XXIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Сравнительный анализ качества воды рек в черте г. Иркутска

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Любимов Д.А. 1

---

1МБОУ г. Иркутска гимназия №3

Павловская Т.А. 1Суслова М.Ю. 2

---

1МБОУ г. Иркутска гимназия №3

2Лимнологический институт СО РАН

Работа в формате PDF

7.2 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителяСвидетельство руководителя

Введение

В июне 2024 года, выиграв конкурс, автор стал участником научно-образовательной экспедиции школьников «Байкал — природная лаборатория» на научном стационаре ЛИН СО РАН в п. Большие Коты. Мероприятие проводилось в рамках проекта № 24-1-005570 «Мой путь к профессии» при поддержке Фонда президентских грантов. Под руководством ученых лимнологического института школьники работали по трем направлениям: гидрохимия, физиология и микробиология; научились отбирать пробы на научно-исследовательском судне «Папанин» и проводить микробиологический анализ. Автор заинтересовался этим направлением и решил проанализировать реки своего города. Так началась работа над исследованием.

Цель: Провести сравнительный анализ качества воды рек г. Иркутска.

Для достижения цели необходимо выполнить задачи:

1. Изучение информационных источников по исследуемой теме, в том числе о реках города Иркутска, их характере и особенностях

2. Изучение микробиологических методик, обретение личных компетенций

3. Изучение нормативных документов

4. Сбор материалов и проведение измерений (в лаборатории)

Объект исследования: вода рек г. Иркутска

Предмет исследования: микробиологические, физические и химические показатели воды рек г. Иркутска

Проблема сохранения чистой воды как стратегически важного ресурса становится все более острой во всем мире, и в нашем регионе в частности. В Сибири люди веками привычно брали воду из рек и водоемов для питья и бытовых нужд, считая речную воду чистой, особенно ангарскую воду, ведь она течет из чистейшего Байкала. За последние сто лет воздействие человека на природу выросло многократно. Развитие городов-гигантов, интенсивного сельского хозяйства, энергетики и промышленности приводит к дефициту природных ресурсов, к дефициту чистой воды.

Получение полной и правдивой информации о том, можно ли считать воду из рек в черте города Иркутска чистой и безопасной, мы считаем актуальной и важной задачей.

1. Теоретические аспекты изучения чистоты воды рек

Чистота воды – понятие пользовательское, бытовое. С научной точки зрения оценку качества воды дают, исследуя микробиологические, химические и физические свойства воды. В нашем регионе – Иркутской области – исследованием водных ресурсов занимаются ученые из Лимнологического Института СО РАН, Иркутского государственного университета, Института эпидемиологии и микробиологии Российской Академии медицинских наук, Научного центра проблем здоровья семьи и репродукции человека СО РАМН. Их исследования распространяются на всю Восточную Сибирь и Россию в целом, так как многие реки протекают через несколько регионов и проблемы контроля и охраны чистоты вод схожи в разных регионах.

1.1 Реки города Иркутска, их антропогенная и хозяйственная нагрузки

Река Ангара – единственная река, вытекающая из озера Байкал, самый многоводный приток Енисея. На берегах Ангары от истока до города Иркутска расположено множество небольших населенных пунктов, коттеджных поселков и дачных товариществ. Иркутск – первый крупный город на Ангаре, промышленный центр и транспортный узел.

Река Иркут – левый приток Ангары, протекает в Бурятии и Иркутской области. Город Иркутск исторически берет начало от места слияния Ангары и Иркута. Основными источниками загрязнения Иркута являются сточные воды из частного сектора и дачных поселков, а также некоторых предприятий города.

Река Кая – небольшая река с широкой заболоченной поймой, впадает в Иркут на территории Иркутска. Загрязнена сточными водами сельскохозяйственных предприятий, садоводств, сбросами канализационных сооружений пригородного поселка Маркова. Не далеко от устья расположена крупная железнодорожная станция.

Река Ушаковка – правый приток, впадает в Ангару на территории города Иркутска. По берегам расположено множество поселков, садоводств и сельскохозяйственных угодий. В городе на берегах Ушаковки работают промышленные предприятия и крупные торговые рынки.

1.2 Нормативные документы оценки загрязнения поверхностных вод

В Российской Федерации соответствие качества поверхностных водных источников регламентируется СанПиН 1.2.3685-21 «Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов среды обитания» [2], которые «…имеют целью обеспечить предотвращение и устранение загрязнения поверхностных вод, которое может привести к нарушению здоровья населения, развитию массовых инфекционных, паразитарных и неинфекционных заболеваний, а также к ухудшению условий водопользования населения…» [2].

Санитарно-микробиологическая оценка качества воды подразумевает определение совокупности санитарных показателей – критериев, отражающих соответствие или несоответствие санитарного состояния исследуемого водного объекта требованиям нормативных документов. В РФ основными нормируемыми показателями, используемыми при оценке санитарно-микробиологического состояния водоема, являются следующие показатели: обобщенные колиформные бактерии (ОКБ), E.coli, колифаги и энтерококки [2], [3]. Информацию о санитарном состоянии водоема, источниках загрязнения и процессах самоочищения позволяют получить показатель численности общего микробного числа (ОМЧ).

1.3 Исследования, выполненные ранее по теме

Лаборатория водной микробиологии ЛИН СО РАН систематически проводит исследования микроорганизмов, как индикаторов качества воды, на различных водоемах Иркутской области [7, 8].

Комплексное санитарно-микробиологическое исследование ангарской воды провели в 2011 году ряд ученых медиков и экологов г. Иркутска [6]. Было описано микробное сообщество реки Ангары от истока до городов Иркутска и Ангарска и ниже по течению, где высока антропогенная нагрузка. Выявлено значительное увеличение (по сравнению с истоком) доли условно-патогенных микроорганизмов, а также изменение их видового разнообразия. Это дает представление об экологическом состоянии реки на данном участке. Притоки Ангары Иркут и Ушаковка отдельно не рассматривались.

1.4 Материалы и методы исследования

Материалы и оборудование, примененные в исследовании, для удобства скомпоновали в таблицу №1.

Таблица №1

Методы и подходы микробиологического исследования поверхностных вод взяты нами из методических пособий ЛИН СО РАН.

В процессе подготовки к практической части исследования обретены личные компетенции работы в микробиологической лаборатории, рассмотрены результаты мониторинга рек Ангары и некоторых других за предыдущие годы в Приангарье. Составлен план для практической части исследования.

II Практическая часть. Проведение сравнительного анализа показателей загрязнения воды рек г. Иркутска

Работа над исследованием состояла из нескольких этапов. И была выполнена в период с июня по декабрь 2024 года.

2.1 Подготовка личных компетенций

В июне 2024 года, через конкурс, автор принял участие в экспедиции школьников «Байкал — природная лаборатория» на научном стационаре ЛИН СО РАН в п. Большие Коты. Целью поездки было: познакомиться с научными подходами к изучению экологических проблем Байкала, освоить методики микробиологических и гидрохимических исследований, подобрать тему индивидуальной исследовательской работы. Под руководством ученых лимнологического института мы провели ряд измерений по гидрохимии и микробиологии. Мы научились отбирать пробы воды и почвы, вести дневник научных наблюдений, обращаться с лабораторным инструментом. Получили навыки работы с микроскопом, термостатами, вакуумным фильтром и прочим оборудованием. Освоили методики микробиологических и гидрохимических анализов.

Итогом экспедиции стало начало сотрудничества с научным консультантом – Сусловой Марией Юрьевной, старшим научным сотрудником Лимнологического института СО РАН. Наметили направление исследования и этапы работы.

2.2 Проведение полевых наблюдений, выбор точек отбора проб, забор проб

Цель – выбор водных объектов для исследования и точек забора проб.

Проанализировали топографию города, постарались выбрать разные водные объекты в черте города и взять пробы выше и ниже по течению для сравнения результатов. Определили точки сбора проб на реках в черте г. Иркутска. Мы рассмотрели четыре основные реки, протекающие в черте города Иркутска – Ангара, Иркут, Кая и Ушаковка.

Самостоятельно выбраны точки для забора проб (см. приложение 1)

Главная река города – Ангара, правый приток Ушаковка и левый приток Иркут и два малых водных объекта – притоки Иркута – Кая и безымянный ручей. В полевых условиях в выбранных местах были проведены замеры жесткости воды и кислотности воды. Результаты измерений и геолокации точек занесены в таблицу 2 (см. приложение 2)

Цель забора проб – в соответствии с нормативами отобрать пробы для дальнейшего лабораторного исследования.

Забор проб проводился 13.10.2024 под руководством научного консультанта. Одновременно измеряли температуру воды термометром с вынесенным датчиком. Пробы поверхностных прибрежных вод отбирались согласно ГОСТ 31942-2012 [5]. Пробы берутся в перчатках, обработанных антисептиком перед каждым забором, в стерильную пластиковую бутылку быстрым движением против течения воды. Плотно закрытая бутылка помещается в специальный бокс для переноски проб. Всего отобрано 7 проб.

Пробы доставили в лабораторию Лимнологического института и сразу провели органолептический анализ. Органолептическими свойствами воды называются те ее параметры, которые воспринимаются органами чувств человека и оцениваются по интенсивности их восприятия. К ним относятся вкус и привкус, запах, окраска, мутность, осадок. Исследование на вкус и привкус не проводили, так как предполагали наличие биозагрязнений. Результат занесен в таблицу 3.

Фотоотчет по этапам практической работы представлен в приложении 3.

Таблица результатов органолептического анализа воды рек г. Иркутска. Выполнено автором 13 октября 2024 года Таблица 3

Пробы воды из рек г. Иркутска, взяты автором 13.10.2024 г.

2.4 Лабораторные исследования

Всего отобрано и проанализировано 7 проб. Качество вод в реках оценивали по санитарно-микробиологическим показателям: ОКБ, ОМЧ, энтерококки и коэффициент самоочищения, руководствуясь МУК 4.2.1884-04 [3] и СанПиН 1.2.3685-21 [2].

Определение показателя ОМЧ (общая микробная численность) ‒ это количественный показатель,отражающий общее содержание мезофильных аэробных и факультативно анаэробных микроорганизмов в 1 см³ исследуемой воды. Соотношение значений показателя ОМЧ, определенных при температурах 22 и 37°С – коэффициент самоочищения (КС), с помощью которого можно оценить активность и состояние процессов самоочищения природных водоемов.

Определение ОМЧ – сначала в чашки Петри заливается 1см³ проба воды, дальше чашки заливают питательным агаром (45-50°С). Пробы ставят в термостат 37°С на 48ч. После инкубации подсчитывают все выросшие колонии в чашках. Чашки с ползучим ростом бактерий, распространившихся на всю поверхность чашки или на значительные зоны, маскирующие рост других колоний, исключают. Результат выражают либо дробным числом, либо целым числом КОЕ в 1см³, округляя в сторону увеличения (5,1=6 КОЕ КОЕ/см³)

Определение ОКБ и E.Coli

ОКБ – обобщенные колиформные бактерии и E.Coli – бактерии группы кишечной палочки, при микробиологическом исследовании являются маркером фекального загрязнения воды.

Определение ОКБ – прокипятить фильтры мембранные 3 раза в дистиллированной воде, прожечь воронки вакуумной фильтровальной установки и установить в него прокипяченные фильтры. Следом налить в воронки 100 см³ пробы. После фильтрации переложить фильтры в чашки Петри со средой эндо и переложить их в термостаты (37^оС) на 48ч. При отсутствии роста каких-либо колоний на фильтрах или при наличии только пленчатых, губчатых, с неровной поверхностью и краями, плесневых и других нехарактерных для колиформных бактерий колоний выдают отрицательный результат.

Следом отбираются лактозоположительные и лактозоотрицательные. Лактозоположительные (с отпечатком): темно-красные, красные с мет. блеском и без него, слизистые с темно-малиновым центром. Лактозоотрицательные: розовые без отпечатка на обратной стороне фильтра. Дальше определяется окраска по Граму, розовые – грамотрицательные, фиолетовые – грамположительные. Тест на лактозу при 37^оС от 4-6ч до 48ч выделение кислоты и газа. Тест на глюкозу при 37^оС от 4-6ч до 48ч выделение кислоты и газа. Если колонии изолированы и можно подсчитать число колоний на фильтре и выражают КОЕ/100см³, «Обобщенных колиформных бактерии … КОЕ/100 см³», «E.Coli … КОЕ/100 см³», «сплошной рост», «в 100см³ не обнаружены».

Количество ОМЧ при 37°С позволяет оценить количество аллохтонной микрофлоры (внесённой в водоем в результате антропогенного загрязнения) и количество ОМЧ при 22°С автохтонной микрофлоры (типичной для конкретной экосистемы). Эта разница более выражена при завершении процесса самоочищения (КС равен 4 и выше). В местах загрязнения хозяйственно-бытовыми сточными водами численные значения обеих групп близки. Лактозоположительные грамотрицательные – рост на лактозном бульоне с борной кислотой при 44^оС от 24 ч. Помутнение и выделение газа свидетельствует о присутствии E.Coli.

Нормируемые уровни выше перечисленных показателей проанализированы. В случаях несоответствия пробы воды хотя бы по одному показателю, проба считается нестандартной. Уровни значений ОКБ и ТКБ (термотолерантные колиформные бактерии входят в число ОКБ) в водоемах, загрязняемых сточными водами, близки. По мере удаления от источника загрязнения и воздействия факторов самоочищения различия в численности этих групп индикаторов возрастают.

Результаты микробиологических исследований на показатели загрязнения воды рек г. Иркутска сведены в таблицу №4.

Таблица результатов микробиологических исследований воды рек г. Иркутска.

Таблица 4

Красным цветом в таблице выделены результаты, превышающие допустимые значения. В трех пробах из семи обнаружены следы фекального загрязнения воды.

Результаты

Всего отобрано и проанализировано 7 проб, исследования проводили по MUK 4.2.3963-23 [3] и GOST 24849-2014 [4]. На всех станциях дана оценка качества вод по основным санитарно-микробиологическим показателям согласно SanPiN 1.2.3685-21 [2].

При сравнительном анализе результатов исследования поверхностных прибрежных вод рек г. Иркутска установлено, что число аллохтонных органотрофных микроорганизмов в октябре варьировало от 1 до 277 КОЕ/см³, ОКБ от 6 до 31 400 КОЕ/100 см³, E. coli от 0 до 1 070 КОЕ/100 см³, энтерококки от 2 до 428 КОЕ/100 см³. Высокую численность условно-патогенных бактерий и превышение нормативных значений исследуемых показателей наблюдали в трех пробах - это реки Кая, Ушаковка и безымянный ручей, впадающий в Иркут. Так в пробе № 2 (безымянный ручей, пос. Горького) превышали норматив поверхностных вод ОКБ в 2.2 раза, E. coli в 9.1 раз, энтерококки в 15.1 раз. В пробе № 4 (р.Ушаковка, около Ушаковского моста) КС составил 0.8, ОКБ превышал в 3.4 раза, E. coli в 10.7 раза и энтерококки в 40.1 раз. Наличие высокой численности условно-патогенных бактерий в осенний период в реках Кая, Ушаковка и безымянном ручье, впадающем в Иркут, вероятнее всего обусловлено антропогенной нагрузкой.

Таким образом, в результате работы в пробах № 2, 4 и 7 выявлен повышенный уровень антропогенной нагрузки на водные экосистемы. Наличие повышенного количества энтерококков в этих пробах говорит о попадании в них сточных вод с фекальными загрязнениями. Это значит, что воду из этих мест: ручей, впадающий в Иркут, р. Ушаковка и р. Кая, нельзя использовать местными жителями ни для каких рекреационно-бытовых целей.

Кроме того, при работе над исследованием, у автора возникло желание более полно изучить характеристики рек города Иркутска, и к микробиологическим измерениям добавить химические показания качества воды. По совету руководителя проекта прошел обучение на профильной смене образовательного центра Персей «Гидрохимия» 20 – 26 ноября 2024 года. Темы профильной смены:

- Основы гидрохимии и её роль в жизни каждого человека.
- Практика анализа воды с использованием современных лабораторных методов.
- Методы улучшения качества питьевой и бытовой воды.
- Навыки самостоятельного исследования и оценки качества воды.

Так же участники смены получили представление об Автоматизированной информационной системе государственного мониторинга водных объектов [1]. Новые знания могут быть применены для дополнительного исследования по выбранной теме, для проведения химического анализа речной воды в черте города Иркутска.

Пробы, взятые из реки Ангары, показали, что в Ангаре в октябре воду можно считать чистой, она соответствует нормативу для поверхностных вод, возможно, за счет более высокого значения коэффициента самоочищения. Но пить без очистки ее нельзя.

Можно предположить, что в летний период количество патогенной микрофлоры, попавшей в водоем в результате антропогенного загрязнения, выше осенних значений и может представлять угрозу для здоровья населения. Также, в связи с глобальным потеплением, с повышением сезонных температур воды, в реках Иркутска могут возникать условия, благоприятные для патогенных микроорганизмов, не только в летний, но и в осенне-весенние периоды. Поэтому важно не допускать микробное заражение вод. Требуются меры эффективной преграды от биологического загрязнения водных ресурсов. Без таких мер невозможно устойчивое развитие города и региона.

Выводы

1. Собрана и изучена информация о реках города Иркутска, выбраны точки взятия проб.

2. Получены личные навыки и умения, необходимые для проведения микробиологического анализа проб воды в лаборатории под наблюдением научного консультанта.

3. Изучены нормативные документы, правила и порядок проведения микробиологического исследования; предельно допустимые концентрации патогенов. Рассмотрены научные статьи о путях и методах сохранения качества воды природных водотоков и водоемов.

4. Отобрано 7 проб на реках в черте города Иркутска. Проведено исследование проб в лаборатории и по методикам ЛИН СО РАН.

5. Проанализированы полученные результаты: в трех пробах из семи выявлен высокой уровень численности условно-патогенных бактерий, воду из ручья, впадающего в Иркут недалеко от ж/д моста, р. Ушаковка и р. Кая, нельзя использовать местными жителями ни для питья, ни для каких рекреационно-бытовых целей.

Список литературы и интернет источников

1. Автоматизированная информационная система государственного мониторинга водных объектов https://gmvo.skniivh.ru/index.php?id=296 (дата обращения 25.11.2024)

2. Санитарные правила и нормы СанПиН 1.2.3685-21 "Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов среды обитания" https://www.eisspb.ru/files/SanPiN2.1.3685-21Hygienicstandards.pdf (дата обращения 25.06.2024)

3. Мук 4.2.3963-23 Методические указания. Методы контроля. Биологические и микробиологические факторы https://docs.cntd.ru/document/1304575302?ysclid=m4544z24p9304524083 (дата обращения 13.10.2024)

4. ГОСТ 24849-2014 Межгосударственный стандарт. Вода. Методы санитарно-бактериологического анализа для полевых условий https://docs.cntd.ru/document/1200115427?ysclid=m454flvquf723491281 (дата обращения 10.10.2024)

5. ГОСТ 31942-2012 (ISO 19458:2006) Межгосударственный стандарт. Вода. Отбор проб для микробиологического анализа https://cdn.termexlab.ru/files/1d914721/9908/4055/8228/29a4b6edcc41.pdf (дата обращения 20.09.2024)

6. Статья «Характеристика микробного сообщества реки ангары»Е. В. Анганова, А. В. Духанина, Е. Д. Савилов https://cyberleninka.ru/article/n/harakteristika-mikrobnogo-soobschestva-reki-angary-irkutskaya-oblast/viewer (дата обращения 15.09.2024)

7. Статья «Мониторинг санитарно-микробиологического состояния пелагиали озера Байкал и устьев впадающих в него крупных рек с 2010 по 2015 г.»

Ю. Р. Штыкова, М. Ю. Суслова и т.д. https://cyberleninka.ru/article/n/monitoring-sanitarno-mikrobiologicheskogo-sostoyaniya-pelagiali-ozera-baykal-i-ustiev-vpadayuschih-v-nego-krupnyh-rek-s-2010-po-2015-g (дата обращения 01.07.2024)

8. Статья «Новые подходы для оценки микробной безопасности вод водохранилищ источников водопотребления» В.В. Парфенова, М.Ю. Суслова, В.П. Саловарова, Г.В. Юринова, Н.Л. Бельковаhttps://cyberleninka.ru/article/n/novye-podhody-dlya-otsenki-mikrobnoy-bezopasnosti-vod-vodohranilisch-istochnikov-vodopotrebleniya(дата обращения 16.11.2024)

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение 1

Места отбора проб для исследования

Приложение 2

Таблица полевых наблюдений воды рек г. Иркутска. Выполнено автором 6 октября 2024 года

Таблица 2

Приложение 3

Фотоотчет исследования. Полевые исследования 06.11.2024г.

Замер жесткости и кислотности воды на реках в черте г. Иркутска

Фотоотчет исследования. Забор проб в черте г. Иркутска 13.11.2024г.

р. Иркут около ж\д моста –проба №1

Ручей, впадает в р. Иркут около ж\д моста – проба №2

р. Ангара ул. Полярная (ост. Мясокомбинат)- проба №3

р. Ушаковка (мост Ушаковский) – проба №4

р. Ушаковка (мост ул. Энгельса) –проба №5

р. Ангара водохр. ул. Якоби – проба №6

р. Кая (ж\д мост) – проба №7

Замер температуры воды термометром с выносным датчиком

Фотоотчет исследования. Работа в лаборатории. Прямой посев

Помещение пробы в питательную среду

Фотоотчет исследования. Работа в лаборатории. Метод фильтрования

обработка проб методом фильтрования

Результат определения пробы на E.coli

Фотоотчет исследования. Результаты.

Выращенные колонии на разных пробах

Определение энтерококков

Пробы на лабораторном столе после выдержки в термостате

Колонии в среде Эндо