Рис. 4. Нормативы показателей качества воды
биологический мониторинг качество вода
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 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.
2.2 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.
2.3 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.
2.4 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.