Биологический мониторинг качества воды (на примере реки Нева)
Пономарёв П.В., Воронцова О.М.
МБОУ средняя общеобразовательная школа № 91
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