы в него (Западная и Восточная Соловецкие салмы). Архипелаг находится в 65 км от Карельского берега (г. Кемь) и примерно в 20 км от Летнего берега Онежского полуострова – между параллелями 64º57′ и 65º12′ северной широты и меридианами 35º30′ и 36º17′ восточной долготы, на 165 км (от пос. Соловецкий) южнее Полярного круга.

Озера расположены неравномерно: с одной стороны, имеется 3 компактные группы водоемов (западная, северо-восточная и юго-восточная), с другой стороны, центральная часть острова и его отдельные прибрежные районы почти лишены озер. В соответствии с орографией острова озера расположены ярусами. Благодаря этому наблюдается между близкорасположенными водоемами выраженный перепад высот [6]. Из всего многообразия озер Большого Соловецкого острова были выбраны озера Западной (Северной) озерно-канальной системы (Питьевое, Средний, Банное, Святое ‒ проточные) и Восточной озерно-канальной системы (Биосадское ‒ проточное), в настоящее время – в небольших локальных системах с соседними озерами (Бол. Куможье и Нижний Перт) и являющихся только сточными. Все они находились в пределах 2-3 км от центра пос. Соловецкий. Оз. Святое и Банное расположены в черте поселка. На северном берегу оз. Святое построены частные дома и гостиницы паломников, не имеющие централизованного водоотведения. Помимо этого, на оз. Банное, Биосадское и Святое было явно выраженное воздействие со взлетно-посадочной полосы, реконструкция которой проводилось с мая 2019 по ноябрь 2020 годов. В результате чего в осенне-весенний периоды поступило по каналам, проходящим вдоль полосы, и непосредственно с нее значительное количество песчаной взвеси в эти водоемы.

Отбор был осуществлен на семи озерах (табл.1) в июле 2021 года с помощью трубки ударного типа послойно на выбранных станциях. Мощность отложений не превышала 35 см.

Аналитические работы выполнялись по ранее апробированным авторами методикам: гранулометрический состав донных отложений определяли ситовым и пипеточным методом согласно МИ 88-16365-010-2017; органический углерод ‒ методом сухого сжигания на C,H,N-анализаторе фирмы «Hewlett-Packard», модель 185; формы серы ‒ путем последовательного отделения из одной навески донных осадков: серу кислоторастворимых сульфидов определяли, обрабатывая навеску донных отложений натуральной влажности разбавленной соляной кислотой с нагреванием до кипения и одновременной отдувкой инертным газом выделяющегося сероводорода. Окончание определения в зависимости от количества образующегося сероводорода йодометрическое или фотометрическое.

Таблица 1

Расположение и глубина станций отбора проб

Затем, экстрагируя осадок ацетоном, извлекали элементную серу и восстанавливали её до сероводорода раствором CrCl2 (окончание определения фотометрическое). В осадке после экстракции определяли пиритную серу после восстановления ее раствором CrCl2 до H2S, количество которого определяли методом объемного йодометрического титрования. Оставшийся после определения пиритной серы осадок отмывали от ионов хрома, подвергали исчерпывающему окислению, переводя органическую серу, в сульфат, количество которого определяли гравиметрически; реакционноспособные форм железа (II и III) извлекали из осадка 3,5 N серной кислотой. Fe(II) определяли в аликвоте раствора титрованием K2Cr2O7, Fe(III) – из другой аликвоты, титрованием Na2S2O3 выделившегося I2 после обработки KI. Содержание сульфидного железа рассчитывали по данным для сульфидной серы, исходя из формулы FeS; пиритное железо – по содержанию пиритной серы.

Результаты исследования и их обсуждение

Перед проведением анализа отобранные пробы донных отложений были визуально охарактеризованы (табл. 2).

Как показано на рисунке 1, гранулометрический состав донных отложений озер имел свои особенности. Осадки озер отличались по содержанию песка от 0,22 % в оз. Большое Куможье до 17,33% в оз. Банное в нижнем горизонте. Так же в оз. Святое выделялся верхний и нижний слои с содержанием пелитов 72,62 и 82,64 %, соответственно. Интересна колонка оз. Биосадское, где на горизонте 10 см находился слой песчано-пелито-алевритового ила с содержанием песка 12,13 %, а пелита всего 31,19 %. Нижние слои ее представлены пелитовым илом с содержанием пелита более 90 %. Но в целом значения гранулометрических фракций алевритов и пелитов в озерах близки (рисунок 1).

Рис. 1. Трехкомпонентная диаграмма гранулометрического состава донных отложений озер Большого Соловецкого острова

Таблица 2

Описание отобранных проб донных отложений Соловецких озер

Рис. 2. Влажность и содержание серы в донных отложениях озер Большого Соловецкого острова

Влажность отобранных осадков в среднем составляла 90,18 %, изменялась от 55,71 до 95,75 %. Практически неименным этот показатель был в осадках оз. Большое Куможье, Нижний и Средний Перт, Питьевое. В этих же водоемах отложения были самыми обводненными (рис. 2 а). Для всех исследованных озер наибольшее количество влаги содержали верхние горизонты. Наибольшие различия во влажности отмечено в толще осадков оз. Биосадское.

Общее содержание серы в отобранных отложениях озер в среднем составляло 0,56 % (все в расчете на абсолютно сухое вещество). Этот показатель по проведенным нами ранее исследованиям сопоставим с таковым для пресных антропогенно ненагруженных гидрокарбонатно-кальциевых озер на территории Кенозерского национального парка (Каргопольский район), в районе стационара Ротковец (Коношский район) и меньше, чем для озер с поступлением сульфатных подземных вод (Коношский раойн). Низкие концентрации серы отмечены для осадков оз. Нижний Перт при их незначительной вариации (от 0,34 до 0,40 %) и оз. Святое (от 0,37 до 0,50 %) (рис.2 б). Близки по содержанию серы были отложения двух соседних оз. Питьевое и Средний Перт, входящих в Северную (Западную) озерно-канальную систему. Для всех исследованных озер, за исключением оз. Средний Перт и Бол. Куможье, общее содержание серы от поверхностных к нижним горизонтам осадкам увеличивается. Наибольшее изменение общего содержания серы выявлены для ДО оз. Биосадское (от 0,07 до 1,16 %) и оз. Банное (от 0,56 до 2,13 %).

Рис. 3. Распределение форм серы в донных отложениях озер Большого Соловецкого острова: а) Банное; б) Биосадское; в) Бол. Куможье; г) Ниж. Перт; д) Питьевое; е) Святое; ж) Ср. Перт

Концентрации сульфатной серы были небольшими в отложениях всех исследованным нами озер Большого Соловецкого острова в среднем 0,03 % (от 0,01 до 0,07 %), что составляло около 6,8 % от общего содержания серы в осадках (рис. 2 в). Заметные изменения этого показателя в толще отложений выявлены для оз. Биосадское (от 0,00 до 0,12 %) и оз. Банное (от 0,10 до 0,43 %). Вклад сульфатной серы в общее ее содержание соответственно то же был больше: оз. Биосадское – в среднем 8,0 % и оз. Банное – 23,5 %.

Соединения восстановленной серы (∑Sвосст) (производных сероводорода, образующегося в результате сульфатредукции) в донных отложениях представлены следующими формами: кислоторастворимыми сульфидами (S2-), пиритной (Sпир) и элементарной (S0) и органической (Sорг). По содержанию и распределению этих форм можно судить о протекании процесса восстановления сульфатов и его активности. Среднее содержание соединений восстановленной серы в ДО исследованных озер составляло: Банное – 0,86 %; Биосадское – 0,41 %; Бол. Куможье – 0,44 %; Ниж. Перт – 0,32 %; Питьевое – 0,61%; Святое – 0,40 %; Ср. Перт – 0,52 %.

Рассматривая помимо содержания форм серы так же данные рис. 3 б, д и ж с их распределением, можно сказать, что в осадках этих водоемов анаэробный процесс сульфатредукции не столь активен в оз. Питьевое, так как явно преобладала органическая составляющая. Из всех исследованных соловецких озер более активное восстановление сульфатов наблюдалось в оз. Святое и Банное, где был заметен вклад пиритной серы в ∑Sвосст до 18 и 45 % соответственно (рис. 3 е и а).

Содержание органического углерода в отложениях исследованных озер в среднем составляло 15,47 %. За исключением оз. Биосадское и Святое, этот показатель был минимальным в поверхностном горизонте осадков (рис. 4 а). Эти же два водоема отличаются минимальными количествами органической составляющей отложений в верхних горизонтах или во всей отобранной толще. Наибольшее содержание органического углерода отмечено для оз. Питьевое. При этом почти во всех отложениях изученных озер этот показатель отличается по горизонтам не столь значительно, только в оз. Биосадское отмечено увеличение в 5 раз концентраций органического углерода к нижним слоям осадков (рис. 4 а). Что, скорее всего, связано с изменением условий осадконакопления во времени в этом водоеме.

Рис. 4. Распределение углерода (а) и реакционноспособного железа (б) в донных отложениях озер Большого Соловецкого острова

Соотношение C/N для отложений всех исследованных озер изменялось от 12 до 40, что свидетельствует о значительной роли аллохтонной составляющей органического вещества, поступающего в большей степени с водосборов.

Содержание реакционноспособного железа (неорганических соединений этого элемента, принимающего участие в окислительно-восстановительных реакциях) в отложениях озер Большого Соловецкого острова составляло в среднем 2,68 %, при этом кларковые количества этого элемента в литосфере ‒ от 3,5 до 4,65. Для всех озер, за исключением Биосадское и Святое, содержание этой формы железа снижалось от поверхностных горизонтов осадков к нижним. Наибольшие количества железа зафиксированы в отложениях трех соседних водоемов Средний и Нижний Перт, Питьевое (в среднем ‒ 3,86, 3,90 и 3,00 % соответственно (рис. 4 б)). Минимум отмечен в осадках оз. Биосадское (в среднем ‒ 1,1 %, от 0,52 до 1,73 %). Восстановленная форма железа составляла 13-15 % от общего количества реакционноспособного железа в отложениях оз. Средний и Нижний Перт, Питьевое, Большое Куможье, 26 % ‒ в оз. Святое, 34-35 % ‒ оз. Банное и Биосадское. При этом в соседних первых трех озерах в придонных слоях воды не создавались анаэробные условия (содержание кислорода ‒ до 3 мг/л); в оз. Банное водная толща была насыщена кислородом (даже на дне концентрация его была 8 мг/л) из-за его малой глубины и проточности; в оз. Биосадcкое содержание кислорода над осадками снизилось до 2 мг/л; в оз. Большое Куможье и Святое наблюдалось ко дну полное исчерпание кислорода.

Заключение

Гранулометрический состав донных отложений исследованных озер не столь разнообразен. Все же они отличались по содержанию всех определяемых фракций (песчаной, пелитовой и алевритовой). Влажность отобранных осадков в среднем составляла 90,18 %, изменялась от 55,71 до 95,75 %.

Содержание органического углерода в отложениях исследованных озер в среднем достигало 15,47 %. Соотношение C/N для отложений всех исследованных озер изменялось от 12 до 40, что свидетельствует о значительной роли аллохтонной составляющей органического вещества, поступающего в большей степени с водосборов.

Общее содержание серы в отобранных отложениях озер в среднем составляло 0,56 %. В осадках всех исследованных водоемов анаэробный процесс сульфатредукции не столь активен в оз. Питьевое, так как явно преобладала органическая составляющая. Из всех исследованных соловецких озер более активное восстановление сульфатов наблюдалось в донных отложениях оз. Святое и Банное, где был заметен вклад пиритной серы. На эти водоемы оказывалось антропогенное воздействие, приводящее к усилению анаэробных процессов в донных отложениях.

Содержание реакционноспособного железа (неорганических соединений этого элемента, принимающего участие в окислительно-восстановительных реакциях) в отложениях озер Большого Соловецкого острова было в среднем 2,68 %, что меньше кларковых значений этого элемента в литосфере.

Авторы выражают благодарность за всестороннюю помощь в экспедиционном исследовании на Соловках сотрудникам Соловецкого музея-заповедника А.Я. Мартынову, А.Н. Соболеву.