Способ определения биологической активности донных осадков

Способ определения биологической активности донных осадков

Реферат

 

Использование: контроль экологического состояния водоемов. Сущность изобретения: измеряют величину окислительно-восстановительного потенциала Eh в слое донного осадка глубиной до 10 см, производят определение глубины нижней границы первого снизу резкого перепада потенциала в области Eh больше 0, расчет средних величин потенциала Eh_ср в слое над нижней границей первого снизу резкого перепада потенциала и под ней и оценку биологической активности донных осадков по формуле K_биол.=[(Eh>Eh_ск)_ср-(Eh<Eh_{)ср]h/10000, где Kбиол. - коэффициент биологической активности донных осадков, составляющий долю от теоретически максимально возможной в наиболее благоприятных условиях; Ehск - величина Eh на нижней границе первого снизу резкого перепада потенциала; (Eh>Ehск)ср - среднее из величин Eh в слое над этой границей. (Eh<Eh)ср - среднее из величин Eh под этой границей; h - глубина залегания нижней границы первого снизу резкого перепада потенциала, при этом если Kбиол. меньше или равно 0,1, считают биологическую активность донных осадков низкой, если Kбиол. больше 0,1 считают биологическую активность донных осадков высокой. 6 ил.}

Изобретение относится к контролю за экологическим состоянием водоемов. Оно может быть использовано при проведении мониторинга и перспективного прогнозирования состояния водоемов, при оценке возможности использования водоемов для очистки сточных вод, при рекультивации водоемов, а также в рыбоводстве.

Пригодность водоема для глубокой очистки сточных вод и возможность использования водоема для разведения придонных организмов и организмов, питающихся бентосом, определяются наличием и сохранностью благоприятных условий и организмов, обитающих в донных осадках и, следовательно, активностью биологических процессов в донных осадках.

Биологическая активность донных осадков отражает скорость деструкции поступающего из водной толщи на дно органического вещества в верхнем слое осадка в результате суммарного микробиологического процесса и процессов жизнедеятельности бентосных организмов. Активность и слой активных биологических процессов в донных осадках определяются биологической продуктивностью водоема, уровнем загрязнения его, количеством кислорода у дна, составом и состоянием осадков, видовым составом, численностью и глубиной обитания в донных осадках бентосных организмов, производящих биотурбационное внесение органических веществ и кислорода в осадок на глубину, превышающую глубину диффузионного поступления кислорода.

Известен способ определения биологической активности водоема, предусматривающий измерение валовой продукции, чистой продукции, деструкции в водной толще, распада органического вещества в осадках и органического вещества, захороняемого в осадок, и суммирование результатов измерения. Биологическую активность водоема выражают в мкг С/см² в 1 сут. [1] .

О биологической активности донных осадков до настоящего времени судили на основании анализа результатов комплексного изучения активности основных биологических процессов (круговорота углерода, азота, серы) или по численному показателю живых организмов - носителей этих процессов.

Недостатками комплексного подхода в изучении активности биологических процессов в донных осадках являются его сложность и трудоемкость как при измерении показателей активности процессов, так и при сведении их баланса для всего верхнего слоя по нескольким горизонтам осадков. Кроме того, возможно получение неточных и недостоверных результатов из-за необходимости проведения измерений в лабораторных условиях в изолированных образцах донных осадков.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание способа определения биологической активности донных осадков, пригодного для проведения мониторинга и перспективного прогнозирования состояния водоема.

Сущность способа заключается в том, что проводят измерение окислительно-восстановительного потенциала Eh в слое донного осадка до 10 см, регистрируют глубину нижней границы первого снизу скачка потенциала в области Eh больше 0, рассчитывают средние величины Eh в слое над нижней границей первого снизу скачка потенциала и под ней, а оценку биологической активности донных осадков водоема проводят по формуле K_биол= где К_биол - коэффициент биологической активности донных осадков; Eh_ск - величина Eh на нижней границе скачка потенциала; (Eh > Eh_ск)_ср - среднее из величин Eh в слое над этой границей; (Eh < Eh_ск)_ср - среднее из величин Eh под этой границей; h - глубина залегания нижней границы первого снизу скачка потенциала, при этом если К_биол меньше или равно 0,1, биологическую активность донных осадков считают низкой, а в случае К_биол больше 0,1 - высокой.

Биологическая активность определяется активностью процессов функционирования бентоса и микроорганизмов в аэробном и микроаэрофильном слоях осадка, в которые в результате биотурбации вносится как органическое вещество из верхнего слоя осадка, так и дополнительно количество кислорода из придонной воды, за счет чего создаются и поддерживаются кислородный режим и напряженность окислительно-восстановительных условий на определенной глубине осадка.

Для описания и количественной оценки биоактивности донных осадков водоема используют соотношение [(Eh > Eh_ск)_ср - (Eh<Eh_{)ср] h/(Ehmax - Ehmin) H, выражающее комплексную характеристику функционирования донной экосистемы, определяемую диффузией кислорода в условиях биотурбационного перемешивания осадка, которая отражает вклад биотической составляющей донной экосистемы в устойчивость и функционирование донной экосистемы, проводящей активные процессы самоочищения донных осадков от внешнего загрязнения.}

Соотношение [(Eh > Eh_ск)_ср - (Eh<Eh_{)ср] /(Ehmax - Ehmin) характеризует условия жизнедеятельности бентосных организмов и микроорганизмов, способность микроорганизмов к окислению органических веществ и активность процесса окисления, протекающего за счет кислорода, который поступает в результате диффузии из придонной воды, в том числе в условиях биотурбационного перемешивания осадка, а также способности донных осадков к поглощению веществ за счет буферной емкости, что приводит к потреблению загрязняющих веществ, поступающих из водной толщи и восстановленных соединений из нижних слоев более восстановленных осадков. За счет этих процессов создаются и поддерживаются напряженность кислородного режима и градиент окислительно-восстановительного потенциала на границе окисленных осадков и осадков с микроаэрофильными условиями (с Eh больше Ehск) и нижележащими слоями осадка.}

Отношение h/H, выражающее соотношение глубины залегания нижней границы первого снизу скачка (резкого изменения) потенциала (h) и теоретической глубины активной биотурбации (Н = 10 см), является показателем функционирования бентосных организмов - активности биотурбации, которая определяется численностью и видовым составом бентосных организмов и зависит от кислородного режима у дна и количества органического вещества в осадке. Величина h/H характеризует долю слоя, где складываются благоприятные условия для активного функционирования аэробных микроорганизмов.

Учитывая, что Eh_max по литературным данным и измерениям всегда составляет +650 мв, величина Eh_min = (-350 мв), а теоретически максимальна глубина активной биотурбации 10 см, для расчета коэффициента биологической активности донных осадков используют формулу K_биол= Биологическую активность донных осадков (К_биол) выражают в долях от теоретически максимально возможной в наиболее благоприятных условиях.

Величину h определяют по нижней границе слоя первого скачка потенциала (резкого изменения величины потенциала по глубине осадка на фоне отсутствия или незначительного ее изменения в соседних слоях) в осадке в области Eh более 0, т. е. в области условий, благоприятных для выживания бентоса и функционирования аэробных микроорганизмов.

Величины (Eh > Eh_ск)_ср и (Eh < Eh_ск)_ср рассчитывают как средние из величин Eh, измеренных или определенных по графику распределения Eh через равные расстояния по глубине осадка.

Для олиготрофного водоема характерна низкая биологическая активность донных осадков (К_биол 0,1), обусловленная низкой биологической продуктивностью, малым количеством поступающего в осадки органического вещества, малой численностью бентосных организмов. Вследствие слабого пpотекания микробиологических процессов в таких водоемах с окисленными осадками [(Eh > Eh_ск)_ср - (Eh < Eh_ск)_ср] < 100-200 мв. В этом случае отмечается низкая самоочищающая способность донных осадков. При нарастании уровня загрязнений из-за малой активности биотурбации условия для протекания микробиологических процессов благоприятны только в поверхностной пленке осадка и не используются в полном объеме буферные свойства осадка.

Для евтрофных водоемов с сильновосстановленными осадками под тонким слоем окисленных осадков характерны максимальные значения скачка потенциала [(Eh>Eh_ск)_ср - (Eh < Eh_ск)_ср] и глубина залегания нижней границы скачка потенциала над сильновосстановленными осадками, где Eh = 0, не более 2 см. В ряде случаев при низких значениях Eh на поверхности осадка в условиях дефицита кислорода величина скачка потенциала [(Eh > Eh_ск)_ср - (Eh < Eh_ск)_ср] может быть незначительной. В таких условиях, неблагоприятных для выживания бентосных организмов, из-за их низкой численности активность биотурбации низкая, микробиологические процессы протекают в тонком верхнем слое осадка, в результате чего биологическая активность донных осадков низкая (К_биол 0,1) и, соответственно, низкая способность донных осадков к самоочищению.

К_биол = 0,1 является предельной величиной биологической активности донных осадков, отражающей такие условия в осадках, при которых климатические аномалии, повышение загрязнения или другие хозяйственные воздействия приводят к снижению устойчивости организмов к неблагоприятным воздействиям, уменьшению численности бентоса, снижению буферных свойств осадка, потере биологической активности осадков и их способности к самоочищению, евтрофированию водоема и к заморам.

Высокая биологическая активность (К_биол > 0,1) проявляется в районах с высокой биологической продуктивностью, с высоким уровнем поступления органического вещества на дно, с высокой численностью бентосных организмов на поверхности и в донных осадках, которые производят активный процесс биотуpбации, способствующий внесению на глубину осадка органических веществ и кислорода, при этом [(Eh > Eh_ск)_ср- (Eh < Eh_ск)_ср] > 200 мВ, глубина залегания нижней границы первого снизу скачка потенциала составляет более 5 см. При высокой величине биологической активности проявляется высокая способность донных осадков к самоочищению в результате протекания активных микробиологических процессов в толстом слое осадка в условиях активного внесения кислорода из придонной воды.

В случае постоянного увеличения уровня загрязнения глубина залегания нижней границы первого снизу скачка потенциала и величины Eh в этом слое и под ним будут медленно уменьшаться, и К_биол будет уменьшаться к 0,1 и далее к 0. Регулярное измерение указанных параметров позволяет проследить за биологической активностью донных осадков водоема, а также за сохранением их способности к самоочищению и сохранностью бентосных организмов.

Предлагаемый способ опробирован в районах экологических кризисов в морских условиях (Черное море) и в пресноводном водоеме (Тульчинском озере) с известным экологическим состоянием.

Измерение Eh 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 электродов, соединенных кабель-тросом с регистрирующим прибором. Для определения биологической активности донных осадков в районе водоема проводят измерение Eh в верхнем слое осадка на сетке станций.

На фиг. 1 показано распределение Eh в верхнем слое осадка в море в районе с низкой биологической активностью донных осадков (сильновосстановленные осадки); на фиг. 2 - распределение Eh в верхнем слое осадка в пресноводном водоеме на участке с низкой биологической активностью донных осадков (сильновосстановленные осадки); на фиг. 3 - распределение Eh в верхнем слое осадка в море в районе с высокой биологической активностью донных осадков; на фиг. 4 - распределение Eh в верхнем слое осадка в пресноводном водоеме на участке с высокой биологической активностью донных осадков; на фиг. 5 - распределение Eh в верхнем слое осадка в море в районе с низкой биологической активностью донных осадков (окисленные осадки); на фиг. 6 - распределение Eh в верхнем слое осадка в пресноводном водоеме на участке с низкой биологической активностью донных осадков (окисленные осадки).

П р и м е р 1. Отбирают пробу осадка с морского дна дночерпателем "Океан-50" на глубину 10 см в период обогащения придонной воды кислородом в холодный период (декабрь) на ст. 126/11 ( = 46^о28'ON, = 30^о52'OE). 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 путем погружения стандартных Pt-электродов и электрода сравнения (КС1-электрода) на глубину 1 см в осадок после выдержки последних в осадке в течение 2-5 мин. По результатам измерений величин Eh строят график вертикального распределения (фиг. 1). Eh_ск на нижней границе слоя первого снизу скачка потенциала равно 0 мВ. Глубина залегания нижней границы этого слоя (h) составляет 1,5 см. Среднее значение величин Eh больше 0 мВ, (Eh>Eh_ск)_ср, составляет +135 мВ, среднее значение величин Eh меньше 0 мВ, (Eh<Eh_{)ср, - (-150 мВ). Рассчитывают коэффициент биологической активности донных осадков Kбиол = = 0,04 В данном районе отмечают повышенный уровень загрязнения, дефицит кислорода у дна, массовые ежегодные заморы. Кбиол менее 0, констатируют низкую биологическую активность донных осадков, а также крайне низкую способность их к самоочищенную и низкую численность бентосных организмов в осадках и на поверхности осадков.}

П р и м е р 2. Измеряют Eh непосредственно в осадке до глубины 10 см переносным милливольтметром у берега в северной части Тульчинского озера в конце осеннего периода (октябрь) в период максимального насыщения придонной воды кислородом перед замерзанием (фиг. 2). Глубина залегания нижней границы первого снизу скачка потенциала (h) в области Eh больше 0 составляет 4,0 см Eh_ск на нижней границе этого слоя равно 0 мВ. Среднее значение величин Eh больше 0, (Eh > Eh_ск)_ср, в слое 4 см составляет +132 мВ, а среднее значение величин Eh меньше 0, (Eh > Eh_ск)_ср, - (-50 мВ). Рассчитывают коэффициент биологической активности донных осадков.

K_биол = = 0,07 На данном участке озера в конце летнего периода отмечают выделение сероводорода в воду, наличие мощного замора. К_биол менее 0,1. Констатируют низкую биологическую активность донных осадков, низкую способность донных осадков к самоочищению в данной точке пресноводного водоема в изучаемый период. Кроме того, численность и активность бентосных организмов низкие. Дальнейшее загрязнение недопустимо.

П р и м е р 3. Способ осуществляют, как описано в примере 1, измерения проводят на ст. 106/60 ( = 45^о48'ON, = 32^o35'OE). По результатам измерений величин Eh строят график вертикального распределения (фиг. 3). Глубина залегания нижней границы первого снизу скачка потенциала (h) в области Eh больше 0 составляет 6,5 см. Eh_ск на нижней границе этого слоя равно 0 мВ. Среднее значение величин Eh больше 0 мВ, (Eh > Eh_ск)_ср, в слое 6,5 см составляет +270 мВ, а среднее значение величин Eh меньше 0, (Eh < Eh_ск)_ср, - (-48 мВ). Рассчитывают коэффициент биологической активности донных осадков K_биол = = 0,21 На данном участке водоема отмечают высокий уровень биологической продуктивности в воде, высокое содержание кислорода у дна, высокую численность бентосных организмов (много червей в осадке), что свидетельствует о благоприятных условиях для обитания бентосных организмов, способствующих протеканию активных микробиологических процессов в верхнем слое осадка. В данном районе не отмечают возникновения заморов. К_биол более 0,1, считают биологическую активность донных осадков высокой. Способность донных осадков водоема к самоочищению высокая. Констатируют наличие высокой активности и численности бентосных организмов.

П р и м е р 4. Способ осуществляют, как описано в примере 2, измерение проводят в октябре в пресноводном водоеме - в лесном пруду, который практически не был подвержен внешнему загрязнению и экосистема которого не пострадала от внешнего загрязнения (фиг. 4). Строят график распределения Eh в верхнем слое осадков до 10 см. Eh_ск на нижней границе слоя первого снизу скачка потенциала равно 0 мВ. Глубина залегания нижней границы этого слоя (h) составляет 9,5 см. Среднее значение величин Eh больше 0 мВ, (Eh > Eh_ск)_ср, составляет +216 мВ, среднее значение величин Eh меньше 0 мВ, (Eh < Eh_ск)_ср, - (-10 мВ). Рассчитывают коэффициент биологической активности донных осадков K_биол = = 0,21 Величины Eh показывают наличие кислорода в придонной воде и в верхнем слое осадка, а также отсутствие сильновосстановленных условий в слое 9,5 см, что свидетельствует об отсутствии сероводорода. В водоеме в донных осадках много личинок (мотыля), которые производят биотурбацию верхнего слоя осадка. К_биол больше 0,1, считают биологическую активность донных осадков в данной точке водоема высокой. Способность донных осадков к самоочищению также высокая. Активность и численность бентосных организмов высокая.

П р и м е р 5. Способ осуществляют, как описано в примере 1, измерения проводят на ст. 89/62 ( = 45^о48'ON, = 32^o18'OE). По результатам измерений величин Eh строят график вертикального распределения (фиг. 5). Глубина залегания нижней границы первого снизу скачка потенциала в области Eh больше 0 (h) составляет 10 см. Eh_ск на нижней границе этого слоя равно +300 мВ. Среднее значение величин Eh больше +300 мВ, (Eh > Eh_ск)_ср, в слое 10 см составляет +381 мВ, а среднее значение величин Eh меньше +300 мВ, (Eh < Eh_ск)_ср - (+300 мВ). Рассчитывают коэффициент биологической активности донных осадков: K_биол = = 0,08 В этой точке высокие значение Eh во всем изученном слое осадка свидетельствуют о низком уровне микробиологических процессов, что связано с низким уровнем поступления органического вещества в осадок из водной толщи, о низкой биологической продуктивности водоема, о низком трофическом уровне водоема на этом участке и о низкой численности бентосных организмов. Наблюдения за данным районом показывают, что он находится вдали от зоны массового развития фитопланктона и здесь никогда не было отмечено заморов. К_биол менее 0,1, констатируют низкую биологическую активность донных осадков, низкую способность донных осадков к самоочищению, низкую активность и численность бентосных организмов.

П р и м е р 6. Способ осуществляют, как описано в примере 2, измерение проводят в пресноводном водоеме (ст. 3 в Тульчинском озере) в летний период (август) (фиг. 6). Нижнюю границу первого снизу скачка потенциала отмечают на глубине 5,5 см. Eh_ск на нижней границе этого слоя равно +180 мВ. Среднее значение величин Eh больше +180 мВ, (Eh > Eh_ск)_ср, составляет +245 мВ, а среднее значение величин Eh меньше +180 мВ, (Eh < Eh_ск)_ср, - (+134 мВ). Рассчитывают коэффициент биологической активности донных осадков K_биол = = 0,06 К_биол менее 0,1, что соответствует низкой биологической активности донных осадков и низкой способности донных осадков водоема на донном участке к самоочищению, низкой активности и численности бентосных организмов.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет определять биологическую активность донных осадков и, следовательно, способность донных осадков к самоочищению в любых водоемах и условия обитания и активность бентосных организмов, что необходимо знать и учитывать при проведении мониторинга и перспективного прогнозирования состояния водоемов, для оценки возможности использования водоемов для дальнейшей нейтрализации промышленных малоочищенных стоков, при рекультивации водоемов, а также для оценки пригодности водоемов для разведения рыбы и других водных организмов.

Предлагаемый способ определения биологической активности донных осадков применим для водоемов всех типов. Способ является достоверным, т. к. для определения биологической активности в нем используют характер пространственного распределения окислительно-восстановительного потенциала, который является интегральной величиной, отражающей все химические характеристики и физико-химические свойства осадков, скорости биогеохимических процессов, а также численный и видовой состав макро- и микроорганизмов.

Кроме того, измерения Eh очень просты и воспроизводимы, особенно при измерении их выносным дистанционным датчиком непосредственно в водоеме без отбора проб трубой и дночерпателем. Использование Eh позволяет применять чувствительный низкоинерционный портативный зонд с блоком датчиков, что дает возможность быстро получать результаты и проводить измерения с требуемой регулярностью. (56) 1. Кузнецов С. И. Микрофлора озер и ее биологическая деятельность, 1970, Л. : Наука, с. 219.

Формула изобретения

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ БИОЛОГИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ ДОННЫХ ОСАДКОВ водоема, предусматривающий регистрацию физико-химического параметра в донном осадке и суждение по его величине о биологической активности донных осадков, отличающийся тем, что в качестве физико-химического параметра измеряют окислительно-восстановительный потенциал Eh, регистрацию которого проводят в слое донного осадка глубиной до 10 см, при этом регистрируют глубину нижней границы первого снизу резкого скачка потенциала в области Eh больше нуля, рассчитывают средние величины Eh в слое над нижней границей первого снизу резкого скачка потенциала и под ней, а оценку биологической активности донных осадков водоема проводят по формуле K_биол= где K_биол - коэффициент биологической активности донных осадков; Eh_ск - величина Eh на нижней границе скачка потенциала; (Eh > Eh_ск)_ср - среднее из величин Eh в слое над границей скачка потенциала; (Eh < Eh_ск)_ср - среднее из величин Eh в слое под границей скачка потенциала; h - глубина залегания нижней границы первого снизу скачка потенциала, при этом, если K_биол меньше или равно 0,1, биологическую активность донных осадков считают низкой, а в случае больше 0,1 - высокой.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6