Способ оценки самоочистительного потенциала прибрежной акватории Российский патент 2020 года по МПК G01N33/18 

Изобретение относится к экологии, прикладной гидробиологии и охране окружающей среды и может быть использовано для оценки экологического состояния прибрежных морских акваторий при проведении экологической экспертизы, а также для прогнозирования состояния прибрежных морских акваторий при планируемом росте на них рекреационных нагрузок.

Концепция управления прибрежными зонами (КУПЗ) выступает как инструмент устойчивого развития приморских регионов [1], и немыслима без разработки нормативных показателей, отражающих состояние прибрежных экосистем и их компонентов.

В самоочищении водных экосистем и формировании качества воды участвуют все систематические группы организмов (бактерии, растения, животные) и экологические группировки (планктон, бентос, обрастание). Однако в прибрежных эвтрофируемых акваториях донным водорослям (макрофитам) в этом обмене принадлежит наиболее важная роль [2, 3]. Объясняется это тем, что макрофиты - единственная постоянно находящаяся (в отличие от приходящего и уходящего с течениями фитопланктона) в данных акваториях массовая группа организмов, эффективно аккумулирующая биогенные элементы, и осуществляющая кислородную аэрацию воды. Поэтому основная задача экспертной оценки самоочистительного потенциала акватории может быть сведена к оценке потоков минеральных форм азота и фосфора через донное сообщество макрофитов и сопоставление этих потоков с потоками азота и фосфора поступающих в данную акваторию с хозбытовыми стоками и непосредственно от купающихся людей.

Литературные сведения о скорости процессов самоочищения касаются, в основном, пресноводных водотоков. Об интенсивности процесса самоочищения судят по индексу нитрификации [4], который отражает самоочищение за счет микробиальных процессов. Изменение во времени гидрохимических показателей: БПК, ХПК, окисляемость воды - косвенно отражают направленность и интенсивность процессов самоочищения в морских и пресноводных водоемах.

Однако, до настоящего времени, удобных, простых и надежных методов для оценки самоочистительной способности прибрежных морских акваторий с участием макрофитобентоса не существует.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является Способ определения способности водоема к самоочищению [5], где в слое донного осадка глубиной до 20 см измеряют окислительно-восстановительный потенциал Eh, рассчитывают среднюю из величин Eh, больших чем нуль, устанавливают толщину слоя осадка с величиной Eh, большей нуля. Оценку способности водоеме к самоочищению осуществляют по расчетной формуле. Способ основан на том, что окислительно-восстановительный потенциал Eh и его пространственное распределение в осадке отражают и описывают напряженность окислительно-восстановительных условий в осадке, отражающих протекание, активность и сбалансированность биогеохимических процессов на последней стадии переработки органических остатков и загрязнений в донных осадках в аэробном, микроаэрофильном и аэробном слоях, определяющих самоочищающую способность осадка - последнего звена цепи очистки водоема. Способ дает интегральную оценку состояния водной среды, вызванную кумулятивными действиями присутствующих в воде загрязняющих веществ. Однако, этот способ имеет недостатки: а) он не количественный; б) не подходит для акваторий, в которых нет донных осадков; в) регистрируются уже состоявшиеся изменения в биоценозе; г) по нему нельзя оценить самоочищение по отдельным компонентам, по биогенным элементам в частности. Общим признаком с прототипом является отражение экологического состояния водоема или его части.

Задачей изобретения является создание количественного способа, позволяющего оценивать самоочистительный потенциал прибрежных акваторий и расширить арсенал способов оценки самоочищения водоемов.

Техническим результатом от решения поставленной задачи является определение потенциального участия макрофитобентоса в процессе самоочищения прибрежных акваторий, которое выражается в оценке возможности прибрежной экосистемы переносить существующие и принимать дополнительные нагрузки по неорганическим формам азота (далее N) и фосфора (далее Р), а также возможность охарактеризовать экологическое состояние прибрежных акваторий и рассчитать их потенциальную емкость по N и Р. Он позволяет делать конкретные выводы об интенсивности самоочищения акваторий от азота и фосфора.

Анализ опубликованных технических решений в области биологического самоочищения водных объектов показал, что на данный момент не существует способа аналогичного по заявляемой совокупности признаков и выполняемой задаче. Это определяет новизну данного изобретения.

Отличия предложенного способа от существующих состоят в том, что используют имманентные свойства донной растительности (структурные, функциональные) и оценивают потенциальные возможности макрофитобентоса в очистке воды от минеральных форм азота и фосфора, в то время как другие методы нацелены на оценку интегрального самоочищения, а по сути отражают окисление органических веществ и распад токсикантов.

Решение поставленной цели осуществляется путем использования в качестве сравниваемых характеристик входных потоков азота и фосфора из звена рекреации (хозбытовые стоки, поступления со смывами с тел и с мочой во время купания людей) и выходных потоков (изъятие азота и фосфора макрофитобентосом из воды).

Для достижения заявленного технического результата в Способе оценки самоочистительного потенциала прибрежной акватории, включающем получение параметров и расчет оценки водоема к самоочищению выполняют ряд изменений. Так, например, проводят отбор проб макрофитобентоса, определение видового состава, запасов видов, расчет величины поступления в море азота (N) и фосфора (Р) со стоками и от купающих в море людей. Выполняют расчет потенциальных величин суточного изъятия азота и фосфора макрофитобентосом. Оценку самоочищения осуществляют путем расчета индекса самоочищения, в котором соотносят потоки входного поступления азота и фосфора в акваторию и выходного изъятия азота и фосфора макрофитобентосом. В соответствии со способом, считают, что значение индекса, равное единице отражает критический уровень полного самоочищения акватории макрофитобентосом. При значении индекса больше единицы макрофитобентос не способен полностью справится с биогенной нагрузкой и прогнозируется ухудшение состояния биоценоза. Значение индекса меньше единицы отражает улучшение состояния биоценоза.

Оценку самоочищения в акватории осуществляют путем соотнесения входного (IF _{N, P} - скорость поступления N или Р в акваторию) и выходного (U_{N, P} - потенциальная скорость изъятие N или Р макрофитобентосом) потоков, получая величину индекса самоочищения - SPI акватории конкретно по каждому элементу.

Проведенные исследования показали, что численные значения SPI могут соответствовать трем степеням самоочищения акватории или водоема.

SPI_{N, P}<1 отражает высокую самоочистительную способность акватории, по азоту или фосфору, т.к. макрофитобентос потенциально способен изымать соответствующий биогенный элемент в больших количествах, чем поступает на момент проведения исследований (U_{N, P}>IF_{N, P})- В такой обстановке акватория способна принять дополнительную биогенную нагрузку.

При SPI_{N, P}=1 входной и выходной потоки по азоту или по фосфору уравновешены (IF_{N, P}=U_{N, P}). В такой ситуации ничего не изменяется, система находится в равновесии, процессы самоочищения компенсируют процессы эвтрофирования, экологическая емкость акватории по азоту или по фосфору использована на 100%.

При SPI_{N, P}>1 в акваторию поступает больше питательных веществ чем изымается (IF_{N, P}>U_{N, P}). Это означает, что самоочистительная способность акватории низкая, макрофитобентос не способен самостоятельно справиться с имеющейся биогенной нагрузкой, что может привести к эвтрофированию водоема или его части и ухудшению в них экологической обстановки.

Изобретение поясняется таблицами. Таблица 1. Содержание азота и фосфора в морском макрофитобентосе; Таблица 2. Потенциальные величины изъятия азота и фосфора отдельными видами макрофитобентоса и параметры, использованные в их расчетах; Таблица 3. Поступление азота и фосфора в акваторию б. Круглой от рекреантов и индекс самоочищения акватории бухты макрофитобентосом при разной нагрузке на акваторию.

Процедура расчетов:

Индекс самоочищения морских прибрежных акваторий макрофитобентосом от минеральных форм азота и фосфора рассчитывали по (1)

где SPI_{N, P} - индекс самоочищения акватории макрофитобентосом по N или Р.

IF_{N, P} - входной поток (скорость поступления N или Р в исследуемую акваторию с хозбытовыми стоками и от купающихся людей), кг/сут.

U_{N, P}- выходной поток (скорость потребления N или Р макрофитобентосом за счет роста отдельных видов), кг/сут.

IF_{N, P} рассчитывали по (2):

где S_{N, P} -скорость поступления N или Р с хозбытовыми стоками, кг/сут.

R_{N, P} - скорость поступления N или Р из вена рекреации, кг/сут.

S_{N, P} рассчитывали по (3):

где K_{N, P} - концентрация минеральных форм азота или фосфора в хозбытовых стоках, кг/м³; V - суточный объем стока, м³/ сут

R_{N, P} рассчитывали по (4):

где F_{N, P} - среднесуточное поступление N или Р от одного рекреанта по [6], г/сут; n - количество рекреантов. 1000 - коэффициент перерасчета граммов в килограммы. Согласно [6], от одного человека со смывами с тела и с мочой в акваторию поступает 1,5 г N и 0,193 г Р.

Выходной поток (потребление азота или фосфора макрофитобентосом) рассчитывали по (5)

где U_{N, P} - выходной поток (скорость потребления N или Р макрофитобентосом), кг/сут;

μ_i - удельная скорость роста i-того вида, сут^-1;

B_i- запасы i-того вида в исследуемо акватории, кг сухой массы;

C_{Ni, Pi} - содержание N или Р в сухой массе i-того вида макрофитов, доля от сухой массы.

Удельную скорость роста видов макрофитобентоса - μ_i рассчитывали согласно [7] по (6)

где lgμ_i; - десятичный логарифм удельной скорости роста i-того вида макрофитобентоса, сут^-1;

lg(S/V)_i десятичный логарифм величины удельной поверхности i-того вида макрофитобентоса, м^-1.

C_{Ni, Pi} рассчитывали по литературным данным (см. табл. 1).

Пример:

Исследования самоочистительной способности макрофитобентоса были проведены в б. Круглой (г. Севастополь), акватория которой является зоной массовой рекреации. Основная химическая нагрузка на акваторию бухты, в летнее время, происходит за счет рекреантов, хозбытовые стоки в бухту не сбрасываются.

Пробы макрофитов отбирали на 7 профилях в диапазоне глубин от 0,5 до 15 м по стандартной методике с использованием учетных площадок, в летний период 2018 г. Всего проанализировали 102 количественных пробы макрофитобентоса, определили их видовой состав, величину удельной поверхности (S/V), биомассу и запасы. По описанной выше схеме были рассчитаны потенциальные величины изъятия азота и фосфора отдельными видами макрофитобентосом из воды за счет их роста (табл. 2).

Далее рассчитали величины поступлений азота и фосфора от рекреантов (U_{N, P}) в бухту по (4), и индекс самоочищения SPI_{N, P} акватории бухты макрофитобентосом по азоту и фосфору (табл. 3).

Значения SPI двух последних колонках значительно меньше единицы. Это говорит о том, что макрофитобентос способен полностью утилизировать азот и фосфор, поступающие из звена рекреации в бухту.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет оценить самоочистительный потенциал прибрежных акваторий за счет имманентных свойств макрофитобентоса, способность донной растительности переносить существующую и принимать дополнительные нагрузки по неорганическим формам азота и фосфора, оценить экологическое состояние акватории. Величины выходных потоков азота и фосфора (потенциальные скорости потребления N и Р макрофитобентосом) характеризуют экологическую емкость акватории по этим биогенным элементам.

Предлагаемый способ применим для акваторий и водоемов с макрофитобентосом.

Источники информации:

1. Бухарестская конвенция по защите Черного моря от загрязнения стратегический план действий по организации КУПЗ для региона Черного моря на 2004-2007 гг./ [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.sea.gov.ua/GIS/BSR/UA/documents/legislation/ISZMStrategyandActionPlanRusv4.htm

2. Синельников В.Е. Проблемы чистой воды / В.Е. Синельников. - М.: Знание,1978. - 64 с.

3. Ковардаков С.А. Изменение донной растительности в акватории черноморского рекреационного комплекса в процессе его развития / С.А. Ковардаков, Ю.К. Фирсов // Системы контроля окружающей среды. Средства и мониторинг (сб. науч. тр.): - Севастополь, МГИ. - 2007. - С. 347 -351.

4. Спицына Т.П. Комплексные критерии самоочищения водотоков / Т.П. Спицына, О.В. Тасейко // Вестник ТвГУ. Серия "Биология и экология". 2018. №2. С. 248-262. -

5. Авт. свид. 1818583 СССР, МКИ⁵ G01N 33/18. Способ определения способности водоема к самоочищению / В.Г. Токарев, И.И. Трибрат (СССР).

6. Schulz L., 1981. Nahrstoffeintrag in Seen durch Badegaste. ZentralblattiurBakteriologie, Mikrobiologie und Hygiene /L. Schulz // I. Abt. Originate В 173. -1981. - S. 528-548 (in Germ.).

7. Nielsen, S.L. Allometric scaling of maximal photosynthetic growth rate to surface/volume ratio / S.L. Nielsen, K. Sand-Jensen // Limnol. Oceanogr. - 1990. - Vol. 35(1), - P. 177-181.

8. Kesava, C.R. Carbon, Nitrogen & Phosphorus Ratios in Seawater & Seaweeds of Saurashtra, North West Coast of India / C.R. Kesava, V.K. Indusekhar // Indian Journal of Marine Sciences. 1987.-Vol. 16(2). - P. 117-121.

9. Duarte CM. Seagrass nutrient content / CM. Duarte // Mar. Ecol. Prog. Ser. - 1990. - Vol. 67(2). - P. 201-207.

Изобретение относится к области экологии, прикладной гидробиологии и охране окружающей среды и предназначено для оценки экологического состояния прибрежных морских акваторий. Способ оценки самоочистительного потенциала прибрежной акватории включает получение параметров акватории и оценку водоема к самоочищению, причем для получения необходимых параметров проводят отбор проб макрофитобентоса, определение видового состава, запасов видов, расчет величины суточного поступления в море азота (N) или фосфора (Р) со стоками и от рекреантов, расчет потенциальных величин суточного изъятия азота или фосфора макрофитобентосом. Оценку самоочищения осуществляют путем расчета индекса самоочищения, представляющего собой отношение входного поступления азота или фосфора в акваторию (кг/сут.) к изъятию азота или фосфора макрофитобентосом (кг/сут.). Значение индекса, равное единице, отражает критический уровень полного самоочищения акватории макрофитобентосом. При значении индекса больше единицы макрофитобентос не способен полностью справиться с биогенной нагрузкой и прогнозируется ухудшение состояния биоценоза, а значение индекса меньше единицы отражает улучшение состояния биоценоза. Изобретение позволяет определить возможности прибрежной экосистемы переносить существующие и принимать дополнительные нагрузки по неорганическим формам азота и фосфора, а также охарактеризовать экологическое состояние прибрежных акваторий и рассчитать их потенциальную емкость по азоту и фосфору. 3 табл., 1 пр.

Способ оценки самоочистительного потенциала прибрежной акватории, включающий получение параметров акватории и оценку водоема к самоочищению, отличающийся тем, что для получения необходимых параметров проводят отбор проб макрофитобентоса, определение видового состава, запасов видов, расчет величины суточного поступления в море азота (N) или фосфора (Р) со стоками и от рекреантов, расчет потенциальных величин суточного изъятия азота или фосфора макрофитобентосом, а оценку самоочищения осуществляют путем расчета индекса самоочищения, представляющего собой отношение входного поступления азота или фосфора в акваторию (кг/сут.) к изъятию азота или фосфора макрофитобентосом (кг/сут.) и считают, что значение индекса, равное единице, отражает критический уровень полного самоочищения акватории макрофитобентосом, при значении индекса больше единицы макрофитобентос не способен полностью справиться с биогенной нагрузкой и прогнозируется ухудшение состояния биоценоза, а значение индекса меньше единицы отражает улучшение состояния биоценоза.