Scientific journal

Advances in current natural sciences

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,775

Фундаментальная гидрохимия изучает химическое состояние поверхностных и подземных вод литосферы, их физико-химические превращения и особенности влияния на них различных внешних факторов [1, с. 26–32]. Ее современные научные ответвления – экологическая гидрохимия и геоэкология – одним из приоритетных предметов исследования вод обозначают явления техногенеза и различного рода антропогенные воздействия как наиболее активные и широко распространенные внешние факторы, оказывающие существенное влияние на эколого-химическое качество и общее геоэкологическое состояние водных объектов [2, с. 175–179; 3, с. 52–53]. По этим причинам крупные водотоки антропогенно преобразуемых территорий являются наиболее массово изучаемыми экологическими объектами современной геоэкологии [4–6].

Москва-река не является исключением, ее воды исторически одни из наиболее интересных и сложных объектов изучения с точки зрения экологической гидрохимии, причиной чему является множество естественных и социально-техногенных факторов [7, с. 38–42; 8, с. 52–53; 9]. Равнинные ландшафты Южной тайги, где протекает как сам столичный водоток, так и его основные крупные притоки (р. Руза, Истра, Пахра, Северка и др.) определяют такие природные свойства воды, как достаточно низкая минерализация растворимыми солями кальция, магния и в ультрамалых концентрациях – калия, как правило «мягкий» уровень гидрокарбонатной и сульфатно-гидрокарбонатной жесткости, достаточно высокие значения химического потребления кислорода, обуславливаемые присутствием в водах водорастворимых гуматов, вымываемых из подзолов и дерново-подзолистых почв, а также значительного уровня концентрации растворенного и биологически активного кислорода, которые фоновым уровнем всегда присутствуют в водах территорий северо-западной и средней полосы России [10; 11, с. 519; 12].

Москва, как один из первейших городов центральных агломераций Российской Федерации, закономерно и исторически характеризуется высокой антропогенной нагрузкой на окружающую их природную среду. В число данной нагрузки входит промышленная деятельность, среди которой имеет место ряд крупных градообразующих предприятий металлургического и сталелитейного, пищевого и перерабатывающего, абразивно-инструментального, вагоностроительного, фармацевтического и биотехнологического профиля (более 170 видов производств). По состоянию на 2019 г. в пределах Москвы расположено 209 промышленных зон общей площадью 7,8 тыс. га, что составляет примерно 16 % территории города [13, с. 41]. Селитебные территории, крупными жилищно-коммунальными застройками которых представлены в основном Северный, Юго-Западный, Южный и Юго-Восточный административные округа г. Москвы, неизбежно вносят свой вклад в общую антропогенную нагрузку на природные условия в городском строительстве. А также собственно и рекреационные зоны, функционал которых, с одной стороны, отчасти способствует нейтрализации токсикологического фона от выбросов и иных отходов местной промышленности. Однако при этом их длительный эколого-техногенный след сводится к хроническому аккумулированию поллютантов, инвазивно поступающих от транспортной сети города и промышленных зон в виде газо-пылевых выбросов. Так, к наиболее значимым лесным рекреационным массивам г. Москвы, которым присвоен статус особо охраняемых природных территорий, относятся природные парки «Москворецкий» и «Тушинский», природно-исторические парки «Измайлово» и «Покровское-Стрешнево», природные заказники «Долина реки Сетунь» и «Воробьевы горы», ландшафтные заказники «Теплый Стан» и «Крылатские холмы», а также комплексный заказник «Петровско-Разумовское» [7, с. 134–140; 13, с. 48].

Экологический каркас города Москвы сложен и устроен наложением влияния от множества как промышленных объектов, так и рекреационных территорий, перемежающихся селитебными зонами и транспортной сетью. Вся совокупность данных факторов неизбежно определяет изменения, происходящие в природных объектах, в том числе в таких экологически значимых, как крупные водотоки сквозного типа прохождения через городской экологический каркас. По этим причинам проведение экологической оценки состояния рассматриваемых водных объектов является одним из актуальных исследований регионального экологического мониторинга [8, с. 10–11; 13, с. 168–173].

Цель работы – выявление тенденций в эколого-гидрохимических показателях воды из части русла Москвы-реки, проходящей в Центральной агломерации города Москвы.

Материалы и методы исследования

Объектом исследования явились воды из Москвы-реки, отобранные в пределах МКАДа практически равномерно по ее течению из 12 точек (рисунок).

Отбор проб проводили в весенний период 2023 г. по ГОСТ Р 51592-2000 «Вода. Общие требования к отбору проб», ГОСТ 17.1.5.05-85 «Охрана природы. Гидросфера. Общие требования к отбору проб поверхностных и морских вод, льда и атмосферных осадков» и Р 52.24.353-2012 «Рекомендации по отбору проб поверхностных вод суши и очищенных сточных вод» при помощи стандартного гидрологического батометра БГ-1,0.

Территориальное размещение промышленных и рекреационных зон г. Москвы и расположение точек отбора проб воды из Москвы-реки в пределах МКАД

Далее пробы воды доставлялись в лабораторные комплексы РГАУ–МСХА имени К.А. Тимирязева, где над ними проводили ряд эколого-аналитических испытаний в течение первой недели после отбора. В пробах определяли следующие показатели: рН – потенциометрия, общая минерализация – кондуктометрия, содержание сульфатов, общей жесткости, хлоридов, аммонийного азота, гидрокарбонатов, ХПК (по перманганатной окисляемости), растворенного кислорода и БПК7 – титриметрия, содержание нитратного азота, общего железа и полифосфатов – спектрофотометрия в видимой части спектра, содержание мышьяка, кремния, калия, кальция, магния и бора – атомно-эмиссионная спектрометрия с индуктивно связанной плазмой, содержание цинка и меди – атомно-абсорбционная спектрометрия с беспламенной атомизацией. Нормативно-аналитическое сопровождение выполняемых анализов соответствовало современным, в том числе стандартизированным методическим документам [1, с. 56–87; 14, с. 63–134].

Результаты исследования и их обсуждение

В результате проведенных исследований была определена нейтральная реакция среды у вод Москвы-реки, изменяющаяся от очень слабокислой (6,46 ед. рН) до слабощелочной (7,66 ед. рН), при этом статистическая вариабельность показателя в пределах всех 12 точек отбора проб была минимальной (табл. 1).

По степени насыщения растворенными солями воды характеризовались в целом как пресные (от 254 до 487 мг/л), за исключением значений по точкам 1 и 12, где концентрация составила соответственно 510 и 803 мг/л (воды с относительно повышенной минерализацией). Варьирование данного показателя находилось на приемлемом уровне кроме значений, полученных по точкам отбора 8 и 10, – здесь диапазон колебания достигал 23–34 %, что говорит о некоторой временной химической разнородности вод в реке.

Таблица 1

Уровень общих эколого-гидрохимических свойств, состава базовых катионов и анионов по воде из Москвы-реки

Примечание: Х-ср. – среднее арифметическое значение показателя по трем единичным отборам проб из 1-й точки забора;

V, % – коэффициент вариации показателя в пределах трех значений повторностей;

*ПДК – предельно допустимая концентрация согласно ГН 2.1.5.1315-03 «Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования», ГН 2.1.5.2280-07 Дополнения и изменения № 1 к ГН 2.1.5.1315-03, ГН 2.1.5.2307-07 «Ориентировочные допустимые уровни (ОДУ) химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования».

Аналогичным образом менялся показатель и общей жесткости в водах: по точкам 8 и 10 прослеживалась заметная вариабельность показателя (до 11–40 %), минимальное значение было выявлено в точке 2 (1,6 мг-экв./л), максимальное – в последних точках 11 и 12 (4,3–4,7 мг-экв./л). Сами воды характеризовались как мягкие и средней жесткости. Нужно отметить, что данные показатели не выходили за пределы установленных предельно допустимых норм.

Катионно-анионный состав вод из Москвы-реки, анализированный по содержанию гидрокарбонат-, сульфат- и хлорид-анионов, в целом оказался приемлемым для вод Нечерноземной полосы России [1, с. 24–28; 11, с. 519] и не отличался существенными колебаниями в продолжение своего водотока. В частности, содержание гидрокарбонатов достигало 167 мг/л, что соответствовало 33 % от установленной ПДК, содержание сульфатов – 206–255 мг/л (41–51 % от ПДК), а концентрация хлоридов – 38–40 мг/л (11 % от ПДК). Здесь важно отметить несколько повышенную вариабельность по содержанию HCO3–-иона, достигавшую 16–30 %, а также по содержанию SO42–-иона, достигавшую 47–64 %. Чего нельзя сказать про статистическое варьирование концентрации хлорид-ионов в водах, которое было в пределах 10 % и на протяжении Москвы-реки в городском округе существенно не изменялось. Очевидно, что данные гидрохимические характеристики подвержены антропогенному изменению, вследствие чего требуют отдельного экологического изучения в части выявления источников, потенциально влияющих на уровень их значений.

Уровень содержания в водах водотока биогенных элементов (катион NH4+, анионы NO3– и PO43–) имел свои эколого-гидрохимические особенности (табл. 2). Так, относительно повышенными значениями характеризовались концентрации аммонийного азота, которые в городских пределах течения реки изменялись от 0,60 мг/л (32 % от ПДК) до 1,45 мг/л (76 % от ПДК). Уровень содержания нитратной формы азота, наоборот, был относительно заниженным и варьировал от 0,44 до 3,35 мг/л, что составляло соответственно 0,9–7,4 % от установленной нормы. Концентрация фосфат-анионов в водах также оказалась достаточно низкой – в диапазоне 0,07–0,41 мг/л (2–12 % от ПДК). Здесь важно отметить, что в отличие от иных показателей эколого-гидрохимического состояния водотока пространственная вариабельность содержания рассматриваемых биогенных веществ была на достаточно высоком уровне (13–24 % по NH4+, 8–65 % по NO3– и 14–95 % по PO43–).

Таблица 2

Уровень концентрации основных биогенных веществ и показателей биохимического состояния воды из Москвы-реки

Данные характеристики в целом могут свидетельствовать о наличии техногенного воздействия на состав Москвы-реки в пределах городской агломерации в виде сброса нормативно-очищенных сточных вод, которые неизбежно будут содержать определенные концентрации биогенных элементов [8, с. 52–53; 9]. Косвенным подтверждением не только присутствия биогенных веществ в водах, но и протекающих процессов химической и микробиологической трансформации органических веществ как природных, так и привнесенных водных примесей является достаточно высокий уровень показателей химического (ХПКПЕРМ.) и биологического (БПК7) потребления кислорода. В частности, уровень перманганатной окисляемости воды по всем точкам отбора проб оказался выше установленной нормы в 1,1–3,7 раза за исключением значений по точке 2 (32 % от ПДК) и точке 9 (72 % от ПДК).

Такие данные могут свидетельствовать о тенденциях присутствия в водах легкоокисляемых органических веществ различного происхождения. Уровень биологического потребления кислорода, характеризующий микробиологическую активность разложения органических примесей в природных водах, варьировал от 83 % ПДК (точка 6) до 129 % от ПДК (точка 10), что, в свою очередь, напрямую свидетельствует об очень активном протекании процессов биохимической трансформации органических веществ в водной среде, проводимых водообитающими микроорганизмами. Данным процессам способствует высокое содержание растворенного кислорода в водах реки (до 9,04–9,68 мг/л), что, с другой стороны, говорит о высокой самоочищающей способности водотока и в целом об относительно благополучном состоянии реки в пределах городской территории [3, с. 56, 65; 11, с. 34, 130, 180; 15].

Согласно данным табл. 3 в водах Москвы-реки закономерно присутствовал определенный уровень содержания общего железа, варьирующий от 21 до 58 % от ПДК. Здесь нужно отметить, что данный элемент относится к одним из основных элементов геохимического фона гидрологических объектов Нечерноземной зоны, а его относительно невысокие концентрации являются нормой, поскольку закономерно присутствуют во всех пресных водных объектах территории Южной тайги [1, с. 24–29; 11, с. 170–171, 332–333].

Содержание меди в водах водотока может характеризоваться смешанным генезисом, поскольку данный элемент также присутствует в пресных водах территории смешанных и хвойных лесов, в особенности с болотным типом формирования микрорельефа.

Таблица 3

Уровень концентрации приоритетных экотоксикантов в водах Москвы-реки

Примечание: * – среднее значение показателя ± стандартное отклонение показателя; ** – исследуемый показатель ниже предела обнаружения (н.п.о.) в соответствии с использованной методикой.

Таблица 4

Уровень концентрации базовых элементов геохимического фона в водах Москвы-реки

Примечание: * – согласно Приказу Росрыболовства № 20 от 18.01.2010 г. «Об утверждении нормативов качества воды водных объектов рыбохозяйственного значения, в том числе нормативов предельно допустимых концентраций вредных веществ в водах водных объектов рыбохозяйственного значения».

В табл. 4 представлены концентрации элементов геохимического фона в водах реки, типичного для пресных вод Нечерноземной полосы России. Здесь нужно отметить, что закономерно было обнаружено присутствие таких металлов, как кальций (от 0,4026 до 1,3506 мг/л) и магний (от 0,1007 до 0,2918 мг/л), а также очень низкие концентрации калия (от 0,0434 до 0,1414 мг/л) и кремния (от 0,0195 до 0,0708 мг/л).

Здесь нужно сказать, что уровень концентрации меди плавно увеличивался к нижней части Москвы-реки в пределах МКАД (в т. 2 – 0,21 мг/л, а в т. 12 – 0,56 мг/л) и в общей совокупности не превышал 21–58 % от установленной нормы. Концентрация цинка также увеличивалась от 2-й до 12-й точек отбора проб (от 0,51 до 1,36 мг/л) и, начиная с 7-й точки отбора вниз по течению, превышала норму ПДК соответственно на 14–36 %. Содержание мышьяка, нетипичного для природных водоносных объектов данной территории, в зависимости от точки отбора находилось на уровне 3–9 % от ПДК, в трех точках (точки 6, 8 и 11) элемент не был обнаружен. Какой-либо тенденции в равномерности его концентраций в водах Москвы-реки также выявлено не было.

Резюмируя анализ геохимического фона Москвы-реки, нужно отметить, что присутствие данных элементов характерно для гидрокарбонатных и сульфатно-гидрокарбонатных проточных вод низкой степени минерализации, которые составляют большую часть водотоков Русской равнины, в особенности ее северной территории [1, с. 24–29; 2, с. 104–117; 4].

В водах Москвы-реки также был обнаружен бор в ультранизких концентрациях (до 0,3 % от ПДК), которые могут быть обусловлены как природными, так и в основном антропогенными факторами. В целом по пространственной вариабельности содержания базовых элементов геохимического фона вод водотока каких-либо определенных тенденций установлено не было, данные элементы встречаются закономерно, уровень их концентрации может быть подвержен влиянию со стороны техногенеза, а диапазон варьирования подчинен в том числе и сезонной динамике.

Заключение

В работе были представлены результаты первичных эколого-гидрохимических и геохимических исследований воды Москвы-реки из части русла, протекающего по территории Московской городской агломерации. Нужно обозначить, что в целом согласно проведенным исследованиям часть водного объекта, находящаяся в значительной по размерам зоне потенциального хронического воздействия от разнообразной антропогенной деятельности, обладает относительно благополучными эколого-гидрохимическими свойствами – нейтральной реакцией среды, низкой и средней степенью общей минерализации, средним уровнем карбонатной жесткости, относительно повышенными концентрациями сульфатов и аммония, и низкими – хлоридов, нитратов и полифосфатов. Увеличенные значения перманганатной окисляемости комплементарны уровню биологического потребления кислорода в водах и сопровождаются присутствием оптимальных для сезона пробоотбора концентраций растворенного кислорода. Такие данные свидетельствуют о закономерном протекании процессов биохимической трансформации различных органических веществ и о наличии активных процессов самоочищения водотока. Присутствие несущественных концентраций цинка, меди и мышьяка в водах закономерно согласуется с антропогенными условиями функционирования реки в черте экологического каркаса мегаполиса, а содержание в водах элементов геохимического фона подтверждает естественное происхождение катионно-анионной базы в общем геоэкологическом составе пресных природных вод Нечерноземной зоны.

Полученные результаты исследований описывают типичное эколого-гидрохимическое и геохимическое состояние естественных водных объектов Русской равнины Европейской части России, в том числе пребывающих в условиях постоянной антропогенной нагрузки. При проведении регионального экологического мониторинга водных объектов Московского региона нужно учитывать не только единовременные результаты исследований, но и постоянно проводить экологические изыскания водных объектов в условиях функционирующего техногенно-экологического каркаса города, в том числе на примере Москвы-реки, ее малых притоков и водоемов в различной динамике.