КОРРЕЛЯЦИОННАЯ ЗАВИСИМОСТЬ ЖЕСТКОСТИ И МИНЕРАЛИЗАЦИИ ВОДЫ В ИСКУССТВЕННЫХ ВОДОЕМАХ

АННОТАЦИЯ

В данной статье проанализирована корреляционная зависимость между жесткостью воды и показателями минерализации 25 искусственных озер в период 2024-2025 гг., рассматриваемых в качестве потенциальных индикаторов водной среды в рыбохозяйственных водоемах. Анализ исследований показал, что в искусственных озерах, относящихся к 1-й, 2-й и 4-й группам, с увеличением минерализации наблюдается рост жесткости воды (r=0,12-0,69), что свидетельствует о доминировании двухвалентных катионов. Однако в водных средах искусственных озер 3-й и 5-й групп была зафиксирована отрицательная корреляция (r=-0,69) между жесткостью и минерализацией. Отрицательная корреляционная связь в озерах 3-й группы может быть обусловлена высокой фотосинтетической активностью и обилием микроводорослей, активное поглощение которыми диоксида углерода приводит к повышению уровня pH (в наблюдениях pH до 8,3). Это, в свою очередь, способствует выпадению карбоната кальция в осадок, что потенциально влияет на динамику минерализации. В ходе анализа корреляционных связей было установлено, что во всех изученных озерах сохраняется высокая буферная емкость водной среды. Данное состояние, а также интенсивное усвоение кальция и магния гидробионтами и дискретность корреляционных связей в водах искусственных озер, объясняются влиянием двух факторов: происхождением воды и притоком грунтовых вод, что обуславливает вариативность полученных результатов. Результаты исследования могут служить научной базой для изучения закономерностей распределения солей в искусственных водоемах рыбохозяйственного назначения

ABSTRACT

This article analyzes the correlation between water hardness and mineralization parameters across 25 artificial lakes during 2024-2025, serving as potential indicators of the aquatic environment in aquaculture ponds. Research analysis revealed that in artificial lakes belonging to Groups 1, 2, and 4, water hardness increases proportionally with mineralization (r=0.12-0.69$), indicating the predominance of divalent cations. Conversely, a negative correlation (r=-0.69) between water hardness and mineralization was recorded in the aquatic environments of artificial lakes in Groups 3 and 5. The negative correlation in Group 3 lakes is attributed to high photosynthetic activity and an abundance of microalgae; the intensive assimilation of carbon dioxide by these organisms leads to an increase in pH (observed at pH 8.3), which triggers the precipitation of calcium carbonate, subsequently affecting mineralization trends. Correlation analysis further demonstrated that a high buffering capacity of the aquatic medium was maintained in all studied lakes. This phenomenon, along with the robust uptake of calcium and magnesium by hydrobionts and the discreteness of correlations in artificial lake waters, is explained by two primary factors: the origin of the water and the influx of groundwater, both of which influence the variability of the findings. The obtained results may serve as a scientific resource for studying the patterns of salt distribution in artificial water bodies specialized for aquaculture.

Ключевые слова: искусственные водоемы; гидрохимический анализ, общая жесткость воды, общая минерализация воды, корреляционная зависимость.

Keywords: artificial water bodies; hydrochemical analysis, total water hardness, total water mineralization, correlation.

Введение. В мировой практике показатели использования природных кормовых ресурсов различаются, однако в обобщённом виде можно отметить, что в развитых странах, а также в странах Африки, природные кормовые ресурсы широко используются в рыбохозяйственных отраслях как эффективный и устойчивый источник питания. В частности, в отчёте ФАО «Состояние мирового рыболовства и аквакультуры за 2024 год» данный подход обозначен как «голубая трансформация». В рамках этой концепции при устойчивом выращивании рыбы рекомендуется более активно использовать природные корма, сокращать применение химических продуктов и обеспечивать экологическую устойчивость рыбоводства.

В процессе выращивания широко рассматриваются пути использования усовершенствованных альтернативных технологий контроля уровня загрязнения воды и управления отходами [FAO, 2024]. Кроме того, особое внимание уделяется эффективному использованию природных ресурсов (естественных кормовых источников) в водах рыбоводных бассейнов, стабилизации химического состояния воды в водоёме, переработке рыбохозяйственных отходов, а также мониторингу их роли в сохранении биологического разнообразия [FAO, 2024].

На мировом уровне также расширяется проведение научных исследований в данном направлении. В частности, кормовые насекомые (H. illucens, M. domestica, T. molitor и др.) и макрофиты (ряска малая, азолла, пистия, эйхорния и др.) рассматриваются как устойчивые источники кормовой базы в рыбоводстве [Fantatto et al., 2024]. Кроме того, при анализе питательной ценности микроорганизмов (дрожжи, бактерии, грибы и др.), микроводорослей и макрофитов, широко используемых в качестве питательных кормовых источников в рыбоводстве, можно отметить, что кормовые насекомые могут рассматриваться как конкурентоспособный объект среди нетрадиционных кормовых источников [Fantatto et al., 2024], однако это также указывает на необходимость детального анализа перспектив и проблем использования данных объектов для сохранения и оздоровления окружающей среды [Roberts et al., 2024].

В результате научных исследований установлено, что с экологической точки зрения одной из наиболее серьёзных проблем является стабилизация химического состава технических вод, используемых в рыбоводстве. В связи с этим требуется разработка и внедрение технологий рекультивации технических вод, поступающих из временных водоёмов, предназначенных для выращивания однолетней и многолетней продукции.

Применение технологий биологической рекультивации на практике позволяет одновременно осуществлять биологический мониторинг и биологическую очистку, а также создавать кормовую базу для рыбохозяйственной отрасли.

С целью оценки перспектив и возможностей применения технологий биологической рекультивации в местных условиях целесообразно проведение исследований, направленных на анализ показателей использования природных кормовых ресурсов в данных условиях.

Благодаря высокой способности к выращиванию, а также относительно низкому риску засорения рыбохозяйственных и сельскохозяйственных коллекторов и арыков, представители семейства Lemnaceae — Lemna minor (Lemna minor) и Lemna gibba (Lemna gibba) — считаются одними из наиболее ценных высших водных растений, обладающих высокой питательной ценностью для рыбоводства и птицеводства в местных условиях [Khujamshukurov et al., 2022; Mirzaeva et al., 2021]. Представители данного рода (макрофиты) являются одними из наиболее широко и всесторонне изученных растений, обладающих высокой практической значимостью для различных отраслей экономики [Landolt, 1986; Hasan et al., 2009; Buzby et al., 2014]. Ряска малая отличается способностью эффективно усваивать минеральные соли из воды, а также играет важную роль в повышении содержания растворённого кислорода, и характеризуется пригодностью в качестве корма для растительноядных рыб всех возрастных групп [Kabir et al., 2009; Ibrahim et al., 2023]. Кроме того, ряска малая обладает как половым, так и вегетативным способом размножения, а также отличается лёгкостью культивирования в различных климатических условиях, включая стоячие, слабопроточные и ограниченные водные экосистемы, а также участки с замедленным течением [Leng et al., 1995; Datta, 2012; Demmig-Adams et al., 2022].

Ещё одним важным значением макрофитов и микроводорослей в водных бассейнах является их способность использовать солнечную энергию и в процессе фотосинтеза эффективно преобразовывать углекислый газ в кислород и углеводы, а также предотвращать чрезмерный перегрев воды в жаркие дни и обеспечивать условия для сохранения зоопланктона, который играет крайне важную роль для рыб, за счёт обитания в прикорневой зоне растений [Rossana Sallenave, 2019; Pahalvi et al., 2021; Naseem et al., 2021; Jha, 2021].

Кроме того, на фоне увеличения содержания минеральных веществ в водной среде наблюдается рост количества фитопланктона, таких как микроводоросли и цианобактерии. Основной механизм этого явления объясняется односторонним усвоением элементов пищевой цепи водной среды, накоплением избыточного количества минералов, а также неконкурентным развитием микроводорослей. Наряду с этим способность макрофитов эффективно усваивать минеральные вещества играет важную роль в балансировании уровня минерализации водной среды.

Также микроводоросли, активно усваивая неорганические вещества, способствуют снижению уровня минерализации водной среды. Однако одной из наиболее серьёзных проблем является выбор и управление оптимальными интегрированными соотношениями высших водных растений (макрофитов), фитопланктона (микроводорослей) и зоопланктона (дафний) в естественной среде.

В условиях местного рыбоводства, в частности в искусственных озёрах, можно отметить, что основное внимание уделяется двум направлениям:

Во-первых, в условиях искусственных озёр предпринимаются меры по увеличению численности зоопланктона, в частности дафний, как основного природного кормового источника для рыбоводства. Например, непосредственно в водную среду вносятся различные органические вещества, включая разложившийся навоз сельскохозяйственных животных (крупного рогатого скота, овец и птицы). Это усиливает процессы гниения и брожения, увеличивает количество органических остатков и приводит к резкому росту микроводорослей в водной среде. После значительного увеличения количества микроводорослей применяется практика хлорирования воды для их снижения, что, в свою очередь, приводит к дополнительной минерализации воды, создаёт серьёзную угрозу для здоровья рыб и вызывает резкое сокращение популяции зоопланктона, являющегося живой кормовой базой.

Во-вторых, с целью использования личинок различных насекомых в качестве природного кормового источника, вдоль берегов искусственных водоёмов устанавливаются сетчатые конструкции, на которые размещаются неразложившийся навоз и различные сельскохозяйственные отходы для стимулирования естественного размножения насекомых. В результате естественного размножения насекомых их личинки, проходя через сетку, попадают в водную среду, тем самым формируя дополнительную кормовую цепь для рыб. Однако и в данном случае возникает дополнительное органическое загрязнение воды, её заражение различными микробиологическими объектами, увеличение числа заболеваний рыб, а также риск возникновения неконтролируемых инфекционных и энтомологических процессов, что в конечном итоге оказывает прямое отрицательное влияние на продуктивность рыб.

В-третьих, в условиях искусственных рыбоводных водоёмов также применяется технология дополнительного стимулирования питания рыб путём раздельного выращивания микроводорослей и дафний с последующим искусственным внесением их в водную среду. Однако и в данном случае недостаток практических навыков, а также отсутствие необходимых условий для организации непрерывного производства ограничивают возможности обеспечения всех водных экосистем достаточным количеством естественных кормовых ресурсов, что остаётся одной из актуальных проблем, требующих решения.

Исходя из системных целей наших исследований, были проведены работы, направленные на относительно минимизацию процессов минерализации водной среды в искусственных водоёмах, а также на поддержание стабильного уровня обеспеченности фитопланктоном и зоопланктоном.

В этой связи можно отметить, что выращивание макрофитов в ограниченных зонах искусственных водоёмов может выполнять не только функцию предотвращения перегрева воды и её испарения, но и обеспечивать защиту дафний от солнечного излучения. Кроме того, выращивание макрофитов в ограниченных участках искусственных водоёмов способствует снижению содержания минеральных веществ в водной среде, а также может служить дополнительным источником питания для рыб, что позволяет выдвинуть соответствующую научную гипотезу.

Цель работы. В связи с этим в ходе наших исследований были изучены показатели общей жёсткости и минерализации воды, являющиеся одними из экологически значимых индикаторов, на основе обобщённых гидрохимических данных, полученных в 25 искусственных водоёмах рыбохозяйственного назначения за 2024–2025 годы.

Материалы и методы. В исследованиях применялись общепринятые гидрохимические, фотометрические, титриметрические, потенциометрические, колориметрические методы, а также анализ цвета и качества воды в соответствии со стандартами [Обиджони, 2022; Strokach et al., 1980; Lurie, 1989]. В частности, общая жёсткость воды (содержание кальция) в исследуемых искусственных водоёмах определялась традиционным методом [Обиджони, 2022] путём титрования раствором трилона Б с использованием хромогенных и флуоресцентных индикаторов, при этом оценка проводилась по переходу окраски от красно-фиолетового к синему цвету [Strokach et al., 1980; Lurie, 1989].

Также для определения гидрокарбонатов использовались общепринятые гидрохимические методы [Alekin, 1970]. В частности, содержание хлоридов определялось аргентометрическим методом с титрованием раствором нитрата серебра, нитрат-ионы — с использованием реактива Грисса, а сульфат-ионы — с применением реактива, состоящего из хлорида бария и этилового спирта гликоля, с последующей очисткой от примесей и нейтрализацией среды (гидрокарбонатных и карбонатных ионов) с использованием соляной кислоты [Lurie, 1989].

Полученные результаты и их обсуждение. Согласно полученным результатам, установлено, что уровень общей жёсткости и минерализации в искусственных водоёмах несколько превышает установленные нормативы. В частности, за последние три года отмечено увеличение жёсткости воды. При обобщённом анализе результатов, полученных в 2024–2025 годах, по сравнению с показателями на момент создания водоёмов в 2021 году, зафиксировано повышение уровня жёсткости, то есть все искусственные водоёмы перешли в категорию жёсткой воды (1).

Рисунок 1. Фотография. Общая жёсткость искусственных водоёмов (2024–2025 гг.)

На основании результатов анализа отмечено, что показатель жёсткости воды всех искусственных водоёмов начинается с значения 8,02 мг-экв./л и увеличивается до значения 9,94 мг-экв./л. Из научных данных известно, что жёсткость воды непосредственно влияет на рост, развитие, выживаемость, репродуктивные показатели и эмбриологию рыб [Khandagale et al., 2021].

Кроме того, жёсткость воды, входя в ряд различных экологических определяющих факторов, оказывает влияние на нарушение функционирования рецепторов усвоения элементов у рыб, тем самым непосредственно влияя на рост рыб [Makori et al., 2017], и при уровне выше или ниже нормативного количества изменяет показатели роста [Lacoul et al., 2006].

Одним из наиболее важных экологических абиотических факторов является степень минерализации воды, которая характеризуется непосредственным воздействием на экобиологические процессы в водной среде. Известно, что минералы в водной среде являются крайне важными показателями для жизнедеятельности рыб, и в научных источниках отмечено, что высокая минерализация воды влияет не только на нормальный рост и развитие рыб, но и непосредственно на состав минералов в организме рыб [Kosińska et al., 2026].

В связи с этим в качестве потенциального индикатора водной среды была изучена степень минерализации за 2024–2025 годы (рис. 2). При анализе полученных результатов отмечено, что водная среда озёр №1 (1709,99) и №2 (1948,82 мг), относящихся к 1-й группе, по показателям минерализации наряду с тем, что находится на уровне слабой засолённости, также находится на границе перехода к засолённому уровню.

Согласно полученным результатам, по сравнению с результатами 2021 года, в результатах 2024–2025 годов наблюдается, что 92% (2064,98–2434,99 мг/л) изученных искусственных водоёмов перешли в засолённые зоны.

Рисунк 2. Фотография.

Общая минерализация воды искусственных водоёмов (2024–2025 гг.)

Также, несмотря на то, что водоёмы с крайне высокой степенью засолённости не были отмечены, установлено, что озёра №5, №16 и №21 находятся на стадии перехода от засолённого уровня к крайне засолённому состоянию. На основании полученных результатов при анализе взаимной корреляционной зависимости показателей жёсткости и минерализации воды 25 водоёмов было отмечено наличие различных химических динамических состояний в формировании водной среды (рис. 3). В частности, согласно гидрохимическим закономерностям, минерализация и жёсткость воды обычно должны иметь выраженный положительный корреляционный характер, что объясняется тем, что ионы кальция и магния составляют основную часть общего количества растворённых солей [Boyd, 2015].

Рисунок 3. Фотография.

Зависимость жёсткости и минерализации воды искусственных водоёмов (2024–2025 гг.)**

Анализ исследований показал, что в водах искусственных водоёмов, относящихся к 1–2 и 4 группам, с увеличением минерализации наблюдается также увеличение жёсткости воды (r=0,12–0,69). Это свидетельствует о преобладании двухвалентных катионов и считается традиционной моделью в гидрохимии. Однако в водных средах искусственных водоёмов, относящихся к 3 и 5 группам (r=−0,69), в корреляционной зависимости между жёсткостью воды и минерализацией наблюдается отрицательная корреляция.

Данное явление можно объяснить интенсивным усвоением кальция и магния гидробионтами в воде. В связи с этим дискретность, то есть разрозненность, такого характера корреляционной зависимости в водах изученных искусственных водоёмов может быть объяснена влиянием двух факторов — происхождением воды, а также выходом грунтовых вод в водную среду, и в целом влиянием на изменчивость полученных результатов [Wetzel, 2001].

Также отрицательная корреляционная зависимость в озёрах, относящихся к 3-й группе, указывает на фотосинтетическую активность в данных водоёмах. Это объясняется большим количеством микроводорослей в водной среде и активным усвоением ими углекислого газа, в результате чего показатель pH среды повышается (в наблюдениях pH–8,3), что приводит к выпадению карбоната кальция в осадок, что, в свою очередь, могло привести к увеличению минерализации воды. В ходе анализа корреляционной зависимости было установлено, что во всех озёрах сохраняется высокая буферная способность водной среды.

Заключение. Согласно полученным результатам, корреляционная зависимость показателей жёсткости и минерализации воды в исследованных водоёмах не подчиняется единой линейной закономерности. Это, в свою очередь, показывает, что при работе с каждым искусственным водоёмом необходимо учитывать однородность поступающей воды, близость грунтовых вод, наличие дополнительных источников поступления воды, а также требует индивидуального подхода при управлении гидрохимическим режимом искусственных водоёмов [Aghazadeh, 2010; Krishnan et al., 2021].

Полученные результаты соответствуют теориям, отмеченным в научных источниках, и могут служить источником при изучении закономерностей распределения солей в искусственных водоёмах, специализированных для рыбоводства.

Список литературы:

1. Pahalvi HN, Rafiya L, Rashid S, Nisar B, Kamili AN. Chemical fertilizers and their impact on soil health. In: Dar GH, Bhat RA, Mehmood MA, Hakeem KR, editors. Microbiota and biofertilizers, ecofriendly tools for reclamation of degraded soil environs. Cham: Springer; 2021. p. 1-20. https://doi.org/10.1007/978-3-030-61010-4_1
2. Naseem S., Bhat S.U., Gani A., Bhat F.A. Perspectives on utilization of macrophytes as feed ingredient for fish in future aquaculture. Rev Aquac. 2021; 13:282-300. https://doi.org/10.1111/raq.12475
3. Jha Y. Macrophytes as a potential tool for crop production by providing nutrient as well as protection against common phyto pathogen. Highlights BioSci. 2021; 4:202103. https://doi.org/10.36462/H.BioSci.202103
4. Rossana Sallenave. 2019. Understanding water quality parameters to better manage your pond. New Mexico State University, Las Cruces, NM. Guide W-104. P.4.
5. Ibrahim M.A., Ibrahim M., Abbator A., Auwal S., Saba A.O. 2023. Distribution and Bioresource Potential of Duckweed (Lemna minor L.) in Maiduguri, Nigeria. UMYU Scientifica, 2(3), Pp.53-59. https://doi.org/10.56919/usci.2323.009
6. Demmig-Adams B., López-Pozo M., Polutchko S.K., Fourounjian P., Stewart J.J., Zenir M.C., Adams W.W. 2022. Growth and nutritional quality of lemnaceae viewed comparatively in an ecological and evolutionary context. Plants, 11(2), 145. https://doi.org/10.3390/plants11020145
7. Kabir A., Hossain M.A., Rahman M.S. 2009. Use of duckweed as feed for fishes in polyculture //Journal of Agriculture & Rural Development.  -С.157-160.
8. Datta S. 2012. Aquarium water quality management //FISHCOOPS Edition. Т.25. №.3.-С.9-16.
9. Leng R. A., Stambolie J. H., Bell R. Duckweed-a potential high-protein feed resource for domestic animals and fish //Livestock Research for Rural Development. -1995. -Т.7. -№.1. -С. 36.
10. Landolt E. 1986. Biosystematic investigations in the family of duckweeds (Lemnaceae) (Vol. 2.) The family of Lemnaceae-a monographic study. vol. 1 //Veroff Geobot. Inst. ETH. -1986. -Т.71. -С.1-563.
11. Hasan M.R., Chakrabarti R. 2009. Use of algae and aquatic macrophytes as feed in small-scale aquaculture: a review. FAO Fisheries and Aquaculture Technical Paper. No. 531. Rome, FAO. 2009. 123 p.
12. Buzby Karen M., Lin Lian-Shin. 2014. Scaling aquaponic systems: Balancing plant uptake with fish output. Aquacultural Engineering, (63). Pp.39-44. https://doi.org/10.1016/j.aquaeng.2014.09.00
13. Makori A.J., Abuom P.O., Kapiyo R., Anyona D.N., Dida G.O. 2017. Effects of water physico-chemical parameters on tilapia (Oreochromis niloticus) growth in earthen ponds in Teso North Sub-County, Busia County. Fisheries and aquatic sciences; 20(1):30. https://doi.org/10.1186/s41240-017-0075-7
14. Lacoul P., Freedman B. 2006. Relationships between aquatic plants and environmental factors along a steep Himalayan altitudinal gradient. Aquatic Botany.; 84:3-16. https://doi.org/10.1016/j.aquabot.2005.06.011
15. Khandagale D.K., Pradhan V. 2021. Importance of water pH and hardness on fish biological processes. IJSDR, Vol. 6, Issue 1. Pp.8-11.
16. Kosińska B., Mystkowska I. 2026. The mineral content of fish muscles as an indicator of water quality in Baltic and Scandinavian areas. Journal of Ecological Engineering, 2026, 27(3), 150-156. https://doi.org/10.12911/22998993/212550
17. Boyd C.E. 2015. Water Quality: An Introduction. Springer, Berlin. P.401. https://doi.org/10.1007/978-3-319-17446-4
18. Wetzel R.G. 2001. Limnology: Lake and River Ecosystems. Third Edition, Academic Press, San Diego, 1006 p.
19. Aghazadeh N., Mogaddam A.A. 2010. Assessment of Groundwater Quality and its Suitability for Drinking and Agricultural Uses in the Oshnavieh Area, Northwest of Iran. Journal of Environmental Protection, 2010, 1, 30-40. http://dx.doi.org/10.4236/jep.2010.11005
20. Krishnan N., Saravanan S. 2021. Assessment of Groundwater Quality and Its Suitability for Drinking and Irrigation Usage in Kanchipuram District of Palar Basin, Tamilnadu, India. Pol. J. Environ. Stud. Vol. 31, No. 3 (2022), 2637-2649. https://doi.org/10.15244/pjoes/144914
21. Обиджони Ш.К. Гидрохимические свойства и состав воды Нурекского водохранилища. Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2022. Вып. 3. -C. 54-60.
22. Strokach P.P., Kulsky L.A. Workshop on natural water purification technology: textbook. manual for Universities. Moscow: Higher School, 1980. 316 p.
23. Lurie Yu.Yu. Unified methods of water analysis: textbook. handbook for Universities / Lurie Yu.Y. M: Chemistry, 1989. 376 p.
24. Alekin O.A. Fundamentals of hydrochemistry. L.: Hydrometeoizdat, 1970. 444 p.