СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ БИОЛОГИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ ДОННЫХ ОСАДКОВ Российский патент 1994 года по МПК G01N33/24 G01N33/18 A01K61/00 

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_ск)_ср] h/(Eh_max - Eh_min) 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_ск)_ср] /(Eh_max - Eh_min) 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 Eh_ск) 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 (ϕ = 46^о28'ON, λ= 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_ск)_ср, - (-150 мВ). Рассчитывают коэффициент биологической активности донных осадков
K_биол = = 0,04
В данном районе отмечают повышенный уровень загрязнения, дефицит кислорода у дна, массовые ежегодные заморы. К_биол 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 ( ϕ= 45^о48'ON, λ= 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 ( ϕ= 45^о48'ON, λ= 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.

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_ск)_ср]·h/10000, где K_биол. - коэффициент биологической активности донных осадков, составляющий долю от теоретически максимально возможной в наиболее благоприятных условиях; Eh_ск - величина Eh на нижней границе первого снизу резкого перепада 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 резкого перепада потенциала, при этом если K_биол. меньше или равно 0,1, считают биологическую активность донных осадков низкой, если K_биол. больше 0,1 считают биологическую активность донных осадков высокой. 6 ил.

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.