CC BY
174
УДК 574.51
ВЫЯВЛЕНИЕ ЛИМИТИРУЮЩЕГО ЭВТРОФИРОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТА В ВОДНОЙ ЭКОСИСТЕМЕ
© 2015 А. Ю. Жидкова (Гусева)1, Н. В. Гусакова2, В. В. Петров3
1 аспирант, ст. преподаватель ТПИДГТУ e-mail: [email protected] 2канд. пед. наук, доцент кафедры ТБЭХ, e-mail: [email protected] 3докт. техн. наук, профессор, директор ИУиЭС, e-mail: [email protected]
Южный федеральный университет
Проведено исследование, позволяющее определить экологический резерв Таганрогского залива, а также выявить лимитирующий эвтрофирование элемент для данной водной экосистемы.
Ключевые слова. Лимитирующий элемент, эвтрофикация, экологически допустимые концентрации, экологический резерв, Таганрогский залив Азовского моря.
В Таганрогском заливе Азовского моря за последние 20 лет вследствие антропогенного воздействия произошло очевидное снижение качества воды водоема, уменьшилось биоразнообразие, началось заболачивание залива в прибрежной зоне. В связи с этим нами было проведено исследование, позволяющее определить экологический резерв (ЭР) по биогенным веществам для Таганрогского залива, а также выявить лимитирующий эвтрофирование элемент для данной водной экосистемы.
Измерения проводились в 20 местах отбора проб в течение 11 лет в период с 2002 по 2012 г. (рис. 1).
Рис. 1. Места отбора проб в Таганрогском заливе
В первую очередь были рассчитаны ЭДК - экологически допустимые концентрации вредных веществ в окружающей среде, поступающих от антропогенных источников и не нарушающих гомеостатические механизмы саморегуляции экосистем [Цветкова 1991].
Расчеты ЭДК основаны на использовании показателя, интегрально отражающего экологическое состояние водной системы на надорганизменном уровне -показатель трофности водоема. Исходя из константности уровня трофности в построенной нами статистической модели [Гусева, Гусакова 2014]:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
TCTaT=6,294+0J04[%o]+0,114[t]-1,06[NH+4]+0,021[NO3]-0,929[P], (1)
где [%] - соленость, %;
[t] - температура воды, 0С;
[NH+4] - концентрация азота аммонийного, мг/л;
[NO3] - концентрация нитратов, мг/л;
[P] - концентрация фосфорсодержащих соединений, мг/л.
Расчеты экологически допустимых концентраций (ЭДК) биогенных веществ для Таганрогского залива принимают вид:
ЭДК(ЫН+4) = -1,892+0,020[NO3] - 0,876[Р] + 0,108[t] + 0,098[%]; (2)
ЭДК(NO3) = 95,523+ 50,476[NH+4]+44,238p] - 5,429[t]-4,952[%]; (3)
ЭДК(Р) = -2,159- 1,141[NH+4]+ 0,023[NO3] +0,123[t]+0,112[%]. (4)
Для расчета ЭДК взяты среднемноголетние концентрации исследуемых показателей в водах района УШа Таганрогского залива за 2002-2012 гг. (см. табл. 1).
Таблица 1
Среднемноголетние концентрации исследуемых показателей в Таганрогском заливе за 2002-2012 гг.
Температура воды, 0С Аммоний ион, мг/дм3 Нитраты, мг/дм3 Фосфаты, мг/дм3 Соленость, %
18,0 0,123 1,66 0,069 1,4
При допущении, что dC / dt = 0, в первом приближении можно записать [Цветкова и соавт. 1991]:
ЭР = (ЭДК! - Q)-Q, (5)
Обобщенные результаты расчетов приведены в таблице 2.
ЭДК и ЭР Таганрогского залива
Таблица 2
Показатель ЭДК, мг/л ЭР, т/год
Аммоний ион 0,153 0,076
Нитраты 0,129 -3,862
Фосфор 0,110 0,103
Для оценки изменения состояния водоема актуальным является определение ЭДК и ЭР отдельно для каждого года исследуемого периода (табл. 3).
Расчеты ЭР показали, что для фосфора наблюдается положительная динамика, то есть его ЭР постепенно увеличивается. Аналогичная ситуация, хоть и не столь позитивная, наблюдается для аммоний-иона. ЭР для нитратов разнится от года к году, но в целом в последние годы остается на уровне среднемноголетнего.
При оценке качества вод Таганрогского залива также следует учесть такой показатель, как экологически допустимые нагрузки (ЭДН). При их оценке следует исходить из условия, что ЭР>ЭДН. Для Таганрогского залива такая оценка, как и расчеты ЭДК и ЭР, проводится впервые.
Auditorium: электронный научный журнал Курского государственного университета. 2015. № 4 (0 8)
Жидкова (Гусева) А. Ю., Гусакова Н. В., Петров В. В. Выявление лимитирующего эвтрофирование элемента в водной экосистеме
Ежегодные ЭР Таганрогского залива
Таблица 3
Год ЭР, т/год
Аммоний-ион Нитраты Фосфор
2002 0,383 -2,473 0,426
2003 -0,477 -0,979 -0,554
2004 -0,145 -7,455 -0,174
2005 -0,182 -8,676 -0,216
2006 -0,252 -3,834 -0,298
2007 0,537 -4,043 0,602
2008 -0,785 -3,002 -0,903
2009 -0,152 -0,558 -0,183
2010 0,994 -4,252 1,372
2011 0,749 -3,719 0,846
2012 0,160 -3,491 0,174
User 7.11.15 12:00
Formatted: Font:(Default) Times New Roman, 10 pt, Bold
Примем [Неверова-Дзиопак 2003]
ЭДН ^ к1'*/ст.в + к.2‘</реч .ст + кз-Лов. ст +к4* Трека + k5*J£
[ + к6*Трасс. ист.
Для Таганрогского залива в современных условиях ранее рассчитанные уравнения внешних нагрузок на акваторию:
J (Р) = 0,б971ст.в. + 0,29Ыреч.ст 0,0121пр.; (б)
J (NH+4) = 0,324JCT. в + 0,б35Jреч.ст + 0,03Ырекр. + 0,0Ппр.; (7)
J (NO3) = 0,94бJст. в. + 0,047Jреч.ст. + 0,007JПр. (8)
Сами же нагрузки составили:
J (Р) = 60,158 т/год.
J (NH+4) = 61,126 т/год.
J (NO3) = 1512,481т/год.
Экологический резерв залива значительно превышен. При существующей в современных условиях нагрузке экосистема залива не в состоянии самостоятельно справиться с тем количеством биогенных веществ, которые в нее поступают. Именно это и приводит как к увеличению показателя трофности залива, так и к превышению его ЭР.
В данных условиях становится актуальным расчет ЭР водоема в экстремальных условиях (выполняется для залива впервые).
Расчет экологического резерва при экстремальных условиях (ЭРть) велся по формуле [Цветкова и соавт. 1995]
ЭР mm = (ЭДК - Стах) -Qmm-10-6, (9)
где ЭРщт - минимальный экологический резерв водоема, т/год; ЭДК - экологически допустимые концентрации, мг/л; Стах - максимальные концентрации, мг/л; Qmn -расход воды в водоеме, при котором возможен переход водоема в эвтрофное состояние, м3.
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
Минимальная допустимая к сбросу концентрация биогенного элемента в сточной воде, гарантирующая экологический минимум его содержания в водоеме, то есть предотвращение эвтрофирования, рассчитывается по формуле
ДКшш = ЭРщт/q, (10)
где ДКш1п - минимальная концентрация в сточной воде, допустимая к сбросу, мг/л; q - расход сточных вод, м3.
Расход воды в водоеме в местах выпусков сточных вод рассчитывается по формуле [Неверова-Дзиопак 2003]
Qmin (ОС) = К ' Qmin(ТЗ) + Ч , (11)
где Qmm (ос) - минимальный расход воды водоема в районе выпуска сточных вод очистной станции, м3/сут; К - коэффициент, характеризующий соотношение расходов воды в зоне выпуска сточных вод к общему расходу воды в Таганрогском заливе; Qmin (ТЗ) - минимальный расход воды в Таганрогском заливе, м3/сут; q -расход сточных вод, м3/сут.
Необходимую степень доочистки сточных вод (СД, %) рассчитывали по формуле [Цветкова и соавт. 1995]
СД = ——-100, %, (12)
Сст .в
где Сст.в - концентрации в очищенной сточной воде, г/м3.
Для расчетов пользовались данными о концентрации биогенов мониторинга ФГУП «Азовморинформцентр», МУП «Водоканал» за 2002-2012 гг. по Таганрогскому заливу.
Полученные результаты:
QmifflPQ = 43403,65 тыс. м3 ЭДК (NH+4) = 0,153 мг/л ЭДК (NO3) = 0,129 мг/л ЭДК (Р) = 0,110 мг/л ЭРшп (NH+4) = 0,048 т/год ЭРш1п (NO3) = 0,0008 т/год ЭРшт (Р) = 0,007 т/год ДКшп^+4) = 0,022 мг/л ДКшm(NOз) = 0,037 мг/л ДКшт(Р) = 0,32 мг/л СД(ЫН+4) = 94,37%
СД(NOз) = 99,99%
СД(Р) = 83,3%
Если сравнить ЭР водоема с общей нагрузкой биогенными веществами, поступающими со сточными водами, становится очевидно, что в целом экологический резерв водоема практически уже превышен за счет поступления биогенов со сточными водами, стоком рек и из других источников. Таким образом, можно сделать вывод о том, что экологическая обстановка в Таганрогском заливе является критической и требует проведения различных мероприятий по снижению содержания загрязняющих биогенных веществ в его водах.
Auditorium: электронный научный журнал Курского государственного университета. 2015. № 4 (08)
Жидкова (Гусева) А. Ю., Гусакова Н. В., Петров В. В.
Выявление лимитирующего эвтрофирование элемента в водной экосистеме
В водных (как и в наземных) экосистемах основным фактором, лимитирующим урожайность первичной продукции фитопланктона в естественных условиях, является низкая концентрация в воде биогенных форм фосфора либо азота. При антропогенном поступлении их в водоемы и начинается бурный рост водорослей.
Таким образом, при решении проблемы необходимости и степени удаления биогенных веществ из сточных вод в первую очередь следует уделять внимание тем биогенным элементам, которые лимитируют эвтрофирование данной водной системы, то есть фосфору и азоту (фосфатам и нитратам). Для выяснения этого элемента была проведена серия опытов с природной водой из Таганрогского залива.
Результаты исследований показаны на рисунках 2-10.
Р04 = 0,145+0,039*х
NH4
Рис. 2. Зависимость концентрации аммоний-иона от концентрации фосфатов в контрольных пробах
Р04 = 0,1661+0,0767*х
NH4
Рис. 3. Зависимость концентрации аммоний-иона от концентрации фосфатов в пробах с добавлением фосфатов
На рисунках 2-4 показано, что зависимость между концентрациями фосфатов и аммоний-иона во всех проводимых опытах отсутствует.
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
Р04 = 0,1342+0,0729*х
NH4
Рис. 4. Зависимость концентрации аммоний иона от концентрации фосфатов в пробах с добавлением
аммоний-иона
Тэксп. = 8,9502-1,6292*х; 0,95 Дов.Инт.
Р04
Рис. 5. Зависимость показателя трофности от концентрации фосфатов в пробе 1 (R= —0,39)
Р04
Рис. 6. Зависимость показателя трофности от концентрации фосфатов в пробе 2 (R= -0,39)
Auditorium: электронный научный журнал Курского государственного университета. 2015. № 4 (08)
Жидкова (Гусева) А. Ю., Гусакова Н. В., Петров В. В. Выявление лимитирующего эвтрофирование элемента в водной экосистеме
Р04
Рис. 7. Зависимость показателя трофности от концентрации фосфатов в пробе 3 (R= —0,41)
NH4
Рис. 8. Зависимость показателя трофности от концентрации аммоний-иона в пробе 4 (R= -0,88)
NH4
Рис. 9. Зависимость показателя трофности от концентрации аммоний-иона в пробе 5 (R= —0,88)
NH4
Рис. 10. Зависимость показателя трофности от концентрации аммоний-иона в пробе 6 (R= -0,89)
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
Представленные результаты исследований показывают:
- отсутствие корреляционной зависимости между аммоний-ионом и фосфатами во всех исследуемых пробах;
- высокую зависимость показателя трофности водоема от концентрации аммоний-иона;
- довольно низкую корреляционную зависимость показателя трофности от фосфатов.
Для сравнительной оценки влияния азота и фосфора на скорость эвтрофирования мы рассчитали эффект влияния биогенных добавок). Полученные результаты представлены в таблице 4.
Таблица 4
Эффект влияния биогенных добавок на скорость эвтрофирования
KH2PO4 NH4CI
[P], мг/л Э,% [N], мг/л Э,%
1,36 22,47 2,67 51,55
1,09 16,49 1,91 45,65
0,41 10,14 1,146 38,17
Среднее 16,37 Среднее 45,12
Видно, что эффект влияния азота практически в три раза выше эффекта влияния фосфора.
На основе проведенных исследований можно сделать вывод о том, что для Таганрогского залива в настоящее время характерна доминирующая роль азота в эвтрофировании.
Эвтрофирование становится наиболее вероятным, когда атомно-весовое соотношение азота и фосфора N:P приближается к атомно-весовому соотношению этих элементов в составе фитопланктона, то есть 16:1 [Цветкова 1995].
Необходимо отметить, что многолетние изменения концентраций азота и фосфора в Таганрогском заливе описаны рядом исследователей (см.: [Федоров и соавт. 2004, 2007], [Матишов и соавт. 2003, 2005], [Кукса, Гаргопа, 2004], [Александрова и соавт. 1996, 2002]. Выполненный ими сравнительный анализ многолетних колебаний биогенных веществ в водах Азовского моря показал наличие различных соотношений содержания соединений азота и фосфора. Так, периоды с повышенным содержанием соединений азота, как правило, отличаются многоводностью, пониженной ветровой активностью и повышенным температурным фоном. Колебание содержания фосфора зависит от притока пресных вод. Концентрация фосфора сравнительно резко уменьшается в маловодные годы и столь же существенно увеличивается в многоводные. В отличие от соединений азота, ветровая активность над акваторией и повышенный температурный фон оказывают прямое воздействие на увеличение количества соединений общего фосфора в воде.
По данным Э.В. Макарова с соавторами [1998], исследовавшего концентрации азота и фосфора в Азовском море в 1952-1995 гг., отмечен рост концентрации минерального фосфора, достаточно резко выраженный именно для Таганрогского залива.
З.В. Александрова и соавторы [1996, 2002], анализировавшие режим биогенных веществ в 1988-2000 гг., отмечают, что вследствие интенсивного усвоения нитратов фитопланктоном их содержание в море за 1996-2000 гг. резко сократилось. В Таганрогском заливе, по их мнению, данное явление обусловлено биологическими
Auditorium: электронный научный журнал Курского государственного университета. 2015. № 4 (08)
Жидкова (Гусева) А. Ю., Гусакова Н. В., Петров В. В. Выявление лимитирующего эвтрофирование элемента в водной экосистеме
факторами и ослаблением антропогенного воздействия, тогда как в годы, характеризующиеся развитием производства и масштабным применением агрохимикатов (1985-1990), количество нитратов было в несколько раз выше. Тенденция к снижению концентрации фосфатов появилась несколько позднее (с 1997 г.), когда их содержание сократилось в 1,3 раза относительно первой половины 90-х годов. При этом, приток биогенных элементов с речным стоком, несмотря на его некоторых рост, практически остался на прежнем уровне, что, видимо, связано с уменьшением их концентрации в речных водах вследствие снижения воздействия факторов антропогенного происхождения.
По данным других исследователей [Матишов 2003], меньшая согласованность между многолетними колебаниями биогенных веществ, речным стоком и соленостью Азовского моря объясняется произошедшими в конце XX в. резкими изменениями климатообразующих процессов в атмосфере в целом, ветровых и термических полей в частности, а также степени влияния их на элементы водного баланса и океанографические параметры.
Исследование содержания биогенов в Азовском море и Таганрогском заливе в частности в 1958-1998 гг. показало, что концентрация минерального азота увеличилась в 2 раза в 1958-1987 гг., а затем в 1,9 раз уменьшилась в 1988-1998 гг. Концентрация минерального фосфора в указанный период выросла вдвое. Для отношения азота к фосфору характерно понижение в 2-3 раза [Студенникина и соавт. 1999].
Таким образом, проведенный литературный анализ показал неоднородность изменения многолетних концентраций азота и фосфора в Таганрогском заливе, что позволяет говорить о переменной значимости их влияния на эвтрофирование.
Проведенный нами анализ последнего десятилетия (2002-2012 гг.), построенная статистическая модель, проведенные экспериментальные исследования позволяют сделать вывод о том, что в настоящее время лимитирующим фактором эвтрофирования Таганрогского залива является азот.
Библиографический список
Александрова З.В., Баскатова Т.Е. Оценка тенденций изменения химических основ биологической продуктивности Азовского моря в современный период // Основные проблемы рыболовного хозяйства и охрана рыбохозяйственных водоемов Азово-черноморского бассейна. М.: Национальные рыбные ресурсы, 2002. С. 26-37.
Александрова З.В., Баскатова Т.Е., Макаров Э.В. Оценка показателей эвтрофирования Азовского моря с применением многомерного анализа // Основные проблемы рыбного хозяйства и охраны рыбохозяйственных водоемов Азовского бассейна. Ростов на/Д: АзНИИРХ, 1996.
Гусева А.Ю. Расчет экологически допустимых концентраций биогенов в Таганрогском заливе Азовского моря на основе разработанной модели эвтрофирования // Известия Южного Федерального Университета. Технические науки /
Технологический ин-т ЮФУ. Таганрог, 2013. №9 (146). С. 240-245.
Гусева А.Ю., Гусакова Н.В., Петров В.В. Экспериментальные исследования эвтрофирования водоема в системе экологической безопасности региона // Там же. 2014. № 9. С. 254-259.
Гусева А.Ю., Гусакова Н.В. Определение внешней нагрузки биогенов на Таганрогский залив Азовского моря // Безопасность жизнедеятельности. 2014. № 1. С. 36-41.
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
Кукса В.И., Гаргопа Ю.М. Современная оценка гидрологических условий формирования биопродуктивности Азовского моря // Водные ресурсы. 2004. Т. 31. № 4. С. 489-497.
Матишов Г.Г., Гаргопа Ю.М., Бердников С.В., Дженюк С.Л. Закономерности экосистемных процессов в Азовском море. М., 2005. 301 с.
Матишов Г.Г., Абраменко М.И., Гаргопа Ю.М., Буфетова М.В. Новейшие экологические феномены в Азовском море (вторая половина XX века). Апатиты: КНЦ РАН, 2003. 441 с.
Макаров Э.В., Семенов А.Д., Александрова З.В. и др. Особенности гидрохимического режима Азовского моря в 1985-1995 гг. // Основные проблемы рыбного хозяйства и охраны рыбохозяйственных водоемов Азово-черноморского бассейна. Ростов н/Д.: Молот, 1998. С. 13-26.
Неверова-Дзиопак Е. Теоретическое, методологическое и инженерное обеспечение охраны поверхностных вод от антропогенного эвтрофирования: дис. ... докт. техн. наук. СПб., 2003. 345 с.
Петров В.В., Гусакова Н.В., Воробьев Д.М., Гусева А.Ю. Обеспечение функционирования городской системы экологического мониторинга данных по обращению с отходами производства и потребления в г. Таганроге // Инженерный вестник Дона. Ростов-н/Д., 2012. Т. 23. № 4-2. С. 9.
Студеникина Е.И., Алдакимова А.Я., Губина Г.С. Фитопланктон Азовского моря в условиях антропогенных воздействий. Ростов н/Д.: Эверест, 1999. 175 с.
Цветкова Л.И., Копина Г.И., Неверова Е.В. Временные методические рекомендации по определению экологически допустимых концентраций (ЭДК) фосфора в воде водоема в целях предотвращения эвтрофирования. Л.: Ленинград. инженерно-строит. ин-т, 1991.
Цветкова Л.И., Неверова Е.В., Копина Г.И., Пономарева В.Н. Патент № 2050128 РФ, Роспатент. Способ определения экологического состояния пресноводных водоемов / Москва, 1995 г.
Федоров Ю.А., Беляев А.Г. Биогенные вещества в зоне смешения река Дон -Азовское море. Ростов н/Д: ООО «ИнфоСервис», 2004.
Федоров Ю.А. Комплексные экосистемные исследования российской части Азовского моря (18-25 июля 2006г.) / Ю.А. Федоров, В.В. Сапожников, А.И. Агатова, Н.В. Аржанова, А.А. Белов, А.Н. Кузнецов, Н.М. Лапина, Е.Б. Логинов, Л.М. Предеина, Т.Б. Семочкина, Н.И. Торгунова // Океанология. 2007. Т. 47. № 2. С. 294-267.
Gusakova N.V., Guseva A. Yu. Development of the model for determining of the trophic status of shallow-water reservoir // Аdvanced Materials Research Vols. 838-841 (2014). P. 2578-2581. URL: www.scientfic.net/AMR.838-841.2578 (дата обращения: 15.04.2015).
Auditorium: электронный научный журнал Курского государственного университета. 2015. № 4 (08)
