Оценка экологического состояния накопителей Правобережного Сорбулакского канала для разработка научных основ утилизаций сточных вод

Руководитель проекта: Крупа Елена Григорьевна

Срок реализации:  2020 – 2022 гг.

Актуальность:

В силу климатических и социально-экономических причин объемы вторично используемых сточных вод увеличиваются во всем мире. Внедрение вторичного использования сточных вод диктуется ростом народонаселения, необходимостью поиска альтернативных источников энергии, изменением климата, глобальным загрязнением водоисточников, включая засоление, растущим дефицитом пресной питьевой воды, увеличением доли сточных вод в общем запасе доступной воды и т.д.

Практика использования сточных вод уже получила широкое распространение, особенно в густонаселенных развивающихся странах и засушливых регионах. Однако вторичное использование сточных вод представляет потенциальную опасность для здоровья человека и окружающей среды, поэтому необходимо научное обоснование для их безопасной утилизации. Проблемы утилизации сточных вод в полной мере относятся и к Казахстану с климатически обусловленным дефицитом водных ресурсов. Одними из крупнейших искусственных водоемов технического назначения не только в Республике, но и в мире являются накопители сточных вод г. Алматы и области (Сорбулак и пруды Правобережного Сорбулакского канала – ПСК). В них складируются большие запасы пресной, но недостаточно чистой воды, которая потенциально может быть использована для хозяйственных целей. Первым шагом на пути безопасного использования сточных вод является получение объективной информации об экологическом состоянии накопителей. Такую информацию невозможно получить на основе только химических методов, в силу многокомпонентного состава сточных вод и разнообразия физических условий, которые влияют на скорость и характер взаимодействия химических соединений (синергетическое, нейтральное или антагонистическое). Как следствие, данные по содержанию загрязняющих веществ не позволяют в полной мере оценить возможность и риски вторичного использования сточных вод, а также определить наиболее безопасный способ их утилизации. Поэтому ведущими научными сотрудниками РГП на ПХВ Институт зоологии при финансовой поддержке Министерства образования и науки Республики Казахстан реализовывается проект под названием «Оценка экологического состояния накопителей системы Правобережного Сорбулакского канала для разработки научных основ утилизации сточных вод» основанный на анализе химических и индикаторных биологических показателей (фитопланктон, зоопланктон, энтомофауна, орнитофауна). Предлагаемый комплексный подход, позволит усовершенствовать существующие критерии оценки экологического состояния водоемов в условиях их многокомпонентного загрязнения, оценить качество воды и уровень накопления загрязняющих веществ в абиотических и биотических компонентах водных экосистем (Сорбулак и пруды ПСК). Анализ данных по структуре водных и околоводных сообществ (фитопланктон, зоопланктон, энтомофауна, орнитофауна), находящихся на различных уровнях трофической пирамиды, будет способствовать более глубокому пониманию процессов, происходящих в водных экосистемах в условиях их комплексного многокомпонентного загрязнения. Объективная оценка текущего состояния и эффективности естественной биологической очистки воды имеет практическую значимость, так как позволит научно обосновать возможности и риски повторного использования сточных вод накопителей системы Правобережного Сорбулакского канала. Определение общих запасов и уровня накопления загрязняющих веществ в микроводорослях позволит оценить возможность их дальнейшей безопасной переработки как один из способов утилизации и, одновременно, доочистки сточных вод.

Цель проекта:

Совершенствование критериев оценки экологического состояния водоемов с многокомпонентным составом загрязняющих веществ; разработка научных основ утилизации сточных вод накопителей системы Правобережного Сорбулакского канала для рационального использования водных ресурсов региона

Задачи проекта:

  1. Анализ мирового опыта повторного использования сточных вод.
  2. Гидрохимическая и биологическая характеристика водохранилища Сорбулак.
  3. Гидрохимическая и биологическая характеристика прудов ПСК.
  4. Оценка эффективности естественной очистки воды в водохранилище Сорбулак и прудах ПСК.
  5. Разработка критериев оценки экологического состояния технических водоемов в условиях их многокомпонентного загрязнения
  6. Комплексная оценка экологического состояния накопителей ПСК и разработка научных основ повторного использования сточных вод и запасов органического сырья.

Ожидаемые результаты:

Новые фундаментальные знания о закономерностях формирования водной и околоводной фауны в условиях комплексного многокомпонентного загрязнения, накоплении загрязняющих веществ в различных абиотических и биологических компонентах водных экосистем, эффективности естественного самоочищения, рисков вторичного загрязнения водохранилища Сорбулак и прудов-накопителей. На основе полученных результатов будут предложены критерии оценки качества вод водоемов технического назначения, характеризующихся многокомпонентным составом поступающих загрязняющих веществ; дана объективная оценка экологического состояния накопителей сточных вод; дана научно обоснованная оценка возможностей/рисков использования запасов органического сырья и сточных вод накопителей Сорбулак и ПСК. Полученные результаты могут послужить основой разработки «зеленых» технологий, направленных на решение социальных проблем (обеспечение населения безопасной водой, создание новых рабочих мест). Оценка запасов бесплатного органического сырья, интенсивно продуцируемого в условиях высокого содержания в накопителях биогенных элементов и органических веществ, направлена на привлечение внимания заинтересованных сторон к его дальнейшему использованию и получению экономической выгоды. Полученные результаты будут опубликованы в рецензируемых журналах Web of Science и Scopus.

Промежуточные результаты: 

Выполнен анализ мирового опыта повторного использования сточных вод. Анализ мирового опыта показал, что возможности и риски повторного использования сточных обусловлены их многокомпонентным составом. Сточные воды могут быть использованы для питьевого водоснабжения, пополнения запасов грунтовых вод, гидропоники, орошения, производства аквакультуры, корма для рыб. Водоросли, выращенные на сточных водах, является сырьем для производства жидких удобрений, биодизеля как возобновляемого источника энергии, глицерина и биогаза. Риски повторного использования сточных вод обусловлены высоким содержанием патогенных микроорганизмов, канцерогенных, мутагенных и генотоксичных соединений (соли тяжелых металлов, пестициды и нефтепродукты). Употребление загрязненной воды или продуктов питания, выращенных на сточных водах, могут быть причиной инфекционных, кожных, респираторных и онкологических заболеваний, абортов у женщин, эндокринных нарушений и нарушений обмена веществ. Снижение рисков использования сточных вод связаны с эффективностью их очистки. Ее этапы включают механическую, физико-химическую, химическую и биологическую очистку. Методы очистки зависят от состава стоков, с чем связана их высокая стоимость. Использование природных сорбентов (туфы, бентонитовые глины, цеолиты) в сочетании с биологическими методами (поглощение микроводорослями, макрофитами, древесной растительностью) позволяет снизить затраты и во многих случаях повысить эффективность очистки и ее безопасность для окружающей среды. 

Впервые получены данные по сезонной динамике загрязняющих веществ, структуре фитопланктона, зоопланктона, видовому богатству супралиторальной энтомофауны и орнитофауны. Показано, что вода накопителей содержала повышенное количество органических веществ, соединений азота и фосфора. При невысоких концентрациях Cd, Cr, Pb, Co, содержание Cu было выше ПДК (0,002-0,0188 мг/дм3). Фитопланктон был представлен 60 видами (42 вида в Сорбулаке и 35 в ПСК), с численностью от 640,7 до 79210,0 млн. кл./м3 и биомассой 428,9-11046,0 мг/м3. Доминировали цианобактерии и зеленые водоросли. Зоопланктон был представлен 62 видами (35 в Сорбулаке и 54 в ПСК). Численность зоопланктона составляла 92430-1483117 экз/м3, при биомассе 6158,3-20349,9 мг/м3. Доминировали ракообразные. Количественные показатели фитопланктона и зоопланктона в прудах ПСК были выше, чем в Сорбулаке. В прибрежной зоне накопителей зарегистрировано 140 видов птиц, гнездящихся преимущественно на островах. Супралиторальная фауна насекомых была представлена 75 видами, с несколько повышенным видовым богатством сапрофагов и копрофагов. Полученные промежуточные результаты будут использованы для оценки экологического состояния накопителей и разработки научных основ утилизации сточных вод. 

Итоговые результаты:

В результате проекта на основе гидрофизических (температура, рН, глубина, прозрачность, содержание кислорода, тип донных отложений), гидрохимических (ионный состав, минерализация, содержание нитритов, нитратов, фосфатов, легко окисляющихся органических веществ, Fe, Si, Mn), токсикологических (содержание тяжелых металлов Cd, Co, Cr, Cu, Pb, Zn в воде, донных отложениях, макрофитах, планктонных организмах, скорлупе, перовом покрове птенцов и взрослых особей кудрявого пеликана и озерной чайки) и гидробиологических исследований (видовой состав, численность, биомасса, состав доминирующих групп/отделов/видов фитопланктона и зоопланктона) был предложен перечень индикаторных показателей и выработаны критерии их использования для оценки качества воды в водоемах со смешанным характером загрязнения. Впервые была дана оценка эффективности очистки воды в накопителях от поступающих загрязнений;  впервые проведена комплексная оценка экологического состояния накопителей ПСК на основе а) сравнения результатов химического и токсикологического анализа с ПДКвр, б) оценке накопления тяжелых металлов в донных отложениях и биологических образцах, в) сравнения результатов химического, токсикологического и биологического анализа с классификационными шкалами, включая региональные шкалы качества вод в разделе «Тяжелые металлы» и «Зоопланктон», г) многомерного статистического анализа связи между абиотическими и биотическими показателями, д) описания структуры биологических сообществ (биоиндикация).

По содержанию азотных соединений, фосфора, легко окисляющихся органических веществ вода накопителей оценивалась как грязная или весьма грязная. С апреля по сентябрь 2021 г. содержание Cu и Cr, в отдельных случаях Zn (ПСК 7) характеризовало сильный уровень загрязнения накопителей. Содержание Cd, Pb, Co находилось на уровне очень чистых вод. От 2021 г. к 2022 г. органическое загрязнение воды накопителей возросло, а содержание тяжелых металлов, напротив, снизилось до уровня ниже предела обнаружения. Загрязнение донных отложений Zn и Cr было повышенным, Co – умеренным. Повышенное содержание Pb в перовом оперении птиц свидетельствовало о свинцовом загрязнении окружающей сухопутной территории (предположительно, свинцовая дробь), при низком его количестве в сточных водах. Структура биологических сообществ в целом подтверждала выводы, сделанные на основе химических данных. Постоянная регистрация уродливых особей ракообразных в составе зоопланктонных сообществ свидетельствовала, тем не менее, о токсическом мутагенном загрязнении накопителей, природу которого не всегда возможно определить. Высокая доля сапрофагов и копрофагов в супралиторальной фауне насекомых свидетельствовала о насыщенности прибрежной зоны накопителей органическими веществами. Полученные результаты подчеркивают настоятельную необходимость привлечения биологических данных для оценки экологического состояния водоемов, особенно, в условиях смешанного загрязнения. 

Рассмотрена роль абиотических и биотических компонентов экосистем накопителей в очистке поступающих сточных вод от содержащихся в них загрязняющих веществ. Очищение водной толщи происходит за счет благоприятных физико-химических условий (минерализация, рН, стратификация в глубоководном Сорбулаке), накопления тяжелых металлов в донных отложениях и биологических образцах. Донные отложения играют активную роль в очищении воды от Co и Pb; живые организмы преимущественно накапливают Zn.

В условиях постоянного притока биогенных элементов накопители ПСК являются естественными фабриками по продуцированию первичного органического вещества, количество которого выражается преимущественно через биомассу фитопланктона. Остаточные запасы биомассы планктонных водорослей, с учетом батиметрии накопителей, оцениваются в 6439,1 тонны. Они непрерывно пополняются в течение вегетационного сезона и могут быть использованы для производства органических удобрений и биодизеля.

Результаты проекта стали основой научно-обоснованных методических рекомендаций по вторичному использованию сточных вод и запасов органического сырья в накопителях ПСК. Вторичное использование воды накопителей для орошения зерновых культур, водопоя домашних животных, вылов и реализация рыбы, должно осуществляться только при постоянном токсикологическом, паразитологическом и санитарно-гигиеническом контроле биологических образцов и орошаемых земель.

По проекту опубликованы четыре статьи и одна монография: 

  1. Krupa E., Barinova S., Aubakirova M. Tracking pollution and its sources in the catchment-lake system of major waterbodies in Kazakhstan // Lakes and Reservoirs: Research and Management. – 2020. – P. 1–13. https://doi:10.1111/lre.12302
  2. Krupa E.G. The ecological preferences of Eurytemora affinis (Poppe, 1880) in the Kazakhstan’s water bodies (Central Asia) // Crustaceana. – 2020. – № 93 (3-5). – P. 405–428. (Scopus процентиль: 32, Web of Science квартиль: Q3)
  3. Krupa E., Romanova S., Berkinbaev G., Yakovleva N., Sadvakasov E. Zooplankton as indicator of the ecological state of protected aquatic ecosystems (Lake Borovoe, Burabay National Nature Park, Northern Kazakhstan) // Water. – 2020. – № 12. – P. 2580. https://doi:10.3390/w12092580 (Scopus процентиль: Agricultural and Biological Sciences – 72, Web of science квартиль: Q2)
  4. Krupa E., Barinova S., Romanova S., Aubakirova M., Ainabaeva N. Planktonic invertebrates in the assessment of long-term change in water quality of the Sorbulak wastewater disposal system (Kazakhstan) // Water. – 2020. – № 12. – P. 1–24. https://doi:10.3390/w12123409 (Scopus процентиль: Agricultural and Biological Sciences – 72, Web of science квартиль: Q2)
  5. Аубакирова М.О., Крупа Е.Г., Минат А., Абилов Б.И. Видовое богатство зоопланктона малых озёр Алматинской области // Вестн. КазНУ. Сер. биологическая. – 2020. – №3 (84). – С. 108–118. https://doi.org/10.26577/eb.2020.v84.i3.10 (КОКСОН)
  6. Крупа Е., Баринова С.С., Аубакирова М., Айнабаева Н. Тяжелые металлы в пресных водах Казахстана и методологические подходы к разработке региональной классификации качества воды // Центральноазиатский журнал исследований водных ресурсов. – 2020. – № 6 (2). – С. 87-110. https://doi: 10.29258/CAJWR/2020-R1.v6-2/87-110.rus.
  7. Krupa, E., Barinova, S., Romanova, S., Aubakirova, M., & Ainabaeva, N. Heavy Metals in Fresh Waters of Kazakhstan and Methodological Approaches to Developing a Regional Water Quality Classification // Central Asian Journal of Water Research. – 2020. – № 6(2). – Р. 19–41. https://doi.org/10.29258/cajwr/2020-r1.v6-2/19-41.eng
  8. Krupa E., Aubakirova M. Acanthocyclops trajani Mirabdullayev et Defaye (Copepoda, Cyclopoida) as an indicator of the ecological state of water bodies in Kazakhstan IOP // Conf. Ser.: Earth Environ. Sci. – 2021. – P. 690. https://doi.org/10.1088/1755-1315/690/1/012050 (Web of Science квартиля нет, Scopus процентиль: Environmental Science – 17)
  9. Aubakirova M., Krupa Е., Mazhibayeva Zh., Isbekov K., Assylbekova S. The role of external factors in the variability of the structure of the zooplankton community of small lakes (South‐East Kazakhstan) // Water. – 2021. – №13. – Р. 962. https://doi.org/10.3390/w13070962 (Scopus процентиль: Agricultural and Biological Sciences – 72, Web of science квартиль: Q2)
  10. Krupa E., Aubakirova M. Checklist and Distribution of Calanoida (Crustacea: Copepoda) in Kazakhstan (Central Asia) // Water. – 2021. – №13. – P. 2015. https://doi.org/10.3390/w13152015 (Scopus процентиль: Agricultural and Biological Sciences- 72, Web of Science квартиль: Q2)
  11. Тлеппаева А.М. К таксономическому составу насекомых супралиторали водохранилища Сорбулак и системы прудов Правобережного Сорбулакского канала // Извест. НАН РК. Сер. биологическая и медицинская. – 2021. – Т. 5–6, № 347. – С. 78–84. https://doi.org/10.32014/2021.2519-1629.104
  12. Крупа Е.Г., Баринова С.С., Романова С.М., Хитрова Е.А. Гидрохимическая и гидробиологическая характеристика озёр Щучинско-Боровской курортной зоны (Северный Казахстан) и основные методологические подходы к оценке экологического состояния малых водоемов. – Алматы: ИП «Волкова Е.В.», 2021. – 330 с.
  13. Krupa E., Aubakirova M., Romanova S. Factors affecting water quality and the structure of zooplankton communities in wastewater reservoirs of the Right-Bank Sorbulak Canal System (South-Eastern Kazakhstan) // Water. – 2022. – № 14(11). – P. 1784. https://doi.org/10.3390/w14111784 (Scopus процентиль: Agricultural and Biological Sciences- 72, Web of Science квартиль: Q2)
  14. Krupa E.G., Aubakirova M.O., Romanova S.M. Seasonal dynamics of environmental variables and zooplankton structure in wastewater reservoirs of the Right-bank Sorbulak canal system // Вестн. КазНУ. Сер. биологическая. – 2022. – №3(92).  –  С.159–177. (КОКСОН)

Монография: Крупа Е.Г., Баринова С.С., Романова С.М., Хитрова Е.А. Гидрохимическая и гидробиологическая характеристика озёр Щучинско-Боровской курортной зоны (Северный Казахстан) и основные методологические подходы к оценке экологического состояния малых водоемов. Алматы: ИП «Волкова Е.В.», 2021. – 330 с.

Члены исследовательской группы:

  1. Крупа Елена Григорьевна. ОРСИД: https://orcid.org/0000-0001-9401-0258, Ссылка на БД Скопус: https://www.scopus.com/authid/detail.uri?authorId=15048204000
  2. Гаврилов Андрей Эдуардович.  ОРСИД:  https://orcid.org/0000-0002-6808-1949
  3. Тлеппаева Айжан Мылтыкбаевна. ОРСИД: https://orcid.org/0000-0002-9754-2177
  4. Аубакирова Молдир Орныкбаевна. ОРСИД: https://orcid.org/0000-0001-7818-4469, ResearcherID: AAV-7036-2020. Ссылка на БД Скопус: https://www.scopus.com/authid/detail.uri?authorId=56835701200, Ссылка на профиль publons: https://publons.com/researcher/3821730/moldir-aubakirova/.
  5.   Зарипова Сарымгуль Хайруллаевна. ОРСИД: https://orcid.org/my-orcid?orcid=0000-0002-6627-6101
  6.  Аргынбаева Еркежан Мухтаровна. ОРСИД: https://orcid.org/0000-0002-5978-6445
  7. Орманова Гаухар Журсинбековна. ОРСИД: https://orcid.org/0000-0002-6567-2858,http://www.researcherid.com/rid/B-7516-2015, Web of Science,  ID:B-7516-2015
Администратор