В Германии действует уникальная установка по моделированию водных объектов

В местечке Мариенфельд - предместье Берлина - функциони­рует  уникальная установка по моделированию водных объектов –Fliess- und Stillgewasser-Simulationsanlage (FSA), находящаяся в ведении Федерального агентства по вопросам окружающей сре­ды Германии. Установка представляет собой большой и технически слож­ный испытательный полигон, который позволяет моделировать самые различные водные системы,  как с проточной, так и со стоячей водой: ручьи, реки, каналы, пруды, озера.

Установка FSA включает в себя 16 каналов общей длиной 1,6 км, 16 прудов и около 5 км трубопроводов. Там установлено более 60 насосов, 360 вентилей и задвижек и необходи­мое измерительное и аналитическое оборудование.

На сегодняшний день FSA являет­ся одной из крупнейших существую­щих мезокосмических установок по­добного типа (мезокосм - локальная экспериментальная система, с по­мощью которой моделируются реаль­ные условия, максимально прибли­женные к  природным). Она дает воз­можность проводить исследования мезокосмов почти в идеальных усло­виях, при этом не возникает недостатков, которые свойственны, с одной стороны, легко контролируемым, но упрощенным лабораторным экспери­ментам, а с другой, - полевым иссле­дованиям, которые трудно контроли­ровать, а полученные результаты не всегда однозначны.

Одна из целей исследований с применением мезокосмов заключа­ется в том, чтобы изучить влияние ве­ществ и микроорганизмов, которые выборочно вносятся во флору и фау­ну, и получить знания об их распрост­ранении и устойчивости в различных водоемах. Вещества могут попадать в поверхностные воды вместе с очи­щенными городскими стоками (на­пример, фармацевтические, в том числе гормональные препараты, мо­ющие и чистящие средства, промыш­ленные реактивы, бактерии, вирусы и т.д.), при смыве с полей в сельской местности (например, пестициды), в результате производственных аварий или в виде атмосферных осадков (промышленные загрязнители).

 Уста­новка FSA также используется для подтверждения результатов исследо­ваний, которые проводятся в других местах, а также для повышения каче­ства экспертизы Федерального агент­ства по вопросам окружающей среды по регулированию содержания раз­личных веществ и сложных химичес­ких соединений в воде.

Кроме того, результаты выполняемых на установ­ке научных экспериментов постоянно используются Министерством по вопросам окружающей среды, при­родных ресурсов и ядерной безопас­ности Германии при разработке и уточнении эколого-гигиенических нормативов.

По сравнению с дру­гими системами  установка FSA обладает следу­ющими особенностями:

- модульная конструкция, обеспе­чивающая максимальную гибкость проведения экспериментов (различ­ные виды, размеры и конфигурации водных объектов, включая циркули­рующие/проточные системы);

- моделирование проточных и сто­ячих водных систем (имеется воз­можность работать одновременно с проточной и непроточной водой);

- изменяемая скорость потока, позволяющая моделировать разнооб­разные водные системы (моделиро­вание водоемов от озер до равнинных рек);

- наличие воды различного качест­ва для проведения экспериментов - от грунтовых вод до сточных вод (грунтовая вода, водопроводная вода с собственного водоочистного соору­жения, вода различной проводимос­ти, сточные воды - механически или биологически очищенные городские стоки или стоки, прошедшие обра­ботку на мембранной фильтрующей установке);

- значительная длина искусствен­ных водоемов, которая дает возмож­ность создавать нагрузку на водную систему в разных точках;

- различные уровни моделирова­ния с использованием водных объек­тов как внутри помещения, так и под открытым небом (контролируется освещенность, температура, сила ветра, интенсивность листопада, рас­селение насекомых и другие факто­ры; размеры водоемов позволяют воспроизвести все трофические уровни, включая наличие рыбы);

- выбор до восьми  экспериментальных вариантов для параллельного сопо­ставления для каждой из внутренних и/или наружных систем;

- моделирование потока грунтовых вод в условиях, близких к природным (режим входящего/выходящего пото­ка, повторное использование ве­ществ);

- возможность использования го­родских стоков;

- дополнительная аппаратура для проведения замеров воды и донных отложений (отбор проб в режиме ре­ального времени, переносные изме­рительные платформы, оптодеры, профайлеры с компьютерной навига­цией.

Создание  мезокосмосов 

Для того чтобы проверить влия­ние определенных веществ на водные биоценозы, необходимо создавать соответствующие мезокосмы, кото­рые должны отличаться разнообрази­ем и полнотой структуры, обеспечи­вая жизнедеятельность самых разных видов организмов. С этой целью в ме­зокосмы  с проточной и стоячей водой вводится песок и ил (мягкий осадок), а также некоторые виды водных рас­тений и организмов.

Водоемы с проточной и стоячей водой заполняются чистым песком (около 1200 тонн), не подвергавшим­ся воздействию загрязнителей, из района Берлина/Бранденбурга, по­верх которого наносится тонкий слой мягкого осадка, взятый из одного из озер в районе Укермарка (Uckermark).

Мягкий осадок служит источником энергии и питательной средой. Кроме того, он необходим для пополнения популяции и поддержания жизнедея­тельности отдельных организмов и создания завершенного пищевого цикла водоема. Прежде чем применять материал, он должен быть под­вергнут различным эколого-токсикологическим и гигиеническим провер­кам. Во избежание неконтролируемо­го выделения питательных веществ  следует производить обработку ис­пользуемого материала, применяя специальные технологии, которые ус­пешно зарекомендовали себя при восстановлении и очистки озер.

После этого в испытательные сис­темы для обеспечения биологическо­го разнообразия вводятся основные продуценты (водные растения и водо­росли), консументы (зоопланктон, ли­чинки насекомых, рыбы) и деструкто­ры (биоредукторы, бактерии и грибы) из различных озер и рек, располо­женных в Берлине и его окрестностях.

Методика отбора проб

При проведении исследований мезокосмов  регулярно берутся про­бы воды, осадка и биоты и проверя­ются по разным параметрам.

Во время отбора проб используется батометр, который погружается на раз­личную глубину экспериментального водоема, чтобы получить воду для анализа питательных веществ, загрязнителей и планктона. Для отбора проб поровой воды имеются неболь­шие трубки, заглубленные в песчаный донный слой с тыльной стороны во­доема.

Пробы осадка и крупных (>500 мкм) придонных живых орга­низмов (макрозообентос) получают с помощью захватывающего устрой­ства, функционирующего аналогично ковшу экскаватора. Пробы из более глубоких слоев осадка отбираются с помощью других видов инструмен­тов, таких как грунтовые трубки. Пе­ред проведением химического анали­за воды она фильтруется для удале­ния крупных взвесей.

Анализ образцов воды

С помощью образцов воды быст­ро определяются такие стандартные параметры, как содержание кислоро­да, рН, удельная проводимость или освещенность.

Химический анализ необходим для контроля фактичес­ких уровней загрязняющих веществ в испытательных системах для того, чтобы определить степень разложе­ния загрязнителей и проследить за их состоянием и поведением. Эти ис­следования связаны с химическим и физическим поведением веществ и соответствующим образом оптими­зированы. Уровни питательных ве­ществ отслеживаются для того, что­бы выяснить, достаточно ли их коли­чества для поддержания роста рас­тений и не отмечается ли негативно­го влияния загрязняющих веществ на пищевые циклы. В рамках таких ис­следований проверяется наличие фосфора, азота, силиката, углерода, а также щелочей и щелочноземель­ных металлов, сульфатов, хлоридов, а также микроэлементов и следов металлов.

В биологический анализ обычно входит выявление отдельных групп организмов, определение степени их распространения и биомассы. При такой методике можно определить результат воздействия таких ве­ществ, как пестициды или промыш­ленные загрязнители на динамику популяции, а также рассчитать кон­центрацию, оказывающую негатив­ное влияние на водоем (КЭ50, КЭ10, т.е. концентрацию, которая вызывает эффективное снижение роста или воспроизведения популяции данного вида на 50% и 10% соответственно).

К группам организмов, которые обычно контролируются таким обра­зом, относятся:

- фито и зоопланктон на различ­ных глубинах водоема; 
- перифитон (совокупность организмов-обрастателей, биопленки); 
- макрофиты (водные растения и крупные водоросли); 
- макрозообентос.

Проекты

Во время и после начальных испы­таний установки проводился ряд  исследований.

Первоначальная проверка установки:

- проверка оборудования (фаза испытаний); 
- разработка и применение стан­дартных методов измерения элект­рохимических параметров для оцен­ки биологического, химического и физического обменных процессов в зоне контакта воды с осадком в мезокосмах с проточной и стоячей водой.

Поведение химических загрязнителей в водных системах:

- поведение активных компонен­тов гербицидов; 
- поведение летучих веществ в во­доемах с проточной водой.

Изучение эффектов загрязнителей:

- изучение эффектов гербицида метазахлора в проточных и стоячих мезокосмах; 
- возможность использования большой прудовой улитки Lymnaea stagnalis для мониторинга многови­довой пресноводной биоты (методи­ка Multispecies Freshwater Biomonitor -MFB®); 
- острые и хронические эффекты при воздействии гербицида метазах-лора на микроводоросли в различных экспериментальных системах; 
- влияние гербицида метазахлора на макрофиты в проточных и стоячих мезокосмах.

Гигиена окружающей среды:

- влияние факторов окружающей среды на микробиологические показа­тели и патогенные микроорганизмы.

Гидрологические исследования и изучение накопления веществ:

- накопление веществ (отложений, питательных и загрязняющих ве­ществ) в речных поймах; 
- накопление органических ве­ществ на дне ручьев и рек; 
- способность водных растений, биопленок и других видов биоты к био­аккумуляции U-238 с целью его уда­ления из проточных водоемов.

Первоначальная проверка установки (фаза калибровки)

Главной задачей на этапе провер­ки установки (фаза калибровки) было обеспечение нормального функцио­нирования установки в целом и опре­деление основных параметров. Ре­зультаты тестов зарегистрированы и приведены в научно-техническом ру­ководстве, которое должно помочь специалистам узнать возможности установки FSA и снабдить их важной информацией при планировании экс­периментов  в будущем. Помимо это­го на фазе испытаний нужно было провести сравнение результатов ис­следований мезокосмов с различны­ми типами природных водных систем, изучить стабильность и динамику би­оценозов мезокосмов, а также прове­рить биологическую синхронность идентичных систем при отсутствии каких-либо загрязнителей («чистое состояние»).

Сравнение отдельных природных водных объектов с проточной и стоя­чей водой (эталонные экосистемы) с соответствующими  эксперименталь­ными мезокосмами показало, что ус­тановка FSA полностью обеспечивает условия для моделирования водных систем различных типов. Однако так­же стало очевидным, что для проточ­ных водоемов, функционирующих в режиме циркуляции, возможно толь­ко моделирование летних систем с теплой проточной водой, так как отк­рытые водные объекты быстро нагре­ваются, и в них не поступает грунто­вая вода для охлаждения. Летние хо­лодные реки можно моделировать в помещении только в холодный сезон.

Что касается исследований по био­логической синхронности водных систем (параллельное развитие с учетом биодинамики и влияния на функциональные параметры, такие как Ог, содержание питательных ве­ществ и проч.), то было установлено, что при проектировании и создании параллельных мезокосмов следует обращать особое внимание на распо­ложение мягких донных отложений и на полное соответствие светового ре­жима (прямой и непрямой свет).

Если же эти условия не выполня­ются, то водные системы станут быст­ро развиваться, отличаясь друг от друга, и в результате подобных экспе­риментов нельзя будет сделать ка­кие-либо определенные выводы о воздействии загрязняющих веществ. Таким образом, в дальнейшем при проведении экспериментов на уста­новке FSA контролирование осадка (донных отложений) будет иметь большое значение, особенно при мо­делировании проточных водных объ­ектов.

Поведение  химических  загрязнителей  в водных системах

Поведение активных компонентов гербицидов

Главными маршрутами попадания пестицидов (например, гербицидов, инсектицидов или фунгицидов) в во­доемы являются поверхностные сто­ки или воздушные массы. Оценка по­ведения пестицидов в природных по­верхностных водах, в особенности после изменения погодных условий, представляет сложность в связи с различными путями поступления этих загрязнителей. Проведение подоб­ных исследований на установке FSA легче контролировать, а полученные результаты проще интерпретировать. В ходе экспериментов с гербицидом метазахлором его вводили в проточ­ный водоем и в пруд, расположенные под открытым небом. В этих услови­ях, более приближенных  к реальным, период полураспада (то есть стабиль­ность активного компонента) оказал­ся в 2 - 4 раза больше, чем в лабора­торных экспериментах.

Низкая  скорость  разложения  метазахлора  в  опытной  установке  по сравнению с лабораторными условиями  при  20°C  отчасти  связана  с  низкой  температурой  вне  помещения, которая  наблюдалась  большую  часть времени при проведении осенних исследований. Условия, смоделированные на установке FSA, гораздо ближе к естественным, так как зимний рапс, например, сеют в конце августа  начале сентября и, как правило, обрабатывают  метазахлором.  Если  потом метазахлор  попадает  в  поверхностные воды  со стоками или из воздуха, то  можно  предположить,  что  активный агент будет медленно разлагаться,  подобно  тому,  как  это  наблюдалось  во  время  экспериментов  на  установке FSA.

Поведение летучих веществ в водоемах с проточной водой

После смыва в сточные канавы органические  химические  соединения попадают  в  коллекторную  сеть,  где происходит  их  трансформация,  обогащение  и  удаление.  Испарение  из водоема  является  одним  из  главных процессов  очищения,  при  котором некоторые  химические  загрязнители необратимо  удаляются  из  водных экосистем.  Исследования  показали, что  количественный  подсчет  испарений при  наличии большого числа загрязнителей весьма неточен.

Таким  образом,  для  того,  чтобы определить  скорость  испарения  в природных  условиях,  необходимо учитывать такие параметры, как температура,  скорость  воды  и  ветра,  а также средняя глубина водной толщи и неровности дна (донный профиль).

Все эти параметры могут иметь существенное  влияние  на  испарение  из природных  водоемов.  Федеральное агентство  по  вопросам  окружающей среды  в  сотрудничестве  с  университетом в  Остабрюкке исследовало испарение метил-трет-бутилового эфира (МТБЭ) в серии опытов на установке FSA. Предварительные результаты подтвердили  зависимость  между  интенсивностью испарения и скоростью течения реки.

Изучение  эффектов  загрязнителей

Изучение эффектов гербицида метазахлора в проточных и стоячих мезакосмах

На установке FSA проводился эксперимент  по  изучению  воздействия метазахлора  на  водные  популяции  в проточных и стоячих мезокосмах. Гербицид метазахлор относится к семейству  альфахлорацетамидов и  используется,  в  частности,    для  борьбы  с травами и сорняками при выращивании  рапса,  капусты  и  соевых  бобов.

Даже при правильном применении он все же может попадать в поверхностные воды со стоками или воздушным путем и способен вступать в контакт с водными растениями и водорослями.

Поэтому  метазахлор  вводился  в  пять стоячих и пять проточных водных объектов  в  концентрациях  5,  20,  80,  200  и 500  мкг/л  соответственно  для  выявления зависимости между концентрацией и воздействием, в особенности в отношении водных растений в условиях, напоминающих природные. Еще  три  мезокосма  использовались  в  качестве  контрольных  систем.  Уже  через несколько  недель  при  применении всего одной дозы гербицида была обнаружена  выраженная  зависимость «концентрация-эффект»  как  в  стоячих,  так  и  в  проточных  мезокосмах.

Определенные  эффекты  наблюдались при концентрациях ниже подпороговых  значений,  установленных  в лабораторных  экспериментах,  что подтвердило  достоверность  и  важность  мезокосмических  исследований.

Гигиена окружающей среды

Влияние факторов окружающей среды на микробиологические показатели и патогенные микроорганизмы

Проверки гигиенического и мик­робиологического состояния озер и рек, используемых для купания, вы­полняются с помощью микробных ин­дикаторов (индикаторных бактерий и вирусов), которые попадают в воду как патогенные агенты, главным об­разом в результате сброса городских стоков в водоемы. Такие индикаторы, как Escherichia coli (E. coli) - кишечная палочка и кишечные энтерококки обычно безвредны, так как они не яв­ляются патогенными микроорганиз­мами, находясь в кишечнике челове­ка. Индикаторные и патогенные орга­низмы в обычных условиях не могут воспроизводиться в поверхностных водах, но они могут некоторое время жить в воде в зависимости от окружа­ющих условий (температура воды, концентрация стоков и т.д.).

Если установленные концентра­ции индикаторных организмов пре­вышены, то считается, что и патоген­ные организмы также присутствуют в воде в концентрациях, которые могут представлять опасность для здоровья купальщиков. С целью проверки на­дежности использования индикато­ров Федеральное агентство по вопро­сам охраны окружающей среды про­водило исследования по выживае­мости индикаторов и патогенных мик­роорганизмов. Предварительные ре­зультаты показали, что некоторые ви­русы (колифаги) более устойчивы к влиянию факторов окружающей сре­ды, чем два бактериальных индикато­ра - кишечная палочка (Е. coli) и энте­рококк. Это предварительное заклю­чение требует дальнейшей проверки, особенно во время купального сезона летом.

Гидрологические  исследования  и изучение  накопления вещества

Накопление веществ (отложений, питательных и загрязняющих веществ) в речных поймах

В 2002 и 2003 г. рабочая груп­па Института географических наук Берлинского открытого  университета  изучала накопление различных ве­ществ в речных поймах. Эти исследо­вания должны были содействовать восстановлению рек и речных заливных лугов (пойм), что было очень акту­альным после серии крупных навод­нений в Германии. Во время наводне­ния возникают сложные взаимодей­ствия между растительностью, гео­морфологическим строением русла реки, водным потоком, отложением наносов и эрозией. Характер и дви­жение воды при наводнении, а также распределение отложений на затоп­ленной территории зависит от дре­нажных возможностей водной систе­мы и параметров потока воды, а так­же от растительности.

В качестве дополнения к полевым исследованиям, проведенным в зоне Верхнего Рейна в рамках проекта Ев­росоюза  RipFor («Восстановление прибрежных лесов»), рабочая группа изучала эффекты наводнения  на сильно увлажненном опытном участ­ке, покрытом пойменными травами. Эксперименты проводились  на не­скольких участках в проточном водое­ме под открытым небом при соблюде­нии всех необходимых условий с ис­пользованием трехмерных расходо­меров. Вопреки общепринятой точке зрения, было отмечено увеличение скорости потока воды в придонной области.

Полученные данные должны учиты­ваться при проведении природовосстановительных мероприятий, так, например, линейное расположение пойменных трав может усилить про­цессы эрозии во время наводнений. По техническим причинам проведение детальных полевых исследований та­кого рода невозможно, поэтому такие эксперименты могут выполняться только в экспериментальных условиях, например, на установке FSA.

Татьяна Сушкина

Журнал «Вода Magazine», №3, 2007 г.