СОСТОЯНИЕ ЭКОСИСТЕМ ВОСТОЧНОГО И ЗАПАДНОГО БАССЕЙНОВ САКСКОГО ОЗЕРА (РЕСПУБЛИКА КРЫМ)

ECOSYSTEMS STATE OF EASTERN AND WESTERN BASINS OF SAKSKOE LAKE (CRIMEAN REPUBLIC)

JOURNAL: «SCIENTIFIC NOTES OF V.I. VERNADSKY CRIMEAN FEDERAL UNIVERSITY. Biology. Chemistry» Volume 7 (73), №1, 2021

Publication text (PDF):Download

UDK: 577.115.3 +577.359

AUTHOR AND PUBLICATION INFORMATION

AUTHORS:

Chaban V. V., GUP NPP RK «Crimean GGRES», Saky, Crimea, Russia

Rudneva I. I., A. O. Kovalevsky Institute of the Biology of the Southern Seas RAS, Sevastopol, Russia

Guskova N. V., GUP NPP RK «Crimean GGRES», Saky, Crimea, Russia

Shaida V. G., A. O. Kovalevsky Institute of the Biology of the Southern Seas RAS, Sevastopol, Russia

TYPE:Article

DOI:https://doi.org/10.37279/2413-1725-2021-7-1-218-228

PAGES:from 218 to 228

STATUS:Published

LANGUAGE:Russian

KEYWORDS: hydrochemical parameters, salinity, cations, anions, pH.

ABSTRACT (ENGLISH):

Sakskoe Lake is the most thoroughly studied water body in Crimea. Its therapeutic mud and brine are exploited by balneological treatment methods. During the two centuries, when the lake was used by humans, it was subdivided into seven water bodies by dams, with two of these bodies (Eastern and Western) being now utilized for medical purposes, and the other five being protective. The Eastern (currently exploited) basin is now used to produce therapeutic mud and brine. The bottoms of the saline basins are covered by sediments: an upper layer of black silt, which is underlain by gray, steel-gray, occasionally bluish silt, which is used as therapeutic mud. The lake is fed by surface and groundwaters. Retaining dams and flood embankments erected in nearby ravines preclude desalination of the lake with flood and rain waters. Seawater is pumped to the lake through channels to preclude its drying. A quay is now actively constructed around the lake and will likely notably affect its hydrological and ecological conditions. The aim of the present study was the comparative analysis of the chemical and physical characteristics of the Eastern and Western basins of the Sakskoe Lake at the period of intensive building activity on their coasts at the summer period of 2019. Brine samples were collected at two tested sites in each of the lakes. Water salinity was measured by a PAL-06S LTA GO (Japan) refractometer and was expressed in ‰. The pH and Eh of the waters and oxygen dissolved in them were determined in the laboratory by an Expert-001 (Econix-Expert Moexa CoLtd, Russia) analyzer, with the use of appropriate Volta (Russia) selective electrodes. Ions concentration was determined spectrophotometrically and by atomic absorption method. Various living stages of Artemia populations in two water bodies were studied according the standard microscopic methods. The obtained results demonstrated, that the total content of the cations in the brine of the Western basin was in 1,5-fold higher as compared with the data of the brine in the Eastern basin (108,4 and 71,2 g/l respectively). The values were directly correlated with the high salinity of the Western basin brine. The identical trend was shown for the anions concentration, which was significantly greatly in the Western basin related to Eastern one (193,14 and 125,41 g/l correspondingly), which was connected with the different hydrogeological conditions of the formation of the ecosystems of the tested water bodies. At the other hand, pH, salinity and Eh of the brine in the Eastern basin were lower than in the brine of the Western basin, while the concentration of dissolved oxygen was higher. In the brine of the Eastern basin of the lake all living stages of Artemia, including cysts, nauplia and adults were found, while in the Western basin only cysts were shown. Therefore, according the obtained results we could suggest, that anthropogenic processes which were taken place on the coasts of the Sakskoe Lake accompanied with the intensive building activity did not influence on the lake ecosystem. The further monitoring studies including the testing of the ions concentrations in the brine of two basins, Artemia populations state are required for the understanding the changes of the both ecosystems and the possible reasons of their changes. It is important for development of the optimization of the management of Sakskoe lake and its resources exploitation.

ВВЕДЕНИЕ

Сакское озеро — одно из наиболее изученных крупных соленых озер Крымского полуострова (рис.1). В экосистеме озера под воздействием специфических гидрометеорологических, гидрогеологических, гидрохимических и биологических условий происходило формирование донных отложений, которые являются природными лечебными ресурсами. В настоящее время Сакское озеро разделено на семь изолированных друг от друга бассейнов, два из которых лечебные, а остальные выполняют защитную функцию от попадания паводковых и сточных вод. Для стабильного функционирования экосистемы озера в условиях интенсивного техногенеза организована сложная гидротехническая система (ГТС) защиты, состоящая из разделительных дамб, обводных каналов, насосных станций и вододелителей. С помощью этих конструкций осуществляется отведение от лечебных бассейнов пресных вод из защитных водоемов и расположенных поблизости подтопляемых территорий. Для компенсации интенсивного испарения рапы в жаркое время года посредством ГТС из Каламитского залива Черного моря происходит подача морской воды, гидрохимические параметры которой имеют сходство с рапой лечебных водоемов. Таким образом искусственно регулируется водно-солевой баланс, что, в свою очередь, обеспечивает поддержание физико-химических параметров гидроминеральных ресурсов в пределах установленных кондиций, а также поддерживает благоприятные условия для развития гидробионтов [1, 2].

На протяжении последних пятидесяти лет Восточный бассейн Сакского озера, являющийся участком добычи пелоидов (лечебных иловых сульфидных грязей) и озерной рапы, почти полностью был исключен из естественной системы питания поверхностными и грунтовыми водами и привносимыми ими продуктами почвенной эрозии. В этих условиях водоем практически трансформировался в грязевой бассейн, в котором геохимическая функция литосферы оказывает незначительное влияние на процесс формирования донных отложений. В результате в последние годы наблюдается некоторое приостановление естественного грязеобразования [3, 4].

Восточный бассейн является участком промышленной добычи природных лечебных гидроминеральных ресурсов: лечебных грязей и рапы. Площадь водного зеркала составляет 1,27 км2. Максимальные глубины зафиксированы в восточной части бассейна, в районе добычи лечебных грязей, где они составляют 0,7–2,0 м. Среднемноголетний уровень водоема -1,02 м.абс. При регулировании водного баланса Восточного бассейна необходимо стремиться к поддержанию оптимального уровня рапы в диапазоне от -0,8 до 1,05 м.абс.

Западный бассейн – самый крупный из водоемов Сакского озера, его площадь составляет 3,8 км2, а диапазон глубин изменяется от 0,5 м до 1,0 м. Добыча минеральных ресурсов в акватории Западного бассейна не проводится.

В настоящее время прилегающие к озеру территории претерпевают повышенную антропогенную нагрузку в связи с интенсивным ведением строительных работ (реконструкция набережных и коммуникационных сетей города), что создает необходимость оценить экологическое состояние лечебных водоемов, в частности, содержание различных ионов, в том числе таких элементов как Sr+2, As+5, Zn+2, Cu+2, Cd+2, Со+2, Ni+2 и Pb+2, избыточные концентрации которых в водных объектах могут нанести существенный вред экосистеме и биоте, а также здоровью человека, использующего водные ресурсы [5].

В связи с этим целью настоящей работы явился сравнительный анализ характерных физико-химических параметров рапы Восточного и Западного бассейнов Сакского озера, проведенный в период интенсивной застройки его берегов летом 2019 г.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Пробы рапы отбирали в августе 2019 г в двух контрольных участках Западного и Восточного бассейнов Сакского озера. Содержание ионов и катионов определяли титриметрическим методом с использование лабораторных весов типа BTU210 и HR-150AZ, фотоколометрическим методом с применением спектрофотометра SPEKOL-11 и колориметра фотоэлектрического концентрационного КФК-2, а также атомно-абсорбционным методом на атомно-абсорбционном спектрофотометре ААS-1, как было описано ранее [6]. Указанные лабораторные исследования проведены на базе Центральной испытательной лаборатории ГУНПП РК «Крымская ГГРЭС» по типовым методикам в соответствие с действующими нормативными документами.

Показатели рН, окислительно-восстановительного потенциала (Еh) и содержания кислорода оценивали в лабораторных условиях при помощи анализатора Expert–001 («Econix–Expert Moexa CoLtd,», Россия) с использованием соответствующих селективных электродов фирмы «Вольта» (Россия). Соленость воды измеряли с помощью рефрактометра PAL-06S LTA GO (Япония) и выражали в промилле (‰). Перед определением всех параметров образцы воды выдерживали в холодильнике при +4° C в течение 4–6 часов после отбора проб. Все измерения проводили в лаборатории Экотоксикологии ИнБЮМ им. А.О. Ковалевского РАН. Измерения проводили в трех повторностях, вычисляли среднее значение.

Анализ жизненных стадий популяций артемии из двух водоемов проводили путем отбора проб рапы с помощью специального устройства объемом рабочей части 5 л. Пробы концентрировали с использованием мелкоячеистого фильтра и подсчитывали различные жизненные стадии рачка под бинокулярным микроскопом МБС-10, показатели выражали в экземпляр/л [7].

Рис. 1. Схема расположения точек отбора проб в лечебных бассейнах.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Результаты исследований физико-химических показателей рапы Восточного и Западного бассейнов Сакского озера приведены в Табл. 1.


Таблица 1.

Физико-химические показатели рапы Восточного и Западного бассейнов Сакского озера

Показатели Места отбора проб
Восточный бассейн Западный бассейн
Органолептические показатели прозрачная, бесцветная, без запаха сильноопалесцирующая, светло-розового цвета, без запаха
pH ед. pH 7,75 7,44
Удельный вес г/см3 1,14 1,21
Содержание кислорода мг/л 4,56 3,80
Соленость 266 334
Eh мВ -37,7 -11,8

Из приведенных данных видно, что физико-химические показатели рапы в двух бассейнах различаются: соленость и удельный вес выше в рапе Западного бассейна, тогда как остальные параметры снижены по сравнению с соответствующими значениями рапы Восточного бассейна. Более существенные различия отмечены для содержания катионов в воде двух исследуемых водоемов (табл. 2).

Как можно видеть, в отличие от рапы Восточного бассейна, ионы аммония в Западном бассейне не обнаружены. Содержание катионов лития, калия, натрия, магния, кальция и стронция в рапе Восточного водоема почти в 1,5–2 раза меньше, чем в рапе Западного бассейна. Существенно снижена концентрация ионов Fe+2 , Fe+3 и Cd+2, тогда как содержание Zn+2 выше. Ионы кобальта, мышьяка, меди и свинца обнаружены в следовых количествах, и их концентрация не отличается в двух водоемах. Таким образом, суммарное содержание катионов в рапе Западного бассейна превышает соответствующие показатели рапы Восточного бассейна в 1,5 раза, что согласуется с данными о солености и величине удельного веса, приведенных в табл. 1.

Содержание анионов в рапе двух тестируемых бассейнов представлено в табл. 3. Анион РO4-5 не обнаружен в рапе обоих бассейнов, CO3-2 идентифицирован только в воде Восточного бассейна, а NO2в рапе Западного бассейна. Концентрация нитратов и фторидов выше в Восточном бассейне, а остальных тестируемых анионов – в Западном. Таким образом, общая сумма анионов, так же как и катионов, в 1.5 раза выше в рапе Западного бассейна по сравнению с соответствующими значениями рапы Восточного бассейна. Аналогичная закономерность установлена и для общей суммы анионов, которая в 1,5 раза превышает этот показатель в Западном бассейне по сравнению с Восточным (301,54 против 196,67 соответственно).

Содержание недиссоциированных ионов и некоторых других показателей в рапе Восточного и Западного бассейнов Сакского озера приведено в таблице 4. Концентрация метакремниевой кислоты, перманганатная окисляемость и сухой остаток значительно выше в рапе Западного бассейна, сероводород не обнаружен, а содержание ортоборной кислоты одинаково.

Таблица 2.

Содержание катионов в рапе Восточного и Западного бассейнов Сакского озера

Место отбора проб Восточный бассейн Западный бассейн
Компоненты Ион г/дм3 мг/экв % мг/экв г/дм3 мг/экв %мг/экв
Аммоний NH4+ 0,00001 не обн.
Литий Li+  0,001 0,14 0,002 0,29
Калий K+ 2,20 56,41 1,66 3,20 81,84 1,58
Натрий Na+ 59,73 2596,81 76,64 90,95 3954,45 76,23
Магний Mg+2 8,44 694,14 20,48 13,68 1125,03 21,69
Кальций Ca+2 0,81 40,43 1,19 0,47 23,66 0,46
Стронций Sr+2 0,04 0,90 0,02 0,10 2,28 0,04
Железо (окисное) Fe+2 0,00007 0,0007 0,02
Железо (закисное) Fe+3 0,000002 0,0001
Марганец Mn+2 0,0001 0,0001
Мышьяк As+5 < 0,00001 <0,00001
Цинк Zn+2 0,00001 0,000005
Медь Cu+2 0,000005 0,000006
Кадмий Cd+2 < 0,000001 < 0,00001
Кобальт Со+2 < 0,00001 < 0,00001
Никель Ni+2 < 0,00001 < 0,00001
Свинец Pb+2 <0,00001 < 0,00001
Сумма катионов 71,22 3388,83 100 108,40 5187,57 100

Поскольку гидроминеральные ресурсы соленых водоемов зависят в том числе от деятельности гидробионтов, выполняющих фильтрационную функцию, было проведено сравнение состояния популяции артемии в Западном и Восточном бассейнах Сакского озера. Сравнительный анализ численности различных жизненных стадий артемии позволил установить, что в Западном бассейне присутствовали только цисты рачка на фоне большого количества взвешенного органического вещества и мелких частиц, тогда как в Восточном бассейне были также обнаружены цисты в количестве 1070 ( в среднем 40 яиц в 1 л), небольшое число науплиев ( в среднем 0,2 в 1 л), а количество взрослых половозрелых самок колебалось в пределах 17 ( в среднем 4 экземпляра в 1 л).

Таблица 3.

Содержание анионов в рапе Восточного и Западного бассейнов Сакского озера

Место отбора проб Восточный бассейн Западный бассейн
компоненты г/дм3 мг/экв %мг/экв г/дм3 мг/экв %мг/экв
Фторид F 0,0003 0,02 0,0001 0,01
Хлорид Cl 105,92 2987,53 88,16 158,89 4481,52 86,39
Сульфат SO4 -2 18,78 391,00 11,54 33,16 690,40 13,31
Карбонат CO3 -2 0,012 0,40 0,01 отс.
Гидрокарбонат HCO3 0,308 5,05 0,15 0,50 8,25 0,16
Бромид Br 0,386 4,83 0,14 0,59 7,38 0,14
Иодид J 0,0008 0,001 0,01
Гидрофосфат РO4 -5 не обн. не обн.
Нитрит NO2 не обн. 0,00002
Нитрат NO3 0,0004 0,0002
Сумма анионов 125,41 3388,83 100,00 193,14 5187,57 100

Таблица 4.

Содержание недиссоциированных ионов и других показателей в рапе Восточного и Западного бассейнов Сакского озера

Показатели Место отбора проб
Восточный бассейн Западный бассейн
Метакремниевая кислотаОртоборная кислотаСероводород общийСероводород свободный 3,04228,8не обн.не обн. 5,98228,8не обн.не обн.
Перманганатная окисляемостьСухой остаток 49,2196,4 132,0303,2
Формула химического состава
М 197Cl 88pH 7,75
Na 77
Mg 20
М 302Cl 86pH 7,44
Na 76
Mg22

Таким образом, на основании проведенных исследований были выявлены существенные различия гидрохимических параметров двух водоемов, составе и соотношении ионов, что отразилось и на состоянии популяций артемии. При этом следует отметить, что токсичные катионы металлов (свинец, кадмий, мышьяк, цинк, медь, никель) присутствовали в обоих водоемах в достаточно низких концентрациях, не превышающих ПДК. В то же время для большинства исследуемых катионов концентрация была выше в Западном бассейне по сравнению с Восточным, что обусловило как различие величин рН, так и показателей солености и значений окислительно-восстановительного потенциала, которые были существенно выше в рапе Западного бассейна.

Повышенное содержание большинства исследуемых анионов отмечено в рапе Западного бассейна. Кроме этого, здесь же выявлены нитриты и нитраты в концентрациях значительно ниже ПДК, тогда как в Восточном бассейне идентифицированы нитраты и ион аммония, концентрации которых не превышали нормативных уровней. Незначительное содержание нитратов и нитритов в рапе отмечали и в предыдущие годы [8], поэтому наличие этих компонентов в экосистеме нельзя связать с ведущимися на берегах строительными работами. В то же время наличие азотсодержащих соединений в рапе двух водоемов может быть обусловлено как естественными природными процессами, характерными для этой части Крыма и приморских территорий [9], так и антропогенной активностью в зоне расположения Сакского озера и других крымских соляных озер, что неминуемо приводит к изменению их экологического состояния [10]

На основании проведенного анализа можно заключить, что химические процессы, протекающие в экосистемах обоих водоемов, различаются, что подтверждается также большим количеством взвешенного органического вещества, величиной перманганатной окисляемости и сухого остатка в Западном бассейне в исследуемый период времени.

Установленная разница гидрохимического состава изучаемых водоемов обусловлена различными гидрогеологическими условиями формирования водной массы: Восточный бассейн практически полностью исключен из природной системы водообмена, компенсация дефицита рапы происходит за счет искусственной подачи морских вод [11, 12]. Метеорные и грунтовые воды не оказывают значительного влияния на приходую составляющую водного баланса. На формирование гидрохимического режима Западного бассейна значительное влияние оказывают грунтовые воды, преимущественно сульфатно–хлоридно–натриевого и кальцево–натриево–магниевого состава, а также фильтрующиеся через песчаную пересыпь воды моря.

Совершенно очевидно, что химический состав рапы повлиял и на состояние популяции артемии в двух исследуемых водоемах. В Восточном бассейне экологические условия для артемии оказались лучшими по сравнению с таковыми в Западном, и популяция была представлена всеми жизненными стадиями рачка, тогда как в Западном водоеме были обнаружены только цисты, которые способны переносить экстремальные условия среды обитания [13]. В то же время следует отметить, что качество рапы и количественные показатели ионов, также как соотношение жизненных стадий артемии в двух исследуемых водоемов могут существенно варьировать в различные сезоны, что требует самостоятельного изучения и мониторинга двух бассейнов Сакского озера.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

  1. рН, соленость, удельный вес и окислительно-восстановительный потенциал рапы Восточного бассейна Сакского озера был существенно ниже по сравнению с соответствующими значениями Западного бассейна, тогда как уровень растворенного кислорода выше.
  2. Концентрация ионов рапы Западного бассейна выше, чем в Восточном бассейне, что связанно с различными гидрогеологическими условиями формирования водной массы водоемов.
  3. Происходящие на прилагающих к озеру территориях антропогенные процессы, связанные с ведением масштабных строительных работ, не оказывают негативного влияния на экосистему озера.
  4. В рапе Восточного бассейна Сакского озера в августе 2019 г. присутствовали все стадии артемии, в рапе Западного бассейна были обнаружены только цисты.

Работа частично выполнена в соответствие с темой государственного задания ФИЦ Институт биологии южных морей им. А. О. Ковалевского РАН «Функциональные, метаболические и токсикологические аспекты существования гидробионтов и их популяций в биотопах с различным физико-химическим режимом» номер гос. регистрации АААА-А18-118021490093-4.

REFERENCES

  1. 1. Tutunik Е. V., Hohlov V. А. Practical significance of the biological studies of Sakskoe mud sources, Sbornik statei specialistov DP «Sakskaya GGRES» 1995–2007 (The proceedings of the specialists of DP «Sakskaya GGRES» 1995–2007, 53 (Saky: DP “Sakskaya GGRES”, 2007) (in Rus.)
  2. Chban V. V. Influence of technic alterations of geological environment on the ecological state of Sakskoe salt Lake, Vestnik Dnepropetrovskogo nacionalnogo universiteta (Journal of the Dnepropetrovsk National University. Part Geology and Geography), 2, 16, 77 (2013) (in Rus.)
  3. Hohlov V. А. Vasenko V. I., Chaban V. V. Geoecological studies, regime, exploitation and mounting-sanitary preservation of the deposits of the hydromineral resources in Crimean Republic in the region of the activity of DP «Crimean GGRES»). Geoecologicheskoe izuchenie, rejim, expluataciaya i gorno-sanitarnaya ohrana mestorojdeniy hydromineralnyh resursov Respubliki Krym v zone aktivnosty GU NPP RC «Кrymskaya GGRES» Scientific Report of 2017, 255 p. (Saki: GU NPP «Crymskaya GGRES», 2018) (in Rus.)
  4. Hohlov V. А. Vasenko V. I., Chaban V. V. Geoecological studies, regime, exploitation and mounting-sanitary preservation of the deposits of the hydromineral resources in Crimean Republic in the region of the activity of DP «Сrimean GGRES» (Geoecologicheskoe izuchenie, rejim, expluataciaya i gorno-sanitarnaya ohrana mestorojdeniy hydromineralnyh resursov Respubliki Krym v zone aktivnosty GU NPP RC «Кrymskaya GGRES»). Scientific Report of 2017, 251 p. (Saki: GU NPP «Кrymskaya GGRES», 2019) (in Rus.)
  5. Gerringa L. J. A., Alderkamp A-C., van Dijken G., Laan P., Middag R., Arrigo K. R. Dissolved Trace Metals in the Ross Sea, Frontiers in Marine Science, 7, Article 577098 (2020).
  6. Ivanitskii V. A., Vasenko V. I., Caban V. V. et al. Geoecological studies, regime, exploitation and mounting-sanitary preservation of the deposits of the hydromineral resources in Crimean Republic in the region of the activity of DP «Krimean GGRES» (Geoecologicheskoe izuchenie, rejim, expluataciaya i gorno-sanitarnaya ohrana mestorojdeniy hydromineralnyh resursov Respubliki Krym v zone aktivnosty GU NPP RC «Кrymskaya GGRES»), Scientific Report of 2019, 213 p. (Saki: GU NPP «Кrymskaya GGRES», 2020). (in Rus.)
  7. Rudneva I. I., Shaida V. G. Seasonal dynamics of the gypersaline Lake Oiburg (Crimea) as a model for the studying of the consequences of the climate changes, Wodnye resursy (Water Resources), 47, 4, 426 (2020) (in Rus.)
  8. Chaban V. V., Surova N. А. Study of the ecological state changes of Sakskoe salt Lake (Issldovanie sezonnogo izmeneniya ecologicheskoi obstanovki Sakskogo solenogo ozera), Krymskoe kachestvo (Journal of Crimean Quality), 1 (9), 56 (2007) ( in Rus.)
  9. Goraychkin Yu. I. Annual changes of the coastal line of accumulative site (cape Evpatoriiskii – lake Donuzlav), Ecologicheskaya bezopasnost pribrejnoi I shelfovoi zony (Ecological security of the coastal and shelf zone), 3, 25 (2019) (in Rus.)
  10. Gulov O. A Ecocid of Crimean salt lakes. Teoriya I practica vosstanovlenoiay vnutrennih vodoemov (Theory and practice of the restoration of the indoor water bodies), 60 (Snt-Petersburg: Lema, 2007) (in Rus.)
  11. Shklovskii O. A. Technological scheme of the brine production of Sakskoe Lake in Sakskoe deposit, recreation zone Saki, Crimean Republic (Tehnogennaya shema razrabotki rapy ozernoi Sakskogo mestorojdeniya, kurort Saki, Respublika Krym), 158 p. (М: ООО «Geominvod», 2016) (in Rus.)
  12. Vasenko V. I., Chaban V. V. Geoecological studies, regime, exploitation and mounting-sanitary preservation of the deposits of the hydromineral resources in Crimean Republic in the region of the activity of DP “Krimean GGRES» (Geoecologicheskoe izuchenie, rejim, expluataciaya i gorno-sanitarnaya ohrana mestorojdeniy hydromineralnyh resursov Respubliki Krym v zone aktivnosty GU NPP RC «Crymskaya GGRES»). Scientific Report of 2018, 213 p. (Saki: GU NPP «Crymskaya GGRES», 2019).
  13. Rudneva I. I. Artemia: perspectives of the use in public economy. (Artemia: perspectivy ispolzovaniay v narodnom hozyaistve), 138 p. (Kiev: Naukova Dumka, 1991). (in Rus.)