БИОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ КАЧЕСТВА ВОДЫ

БИОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ КАЧЕСТВА ВОДЫ
(на примере реки Нева)
Пономарёв П.В., Воронцова О.М.
МБОУ средняя общеобразовательная школа № 91
Нижний Новгород, Россия
BIOLOGICAL MONITORING OF WATER QUALITY
(on the example of the river Neva)
Ponomarev, P. V., Vorontsova O. M.
MBOU secondary school № 91
Nizhny Novgorod, Russia
Введение
3
Глава I. ИСТОРИЯ И ОБЩИЕ ВОПРОСЫ МОНИТОРИНГА
4
КАЧЕСТВА ВОДЫ
•
Краткая история мониторинга качества воды
4
•
Виды и структура мониторинга качества воды
6
•
Показатели качества воды
8
Глава II. БИОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ: ЗАЧЕМ И ПОЧЕМУ?
9
2.1. Невский рак
13
2.1.1. Зачем нужны раки?
13
2.1.2. Как работают раки?
13
2.1.3. Особые требования
14
2.1.4. Как раку устроиться на работу?
14
2.2. Австралийский рак
15
2.3. Дополнительный контроль
16
2.3.1. Моллюски и рыбки, в очередь!
16
2.3.2.Улитки - «сотрудники» Водоканала
17
2.3.3.Как устроено «рабочее место» улитки?
18
Глава III. МОДЕЛИРОВАНИЕ БИОТЕСТА: БИОЛОГИЧЕСКИЙ
18
МОНИТОРИНГ КАЧЕСТВА ВОДОПРОВОДНОЙ ВОДЫ С
ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РАКОВ
Заключение
20
Литература
21
Приложение
1
ВВЕДЕНИЕ
Контроль качества воды всегда является актуальной задачей. По данным Всемирной
организации здравоохранения (ВОЗ) ежегодно в мире из-за низкого качества воды умирает
около 5 млн. человек. Инфекционная заболеваемость населения, связанная с водоснабжением,
достигает 500 млн. случаев в год. Это даёт основание назвать проблему водоснабжения
доброкачественной водой в достаточном количестве одной из главных проблем человечества.
Более того, в мировой практике доступность и качество питьевой воды являются одной
из главных составляющих в оценке экологического благополучия любого региона.
Качество воды в нашей стране постоянно контролируется различными службами.
Биологический мониторинг наряду с химическим играет в этом процессе немаловажную роль.
Резкие изменения качества воды могут отслеживаться путем наблюдения за поведением
водных обитателей в специальных условиях - установках биосигнализации, которые дают
моментальную информацию о малейших изменениях в составе воды и дает возможность
оперативно реагировать в случае необходимости.
Воздействие длительного загрязнения отслеживается с помощью растений и животных в
их естественной среде обитания. Для долгосрочного мониторинга используют искусственные
вещества, погруженные в воду.
Использование биомониторинга совместно с химическим анализом является наиболее
эффективным и объективно отражает ситуацию с качеством воды на водном объекте.
Объект исследования – качество водопроводной воды, пригодной к употреблению
человеком.
Предмет исследования –биологический мониторинг качества воды.
Цель исследования- научно обосновать и экспериментально проверить качество
водопроводной воды, пригодной к употреблению человеком посредством биологического
мониторинга качества воды.
В соответствии с объектом, предметом и целью исследования выдвинута следующая
гипотеза: мониторинг качества воды будет более точным, если будет доказана эффективность и
целесообразность использования живых организмов (биологический мониторинг) как составной
его части.
Исходя из поставленной цели, определения объекта и предмета, а также выдвинутой
гипотезы определены задачи исследования:
• Изучить необходимые для достижения цели исследования подходы, понятийный
аппарат, принципы и методы, определяющие теоретическую и прикладную базу исследования.
• Установить связь биологического мониторинга качества воды с повышением его
эффективности.
• Смоделировать
биотест
для
доказательства
эффективности
биологического
мониторинга качества воды.
Для
решения
поставленных
задач
были
использованы
следующие
методы
исследования:
• теоретические методы: изучение и анализ научной литературы по теме
исследования; обобщение, сравнение, моделирование;
• эмпирические методы: наблюдение, качественный анализ результатов исследования.
Работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и приложения.
Общий объем составляет 24 страниц.
Ключевые термины: биологический мониторинг, биотест, мониторинг, химические вещества,
контроль качества воды
Глава I. ИСТОРИЯ И ОБЩИЕ ВОПРОСЫ БИОЛОГИЧЕСКОГО
МОНИТОРИНГА КАЧЕСТВА ВОДЫ
Первая глава рассматривает историю и общие вопросы, связанные с мониторингом
качества воды, раскрывает его структуру и виды, а также вводит понятие «биологического
мониторинга» качества воды.
•
Краткая история мониторинга качества воды
Жизнь человека во все времена была тесно связана с водой. Водные объекты, в
особенности
реки,
способствовали
возникновению
древнейших
очагов
культуры
в
Месопотамии, Египте, Индии, Китае, на Армянском нагорье, в Центральной и Южной Америке.
Возраст некоторых гидротехнических сооружений – оросительных и судоходных каналов, дамб
и водохранилищ – около 8000 лет!
В то время, когда на территории современной Финляндии и Карелии еще кое-где таяли
остатки льдов последнего периода оледенения, а река Нева на тот момент не успела
образоваться, в Египте уже велись простейшие гидрологические наблюдения – на скалах в 400
км выше Асуана отмечали уровни воды во время разлива Нила.
Древние выполняли грандиозные, даже по современным масштабам, гидротехнические
работы. Они сводились в основном к осушению болотистых заливных земель по берегам рек
(Нил, междуречье Тигра и Евфрата, Инд, Хуанхэ), возведению дамб, созданию систем
орошения.
Все эти виды работ требовали от древних строителей данных наблюдений за уровнем
водных объектов и их режимом, состоянием и уровнем подземных вод; наблюдений за
состоянием атмосферы [рис.1-2].
Рис.1 Карта водных ресурсов Древнего Египта
Рис.2. Карта водных ресурсов Ассирии
Уникальные гидротехнические сооружения были построены во время расцвета Римской
империи. При правлении императора Нервы в Риме насчитывалось около 2мл жителей.
Ежедневно по трубопроводам подавалось до 1 млрд. литров воды. В сутки на одного жителя
приходилось 500 л. Эта величина характерна для современных городов с миллионным
населением.
Отдельные части канализационной системы города, построенной в то же время,
использовались вплоть до конца XIX в.
Важным рубежом можно считать конец XVII в., когда на основании экспериментальных
измерений и расчетов осадков, стока и испарения впервые были установлены количественные
соотношения фаз круговорота воды.
Как видно из истории, уже на ранних этапах развития цивилизации и культуры люди
научились измерять важнейшие характеристики окружающей среды. Примером первых
измерительных устройств могут служить «Нило- меры», применявшиеся для регистрации
уровней воды на реке Нил; дождемеры, известные древнегреческим ученым, и даже древнейшие
обсерватории (приливы) на территории Евразии и Северной Африки.
Важным рубежом в истории изучения окружающей среды можно считать эпоху
Ренессанса, когда появились первые достаточно точные измерительные приборы (термометр
Галилея, ртутный барометр Торричелли). Эпоха Ренессанса - время первых экспериментальных
измерений и расчетов осадков, стока и испарения и начало регулярных наблюдений за погодой и
климатом, в том числе и в России.
В XIX и особенно в XX в. благодаря ряду важных разработок в области ITстала
возможной обработка данных в почти реальном масштабе времени и появилась возможность
всестороннего исследования окружающей среды и прогнозирования природных явлений.
Идея глобального мониторинга появилась в 1971 г. на Стокгольмской конференциипо
окружающей среде (1972г.)[5]. Первые предложения по разработке такой системы были
выдвинуты Научным комитетом по проблемам окружающей среды. Первая концепция
мониторинга была предложена профессором Р. Мэнном[1].В российской науке теоретические
аспекты проблемы представлены концепциямиИ. П. Герасимова и концепцией Ю. А. Израэля[3].
Практическим применением наблюдений может служить использование с глубокой
древности растений и животных как индикаторов для отыскания
пресных вод – метод наблюдения, именуемый теперь биологическим мониторингом.
•
Виды и структура мониторинга качества воды
Мониторинг – это система контроля, оценки и прогноза качества окружающей
природной среды, включающая наблюдения за воздействием на человека.
Мониторинг качества воды–комплексная система наблюдений, оценки и прогноза
изменений качества пресных водоемов, позволяющая выделить изменения их состояния и
происходящие в них процессы под влиянием антропогенной (человеческой) деятельности[4].
Рис.3. Блок-схема системы мониторинга
В современной науке выделяют глобальный, национальный, региональный, локальный и
импактный мониторинги.
Глобальный(биосферный или базовый) мониторинг осуществляется на основе
международного сотрудничества и позволяет оценить современное состояние всей природной
системы Земли в целом. В настоящее время создана глобальная система мониторинга
окружающей среды (ГСМОС) с центром в Канаде[9].
Задачами программы ГСМОС (Вода) является следующее: мониторинг распространения
и трансформации загрязняющих веществ в водной среде; оповещение о серьезном нарушении
состояния водных объектов; напоминание правительствам о необходимости принятия
мероприятий по охране, восстановлению и улучшению окружающей среды.
Программа ГСМОС (Вода) включает 7 основных пунктов: создание всемирной сети
станций мониторинга; разработка единой методики отбора и анализа проб воды; осуществление
контроля
за
точностью
данных;
использование
современных
систем
хранения
и
распространения информации; организация повышения квалификации для специалистов;
подготовка методических справочников; обеспечение необходимым оборудованием.
Национальный мониторинг осуществляется в пределах государства. В нашей стране его
осуществляет Общегосударственная служба наблюдений и контроля состояния окружающей
среды (ОГСНК), состоящая из нескольких уровней: станций наблюдения, осуществляющих
наблюдения, обработку и обобщение данных; территориальных и региональных центров,
осуществляющих обобщения, анализ материалов, составление местных прогнозов и оценку
состояния окружающей среды по своей территории; Гидрометцентра и других центров.
Помимо ОГСНК мониторинг осуществляет ряд служб и ведомств, которые
разрабатывают собой систематизированный свод сведений о водных ресурсах страны, данные
регистрации водопользователей и учета использования вод. Основная задача – обеспечение
народного хозяйства необходимыми данными о водных ресурсах, водных объектах, режиме,
качестве и использовании природных вод, а также водопользователях.
Региональный мониторинг осуществляется за счет станций в регионах, куда поступает
информация в пределах крупных районов, подверженных интенсивному хозяйственному
освоению человеком.
Для проведения мониторинга вод суши организуется постоянная сеть пунктов
наблюдений за естественным составом и загрязнением поверхностных вод, специализированная
сеть пунктов для решения научно-исследовательских задач или временная экспедиционная сеть
пунктов.
Локальный мониторинг представляет собой наблюдения за водной и воздушной средой
различных зон города, промышленных и сельскохозяйственных районов и отдельных
предприятий.
Импактный мониторинг обеспечивает наблюдения в особо опасных зонах и местах,
непосредственно примыкающих к источникам загрязняющих веществ.
•
Показатели качества воды
Современный мониторинг качества воды имеет две типичные задачи:
•
ежедневный мониторинг и контроль качества воды;
•
контроль после чрезвычайных ситуаций (усиленный контроль).
Ежедневный контроль качества подразумевает мониторинг по основным параметрам
качества воды в обычном режиме. Усиленный контроль включает в себя проведение анализов по
более широкому спектру параметров и быстрого принятия мер реагирования.
Обычно исследования проводятся так: берутся пробы воды, далее, проводятся
соответствующие анализы на содержание в воде различных веществ и бактерий. Данные
обрабатываются, и на основе полученных результатов делается вывод о качестве воды.
Обработка может проводиться как вручную, так и в автоматическом режиме.
Можно выделить три группы показателей качества воды: физические ;химические;
бактериологические.
К физическим параметрам относятся такие показатели как температура, мутность, цвет,
запах, привкус воды.
Одним из важных химических показателей качества воды является содержание в ней
фтора. Так, при его концентрации 2-8 мг/л возможны разные заболевания кожи. При
концентрации 1,4 - 1,6 мг/л развивается кариес зубов.
Другим показателем качества является концентрация железа. Избыток придает воде
красно-коричневую окраску, ухудшает ее вкус, вызывает отложение осадка в трубопроводах и
их засорение. Избыток увеличивает риск инфарктов и заболеваний печени.
Кроме описанных выше параметров, также исследуются наличие в воде марганца,
свинца, сероводородов и загрязненность воды нефтепродуктами.
Степень бактериологической загрязненности воды определяется числом бактерий,
содержащихся в 13см воды и должен быть до 100. Вода поверхностных источников содержит
бактерии, внесенные сточными и дождевыми водами, животными и т.д. Для оценки
загрязненности воды бактериями определяют содержание в ней кишечной палочки.
Необходимо отметить, что качество воды можно контролировать более чем по 180
показателям.
Рассмотрим следующую структуру данных, отображающих качество питьевой воды
Рис. 4. Нормативы показателей качества воды
На рисунке 4 показана таблица, в которой перечислены рассматриваемые в
данном примере показатели качества воды вместе с их нормативами. На рисунке 5
показана таблица содержащая данные за 100 дней.
Рис. 5. Таблица данных о качестве воды
Кроме исследуемых параметров качества данная таблица содержит 2
переменные: дата измерения и район, в котором брались пробы воды. Таблица
отсортирована сначала по району, затем по дате. Все данные в таблице
смоделированы.
ГЛАВА II. БИОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ: ЗАЧЕМ И ПОЧЕМУ?
Вторая глава раскрывает сущность биологического мониторинга, доказывает его
необходимость и чрезвычайную значимость в процессе контроля качества воды.
Мониторинг качества воды – это анализ влияния природных и человеческих факторов на
состояние водных источников и окружающей среды в целом. Результаты мониторинга
позволяют выявить причины изменения состояния окружающей природной среды и, на основе
этой информации, осуществить контроль над ситуацией.
Мониторинг качества сточных вод требуется для соблюдения местных норм по сбросу
сточных вод в окружающую среду промышленными или иными предприятиями, а также для
улучшения работы канализационных сетей, станций очистки и снижения текущих материальных
затрат.
Как уже отмечалось в I главе, оценка качества воды химическими методами
осуществляется путем постоянного отбора проб воды для анализа на контрольной точке.
Технически возможно использование системы постоянного контроля за некоторыми
компонентами (содержание кислорода, кислотность, общее содержание солей, а также наиболее
распространенные тяжелые металлы и органические соединения). Но такая система контроля не
всегда дает истинное представление о состоянии водного объекта.
Использование системы биологического мониторинга дает представление о качестве
воды в целом. Критерии выбора биологических организмов (тест-организмов) для мониторинга
качества воды:
• быстрый ответ;
• надежность (ошибка <20%);
• простота;
• постоянное их наличие в природе.
Яркий пример использования оперативного и долгосрочного мониторинга – станция
биологического мониторинга Лобит на границе Германии и Нидерландов. Для оперативного
слежения за качеством воды на станции организована система биосигнализаторов с участием
рыб и водяных рачков.
Рыбы помещаются в специальный прозрачный контейнер, снабженный системой
датчиков, через который прямотоком проходит вода из реки. Система слежения работает
круглосуточно и полностью автоматизирована. Рыбы располагаются посередине потока против
течения.
В случае изменения качества воды по одному или нескольким параметрам в сторону
ухудшения рыбы мгновенно реагируют изменением поведения (замирают, оседают на дно,
всплывают). Датчики отправляют зафиксированные изменения в поведении на компьютер для
анализа. Одновременно происходит отбор проб воды для химического анализа.
В случае резкого изменения качества воды (сброс в реку токсичных веществ или
промышленных отходов в высоких концентрациях) возможно автоматическое отключение
подачи воды потребителям до выяснения причин такого изменения.
Аналогичная система работает на станции с использованием водяных рачков.
Инфракрасные датчики фиксируют количество их перемещений за промежуток времени. В
случае изменения качества воды эта величина меняется. Рачки более чувствительны к
изменению состава воды, по сравнению с рыбами, но и продолжительность их жизни намного
меньше, что связано с необходимостью регулярно заменять рачков.
Система биологического мониторинга доказала свою необходимость, оправдала
затраченные на ее организацию средства и в настоящее время широко используется в бассейне
реки Рейн.
В ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга» также есть необычные «сотрудники» - раки
(невские и австралийские) и улитки. Системы биомониторинга, применяемые в Водоканале,
разработаны учеными Санкт-Петербургского научно-исследовательского центра экологической
безопасности при Российской академии наук.
Состояние воды в Неве контролируют речные раки. Раки «работают» в Водоканале с
декабря 2005 года. Их рабочие места – на всех городских водозаборах [рис.6].
Рис.6 Речной рак. Биомониторинг невской воды
На Юго-Западных очистных сооружениях контролировать качество очистки сточных вод
также помогают раки: в зимнее время года – это речные раки, а летом – австралийские (более
теплолюбивые) [рис.7] .
Рис.7 Австралийский краснопалый рак. Биомониторинг очищенной сточной воды
Следить за составом дымовых газов, выходящих с завода по сжиганию осадка на ЮгоЗападных очистных сооружениях, помогают улитки [рис.8].
Рис.8 Африканская улитка. Биомониторинг состава дымовых газов завода по сжиганию осадка
сточных вод
Все животные-биоиндикаторы не подменяют собой методы приборного и лабораторного
контроля, а дополняют их.
Системы биомониторинга качества воды есть на всех водопроводных станциях СанктПетербурга и ближайших пригородов. Их главная задача - следить за уровнем загрязненности
источника питьевого водоснабжения Санкт-Петербурга - невской воды.
•
Невский рак
Некоторые представители узкопалых раков, обитающих в Неве и Невской губе, живут в
аквариумах на каждом водозаборе петербургского Водоканала.
2.1.1. Зачем нужны раки?
Вода из Невы, прежде чем попасть на очистные сооружения и стать водопроводной,
контролируется, помимо лабораторий, и такими «сотрудниками». Технологам необходимо
знать, не поступает ли на очистные сооружения вода, загрязненная такими токсическими
веществами и в таких концентрациях, которые не могут быть удалены из воды с помощью
имеющихся технологий и оборудования. Существующие физико-химические методы анализа по
экономическим причинам могут обеспечивать контроль только ограниченного числа
загрязняющих воду веществ и требуют времени, а технологам важно получить сигнал о
поступлении на водозабор подобной воды как можно раньше. Оперативно, в реальном времени,
«сообщить» об опасности могут только живые водные организмы, в частности, раки, которые
очень чувствительны к загрязнениям среды их обитания.
2.1.2. Как работают раки?
К панцирю рака, сидящего в аквариуме, приклеивается волоконно-оптический датчик,
который позволяет незаметно для животного в течение длительного времени регистрировать его
сердцебиение. На экран компьютера диспетчера смены непрерывно выводятся уже
обработанные результаты показателей сердечного ритма и стресс-индекса раков в виде системы
«светофор»: красный, желтый или зеленый световые сигналы. Нормальный сердечный ритм
ничем не обеспокоенного рака (соответствующий зеленому сигналу), колеблется, в зависимости
от температуры воды от 30 до 60 ударов в минуту, а стресс-индекс обычно близок к нулю. В
случае опасности частота сердечных сокращений резко повышается не менее чем на 50%, а
стресс-индекс возрастает до нескольких тысяч.
При попадании в воду токсичных веществ раки реагируют в течение 1,5-2 минут (это
время с учетом обработки данных). Их сердечный ритм учащается, приборы дают сигнал
тревоги (красный сигнал на мониторе диспетчера смены), по которому автоматически
отбираются пробы воды для последующего подробного лабораторного анализа воды
химическими и биологическими методами, и оповещаются все службы водопроводной станции.
2.1.3.Особые требования
На службу в Водоканал принимают самых обычных раков. Однако для того, чтобы
попасть на службу в Водоканал, раки проходят тщательное биохимическое и физиологическое
обследование здоровья. Работают только самцы в возрасте 3-5 лет,три дня через шесть. Срок их
службы составляет примерно год.
Дело в том, что в природе раки должны зимовать, впадая в этот холодный период в
состояние «спячки», а лишение их того, что придумано природой, ослабляет животное. К
дежурству допускаются только здоровые особи.
В конце 2010 года система биомониторинга с использованием раков была
усовершенствована. Если раньше на рабочую смену «выходили» по два рака, то теперь их –
шесть.
С момента запуска биомониторинга у ученых из Санкт-Петербургского научноисследовательского центра экологической безопасности РАН появились новые разработки. И в
2010 году эти разработки Водоканал внедрил на водопроводных станциях. Модернизация
системы биомониторинга включает новые алгоритмы обработки сигналов.
Все это вместе – более совершенная система обработки данных, увеличение числа
дежурящих раков – повышает надежность биомониторинга, дает новые возможности для
оперативного управления системой подготовки водопроводной воды к потреблению.
2.1.4. Как раку устроиться на работу?
Про то, что в петербургском «Водоканале» работают раки, знают многие. Они
контролируют качество невской воды и качество обработанных стоков на Юго-Западных
очистных сооружениях. Но вряд ли жители Северной столицы догадываются, что поступить
сюда на работу сложнее, чем в большинство известных преуспевающих компаний. Резюме,
конечно, раки не пишут, но отбор проходят жесткий. После того как животных выловят из
родной Невы, их помещают на карантин в особый аквариум.
Сотрудники Санкт-Петербургского научно-исследовательского центра экологической
безопасности снимают у претендентов в контролеры показания сердечного ритма и берут на
анализ «кровь» у раков. Это тщательное обследование должно отсеять тех, у кого есть проблемы
со здоровьем. На следующем этапе проверяется характер раков. "Тюфяки" здесь не нужны!
Когда специалист берет рака в руки, он должен выгнуться и воинственно поднять вверх обе
клешни, демонстрируя готовность защищаться. Чересчур нервным особам в приеме на работу
тоже отказывают. Именно поэтому ученые остановили свой выбор на узкопалых раках, они
более уравновешенные, чем другой вид раков – широкопалые.
По этой же причине дают «от ворот поворот» самкам. Они в то время, когда вынашивают
икру, часто нервничают без видимых причин. А самцы демонстрируют стресс только на
изменения в окружающей среде.
В результате лишь 10% выловленных раков признаются годными к работе в Водоканале
на станции биологического мониторинга качества воды.
«Трудовой договор» принятых раков рассчитан всего на год, потому что условия работы
тяжелые. Сородичи, живущие в естественной среде, зимой впадают в спячку, а ракам на службе
спать нельзя. Чтоб они не задремали, воду в аквариумах подогревают до 12-14 градусов. Но
подолгу обходиться без сна вредно для здоровья, поэтому через год контролеров «списывают на
пенсию» и отпускают обратно в реку. Дежурят раки по парам, причем их стараются подбирать
по темпераменту.
К панцирям дежурных подключают волоконно-оптические датчики, которые непрерывно
регистрируют их кардиоритм. Если в воде, которую забирают из Невы на водопроводных
станциях, вдруг окажется опасное вещество, раки отреагируют за 1,5-2 минуты. У них в два раза
учащается сердцебиение, а стресс-индекс возрастает с ноля до нескольких тысяч. Диспетчеры
получают тревожный сигнал и могут принять меры.
Обычные методы анализа качества воды позволят выяснить, что это за загрязнение и
сколько вредных веществ попали в реку, и специалисты Водоканалас помощью раков смогут
скорректировать процесс очистки воды таким образом, чтобы на выходе она была чистой и
безопасной.
•
Австралийский рак
Новые «сотрудники» появились на Юго-Западных очистных сооружениях Санктпетербургского Водоканала летом 2011 года. Шесть австралийских краснопалых раков
RedClawCheraxquadricarinatus (или красноклешневых раков) живут в аквариумах, через которые
проходит очищенная сточная вода. По самочувствию и сердцебиению животных ученые и
технологи следят за качеством очищенной на Юго-Западных очистных сооружениях воды перед
тем, как ее выпустить в Невскую губу.
Если качество воды ухудшится, чувствительный рак это ощутит сразу – ученые заметят
не только изменения в его поведении, но и получат сигнал от специального оптоволоконного
датчика, прикрепленного к панцирю. Датчик в режиме реального времени снимает показания
сердечной активности животного. Если одновременно у всех шести раков сердечный ритм резко
повысится в 1,5-2 раза, загорится красный сигнал системы «светофор» в диспетчерской. При
этом технологи очистных сооружений будут действовать по специальному регламенту –
выяснять и устранять причины происшествия.
Качество очистки сточных вод ежедневно проверяют специальные приборы и
лаборатория. Однако благодаря биоэлектронной системе контроля с помощью реакций
животных можно учитывать комплекс одновременного воздействия многих факторов, которые
влияют на воду – среду обитания раков. Например, один прибор измеряет содержание в сточной
воде количество фосфатов, другой прибор фиксирует количество нитратов. Но только организм
животного-биоиндикатора одновременно оценивает совокупность всех характеристик воды, в
которой он живет.
Качество воды на водопроводных станциях «оценивают» невские раки. Однако,
оптимальная температура воды для них не должна превышать 22-23оС. Но так как летом
температура сточной воды может достигать 26-30оС, то для использования биоиндикаторов
качества очищенных сточных вод на ЮЗОС необходимо было подобрать более теплолюбивый
вид раков. С учетом ряда особенностей и был выбран краснопалыйавстралийский рак.
Этот вид устойчив к температурному диапазону от 18 до 31оС. Родом он из рек северозапада и севера Австралии. Его отличительная черта – сине-зеленоватая окраска с желтыми
крапинками. Примечательным признаком самцов является находящееся на нижней поверхности
красное пятно. Средняя длина особи - 18 см. Живут они 4-5 лет, достигая в длину 40 см и веса
650 г. Для кормления раков 2 раза в неделю используют мотыля и корма для креветок.
Стоит заметить, что работа у австралийских раков – сезонная. Когда температура сточной
воды понижается, их сменяют аборигенные для средней полосы России узкопалые невские раки
– те, для которых прохладная вода – наиболее привычная среда обитания.
•
Дополнительный контроль
Раки – не единственные животные-биоиндикаторы, работающие в петербургском
Водоканале.
2.3.1. Моллюски и рыбки, в очередь!
По соседству с ними трудятся рыбки семейства карасевых для получения более точной
реакции на изменения качества воды. За этими экспертами круглые сутки следит видеокамера и
постоянно фиксирует их движение. Если рыбка начнет себя странно вести – заляжет на дно, для
специалистов это будет сигналом, что происходит неладное. Если рыбкам станет плохо, они
перестанут двигаться и всплывут вверх брюшком или опустятся на дно. А если в это время
забеспокоятся и раки, то специалисты начнут действовать.
Такое дублирование только на пользу человеку. Ученые говорят, что неплохо бы
доукомплектовать существующие станции биомониторинга системой «маслс-монитор» (от
английского mussel – двустворчатый морской моллюск мидия). Возможно, со временем на
станциях биомониторинга появятся
эти новые сотрудники – двустворчатые моллюски
анодонты. Ученые считают, что эти жители Невы тоже хорошо справятся с работой
биоиндикаторов. При малейшем загрязнении моллюски захлопывают створки.
2.3.2. Улитки - «сотрудники» Водоканала
Гигантские африканские улитки ахатины – эксперты по качеству не воды, а воздуха. Они
весьма чувствительны к загрязнению атмосферы.
Именно поэтому с начала 2011 года улиток взяли на работу на завод по сжиганию
илового осадка на Юго-Западных очистных сооружениях. Работают они так же, как и раки: к их
раковинам прикреплены датчики, которые регистрируют сердечный ритм. На Юго-Западных
очистных сооружениях с начала 2011 года приступили к работе гигантские африканские улитки
(брюхоногие моллюски Ahatina).
Задача улиток - «следить» за состоянием воздуха в районе завода по сжиганию осадка
сточных вод на Юго-Западных очистных сооружениях. Улитки дышат воздухом с примесью
дыма, выходящего из трубы завода. К их раковинам прикреплены оптоволоконные датчики
сердцебиения и поведения (двигательной активности), благодаря которым с помощью
специального программного обеспечения система в автоматическом режиме оценивает
функциональное состояние животных, то есть их «самочувствие».
В воздухе в мизерных дозах могут находиться соединения – продукты сжигания. На
каждый из них делать специальные датчики нерентабельно, к тому же концентрация соединений
настолько низкая, что не всякий прибор способен их уловить. Для контроля хронической
токсичности
воздуха
ученые
Санкт-Петербургского
научно-исследовательского
центра
экологической безопасности РАН предложили использовать улиток. Улитки имеют легкие и, как
и люди, дышат воздухом. К тому же у них есть раковина, к которой можно прикреплять
датчики, не влияя на процесс их жизнедеятельности. Большой плюс заключается и в том, что эти
животные в меру подвижны.
Раки реагируют на резкое изменение условий в среде обитания, а созданная на основе
улиток система контроля степени загрязненности воздуха может реагировать на изменения,
происходящие в воздухе. Также изучается влияние на здоровье улиток, связанное с вредным
воздействием загрязняющих веществ.
2.3.3. Как устроено «рабочее место» улитки?
Улитка сидит на мячике, который плавает на поверхности воды. К раковине животного
прикреплены датчики, фиксирующие сердцебиение и двигательную активность. Перед мячиком
установлена кормушка, в которой пища появляется примерно раз в неделю. Кормят улиток
листьями салата, огурцами, иногда дают лакомство – арбуз. Все улитки находятся в открытой
емкости (коробке), куда подается смесь воздуха и очищенного дыма ЗСО. Важно заметить, что
улитки не живут непосредственно в трубе, где дышат ее «выхлопами» - для них дым
разбавляется от 1000 до 10 000 раз чистым воздухом. Так достигается примерно та
концентрация, которая имеет место на границе санитарно-защитной зоны завода.
Биоэлектронная система в автоматическом режиме следит за состоянием улиток,
главным образом - за режимом сердцебиения и подвижностью в рамках суточного цикла.
Наблюдение за сердцебиением ведется оптическим способом, наблюдается динамика рассеяния
света, которая меняется в такт с биением сердца. Система фиксирует изменение частоты
сердечных сокращений (ЧСС). Если улитки станут хуже себя чувствовать – а это будет понятно
по измерениям (иные показатели ЧСС и двигательной активности) – система в автоматическом
режиме обнаружит это, после чего специалисты станут выяснять причины.
Сотрудникам пришлось постараться, чтобы создать улиткам максимально благоприятные
условия. Во-первых, было важно так закрепить датчик на раковине, чтобы улитки не ощущали
никакого давления и дискомфорта.
Созданный механизм крепления напоминает механизм дверной петли – отклонение
влево–вправо жестко фиксируется, а вертикальных усилий, которые удерживают раковину, нет
никаких. Во-вторых, благодаря мячику нет сопротивления качению, и улитка может ползти. Еще
одно из важных условий существования улитки в природе, которое пришлось обеспечить
ученым здесь, – это интенсивное увлажнение. Пока увлажняют животных по системе
капельницы – вода капает на них сверху.
Глава III. МОДЕЛИРОВАНИЕ БИОТЕСТА: БИОЛОГИЧЕСКИЙ
МОНИТОРИНГ КАЧЕСТВА ВОДОПРОВОДНОЙ ВОДЫ С
ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РАКОВ
В третьей главе смоделирован биотест «биологический мониторинг качества
водопроводной воды с использованием раков». Доказана эффективность данного метода
мониторинга качества воды.
Все большее число химических веществ, находящихся в использовании в широком
спектре областей, а также угрожающих водным системам, разлив химических веществ является
заботой человечества.
Исследование водопроводной воды на наличие вредных химических веществ, или
биотест, - это тест на принудительное усвоение вредных веществ живыми организмами,
фиксируемое в эксперименте.
В данной работе для проведения моделирования биотеста «биологический мониторинг
качества водопроводной воды» были взяты раки в качестве тест-организмов.
При проведении эксперимента мы сосредоточились на использовании поведения раков
для обнаружения загрязнения воды вредными веществами. Раки, как было обосновано во II
главе, являются идеальными тест-организмами для выявления вредных химических веществ в
водопроводной воде.
Изменение поведения раков является ценной конечной точкой для немедленной оценки
наличия токсических веществ в воде.
В основу эксперимента положено утверждение, что когда раки подвергаются
воздействию вредных веществ, содержащихся в ней, они показывают изменение поведения. В
процессе биотеста был рассмотрен вопрос об изменении поведения раков как способ контроля
качества воды.
Таким образом, анализ такого аномального поведения раков является ценным для
мониторинга качества пресной воды в краткосрочный период.
Ход эксперимента (биотеста):
В ходе исследования рака помещают в сосуд с водопроводной водой.
К сосуду
подключены датчики.
Предполагается, что в первой части эксперимента в сосуде содержание вредных веществ
в водопроводной воде не превышает нормативные показатели. Рак ведет себя спокойно, датчики
горят зеленым светом. Подтверждается тот факт, что качество водопроводной воды в сосуде
соответствует нормативным показателям. Такая вода не является вредной для использования
человеком.
На втором этапе в воду добавляется краска, меняется цвет воды, что моделирует
ситуацию загрязнения воды в сосуде. Содержание вредных веществ в такой водопроводной воде
выше нормы, что было смоделировано с помощью подкрашивания воды. Поведение рака
изменяется. Он начинает дергать лапками (в реальном эксперименте с помощью датчиков у него
бы фиксировалось повышение давления). Датчики загораются красным цветом. Данное
поведение говорит о том, что рак подвергается влиянию вредных веществ, содержащихся в воде.
Следовательно, необходима дальнейшая ее очистка.
Таким образом, результат
моделирования биотеста «биологический мониторинг
качества водопроводной воды с использованием раков» достаточно убедительно демонстрирует,
что данный метод
не является высокозатратным. Он позволяет организовать мониторинг
качества воды в любых масштабах: будь то целый материк, город или небольшое предприятие.
При этом можно наблюдать как за конкретными показателями качества воды, так и за их
совокупностью.
К сожалению, биологический мониторинг качества воды не используется в ОАО
«Нижегородский Водоканал» г. Нижнего Новгорода. Возможно, данные технологии найдут
свое применение в нашем городе в ближайшем будущем.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Биологический мониторинг качества воды является составной частью экологического
мониторинга - слежение за состоянием окружающей среды по физическим и биологическим
показателям.
В задачи биологического мониторинга входит регулярно проводимая оценка качества
окружающей среды с помощью специально выбранных для этой цели живых объектов. Лучше
других отработана система биологического мониторинга водной среды.
Для большинства методов требуются квалифицированные специалисты в определении
видов живых организмов.
Изучение состояния интересующей нас проблемы показало, что в настоящее время метод
биологического мониторинга качества воды эффективно используется в разных странах, в том
числе и в России в ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга».
Однако, биологический мониторинга качества воды не имеет общепризнанной системы
биологического анализа и нет единых требований, которым он должен. Данный метод
используется в качестве дополнительно для получения более надежного результата.
ЛИТЕРАТУРА
•
Васильев А.Л. Биологическаяпредочистка в технологиях водоподготовки для питьевых
целей: Монография. / А.Л. Васильев, Л.А. Васильев, ,И.В.Бокова// Н.Новгород. ННГАСУ-2011.118 с.
•
Горбачев Е.А. Применение системы тестов для определения качества питьевой воды на
городских микротерриториях. / Е.А.Горбачев, О.М.Гречканёв // Н.Новгород. Тезисы докладов на
научно-промышленном форуме «Великие реки-2011», - ННГАСУ, 2011.-456 с.
•
Копосов Е.В, Копосов С.Е. Геоэкологическая оценка техногенного загрязнения
подземных вод в карстовых районах.Н.Новгород. ННГАСУ, - 2012.-226 с.
Мазур И.И., Молдаванов О.И., Шишов В.Н. Инженерная экология Общий курс: В 2 т.
•
Т.1. Теоретические основы инженерной экологии: Учеб. Пособие для втузов/ Под ред. И.И.
Мазура. — М.: Высш. шк., 1996.- 637 с.
Новиков Ю.Ю., Ласточкина К.С., Болдина З.Н. Методы исследования качества воды
•
водоемов. - М.: Медицина, 1990.- 400 с.
6 . Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем
питьевого водоснабжения. Контроль качества: Санитарные правила и нормы (СанПиН
2.1.4.1074-01). - М.: Информационно-издательский центр Госкомсанэпиднадзора России, 2002. 62 с.
7 . http://www.vodokanal.spb.ru/vodosnabzhenie/biomonitoring/
8..http://ecoera.ucoz.ua/publ/ehkologicheskie_metody_issledovanija_vodnykh_ehkosistem/49-1-0288.,-« Экологические методы исследования водных экосистем»
9. http://ecosafety-spb.ru/
ПРИЛОЖЕНИЕ
•
Диаграмма соотношения использования разных видов водных
организмов для биологического мониторинга качества воды (в %) в
мире
Биологический мониторинг
20
40
Раки
10
Улитки
Моллюски
Рыбы
30
•
Диаграмма соотношения использования разных видов водных
организмов для биологического мониторинга качества воды (в %) в
России в ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга»
Биологический мониторинг
5
5
35
20
Невский рак
Австралийский рак
Улитки
Рыбки
35
•
Моллюски
Анкета-опросник для одноклассников
•
Знаете ли вы, что такое «биологический мониторинг»?
•
Знаете ли вы, «услугами» каких животных пользуются ученые для проверки
качества воды?
•
Было бы вам интересно узнать о том, как с помощью животных люди узнают о
качестве питьевой воды?
•
Было бы вам интересно узнать о том, как животные «работают» на Водоканале?
Было опрошено 20 человек – учеников 6 класса. Результаты: 20 человек не знают, что такое
«биологический мониторинг» и «услугами» каких животных пользуются ученые для проверки
качества воды. 18 человекам было бы интересно узнать о том, как с помощью животных люди
узнают о качестве питьевой воды и том, как животные «работают» на Водоканале. Результаты
опроса обобщены на диаграмме.
опрошенные в %
100,5
100
99,5
99
опрошенные в %
98,5
98
97,5
97
вопрос 1
вопрос 2
вопрос 3
вопрос 4