Способ определения устойчивости водной экосистемы к внешнему загрязнению

 

Использование: изобретение относится к охране окружающей среды, а именно к контролю за экологическим состоянием водоемов и за уровнем нарастающего загрязнения водоемов, и может быть использовано при проведении мониторинга и перспективного прогнозирования состояния водоемов. Сущность изобретения: проводят измерение величины окислитель но-восстановительного потенциала Eh в слое донного осадка глубиной до 10 см через каждые 0,5-5,0 см и по величинам и характеру их распределения по глубине , используя соответствующие оценочные коэффициенты, определяют устойчивость водоема к внешнему загрязнению. Способ достоверен, прост, применим для всех водоемов позволяет предсказывать возможнотсь или невозможность быстрого эвтрофирования или деградации водоема 6 ил

МЩ®яфс;- « "Й, ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ

ИБЛ 1 РТ-1», (21) 5040295/13 (22) 28.04.92 (46) 07.09.93. Бюл. М 33 — 36 (75) Токарев В.Г,. Трибрат И.Н, (73) Токарев В.Г.

Комитет Российской Федерации по патентам и товарным «накам (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ ВОДНОЙ ЭКОСИСТЕМЫ К ВНЕШНЕМУ ЗАГРЯЗНЕНИЮ (57) Использование: изобретение относится к охране окружающей среды. а именно к контролю за экологическим состоянием водоемов и зэ уровнем нарастающего загрязнения водоемов. и может быть использовано при проведении мониторинга и

Изобретение относится к охране окружающей среды, а именно к контролю за экологическим состоянием водоемов и за уровнем нарастающего загрязнения водоемов. Оно может быть использовано при проведении мониторинга и перспективного прогнозирования состояния водоемов, при планировании использования водоема для решения определенных народнохозяйственных задач: оценки пригодности использования водоемов для разведения рыбы и других водных организмов и возможности использования водоемов для дальнейшей нейтрализации промышленных малоочищенных стоков, а также при рекультивации водоемов, Устойчивость экосистемы — это ее способность сохранять свою структуру и функциональные особенности при воздействии внешних факторов.

„„ЯЦÄÄ 2000054 С (5I)5 д 01 К 61/00. Сэ 01 N 33/18 перспективного прогнозирования состояния водоемов. Сущность изобретения: проводят измерение вели.ины окислигельно-восстановительного потенциала Eh в слое донного осадка глубиной до 10 см через каждые 0,5-5,0 см и по величинам и характеру их распределения по глубине, используя соответствующие оценочные коэффициенты, определяют устойчивость водоема к внешнему загрязнению. Способ достоверен, прост, применим для всех водоемов позволяет предсказывать возможнотсь или невозможность быстрого эвтрофирования или деградации водоема. бил, Известно, что устойчивость водной экосистемы к внешнему загрязнению может быть определена лишь после суммарного анализа результатов, полученных при оценке различных сторон состояния или деятельноСти водной экосистемы, которую осуществляют, например, методами биоиндикации, по сохранению видового и количественного состава, по прямому определению всех изменений в биологической структуре водоема, по изменению соотношения устойчивых и чувствительных организмов, определением и сопоставлением с заранее определенными "экологическими ПДК" концентраций химических загрязняющих веществ, способных привести к гибели организмов, Все эти мтеоды трудоемки, продолжительны по времени и не всегда приводят к получению достоверных результатов. Кроме этого, при изменении спектра загрязняю2000054 щих веществ надо начинать изучение снова, В;,;аэличных водоемах срабатывают свои отдельные закономерности, т,к в них обитают различные организмы, используемые в качестве биоиндикаторов т.е. все методы биоиндикации не универсальны. Кроме тго. зависимость между экологическими параметрами не всегда однозначна и не прямолинейна, а также изменяется во времени.

Связь между изменениями абиотических факторов и биологическими показателями проявляется неоднозначно и смещена по временной шкале.

До настоящего времени не разработано удобных, достоверных, простых и надежных методов исследования состояния водоемов, которые могут проводиться в условиях максимально приближенных или непосредственн в природных условиях прямыми измерениями комплексных показателей, остро реагирующих на изменение экологической обстановки.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание достоверного, универсального и простого способа оценки устойчивости водной экосистемы к внешнему загрязнению, Сущность способа заключается в том, что проводят регистрацию величины окислительно-восстановительного потенциала

Eh в верхнем слое осадка не менее 10 см через ка>кдые 0,5 — 5,0 см. вычисляют среднюю из величин Eh, а коэффициент устойчивости водной экосистемы к внешнему загрязнению рассчитывают по формуле:

Ку = (Е hcp Ehmln vsM)/1000, где Е hcp - средняя из всех величин Eh зарегистрированных в верхнем слое осадка не менее 10 см, при этом, если величина Ку меньше либо равна

0,2, устойчивость экосистемы к загрязнению считают низкой и экосистему неспособ- ной противостоять нарастающему загрязнению, а если величина Ку больше 0,2, считают устойчивость экосистемы высокой и экосистему способной выдержать нарастающее загрязнение.

Известно, что экосистема водоема состоит из двух подсистем — пелагической и донной, находящихся в динамическом равновесии и взаимосвязи, и поэтому по характеристике донной экосистемы возможна достоверная оценка экосистемы водоема, При проведении биологических исследований в различных морских водоемах, в том числе и отличающихся по уровню загрязнения (Черное, Каспийское, Балтийское, Берингово, Южно-Китайское, Тасманово и т.д. моря, Аденский залив и

Перуанский апвелинг), в результате многочисленных измерен11й активHос Tè M ëKt>оор10

55 ганизмов на фоне определения состава и физико-химических характеристик осадков, было отмечено тенденционное изменение (уменьшение) толщины слоя активных микробиологических процессов в районах загрязнения при увеличении активности этих процессов и степени восстановленности осадка вследствие накопления загрязнений и продуктов их преобразования. Установлено также, что выявление этих слоев и оценка изменений в них, отражающих все преобразования в донных осадках, остро реагирующих на изменение s биотической и абиотической составляющей, могут быть проведены по характеру распределения Eh в верхнем слое осадка. При комплексном изучении верхнего слоя осадка и придонной воды была выявлена количественная взаимосвязь как между биотической и абиотическими составляющими экосистемы донных осадков, так и характеристиками и состоянием экосистемы водоема в целом. На основании выявленных закономерностей в предлагаемом способе оценку устойчивости экосистемы водоема проводят по величинам Eh в поверхностном слое осадка до

10 см, т.е. в слое наиболее активных биологических процессов. Кроме того, 10 см — это толщина слоя с наиболее изменяющимися условиями под воздействием внешнего загрязнения. определяющая устойчивость экосистемы донных осадков и отражающая устойчивость экосистемы всего водоема в целом. Практически для оценки устойчивости водной экосистемы к внешнем; загрязнению достаточно измерения величин Eh u анализа их пространственного распределения в поверхностном слое 10 см — слое наиболее активной биотурбации.

Способ основан на том, что величины

Eh и их пространственное распределение в осадке отражают и описывают напряженность окислительно-восстановительных условий в осадке, которая определяется протеканием, активностью и сбалансированностью биогеохимических процессов на последней стадии переработки органических остатков и загрязнений, поступающих из пелагической подсистемы. в донных осадках в аэробном, микроэрофильном и анаэробном слоях, определяющих устойчивость экосистемы осадка. Отсутствие изменения величин Eh и их пространственного распределения в верхнем слое осадка до

10 см за счет устойчивости донных осадков к внешнему загрязнению отражает и гарантирует сохранение условий активного протекания биогеохимических процессов, приводящих к окислению. деградации. минерализации. поступающих из водной тол2000054

55 щи веществ, а также реокислению продуктов анаэробных процессов. Это возможно только при низком уровне внешнего загрязнения, сохранении видового и количественного состава бентоса и аэробных и анаэробных микроорганизмов, производящих эти процессы, и условий обитания этих организмов и при активной биотурбационной диффузии кислорода в верхний слой осадка. Нарастание уровня загрязнения приводит к необратимым изменениям видоеого и количественного состава, структуры и свойства сообщества организмов, изменению их функции, а также состава, структурь и свойств слоев осадка, что приводит к переходу экосистемы на другой уровень устойчивости, в первую очередь, в районах с низкой устойчивостью экосистемы.

Предлагаемый способ опробирован в районах экологических кризисов в морских условиях (Черное море) и в пресноводном водоеме (Тульчинском озере) с известным экологическим состоянием. Выбор предельных значений Eh — характеристик для оценки устойчивости проведен на основании измерений Eh в северо-западном районе

Черного моря, наиболее пострадавшего от антропогенного загрязнения.

Для количественной оценки устойчивости водоема к внешнему загрязнению (Ку) определяют величину соотношения (Ehcp.—

Ehmin изм)/(Ehmax — Ehmin, отражающего разницу между реальным состоянием верхнего слоя донных осадков и возможным состоянием данного осадка в неблагоприятных условиях в диапазоне теоретически возможных состояний осадка, где Eh может изменяться от -350 мВ до+650 мВ. Минимальное значение измеренного Eh (Ehminss ) отражает нагрузку, задаваемую трофическим уровнем водоема и поступающими загрязнениями на экосистему донных осадков.

Учитывая, что по литературным данным и нашим измерениям Ehmax составляет

+650 мВ, à Ehmin 350 мВ, для расчета коэффициента устойчивости к внешнему загрязнению используют формулу

Ку = (E hcp, — E min изм): 1 000.

При (Ehcp. v3M — Ehmin vs ) меньше или равной 200 MB независимо от величины

Е hmin и м, т.е. независимо от уровня нагрузки на донную экосистему, величина устойчивости (Ку) не превышает 0,2. Это характерно для условий, когда глубина залегания скачка потенциала и величина скачка потенциала незначительны и определяются слабой биотурбацией и невысокой интенсивностью биогеохимических процессов в окисленных и

45 слабооKèслpнных осадках, либо когда скачок потенциала отмечается в самом верхнем

<:лое (1-2 см) над сильновосстановленными осадками. Такое состояние экосистемы может быть нарушено при незначительном нарастании загрязнения, "то определяет низкую устойчивость данной ь одной экосистемы к внешнему загрязнению.

При (Ehcp — Ehmin 913M) более 200 мВ толщина слоя биотурбации, равная толщине слоя до скачка потенциала. и величина скачКа потенциала задаются и поддерживаются за счет активной биотурбации и активных микробиоло"ических процессов, которые сохраняются при поступлении дополнительного загрязнения и приводят со временем к его полной переработке. Данная экосистема с подобными характеристиками обладает высокой устойчивостью к внешнему загрязнению. Коэффициент устойчивости этой системы (К ) более 0,2, устойчивость водной экосистемы высокая.

Измерение Fh в верхнем слое осадков проводят либо на ионометре или рН-метре-вольтметре после отбора осадка дночерпателем, либо непосредственно в водоеме дистанционным датчиком. представляющим собой блок платиновых элект\ родов, соединенных кабель-тросом с регистрирующим прибором, Величину Ehcp рассчитывают как среднюю из величин Eh, измеренных или определенных по графику распределения Eh через равные расстояния по глубине осадка, Для оценки устойчивости водной экосистемы проводят измерение Eh в верхнем слое осадка- на сетке станций, При повторных измерениях изменение величины К будет свидетельствовать об изменении устойчивости водной экосистемы, о направленности и скорости изменения экосистемы под влиянием внешнего воздействия.

На фиг.1 показано распределение Eh в верхнем слое осадка в море, где устойчивость экосистемы низкая. и экосистема неспособна противостоять нарастающему загрязнению; на фиг.2 — распределение Eh в верхнем слое осадка в пресноводном водоеме на участке, где устойчивость экосистемы низкая, и экосистема неспособна противостоять нарастающему загрязнению: на фиг,3 — распределение Eh в верхнем слое осадка в море, в районе, где устойчивость экосистемы высокая, и экосистема способна выдерживать нарастающее загрязнение; на фиг. 4 — распределение Eh в верхнем слое осадка в пресноводном водоеме на участке, где устойчивость экосистемы высокая, и экосистема способна выдерживать нарастающее загрязнение; на

2000054

10 фиг.5 — распределение Eh в верхнем слое осадка в море в районе. где устойчивость экосистемы к внешнему загрязнению низкая; на фиг.б — распределение Eh в верхнем слое осадка в пресноводном водоеме на участке, где устойчивость экосистемы к внешнему загрязнению низкая, Пример 1. Отбирают пробу осадка с морского дна дночерпателем "Океан-50" на глубину более 10 см в период обогащения придонной воды кислородом в холодный период (декабрь) на ст.126/11 (p-46 28 QN, А 30 52 ОЕ)..В полученной колонке осадка измеряют величину окислительно-восстановительного потенциала Eh стационарным рН-метром-милливольтметром рН-121 на поверхности и через 1-2 см по глубине осадка 10 см путем погружения стандартных Pt-электродов и электрода сравнения (КС1-электрода) иа глубину 1 см в осадок после выдержки последних в осадке в течение 2-5 мин. По результатам измерейий величин Eh строят график вертикального распределения (фиг. 1), па нему определяют величины Eh через равные интервалы и по этим значениям определяют Ehcp и рассчитывают коэффициент устойчивости экосистемы водоема в данной точке района

Ку ((-56) — (-200)): 1000 = 0,144.

В данном районе отмечают повышенный уровень загрязнения, дефицит кислорода у дна, массовые ежегодные заморы.

Ку менее 0,2. Констатируют низкую устойчивость экосистемы водоема к внешнему загрязнению.

Пример 2. Отбирают пробы из верхнего слоя осадков в пресноводном водоеме (ст.2 в северной части Тульчинского озера, старице р. Оки) в осенний период, Измерения проводят в момент максимального обогащения воды кислородом, По результатам измерений величин Eh строят график вертикального распределения (фиг.2). вычисляют

Ehcp и рассчитывают коэффициент устойчивости водной экосистемы в данной точке района

Ку ((+31) (80)}: 1000 = 0.1 1 ..

В данном водоеме отмечен высокий уровень загрязнения, приводящего к возникновению периодических заморов в конце летнего периода. Ку меньше 0,2. Констатируют низкую устойчивость экосистемы донных осадков к внешнему загрязнению и неспособность сохранять условия в водоеме без изменений в неблагоприятных условиях при

55 существующем уровне загрязнения или при небольшом нарастании уровня загрязнений, т.е. низкую устойчивость водной экосистемы к внешнему загрязнению.

Пример 3, Способ осуществляют, как описано в примере 1, измерения проводят на ст. 90/61 (p=45 48 ON. А = 32 24 ОЕ) (фиг.3). Вычисляют Ehcp и рассчитывают коэффициент устойчивости экосистемы водоема в данной точке района

Ку = ((+196) — (-140)): 1000 = 0,336.

На данном участке водоема отмечают высокое содержаниеуислорода у дна, высокую численность бентосных организмов (много червей в осадке) и высокий уровень биологической продуктивности в воде.

При существующем уровне внешнего загрязнения не отмечено ухудшение условий и проявления заморов. Ку более 0,2. Констатируют высокую устойчивость водной экосистемы к внешнему загрязнению в данном районе моря.

Пример 4. Способ осуществляют, как описано в примере 2, измерение проводят в октябре в пресноводном водоеме — в лесном пруду, который парктически не был подвержен внешнему загрязнению и экосистема которого не пострадала от внешнего загрязнениям (фиг.4). Строят график распределения Ehcp в верхнем слое осадков до 10 см, определяют Ehcp и рассчитывают величину Ку

ʄ= ((+216) — (-20)): 1000 = 0,236.

Величины Eh показывают наличие кислорода в придонной воде и в верхнем слое осадка, а также отсутствие сильновостановленных условий в слое 9 см, что свидетельст- вует об отсутствии сероводорода и слабом потреблении кислорода у дна. В водоеме в донных осадках много личинок (мотыля), которые производят биотурбацию верхнего слоя осадка, что свидетельствует о сохранности экосистемы. Ку больше 0,2. считывают устойчивость водной экосистемы высокой, Пример 5, Способ осуществляют, как описано в примере 1, измерения проводят на ст, 89/62 (rp=45 48 ON, Я = 32 18 ОЕ) (фиг.5). Строят гарфик распределения Eh в осадке, вычисляют ЕЬ,р и рассчитывают коэффициент устойчивости

Ку = ((+388) — (+320)): 1000 — 0.068, В этой точке высокие энэчения Е во всем изученном слое осадка свиде1ельствуют о

2000054

-300 -200 -100 0 + IOO + 200 + 300 + 400 + SOO Eh мв!

h см низком уровне биогеохимических, в том числе микробиологических процессов, что обычно связано с низким уровнем поступления органического вещества в осадок из водной толщины, о низкой биологической 5 продуктивности водоема и о низком трофическом уровне водоема на этом участке. Наблюдения за данным районом показывают, что он находится вдали от зоны массового развития фитопланктона и здесь никогда не 10 было отмечено эаморов. Ку менее 0,2, Считают устойчивость водоема к внешнему загрязнению низкой. Водоем неспособен к принятию больших количеств загрязняющих веществ. 15

Пример 6. Способ осуществляют. как описано в примере 2, измерение проводят в пресноводном водоеме (ст.3 в Тульчинском озере) в летний период (август) (фиг.6). По результатам измерений вычисляют Ehcp и 20 рассчитывают коэффициент устойчивости водной экосистемы к внешнему загрязнению

Ky - ((+220) — (+140)): 1000 - 0,08. 25

Ку меньше 0.2 считают устойчивость водной экосистемы на данном участке низкой.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет проводить определение устойчи- 30 вости водоемов к внешнему загрязнению и прогнозировать его изменения в ближайший период. Он применим для всех водоемов, Способ является достоверным, т.к. в нем в качестве физико-химического показа- 35 теля используют окислительно-восстановительный потенциал, который в воде и в осадках прямо или косвенно связан со всеми химическими характеристиками. фиэикохимическими свойствами осадков. со скоростью биогеохимических процессов, а также отражает численный и видовой состав макро- и микроорганизмов. Предлагаемый способ позволяет предсказывать возможность или невозможность быстрого втрофирования (дистрофии) или деградации водоема, Кроме того. измерения Eh очень просты и воспроизводимы, особенно при измерении их выносным дистанционным датчиком непосредственно в водоеме беэ отбора проб трубой и дночерпателем.

Формула изобретения

Сйособ определения устойчивости водной экосистемы к внешнему загрязнению, заключающийся в том, что регистрируют величину окислительно-восстановительного потенциала Eh в верхнем слое осадка по горизонту 10 см через каждые 0,5 — 5,0 см, устанавливают среднюю из величин Eh (Ehcp), а также минимальное значение измеренного Eh(Ehmi »M), рассчитывают коэффициент устойчивости Ку водной экосистемы к внешнему загрязнению по формуле

Ку (Ehcp Ehmin изм)/1000, \ при этом в случае величины К„меньшей, либо равной значению 0,2 устойчивость экосистемы к загрязнению считают низкой и экосистему неспособной противостоять нарастающему загрязнению, а в случае повышения величины Ку значения 0,2 устойчивость экосистемы считают высокой и экосистему способной выдержать нарастающее загрязнение.

2000054

-300 -200 -100 0 t 100 + 200 + 300 + 400 i 500 Eh м1

Фиг. Я

-300 -200 -100 0 + 100 + 200 + 300 + 400 + 500 Eh м6

Фиг.5

-300 -200 -100 0 + 100 + 200 +300 + 400 +500 Eh м8

l0

h см

-300 -200 -100 0 + 100 + 200 + 300 + 400 + 500 Eh мВ

h см

2000054

-300 -200 -100 0 + 100 + 200 + 300 + 400 + 500 ЕЬ мв

h см

Составитель 8. Токарев

Техред М.Моргентал

Корректор 8. Петраш

Редактор Л. Павлова

Заказ 3052

Тираж Подписное

НПО "Поиск" Роспатента

113035. Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101