Спосіб визначення ефективності біотичної регуляції в гідроекосистемах

Реферат: Спосіб визначення ефективності біотичної регуляції в гідроекосистемах включає відбір проб води в трьох гідростворах ( x, y, z) і використання гідро біонтів-індикаторів. Використовують гідробіонт-індикатор як параметр ефективності біотичної регуляції в гідроекосистемах річки, визначають диференційну складову індексу Шеннона в гідростворі. UA 98816 U (54) СПОСІБ ВИЗНАЧЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ БІОТИЧНОЇ РЕГУЛЯЦІЇ В ГІДРОЕКОСИСТЕМАХ UA 98816 U UA 98816 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до галузі обробки води, зокрема до екологічного моніторингу гідроекосистем басейнів річок, і може бути використана для визначення структурнофункціональних властивостей гідроекосистеми, які характеризують деградаційні процеси, що призводять до якісного виснаження вод. Існуючими аналогами є способи визначення екологічного стану річок за динамікою змін 3 інтегральних, сумарних та індивідуальних(хімічне споживання кисню - ХСК мгО2/дм та 3 біологічне споживання кисню - БСК мгО2/дм , концентрації органічних та неорганічних речовин) показників не забезпечують повну екологічну характеристику стану гідроекосистем (ГЕ) басейнів річок. Крім того, вплив речовин антропогенного походження на ГЕ мають комплексний характер і тому роль окремих компонентів не завжди можна визначити та оцінити (Сухарев С.М., Чундак С.Ю., Сухарева О.Ю. Основи екології та охорони довкілля. - К.:Центр навчальної літератури, 2006. - 394с.) [1].; (Дітер Гайнріх, Манфред Гергт. Екологія: dtv-Аltas (наук. редактор перекладу В.В. Серебряков). - К.: "Знання - Прес", 2001) [2]. Слід також відмітити, що поза увагою зостаються також зміни структурно-функціональних властивостей ГЕ, які характеризують потенційно можливі деградаційні процеси, що призводять до якісного виснаження вод. Тому, нами, при екологічній оцінці стану гідроекосистем, використано біоценотичні комплексні методи, які відповідають вимогам концепції біотичної регуляції навколишнього середовища (Романенко В.Д. Основи гідроекології. - К.: Обереги. 2001. - 728 с.) [3]. Нині достатньо поширені способи біодіагностики для екологічного контролю стану поверхневих водойм [1]. Біодіагностика - це виявлення причин або факторів змін стану водного середовища на основі видів біоіндикаторів з вузькоспецифічними реакціями і відношеннями [2]. Біодіагностика включає біоіндикацію і біотестування. В основі способу біотестування (Величко І.М. Живі охоронці водойм. - К.:Наукова думка, 1987, 87с.) [4] лежить реагування різних водних організмів на пригнічуючий чи згубний вплив на них екотоксикантів, що потрапляють у воду внаслідок промислового або сільськогосподарського забруднення тощо. Найчастіше для біотестування використовують безхребетних тварин та рибу. Метод біотестування обмежений тим, що його використовують тільки в лабораторних умовах (Мітрясова О.П. Хімічні основи екології. - Київ-Ірпінь: ВТФ "Перун", 1999. - 192с.) [5]. Біоіндикація - це один із біоценотичних методів, який використовується для оцінки ступеня та характеру забруднення поверхневих вод в природних умовах. [4] Концепція біоіндикації заснована на адекватному відбитті живими організмами-гідробіонтами умов середовища, в яких вони розвиваються і на зміну яких відповідним чином і реагують (ушкодження, трансформація гідроекосистем). Тобто, біоіндикатори - це група особин одного виду або угрупувань, наявність, кількість або інтенсивність розвитку яких в тому чи іншому середовищі є показником певних природних процесів чи умов навколишнього їх середовища [5]. Біотичні зв'язки - це трофічні взаємовідносини, на базі яких формуються складні ланки і ланцюги харчування. Крім харчових і групових зв'язків рослин і тварин, виникають просторові зв'язки. Все це є основою формування біотичних комплексів, у яких різноманітні види об'єднуються не в будь-якому поєднанні, а тільки за умови пристосування до спільного проживання [2]. Суть концепція біотичної регуляції навколишнього середовища полягає у наступному: вся сума геологічних, палеонтологічних, палегеографічних даних свідчить про те, що біота була та є потужним чинником формування навколишнього середовища. Киснева атмосфера і ґрунти практично повністю сформовані біотою. Тому швидке руйнування природних екосистем, яке відбувається сьогодні, без сумніву, призводить до екологічної кризи. Її неодмінним результатом буде різке зменшення населення у найтрагічних формах. Щоб цьому запобігти, необхідно зберегти природний біотичний механізм регуляції довкілля, тобто зберегти незміненими людською діяльністю біологічні угрупування, які займають території, достатні для забезпечення регуляції навколишнього середовища у глобальних масштабах (Данилов-Данильян В.И., Лосев К.С. Экологический вызов и устойчивое развитие. Учебное пособие. - М.: Прогресс-Традиция, 2000. - 416 с.) [6], (Білявський Г.О., Бутченко Л.І., Навроцький В.М. Основи екології: теорія та практикум. Навчальний посібник. - К.: Лібра, 2002. - 352с.)[7]. Найближчим аналогом до корисної моделі є спосіб ідентифікації самовідновної здатності р. Прут (UA пат. 88143, МПК(2006)СО 27 3/32; заявл. 09.03.2013; опубл. 11.03.2014, Бюл. № 5) [8]. Суть способу полягає в наступному. Здійснюють відбір проб води, в яких визначають вид гідробіонтів-індикаторів як параметр самовідновної здатності (не менше, ніж п'ять гідробіонтів), 3 показники хімічного споживання кисню - ХСК мгО2/дм та біологічного споживання кисню 3 БСКповн мгО2/дм . Відбір проб здійснюють в 4 точках (гідростворах) за течією річки: вище населеного пункту, в межах населеного пункту, а третю та четверту нижче по течії річки. Проби 1 UA 98816 U 5 відбирають у трьох повторюваностях на відстані 1,5 м від берега та глибині 1 м. Для гідробіологічних досліджень 1 л води центрифугують, досліджують осад і фільтрат на вміст гідробіонтів та визначають сапробність води. У кожному випадку користуються результатами, котрі були отримані після осереднення даних по трьох пробах. Організми-біоіндикатори ідентифікують. В точках відбору проб була відмічена змінність гідробіонтів, яка враховується індексом сапробності (Ic ) та визначається за формулою: i1S  h  q  K , с.зд n i1h  q n Ic  10 15 20 25 30 де h - частота виду, число біоіндикаторів в одній пробі води; n - число всіх видів гідробіонтів в пробі води; s - визначення в один із чотирьох класів [2] забрудненості води: умовно чиста вода =1; помірно забруднена вода =2; забруднена =3; брудна =4; K с.зд - коефіцієнт самовідновної здатності гідроекосистем. Величина коефіцієнта Ic , свідчить про наступне: 0  Ic  0,5 - гідроекосистема дуже стійка до антропогенного впливу, високий потенціал самовідновної здатності системи; 0,5  Ic  10 - гідроекосистема досить стійка до антропогенного впливу, достатній потенціал , самовідновної здатності системи; 10  Ic  5,0 - гідроекосистема чутлива до антропогенного впливу, низький потенціал , самовідновної здатності системи, втрата здатності системи до самовідновлення, початок її деградації; 5,0  Ic  10,0 - гідроекосистема дуже чутлива до антропогенного впливу, деградація екосистеми, кризовий стан самовідновного механізму. Коефіцієнт самовідновної здатності водойми визначається за показниками хімічного 3 3 споживання кисню - ХСК мгО2/дм та біологічного споживання кисню - БСКповн, мгО2/дм . Відношення БСКповн/ХСК використовують як індикатор здатності водойми до самовідновлення. В дослідах використана класифікація самовідновної здатності води в залежності від її забрудненості. Згідно з даними заявника, в межах 0-0,3 відзначається низький рівень самовідновної здатності; в межах 0,3-0,7 - середній рівень самовідновної здатності; при коефіцієнті самовідновної здатності 0,7-1,0 - високий. Ефективність самовідновної здатності річки - E еф визначають за формулою: Eеф  n 1Nкр  Kст  Iс , i де: Nкр - кратність перевищення показників ХСК і БСК щодо ГДК; K ст - коефіцієнт стійкості 35 40 45 50 гідроекосистеми до техногенного навантаження; Ic - індекс сапробності; причому вид індикаторів-гідробіонтів визначають із причинно-наслідкових зв'язків в гідроекосистемах в умовах техногенного навантаження. Величина коефіцієнта (E еф ) самовідновної здатності річки Прут, згідно з аналізом даних за способом [8], свідчить, що самовідновна здатність річки знижується. Як автори вбачають, для річки Прут на дослідженій ділянці відбулося зниження самовідновної здатності річки, що характеризується підвищенням абсолютної величини E еф від контрольної точки відбору - 0,375 до четвертої точки відбору 27. Найближчий аналог передбачає визначення самовідновної здатності р. Прут, але за результатами досліджень не можна зробити висновок про ступінь деградації біотичних зв'язків в гідроекосистемі із-за відсутності даних про зміни біоценотичних зв'язків, а також не дає можливості характеризувати структуру біоти, яка є відображенням функціонального стану гідроекосистеми. Все вказане вище унеможливлює визначення ефективності біотичної регуляції в гідроекосистемі за допомогою найближчого аналога. В основу корисної моделі поставлена задача розробка способу визначення ефективності біотичної регуляції в гідроекосистемі, в якому використання показників видового різноманіття, розповсюдження гідробіоценозів в рухомому середовищі з розділеними характеристиками в умовах техногенного навантаження, дозволить визначити структурно-функціональні зміни 2 UA 98816 U 5 гідробіоценозів та, як наслідок, дасть можливість визначити ефективність біотичної регуляції гідроекосистемі. Поставлена задача вирішується тим, що спосіб визначення ефективності біотичної регуляції в гідроекосистемах включає відбір проб води в трьох гідростворах ( x, y, z) і використання гідробіонтів-індикаторів, згідно з корисною моделлю, використовують гідробіонт-індикатор як параметр ефективності біотичної регуляції в гідроекосистемах річки, визначають диференційну 2 d2c y d2c z складову індексу Шеннона в гідростворі ( d c x ; ; ) і ефективність біотичної регуляції dt 2 dt 2 dt 2 Br визначають за формулою: 10 Br  [D( d2 c x dt 15 20 25 30 35 40 45 2  d2 c y dt 2  d2 c z dt 2 ) d d d ( Vx c x )  ( Vy c y )  ( Vzc z )]Ic , dx dy dz де Br - ефективність біорегуляції; Ic - показник індексу сапробності; D - коефіцієнт турбулентної дифузії; Vx , Vy , Vz - швидкість течії в гідростворах; c x , c y , c z - індекс Шеннона; t - час проходження від одного гідроствора до іншого. Основною суттєвою ознакою корисної моделі є використання індексу Шеннона, який базується на інтегральній оцінці кількості видів і внутрішньовидових таксонів гідробіонтів і їх чисельності та біомаси, що відображає ступінь різноманітності структури, характеризує видове різноманіття гідробіонтів, відображає стан гідроекосистеми в просторі та часі. При цьому важливими ознаками є коефіцієнт турбулентної дифузії (D) , швидкість течії ( V ) , які в умовах постійної дії техногенних факторів впливають на зміну індексу Шеннона. Таким чином, сукупність суттєвих ознак способу визначення ефективності біотичної регуляції є необхідною і достатньою для досягнення технічного результату - визначення функціональних змін та ефективності біотичної регуляції гідроекосистеми. Корисну модель виконують наступним чином. В р. Кальміус визначають постійні місця відбору проб (гідроствори): - перша точка (гідроствор X) - 2 км вище м. Донецьк; - друга точка (гідроствор У) - м. Донецьк, 500 м нижче скиду організованих зворотних вод; - третя точка (гідроствор Z) - 135 км нижче м. Донецьк. Відбір проб та їх дослідження здійснювали у травні та червні в лабораторних умовах. Для гідробіологічних досліджень 1 л води центрифугують, досліджують осад і фільтрат на вміст гідробіонтів та визначають сапробність води. У кожному випадку користуються результатами, котрі були отримані після осереднення даних по трьох пробах. Організми - біоіндикатори ідентифікують з використанням методу мікроскопування. Результати по точках наступні: - точка 1 - діатомові та зелені водорості, водорості кон'югати, коловертки, гіллястовусі ракоподібні тощо; висока загальна кількість видів, але мале число біоіндикаторів - не менше 5; - точка 2 - синьо-зелені, золотисті та діатомові (травень) водорості, війчасті інфузорії, личинки коловодниці; знижується число видів оксибіонтів, але збільшується кількість аноксибіотичних організмів, які вже характеризують збільшення рівня забрудненості; - точка 3 - незначна кількість діатомових (травень) та золотистих водоростей, зооглеї, джгутикові, війчасті інфузорії, коловертки тощо; переважають зооглеї та інфузорії, що характеризують відносно високий рівень забрудненості води. Індекс сапробності характеризує змінність гідробіонтів-індикаторів [8]. Індекс сапробності визначається за формулою: i1S  h  q  K , с.зд n i1h  q n Ic  50 де 3 UA 98816 U h - частота виду, число біоіндикаторів в одній пробі води; n - число всіх видів гідробіонтів в пробі води; s - визначення в один із чотирьох класів [2] забрудненості води: умовно чиста вода = 1; помірно забруднена вода = 2; забруднена = 3; брудна = 4; K с.зд - коефіцієнт самовідновної 5 10 здатності гідроекосистем. Коефіцієнт самовідновної здатності води р. Кальміус визначали за показниками БСК повн та ХСК. Відношення БСКповн/ХСК використовують як індикатор здатності водойми до самовідновлення (K с.зд ) . В гідростворах вимірюють швидкість течії, час проходження від однієї точки до іншої, визначають коефіцієнт турбулентної дифузії, індекс Шеннона та інтегральну складову індексу Шеннона. Індекс Шеннона розраховується за формулою: N N c  n 1( i ) log 2 i , i N N 15 20 де c - індекс Шеннона (інформаційне різноманіття, що виражає кількість одиниць інформації в угруповуванні); Ni - оцінка "значущості" і-го виду, тобто чисельність і-го виду; N - загальна оцінка "значущості", тобто загальна чисельність фітопланктону; n - кількість видів івнутрішньовидових таксонів. За визначеними показниками розраховують ефективність біотичної регуляції в р. Кальміус, одержані дані представлені в таблиці. Таблиця № п/п 1 2 3 25 30 35 40 Гідроствор (точки відбору) 0,17 dc dt 4,1 0,17 0,63 0,41 1,53 0,0213 7,6 3 2,5 0,27 V , м/с D (X) 2 км вище м. Донецьк 0,03 (У) м. Донецьк, 500 м нижче скиду 0,035 організованих зворотних вод (Z) 135 км нижче м. Донецьк 0,028 Ic c t , діб 1,5 0,18 6,97 2,0 2,2 1,0 0,35 Br Представлені в таблиці дані ефективності біотичної регуляції (Br ) є відображенням структурно-функціонального стану гідроекосистеми. Величина Br відображає ефективність біотичної регуляції в ГЕ і свідчить про наступне: - зниження ефективності біотичної регуляції відображає зниження індексу Шеннона та збільшення антропогенного навантаження (Гідроствор У); - підвищення ефективності біотичної регуляції свідчить про збільшення індексу Шеннона та зниження антропогенного впливу (Гідроствори X, Z). Слід відмітити, що при сприятливих умовах існування гідробіоценозів чисельність видів зростає і збільшується індекс Шеннона, що свідчить про зростання рівня біотичної регуляції (гідроствори X, Z). При цьому в кількісному відношенні кожен з видів представлений меншою кількістю особин. І навпаки, в несприятливих умовах зменшується видове різноманіття, але чисельність кожної популяції вища. Тобто, біотичне регулювання гідроекосистеми залежить від стану гідробіоценозів, з відновленням природного середовища ефективність біотичної регуляції підвищується. Особливістю корисної моделі є нове використання гідробіонтів-індикаторів як індикаторів ефективності біотичної регуляції гідроекосистем, що дозволяє у подальшому визначити інтенсивність внутрішньоводоймних процесів і скорегувати водоохоронну діяльність, зробити систематизацію та математичну обробку даних з розподіленими характеристиками. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 45 Спосіб визначення ефективності біотичної регуляції в гідроекосистемах, що включає відбір проб води в трьох гідростворах ( x, y, z) і використання гідробіонтів-індикаторів, який відрізняється тим, що використовують гідробіонт-індикатор як параметр ефективності біотичної регуляції в 4 UA 98816 U гідроекосистемах річки, визначають диференційну складову індексу Шеннона в гідростворі ( 2 d2c x d c y d2c z ; ; ) , а ефективність біотичної регуляції Br визначають за формулою: dt 2 dt 2 dt 2 d2 c y d2 c z d d d ( Vx c x )  ( Vy c y )  ( Vz c z )] Ic , де dx dy dz dt dt dt Br - ефективність біорегуляції; Ic - показник індексу сапробності; D - коефіцієнт турбулентної дифузії; Vx , Vy , Vz - швидкість течії в гідростворах; Br  [D( 5 d2 c x 2  2  2 ) c x , c y , c z - індекс Шеннона; t - час проходження від одного гідроствора до іншого. 10 Комп’ютерна верстка М. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5