RU2000054C1 - Способ определени устойчивости водной экосистемы к внешнему загр знению - Google Patents

Abstract

Использование: изобретение относитс  к охране окружающей среды, а именно к контролю за экологическим состо нием водоемов и за уровнем нарастающего загр знени  водоемов, и может быть использовано при проведении мониторинга и перспективного прогнозировани  состо ни  водоемов. Сущность изобретени : провод т 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 распределени  по глубине , использу  соответствующие оценочные коэффициенты, определ ют устойчивость водоема к внешнему загр знению. Способ достоверен, прост, применим дл  всех водоемов позвол ет предсказывать возмож- нотсь или невозможность быстрого эвтрофировани  или деградации водоема 6 ил

Description

Изобретение относитс  к охране окружающей среды, а именно к контролю за экологическим состо нием водоемов и за уровнем нарастающего загр знени  водоемов . Оно может быть использовано при проведении мониторинга и перспективного прогнозировани  состо ни  водоемов, при планировании использовани  водоема дл  решени  определенных народнохоз йственных задач: оценки пригодности использовани  водоемов дл  разведени  рыбы и других водных организмов и возможности использовани  водоемов дл  дальнейшей нейтрализации промышленных малоочищенных стоков, а также при рекультивации водоемов.

Устойчивость экосистемы - это ее способность сохран ть свою структуру и функциональные особенности при воздействии внешних факторов

Известно, что устойчивость водной экосистемы к внешнему загр знению может быть определена лишь после суммарного анализа результатов, полученных при оценке различных сторон состо ни  или де тельности водной экосистемы, которую осуществл ют, например, методами биоиндикации , по сохранению видового и количественного состава, по пр мому определению всех изменений в биологической структуре водоема, по изменению соотношени  устойчивых и чувствительных организмов, определением и сопоставлением с заранее определенными экологическими ПДК концентраций химических загр зн ющих веществ, способных привести к гибели организмов.

Все эти мтеоды трудоемки, продолжительны по времени и не всегда привод т к получению достоверных результатов Кроме этого, при изменении спектра загр зн юh

С

с I

щих веществ надо начинать изучение снова 3 различных 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 пр молинейна , а также измен етс  во времени. Св зь между изменени ми абиотических факторов и биологическими показател ми про вл етс  неоднозначно и смещена по временной шкале.

До насто щего времени не разработано удобных, достоверных, простых и надежных методов исследовани  состо ни  водоемов, которые могут проводитьс  в услови х максимально приближенных или непосредствен в природных услови х пр мыми измерени ми комплексных показателей, остро реагирующих на изменение экологической обстановки.

Задачей, на решение которой направлено за вл емое изобретение,  вл етс  создание достоверного, универсального и простого способа оценки устойчивости водной экосистемы к внешнему загр знению.

Сущность способа заключаетс  в том, что провод т регистрацию величины окислительно-восстановительного потенциала Eh в верхнем слое осадка не менее 10 см через каждые 0,5 - 5,0 см. вычисл ют среднюю из величин Eh, а коэффициент устойчивости водной экосистемы к внешнему загр знению рассчитывают по формуле: Ку (Ehcp- EhminM3M)/1000, где Ehcp- средн   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 загр знению считают низкой и экосистему неспособ ной противосто ть нарастающему загр знению, а если величина Ку больше 0,2, считают устойчивость экосистемы высокой и экосистему способной выдержать нарастающее загр знение.

Известно, что экосистема водоема состоит из двух подсистем - пелагической и донной, наход щихс  в динамическом равновесии и взаимосв зи, и поэтому по характеристике донной экосистемы возможна достоверна  оценка экосистемы водоема.

При проведении биологических исследований в различных морских водоемах, в том числе и отличающихс  по уровню загр знени  (Черное, Каспийское Балтийское , Берингово. Южно-Китайское Тасманово и т.д. мор  Аденский залив и Перуанский апвелинг) в результате многочисленных измерений активности микроорганизмов на фоне определени  состава и физико-химических характеристик осадков, было отмечено тенденционное изменение (уменьшение) толщины сло  активных микробиологических процессов в районах загр знени  при увеличении активности этих процессов и степени восстановленности осадка вследствие накоплени  загр знений и продуктов их преобразовани  Устэновлено также, что вы  вление этих слоев и оценка изменений в них. отражающих все преобразовани  в донных осадках, остро реагирующих на изменение в биотической и абиотической составл ющей, могут быть

проведены по характеру распределени  Eh в верхнем слое осадка. При комплексном изучении верхнего сло  осадка и придонной воды была вы влена количественна  взаимосв зь как между биотической и абиотическими составл ющими экосистемы донных осадков так и характеристиками и состо нием экосистемы водоема в целтэм На основании вы вленных закономерностей в предлагаемом способе оценку устойчивости

экосистемы водоема провод т по величинам Eh в поверхностном слое осадка до 10 см, т.е. в слое наиболее активных биологических процессов Кроме того. 10 см - это толщина сло  с наиболее измен ющимис 

0 услови ми под воздействием внешнего загр знени  определ юща  устойчивость экосистемы донных осадков и отражающа  устойчивость экосистемы всего водоема в целом Практически дл  оценки устойчиво5 сти водной экосистемы к внешнем/ загр знению достаточно измерени  величин Eh и анализа их пространственного распределени  в поверхностном слое 10 см - слое наиболее активной биотурбации

0Способ основан на том, что величины

Eh и их пространственное распределение в осадке отражают и описывают напр женность окислительно-восстановительных условий в осадке, котора  определ етс 

5 протеканием, активностью и сбалансированностью биогеохимических процессов на последней стадии переработки органических остатков и загр знений, поступающих из пелагической подсистемы, в донных

0 осадках в аэробном, микроэрофильном и анаэробном сло х, определ ющих устойчивость экосистемы осадка Отсутствие изменени  величин Eh и их пространственного распределени  в верхнем слое осадка до

5 ю см за счет устойчивости донных осадков к внешнему загр знению отражает и гарантирует сохранение условий активного про- текани  биогеохимических процессов, привод щих к окислению деградации, минерализации поступающих из водной толщи веществ, а также реокислению продуктов анаэробных процессов. Это возможно только при низком уровне внешнего загр знени , сохранении видового и количественного состава бентоса и аэробных и анаэробных микроорганизмов, производ щих эти процессы, и условий обитани  этих организмов и при активной биотурбацион- ной диффузии кислорода в верхний слой осадка. Нарастание уровн  загр знени  приводит к необратимым изменени м видового и количественного состава, структуры и свойства сообщества организмов, изменению их функции, а также состава, структуры 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 услови х (Черное море) и в пресноводном водоеме (Тульчинском озере) с известным экологическим состо нием. Выбор предельных значений Eh г характеристик дл  оценки устойчивости проведен на основании измерений Eh в северо-западном районе Черного мор , наиболее пострадавшего от антропогенного загр знени .

Дл  количественной оценки устойчивости водоема к внешнему загр знению (Ку) определ ют величину соотношени  (EhCp. - Ehmin изм)/(Ептах - Ehmin, отражающего разницу между реальным состо нием верхнего сло  донных осадков и возможным состо нием данного осадка в неблагопри тных услови х в диапазоне теоретически возможных состо ний осадка, где Eh может измен тьс  от -350 мВ до +650 мВ. Минимальное значение измеренного Eh (Ег1т|Пизм) отражает нагрузку, задаваемую трофическим уровнем водоема и поступающими загр знени ми на экосистему донных осадков. Учитыва , что по литературным данным и нашим измерени м Ehmax составл ет +650 мВ, a Ehmin - 350 мВ, дл  расчета коэффициента устойчивости к внешнему загр знению используют формулу

Ky-(EhCp - Етшиэм) : ЮОО.

При (Ehcp изм - Ehmin изм) меньше или равной 200 мВ независимо от величины Ehmin изм, т.е. независимо от уровн  нагрузки на донную экосистему, величина устойчивости (Ку) не превышает 0,2. Это характерно дл  условий, когда глубина залегани  скачка потенциала и величина скачка потенциала незначительны и определ ютс  слабой био- турбацией и невысокой интенсивностью биогеохимических процессов в окисленных и

слабоокигленных осадках, либо когда ск - чок потенциала отмечаетс  в самом верхнем слое (1-2 см) над сильновосстановленными ос дками. Такое состо ние экосистемы мо- 5 жет быть нарушено при незначительном нарастании загр знени , то опррдепчет низкую устойчивость данной ьодной экосистемы к внешнему загр знению.

При (Ehcp - Ehmin изм) более 200 мВ

0 толщина сло  биотурбации, равна  толщине сло  до скачка потенциала, и величина скачка потенциала задаютс  и поддерживаютс  за счет активной биотурбации и активных ммкррбиоло ических процессов, которые

5 сохран ютс  при поступлении дополнительного загр знени  и привод т со временем к его полной переработке. Данна  экосистема с подобными характеристиками обладает высокой устойчивостью к внеш0 нему загр знению. Коэффициент устойчивости этой системы (Ку) более 0,2, устойчивость водной экосистемы высока .

Измерение Eh в верхнем слое осадков провод т либо на ионометре или рН-мет5 ре-вольтметре после отбора осадка дно- черпателем, либо непосредственно в водоеме дистанционным датчиком, представл ющим собой блок платиновых электродов , соединенных кабель-тросом с

0 регистрирующим прибором. Величину Ehrp рассчитывают как среднюю из величин Eh, измеренных или определенных по графику распределени  Eh через равные рассто ни  по глубине осадка. Дл  оценки устойчивости

5 водной экосистемы провод т измерение Eh в верхнем слое осадкз на сетке станций.

При повторных измерени х изменение величины К будет свидетельствовать об изменении устойчивости водной экосистемы,

0 о направленности и скорости изменени  экосистемы под вли нием внешнего воздействи .

На фиг.1 показано распределение Eh в верхнем слое осадка в море, где устойчи5 вость экосистемы низка , и экосистема неспособна противосто ть нарастающему загр знению; на фиг.2 - распределение Eh в верхнем слое осадка в пресноводном водоеме на участке, где устойчивость экоси0 стемы низка , и экосистема неспособна противосто ть нарастающему загр знению: на фиг.З - распределение Eh в верхнем слое осадка в море, в районе, где устойчивость экосистемы высока , и экосистема

5 способна выдерживать нарастающее загр знение: на фиг. 4 - распределение Eh в верхнем слое осадка в пресноводном водоеме на участке, где устойчивость экосистемы высока , и экосистема способна выдерживать нарастающее загр тнрние, на

фиг.5 - распределение Eh в верхнем слое осадка в море в районе, где устойчивость экосистемы к внешнему загр знению низка ; на фиг.6 - распределение Eh в верхнем слое осадка в пресноводном водоеме на участке , где устойчивость экосистемы к внешнему загр знению низка .

П р и м е р 1. Отбирают пробу осадка с морского дна дночерпателем Океэн-50 на глубину более 10 см в период обогащени  придонной воды кислородом в холодный период (декабрь) на ст. 126/11 (у5 46°28 ON, А« 30° 52 ОЕ).-В полученной колонке осадка измер ют величину окислительно-восстановительного потенциала Eh стационарным рН-метром-милливольтметром рН-121 на поверхности и через 1-2 см по глубине осадка 10 см путем погружени  стандартных Pt-электродов и электрода сравнени  (KCI-электрода) на глубину 1 см в осадок после выдержки последних в осадке в течение 2-5 мин. По результатам измерений величин Eh стро т график вертикального распределени  (фиг.1), по нему определ ют величины Eh через равные интервалы и по этим значени м определ ют Ehcp и рассчитывают коэффициент устойчивости экосистемы водоема в данной точке района

Ку - {(-56) - (-200)} : 1000 0,144.

В данном районе отмечают повышенный уровень загр знени , дефицит кислорода у дна, массовые ежегодные заморы. Ку менее 0,2. Констатируют низкую устойчивость экосистемы водоема к внешнему загр знению.

П р и м е р 2. Отбирают пробы из верхнего сло  осадков в пресноводном водоеме (ст.2 в северной части Тульчинского озера, старице р. Оки) в осенний период. Измерени  провод т в момент максимального обогащени  воды кислородом. По результатам измерений величин Eh стро т график вертикального распределени  (фиг.2). вычисл ют Ehcp и рассчитывают коэффициент устойчивости водной экосистемы в данной точке района

Ку - {(+31) - (-80)} : 1000 0.11.

В данном водоеме отмечен высокий уровень загр знени , привод щего к возникновению периодических заморов в конце летнего периода. Ку меньше 0,2. Констатируют низкую устойчивость экосистемы донных осадков к внешнему загр знению и неспособность сохран ть услови  в водоеме без изменений в неблагопри тных услови х при

существующем уровне загр знени  или при небольшом нарастании уровн  загр знений , т.е. низкую устойчивость водной экосистемы к внешнему загр знению.

П р и м е р 3. Способ осуществл ют, как

описано в примере 1, измерени  провод т на ст. 90/61 (у 45°48 ON. А 32° 24 ОЕ) (фиг.З). Вычисл ют Ehcp и рассчитывают коэффициент устойчивости экосистемы водоема в данной точке района

Ку - {(+196) - (-140)} : 1000 - 0,336.

На данном участке водоема отмечают

высокое содержание/ислорода у дна, высокую численность бентосных организмов (много червей в осадке) и высокий уровень биологической продуктивности в воде. При существующем уровне внешнего загр знени  не отмечено ухудшение условий и про влени  заморов. Ку более 0,2. Констатируют высокую устойчивость водной экосистемы к внешнему загр знению в данном районе мор .

П р и м е р 4. Способ осуществл ют, как

описано в примере 2, измерение провод т в окт бре в пресноводном водоеме - в лесном пруду, который парктически не был подвержен внешнему загр знению и экосистема которого не пострадала от внешнего загр знени м (фиг.4). Стро т график распределени  EhCp в верхнем слое осадков до 10 см, определ ют EhCp и рассчитывают величину Ку

Ку {(+216) - (-20)}: 1000 0.236.

Величины Eh показывают наличие кислорода в придонной воде и в верхнем слое

осадка, а также отсутствие сильновостанов- ленных условий в слое 9 см, что свидетельствует об отсутствии сероводорода и слабом потреблении кислорода у дна. В водоеме в донных осадках много личинок (мотыл ), которые производ т биотурбацию верхнего спо  осадка, что свидетельствует о сохранности экосистемы. Ку больше 0,2, считывают устойчивость водной экосистемы высокой. П р и м е р 5. Способ осуществл ют, как

описано в примере 1, измерени  провод т на ст. 89/62 (р 45°4В ON, А - 32° 18 ОЕ) (фиг.5). Стро т гарфик распределени  Eh в осадке, вычисл ют EhCp и рассчитывают коэффициент устойчивости

Ку {(+388)-(+320)} : 1000 -0.068.

В этой точке высокие значени  Eh во всем изученном слое осадка свидетельствуют о

низком уровне биогеохимических, в том числе микробиологических процессов, что обычно св зано с низким уровнем поступлени  органического вещества в осадок из водной толщины, о низкой биологической продуктивности водоема и о низком трофическом уровне водоема на этом участке. Наблюдени  за данным районом показывают, что он находитс  вдали от зоны массового развити  фитопланктона и здесь никогда не было отмечено заморов. Ку менее 0,2. Считают устойчивость водоема к внешнему загр знению низкой. Водоем неспособен к прин тию больших количеств загр зн ющих веществ.

Примерб. Способ осуществл ют, как описано в примере 2. измерение провод т в пресноводном водоеме (ст.З в Тульчинском озере) в летний период (август) (фиг.6). По результатам измерений вычисл ют Ehcp и рассчитывают коэффициент устойчивости водной экосистемы к внешнему загр знению

Ку {(+220) - (+140)} : 1000 0,08.

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

Таким образом, предлагаемый способ позвол ет проводить определение устойчи- вости водоемов к внешнему загр знению и прогнозировать его изменени  в ближайший период. Он применим дл  всех водоемов , Способ  вл етс  достоверным, т.к. в нем в качестве физико-химического показа- тел  используют окислительно-восстановительный потенциал, который в воде и в осадках пр мо или косвенно св зан со всеми химическими характеристиками, физико- химическими свойствами осадков, со скоростью биогеохимических процессов, а также отражает численный и видовой состав макро- и микроорганизмов. Предлагаемый способ позвол ет предсказывать возможность или невозможность 9ыстроги втрофирова- ни  (дистрофии) или деградации водоема. Кроме того, измерени  Eh очень просты и воспроизводимы, особенно при измерении их выносным дистанционным датчиком непосредственно в водоеме без отбора проб трубой и дночерпателем.

Claims (1)

1. Формула изобретени  Способ определени  устойчивости водной экосистемы к внешнему загр знению, заключающийс  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 (Ehmin изм), рассчитывают коэффициент устойчивости Ку водной экосистемы к внешнему загр знению по формуле

   Ку (Ehcp - Ehmin мэм)/ЮОО,

   при этом в случае величины Ку меньшей, либо равной значению 0,2 устойчивость экосистемы к загр знению считают низкой и экосистему неспособной противосто ть нарастающему загр знению, а в случае повышени  величины Ку значени  0,2 устойчивость экосистемы считают высокой и экосистему способной выдержать нарастающее загр знение .

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

   10

   h см

   Фиг./

   10 h см

   Фиг.2

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

   Фиг.З

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

   Ф«г.4

   -300 -200 -100 0 +100 +200 +300 +400 +500 Eh м#

   10

   ii см Фиг.5

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

   10 h см

   put.6