Келль Лев Сергеевич : другие произведения.

Управление структурной организацией искусственных водных экосистем - как фактор улучшения качества воды

Самиздат: [Регистрация] [Найти] [Рейтинги] [Обсуждения] [Новинки] [Обзоры] [Помощь|Техвопросы]
Ссылки:
Школа кожевенного мастерства: сумки, ремни своими руками
 Ваша оценка:

Управление структурной организацией искусственных водных экосистем - как фактор улучшения качества воды.

Келль Л.С

  
  
   Свойством живой материи является уменьшение энтропии, что проявляется в стремлении развивающихся экосистем к усилению гомеостаза с окружающей средой, т.е. способности к поддержанию стабильного состояния в диапазоне меняющихся условий окружающей среды. Показателем усиления гомеостаза является максимально возможное для имеющегося потока энергии содержание биомассы и количества информационных связей в экосистеме./ Одум 1975, Пианка 1981, Стебаев и др. 1993./
   Именно этим объясняются такие закономерности развития входящих в экосистемы популяций, как увеличение глубины утилизации субстрата и экономического коэффициента его потребления. / Печуркин 1978, Печуркин 1981, Келль 1989./.
   Поэтому, казалось бы, все экосистемы должны были бы развиваться по пути детритных и симбиотических пищевых связей с увеличением размеров особей и продолжительности их жизненных циклов, т.е. с уменьшением удельных затрат энергии на поддерживающий и структурный метаболизм. Пирамида биомассы в таких экосистемах стоит на своем основании, биомасса первого трофического уровня значительно превышает биомассу последующих. Причем эффективность переноса энергии на каждый последующий уровень не превышает 10% (закон Линдемана). Экосистема стремится поддерживать максимальное количество биомассы и информационных связей.
   Однако, в отличие от других экосистем Земли, экосистемы открытых вод поддерживают основное количества биомассы на втором трофическом уровне. При этом в данных экосистемах не три, а четыре основных трофических уровня: микроводоросли, питающийся ими зоопланктон, животные, питающиеся зоопланктоном, и хищные животные. Этому факту можно дать следующее объяснение. При крайне низком содержании растворенных питательных (биогенных) веществ в водах открытого океана из растений могут существовать только микроводоросли благодаря тому, что у них высокое отношение поверхности к объему. Эти микроводоросли способны глубоко утилизировать питательные вещества, но по той же самой причине - высокое отношение поверхности к объему - у них высокие удельные затраты на поддержание жизнедеятельности. Возникает такой парадокс, несмотря на то что эффективность передачи энергии на следующий трофический уровень не превышает 10% (закон Линдемана), затраты на подержание жизнедеятельности на первом трофическом уровне в десять и более раз выше чем на втором. Поэтому экосистеме (которая, как мы знаем, стремится к максимально возможному содержанию биомассы и информационных связей) энергетически выгоднее, несмотря на закон Линдемана, поддерживать большую биомассу не на первом, а на последующих уровнях. Причем по теории естественного равновесия Хейрстона, Смита и Слободкина основные пищевые цепи экосистемы открытых вод должны содержать четное количество трофических уровней./ Одум 1986, Андерсон 1985, Уитеккер 1980, Бигон и др. 1989, Келль 2007, Пeрт С. Дж. 1978, Хумитаки Секи 1986,/
   Микроскопические размеры продуцентов экосистем открытых вод можно объяснить крайне низким содержанием биогенных веществ в воде. Зачем же экосистеме, являющейся саморегулирующимся механизмом, поддерживать такое низкое содержание биогенных веществ? В частности известно, что озера не способны поддерживать длительное время высокую концентрацию биогенных элементов при залповом поступлении их извне и развиваются в сторону олиготрофных условий. Ответ на этот вопрос можно найти в исторической геологии. Известно, что в древних докембрийских водах содержание взвешенных и питательных (биогенных) веществ в воде было высоким. Отсюда фотический слой был узким, продуктивность экосистемы низкой. Нижележащие слои воды находились в аноксидных условиях. И только появление фильтраторов в водах кембрийского периода позволило снизить содержание биогенов и мутность воды. Следствием чего явилось значительное увеличение фотического слоя, увеличение продуктивности экосистемы и распространение оксидных условий на всю толщу воды вплоть до дна / Одум 1986, Андерсон 1985, Уитеккер 1980, Еськов 2000/. Именно к таким условиям и приспособлены организмы современных водных экосистем. Поэтому эвтрофикация водоемов в результате неразумной хозяйственной деятельности человека может приводить к "цветению" водоёмов - перераспределению биомассы в сторону увеличения основного её содержания на первом трофическом уровне. Что в свою очередь ведёт к повышению мутности, появлению аноксидных зон, деградации и гибели водных экосистем.
   Данные закономерности относятся и к искусственным водным экосистемам, в частности - к биопрудам-охладителям, используемым при организации на производствах замкнутого цикла водопользования. Основные требования к качеству возвращаемой в производственный цикл воды иные, чем к воде сбрасываемой в водоем. На первый план здесь выходит уже не максимальная глубина удаления биогенных элементов и других примесей, а стабилизация её состава с точки зрения предотвращения биологических обрастаний технологического оборудования (технофитона).
   В процессе эволюции Природой созданы механизмы поддержания гомеостаза водных экосистем в достаточно широких интервалах колебания концентрации биогенных элементов в системе. Изучение и применение данных механизмов позволит предвидеть и бороться с деградацией и гибелью водных экосистем при их антропогенной эфтрофикации. В нашем случае, применительно к биопрудам, применение данных механизмов позволит эффективно бороться с технофитоном, в частности с "цветением" биопрудов .
   К наиболее эффективным, известным нам, механизмам поддержания гомеостаза водных экосистем относятся:
   - Чётное количество основных трофических уровней, равное 4. Что, согласно теории естественного равновесия Хейрстона, Смита и Слободкина, приводит к подавлению биомассы первого трофического уровня
   - Организмы фильтраторы - представители различных классов животного мира
   -Высокие скорости роста организмов первого и второго трофических уровней
   -Возможность быстрой структурной перестройки экосистемы с заменой экологически эквивалентными видами.
   Спецификой искусственных водных экосистем - биопрудов является достаточно случайный и бедный видовой состав представителей высоорганизованных классов растений и животных. Что часто делает невозможным или недостаточно эффективным действие вышеуказанных механизмов поддержания гомеостаза водных экосистем. Если представители низших классов организмов в силу их размеров и специфики жизненных циклов, беспрепятственно попадают в экосистему биопрудов, то для представителей высокоорганизованных классов необходим внешний фактор их внесения в экосистему. Роль такого фактора - осмотрительного и разумного, должен выполнять человек. При выборе представителей различных классов растительного и животного мира как факторов влияния на технофитон водоёма перспективными представляются следующие:
   1. Подавление фитотехнофитона представителями 2 трофического уровня. Фильтраторы-зоопланктон, двухстворчатые моллюски, фитопланктоноядные рыбы.
   2. Подавление зоо- и фитотехнофитона представителями 4 трофического уровня. Хищные рыбы, рыбоядные черепахи , земноводные.
   3. Конкурентное подавление фитотехнофитона (свет, биогенные элементы, аллелохимические факторы) высшими водными растениями и водорослями.
   Остановимся более подробно на вопросе подбора и интродукции в биоценоз пруда-охладителя представителей высокоорганизованных классов организмов. Данные организмы должны удовлетворять следующим требованиям:
   -по своим физиологическим параметрам быть способными к существованию и размножению в конкретном пруде-охладителе, являющемся эфтрофной водной экосистемой.
  -- обладать способностью к подавлению бурного роста водных организмов, вызывающих биообрастание технологического оборудования
  -- не ухудшать качества воды с точки зрения ее последующей подачи на охлаждение технологического оборудования. В частности, не попадать в водозабор (реотаксис, прикрепление к грунту, нахождение не в водозаборной зоне водоёма).
   Практическое применение:
   -На Северной станции аэрации ГУП "Водоканал СПб" в составе экосистемы биопруда-охладителя объёмом 600 м.куб. присутствовали спонтанно развившиеся представители более низших форм жизни. В частности зеленые нитчатые водоросли и мелкие улитки, которые вызывали биообрастание технологического оборудования. В резервуар были интродуцированы представители: пресноводных рыб и высших водных растений, что позволило подавить в данном резервуаре бурное развитие водных организмов, вызывавших биообрастание технологического оборудования /Келль, Шумов 2001/.
   Данное мероприятие позволило в несколько раз увеличить межремонтный период работы маслохолодильников воздуходувок при подачи на них охлаждающей воды из данного биопруда. Кроме того, сложившееся сообщество растений и животных является
   хорошим индикатором качества очистки воды, а высшие плавающие растения предохраняют поверхность воды от перегрева в летние месяцы ( см. фото 1,2,3)
  
  
  
  
  
  
  
   [] [] []
   Фото 1, 2, 3 Биопруд- охладитель объемом 600 м.куб. на Северной станции аэрации (ССА).
  
  
   С 2005 года объём биопруда увеличен до 5000 м. куб. (см. фото 4, 5).
  
   [] [] Фото 4, 5. Биопруд-охладитель объёмом 5000 м. куб. на ССА
  
  
  
   - На ООО "Производственное объединение "Киришинефтеоргсинтез" (ООО "КИНЕФ"), "цветение" пруда-охладителя 1-1 ( первой карты первой системы водоотведения, объёмом 800000 м.куб.) снижало качество воды. Прозрачность воды, определяемая унифицированным количественным методом в соответствии с международным стандартом ИСО 7027 http://www.anchem.ru/literature/books/muraviev/020.asp , не превышала в летние месяцы 50 мм. Проведёнными лабораторными экспериментами было показано, что внесение 50 - 100 шт/л дафний в пробу "цветущей" воды позволяет за 4-5 суток увеличить её прозрачность в два - три раза. Наши северные расы дафний подавляли "цветение" данного пруда и увеличивали прозрачность воды в нём лишь к августу месяцу. Интродукция южных рас дафний позволила подавить в 2008 г. "цветение" пруда -охладителя уже к началу июня и в течение всего лета сохранять прозрачность воды не ниже 150 мм (см. фото 6).
  
   [] Фото 6. Пруд 1-1.
  
   На фоне резкого снижения содержания в воде карты фитопланктона по сравнению с предыдущими годами, наблюдается увеличение содержания нитчатых зелёных водорослей, мелких улиток семейств Planorbidae и Limnaeacea и больших прудовых улиток (Limnaea staghalis L.) (см. фото 7, 8).

[] [] Фото 7, 8. Нитчатые зелёные водоросли и улитки в пруду-охладителе 1-1.

   Таким образом, активизация представителей фильтраторов второго трофического уровня (дафний) - позволила подавить процесс "цветения" водоёма.
   На прудах - накопителях (картах) второй системы водоотведения и прудах хозбытовой системы водоотведения - в связи с высокой численностью популяции рыб (карасей), активизация зоопланктона (дафний) невозможна. Поэтому на прудах второй системы водоотведения и прудах хозбытовой системы водоотведения проведена интродукция высших водных растений и водорослей (кувшинки, кубышки, элодея, пистия, перистолистник, носток сливовидный), организмов-фильтраторов второго трофического уровня (беззубка, толстолобик), хищников четвёртого трофического уровня (ротан, хищные пресноводные черепахи - трионикс и эмида). (см. фото 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16).
  
   [] []
   Фото 9, 10. Карта 2-2.
  


[]

   Фото 11. Колонии пистии на пруду хозбытовых стоков.

  
  
   [] []
   Фото 12, 13. Беззубки перед их массовой интродукцией и после нахождения в течение 3 месяцев в садке на карте 2-2.
  
   []
  Фото 14. Мальки толстолобика при их выпуске на карту 2-2.
  
  
   []
   Фото 15. Ротан перед выпуском на карту 2-2.

[]

   Фото 16. Эмиды при их выпуске на карту 2-2.

  
  
  
  

Выводы.

   1. К наиболее эффективным, известным нам, механизмам поддержания гомеостаза водных экосистем относятся:
   -Чётное количество основных трофических уровней, равное 4. Что согласно теории естественного равновесия Хейрстона, Смита и Слободкина приводит к подавлению биомассы первого трофического уровня
   - Организмы фильтраторы - представители различных классов животного мира
   -Высокие скорости роста организмов первого и второго трофических уровней
   -Возможность быстрой структурной перестройки экосистемы с заменой экологически эквивалентными видами.
   2. При выборе представителей различных классов растительного и животного мира как факторов влияния на технофитон пруда-охладителя перспективным представляется:
   - Подавление фитотехнофитона представителями 2 трофического уровня. Фильтраторы - зоопланктон, двухстворчатые моллюски, фитопланктоноядные рыбы.
   - Подавление зоо- и фитотехнофитона представителями 4 трофического уровня. Хищные рыбы, рыбоядные черепахи.
   - Конкурентное подавление фитотехнофитона (свет, биогенные элементы, аллелохимические факторы) высшими водными растениями и водорослями.
  
   3. Водные организмы, интродуцируемые в пруд-охладитель должны удовлетворять следующим требованиям:
  -- по своим физиологическим параметрам быть способными к существованию и размножению в конкретном пруде-охладителе, являющемся эфтрофной водной экосистемой.
  -- обладать способностью к подавлению бурного роста водных организмов, вызывающих биообрастание технологического оборудования (технофитона)
  -- не ухудшать качества воды с точки зрения ее последующей подачи на охлаждение технологического оборудования. В частности, не попадать в водозабор (реотаксис, прикрепление к грунту, нахождение не в водозаборной зоне водоёма).

Литература.

      -- Андерсон Дж. М. 1985.- Экология и науки об окружающей среде: биосфера, экосистемы, человек. Гидрометеоиздат, Ленинград. 164 c.
      -- Бигон М., Карпер Дж., Таунсенд К. 1989.- Экология. Особи, популяции и сообщества., Мир. Москва, т.1 - 660 с, т.2 - 477 с.
      -- Еськов К.Ю. История земли и жизни на ней. Москва. Наука, 2000. 350 с. http://www.evolution.atheism.ru
      -- Келль Л.С. 1989.- Вопросы управления процессом культивирования кормовых дрожжей, Сборник трудов ВНИИгидролиз. Выпуск 38 ,С.100- 105.
      -- Келль Л. С., Шумов П.И. Экологические аспекты процесса биологической очистки сточных вод. Водоснабжение и санитарная техника. 2001г. http://www.vstmag.ru/st_4/st_4.html
      -- Келль Л.С. Принципы структурной организации экосистем. Экология и жизнь, 2007, N3, с.37-39 http://zhurnal.lib.ru/k/kellx_l_s/ecol.shtml
   7. Одум Ю. 1975.- Основы экологии. Мир. Москва. 740 с.
   8. Одум Ю. 1986 - Экология . Мир. Москва. Т. 1. С. 164.
   9. Перт С. Дж. 1978 - Основы культивирования микроорганизмов и клеток. Мир. Москва. 331 с.
   10. Печуркин Н.С. 1978 - Популяционная микробиология. Наука. Новосибирск., 192 с.
   11. Печуркин Н,С, 1981 - Смешанные проточные культуры микроорганизмов. Наука. Новосибирск, С. 3- 25.
   12. Пианка Э. 1981.- Эволюционная экология. Мир. Москва, 399 с.
   13. Стебаев Л.В.,Пивоварова Ж.Ф., Смоляков Б.С., Неделькина С.В. 1993 - Общая биогеосистемная экология. Наука. Новосибирск, 285 с.
   14. Уиттекер Р. 1980 - Сообщества и экосистемы. Прогресс. Москва, 326 с.
   15. Хумитаки Секи. 1986.- Органические вещества в водных экосистемах. Гидрометеоиздат. Ленинград, С. 21- 31

0x01 graphic

 Ваша оценка:
Связаться с программистом сайта.

Новые книги авторов СИ, вышедшие из печати:
О.Болдырева "Крадуш. Чужие души" М.Николаев "Вторжение на Землю"

Как попасть в этoт список

Кожевенное мастерство | Сайт "Художники" | Доска об'явлений "Книги"