Оценка влияния глубинных водозаборов электростанций на биологическую продуктивность морских экосистем

Опубликовано:

, , Оценка влияния глубинных водозаборов электростанций на биологическую продуктивность морских экосистем // Вестник Российского ун-та дружбы народов. Сер. Экология и безопасность жизнедеятельности. 1998/1999. №3. С.52-57.

Suzdaleva A. L., Beznosov V. N., Gorjunova S. V., Pshenichnyi B. P. Evaluation of influence of function deep-water intake of power stations on biological productivity of marine ecosystems // Bulletin of Russian Peoples' Friendship University. Series Ecology and Life Safety. 1998/1999, N3. P.52-57.

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ГЛУБИННЫХ ВОДОЗАБОРОВ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ НА БИОЛОГИЧЕСКУЮ ПРОДУКТИВНОСТЬ МОРСКИХ ЭКОСИСТЕМ

1, 2, 3, 4

1Лаборатория экологии, Московское отделение Института "Атомэнергопроект", Волоколамское шоссе, 2, 125812, Москва, Россия

2Биологический факультет, Московский государственный университет, Воробьевы горы, 119899, Москва, Россия

3Сельскохозяйственный факультет, Российский университет дружбы народов, /2, 117198, Москва, Россия

4Межведомственная ихтиологическая комиссия, Российская Академия наук, 103050, Москва, Россия

Аннотация. Использование глубинных вод для систем охлаждения электростанций может вызвать эвтрофикацию поверхностного слоя моря. На основании экспериментальных данных разработан метод оценки возможного увеличения биомассы фитопланктона в условиях техногенного подъема глубинных вод.

Abstract. The use of deep-waters for cooling systems of power stations can cause eutrophication of a surface layer of the sea. Basing on experimental data the method of an evaluation of possible increase biomass of phytoplankton in condition technogenic rise of deep-waters is made.

В настоящее время одновременно сразу в нескольких самостоятельных областях технологической деятельности встал вопрос о перспективности использования глубинных вод морских и крупных континентальных водоемов [1]. Несмотря на более значительные первоначальные затраты, применение глубинных водозаборов в ряде случаев экономически выгодно. Это связано с тем, что температура глубинных водных масс, по сравнению с поверхностными водами, менее подвержена суточным и сезонным колебаниям. Ритм работы предприятий, использующих глубинные воды, менее зависим от гидрометеорологических условий. Еще более важным является то обстоятельство, что глубинные воды имеют постоянно низкую температуру, в результате чего КПД систем охлаждения (например, АЭС) существенно возрастает [2]. Следует также отметить, что количество личинок организмов-обрастателей и численность видов, вызывающих биопомехи в работе технических агрегатов, в глубинных водах, как правило, значительно меньше чем в поверхностном слое водоема.

Экологические последствия, возникающие при использовании глубинных водозаборов, могут существенно отличаться от воздействия на окружающую среду аналогичных производств, использующих для своих нужд поверхностные воды. В связи с этим возникает настоятельная необходимость исследования явлений, обусловленных крупномасштабными техногенными подъемами глубинных вод. Эти данные необходимы при составлении ОВОС (оценки воздействия на окружающую среду) при проектировании ряда энергетических и промышленных объектов, а также для разработки соответствующих природоохранных мероприятий.

Как правило, глубинные воды содержат большие количества биогенных элементов (фосфора, азота и др.) и их подъем в фотическую зону приводит к эвтрофикации водоема [3]. Эти явления могут вызвать дисбаланс продукционно-деструкционных процессов в водных экосистемах, резко увеличить интенсивность осадкообразования и обусловить развитие заморов [4]. Крупномасштабный подъем глубинных вод может оказать заметное влияние на ход биогеохимических процессов и климат [5, 6]. С другой стороны, контролируемое увеличение продуктивности водных организмов, вследствие искусственного подъема глубинных вод, может и не сопровождаться нежелательными последствиями. Подъем глубинной воды с целью повышения трофности водоема применяется в морской аквакультуре многих стран, при выращивании различных организмов [7]. По аналогии с природным явлением подъема глубинных вод, этот биотехнологический прием носит название "искусственный апвеллинг". При разумной организации применение этого метода не только повышает рентабельность морских хозяйств, но и может значительно улучшить качество водной среды. Таким образом, использование глубинных водозаборов в зависимости от обстоятельств может привести к существенно разным результатам. Для прогноза экологических последствий подъема глубинных вод необходим научно обоснованный анализ возможных эффектов.

Целью настоящей работы является разработка метода количественной оценки изменения уровня биопродукционных процессов при использовании глубинных водозаборов и исследование возможных путей предотвращения нежелательной эвтрофикации поверхностных вод.

Наиболее перспективным направлением решения проблемы является создание на участках сброса отработанных глубинных вод специальных хозяйств аквакультуры [8]. Водные организмы в процессе своего роста могут поглотить из воды значительную часть соединений биогенных элементов, привносимых в поверхностный слой глубинными водами [9-11], а дальнейшее использование водорослей в кормовых и иных целях приносит коммерческую выгоду [7].

Для общей оценки биопродуктивных возможностей водных масс может быть использована стехиометрическая модель Редфилда-Ричардса [12]. Применение этой модели позволяет определить лимитирующий элемент и рассчитать величину потенциальной продукции. Под потенциальной продукцией подразумевается теоретическая масса органического вещества, которая может быть синтезирована водорослями при полном использовании запасов фосфора, азота или кремния. В простейшем виде модель Редфилда-Ричардса представляет собой соотношение количества атомов основных биогенных элементов (С : N : Si : Р) в клетках водорослей. Поскольку химический состав клеток разных таксономических групп фитопланктона имеет свои особенности, формулы расчета их потенциальной продукции несколько отличаются. Например, для умеренных и высоких широт, где доминируют диатомовые водоросли соотношение С : N : Si : Р равно 98 : 13 : 32 : 1, а в тропической области – 118 : 15 : 24 : 1 [13]. Однако в поднятой на поверхность глубинной воде, вне зависимости от климатической зоны, доминируют диатомовые [9, 11, 14, 15]. В связи с этим расчетах следует использовать формулу для фитопланктона высоких и умеренных широт, даже в тех случаях, когда подъем вод производится в субтропической и тропической областях. В соответствии с этим при образовании фитопланктоном 1 мг органического углерода им должно потребиться 0,0008 мг-атомов фосфора, 0,011 мг-атомов азота и 0,027 мг-атомов кремния. Во многих случаях вычисление значений потенциальной продукции основывается на содержании в воде минеральных форм азота и фосфора (фосфатов, нитратов и др.). Однако подобный подход может существенно исказить представление о биопродукционном потенциале глубинных вод. Это связано с тем, что после подъема в поверхностный слой повышение температуры вызывает интенсивную бактериальную деструкцию фосфор - и азотсодержащей органики. В результате уже через сутки после подъема в поверхностный слой концентрация фосфатов и неорганических форм азота может значительно увеличиться [16]. Кроме того, многие виды фитопланктона могут в качестве источника биогенов использовать и органические соединения этих элементов [17]. Более точное представление о величине потенциальной продукции при лимитировании по фосфору или азоту можно получить на основе их общего (валового) содержания в среде.

Очевидно, далеко не все атомы лимитирующего биогенного элемента могут быть одновременно включены в состав молекул органических соединений, синтезируемых фитопланктоном. Для определения уровня биомассы фитопланктона, которая может реально образоваться в поднятых в зону фотосинтеза глубинных водах с известным содержанием биогенов, в летние периоды 1987-1988 гг. в северо-восточной части Черного моря (район мыса Утриш, 20 км южнее г. Анапа) было проведено несколько серий экспериментов [12]. Исследовался биопродукционный потенциал двух основных глубинных водных масс аэробной зоны: холодного промежуточного слоя (глубина 60 м) и субанаэробного слоя (глубина 120 м). Вода из этих горизонтов, содержащая присущие ей планктонные организмы, помещалась в экспериментальные емкости (мезокосмы), которые в течение определенного времени экспонировались в поверхностном слое моря.

Биомасса фитопланктона, развившегося в глубинной воде, многократно превышала количество водорослей, обнаруженных в поверхностном слое моря в тот же период времени (табл. 1), но была значительно меньше (в среднем около 20%) расчетных значений потенциальной продукции (табл. 2). Лимитирующими элементами в данном случае являлись фосфор и, значительно реже, азот [11]. Для сравнения величин потенциальной продукции и биомассы фитопланктона в экспериментах был произведен пересчет выраженной в граммах углерода потенциальной продукции в эквивалентное количество массы фитопланктона. При этом исходили из того, что в среднем в клетках морского фитопланктона содержится 6% углерода [18].

Таблица 1. Биомасса фитопланктона в мезокосмах с водой из холодного промежуточного слоя (60 м), субанаэробного слоя (120 м) и в поверхностном слое моря (В0)

Серия экспериментов	Вариант опыта	Биомасса, г/м3
I	60 м	8,3
120 м	15,9
В0	0,4
II	60 м	8,0
120 м	17,2
В0	0,3
III	60 м	9,1
120 м	13,5
В0	0,4

Таблица 2. Валовые концентрации азота (N, мкг-атомов/л) и фосфора (Р, мкг-атомов/л) в глубинной воде, расчетные значения потенциальной продукции (РР, г С/м3), соотношение биомассы фитопланктона в мезокосмах и значений потенциальной продукции (%)

Параметр	Серии экспериментов
I	II	III
60 м	120 м	60 м	120 м	60 м	120 м
N	60,1	65,4	43,7	48,4	55,7	34,3
Р	1,67	3,54	2,08	2,69	2,24	4,69
РР	2,09	4,42	2,60	3,36	2,80	3,12
%	23,9	21,5	18,5	30,6	19,3	26,3

Важнейшим агентом эвтрофикации морских водоемов является фосфор [19]. В экспериментах после развития фитопланктона его концентрация в большинстве случаев не превышала нескольких процентов от первоначального количества (табл. 3). Несколько большее количество фосфора (26,4%), наблюдавшееся в III серии экспериментов в мезокосмах с водой из субанаэробного слоя, по-видимому, объясняется тем, что отношение N:Р в этом варианте опыта составляло приблизительно 7:1. То есть лимитирующим элементом в этом случае являлся азот. Такое предположение подтверждается тем, что в этих мезокосмах к концу экспериментов концентрации нитратного и аммонийного азота составляли соответственно 0,3-1,9 и 0,6-1,2 мкг-атомов N/л, то есть снижались до уровня, ограничивающего дальнейшее развитие фитопланктона [20]. В любом случае, после развития фитопланктона концентрация лимитирующих биогенов (фосфора или азота) в глубинной воде уменьшалась до пороговых величин. Если образовавшийся фитопланктон будет своевременно изъят, например, путем культивирования в этой воде моллюскрв-фильтраторов, то произойдет практически полная деэвтрофикация глубинной воды.

Таблица 3 Общее содержание фосфора (Р, мкг-атомов/л) в глубинной воде в начале и в конце экспериментов

Серия экспериментов	Вариант опыта	Р	%
в начале	в конце
I	60 м	2,08	0,24	11,5
120 м	2,69	0,18	6,7
II	60 м	1,67	0,11	6,6
120 м	3,54	0,42	11,9
III	60 м	2,24	0,21	9,4
120 м	4,69	1,24	26,4

Необходимым условием для разработки конкретных мер, направленных на предотвращение эвтрофикации, является оценка воздействия техногенного подъема глубинных вод на продукционные процессы. Это можно сделать экспериментальным путем. Например, на основе вышеизложенных материалов легко подсчитать эффект от работы АЭС, использующей для охлаждения агрегатов глубинные воды аэробной зоны Черного моря. Для выработки 1000 МВт мощности АЭС требуется в среднем около 50 м3/с [2]. Следовательно, масса водорослей, выросшая за один летний месяц на отработанных глубинных водах на каждую 1000 МВт мощности, может достигнуть 1083,6-1999,5 тонн.

Однако полученные результаты позволяют сделать оценку ожидаемого эффекта и на основе данных но содержанию биогенов в глубинных водах того или иного района. Эта возможность обусловлена тем, что, как уже указывалось выше, состав фитопланктона, развивающегося в поднятых глубинных водах, вне зависимости от географической точки носит весьма сходный характер. Для примера произведем расчеты для трех различных районов Мирового океана (табл. 4). Данные по содержанию биогенов в глубинных водах взяты из Атласа океанов [21, 22]. Предположим, что подъем вод, производится с глубины 200 м. Во всех трех точках лимитирующим биогенным элементом является кремний. Если принять, что реально образующаяся биомасса водорослей будет составлять в среднем 20% от величины потенциальной продукции, то в месяц на глубинных водах, поднятых в результате работы АЭС мощностью 1000 МВт, может образоваться 155,5-479.5 тонн фитопланктона. На самом деле величина образующейся органической взвеси, пригодной для дальнейшего использования в аквакультуре, существенно больше, поскольку, помимо водорослей, в поднятых глубинных водах развивается и бактериопланктон [11, 16]. По нашим данным с учетом бактерий и детрита, образующегося из отмирающих клеток фитопланктона, общее количество органической взвеси составляет не менее 30-40% от значения потенциальной продукции.

Исходя из приведенных расчетов при АЭС, использующих глубинные воды, можно спроектировать хозяйства аквакультуры, способные утилизировать продукцию фито - и бактериопланктона. Они могут быть включены в состав так называемых энерго-биологических комлексов (ЭБК), в которых теплые воды сбрасываемые атомными и тепловыми электростанциями используются для выращивания рыбы и различных видов сельскохозяйственной продукции.

При решении вопроса о практическом применении, помимо содержания биогенных элементов, в глубинных водах необходимо учитывать также и динамику развития фитопланктона. Следует особо подчеркнуть, что увеличение биомассы водорослей в поднятых в поверхностный слой глубинных водах происходит только по прошествии определенного периода [11], который может колебаться в зависимости от конкретных условий. Например, от количества в глубинных водах жизнеспособных клеток фитопланктона или режима внесения их в глубинные воды путем смешения с водами поверхностного слоя.

Таблица 4. Масса фитопланктона, которая может вырасти на отработанных глубинных водах АЭС мощностью 1000 МВт

Район	Содержание кремния Si, мкг-ат./л	Потенциальная продукция, г С/м3	Биомасса водорослей, г/м3	Ожидаемая масса водорослей, тонн/мес.
Индийский океан (Бенгальский залив)	20,0	0,74	2,5	324,0
Атлантический океан (Западно- экваториальный район)	10,0	0,37	1,2	155,5
Тихий океан (Восточная часть южной тропической зоны)	30,0	1,11	3,7	479,5

В некоторых случаях для деэвтрофикации глубинных вод более выгодно использовать крупные прикрепленные водоросли (макрофиты), плантации которых можно размещать на пути распространения отработанных глубинных вод. Как показали эксперименты в поднятых к поверхности глубинных водах рост различных видов макрофитов, являющихся объектами промысла и аквакультуры, заметно интенсифицируется [16, 23]. При этом также происходит изъятие из воды избытка биогенных элементов. В экспериментах, проведенных на Черном море, культивирование в емкостях с глубинной водой зеленой водоросли ульвы (Ulva rigida Ag.) полностью предотвращало цветение воды.

Следует отметить, что успешное культивирование фитопланктона и макрофитов возможно и в тех случаях, когда глубинные воды содержат сероводород. При контакте глубинных вод с атмосферным воздухом достаточно быстро сероводород окисляется до химически инертной серы. Таким образом происходит детоксикация этих вод и они также становятся благоприятной средой для развития различных водорослей, поглощающих из них избыток биогенов [11].

ЛИТЕРАТУРА

1.Безносов последствия функционирования глубинных водозаборов // Совр. пробл. водн. хоз-ва и природообустройства – М.: изд. Моск. гос. ун-та природообустройства, 1997. – С. 108-109.

2.-Р. Гидротермический режим водохранилищ-охладителей. – Вильнюс: Мокслас, 1985. – 166 с.

3., , Егоров эвтрофикация водоемов // Природообустройство – важная деятельность человека. –М.: изд. Моск. гос. ун-та природообустройства, 1998. – С. 84-85.

4.Безносов гидрологической структуры морских водоемов как причина экологических катастроф в настоящем, будущем и... в прошлом // Экосистемные перестройки и эволюция биосферы. Вып. 3. – М.: изд. Палеонтол. ин-та РАН, 1998. – С. 55-59.

5.Безносов нарушение гидрологической структуры океана как стартовое событие биотического кризиса // Докл. РАН. – 1998. – Т. 361. – № 4. – С. 562-563.

6.Безносов антропогенных нарушений гидрологической структуры на водные экосистемы и их возможное влияние на биогеохимический цикл углерода // Метеорология и гидрология. – 1998. – № 12. – С. 98-102.

7., Шевченко повышения биологической продуктивности вод путем создания искусственного апвеллинга // Вопросы ихтиологии. – 1989. – Т. 29. – № 2. – С. 333-335.

8., Суздалева последствия нарушения гидрологической структуры морских и континентальных водоемов // Природообустройство – важная деятельность человека. – М.: Изд. Моск. гос. ун-та природообустройства, 1998. – С. 83-84.

9.Taguchi S., Jones D., Hirata J. A., Laws E. A. Potential effect of ocean thermal conversion (OTEC) mixed water of natural phytoplankton assemblages in Hawaiian waters // Bull. Plankton Soc. Jap. – 1987. – V. 34. – N2. – P. 125-142.

10., , Гулин изучение биогенных свойств глубинных вод Черного моря, Балтийского моря (Готландской котловины) и Бискайского залива // Докл. АН Украины. – 1993. – № 6. – С. 167-170.

11.Безносов фитопланктона и бактериопланктона в глубинной воде из аэробной зоны Черного моря // Океанология. – 1999. – Т. 39. – № 1. –С. 74-79.

12.Сапожников основы биологической продуктивности Мирового океана // Химия морей и океанов. – М.: Наука, 1995. – С. 61-74.

13. , Буркальцева фитопланктона биогенными элементами в Атлантическом океане // Биол. ресурсы Атлантического океана. — М.: Наука, 1986. - С. 111-133.

14.Toyota Т., Nakashima Т. Using deep sea-water for biological production // Oceanus. – 1987. – V. 30. – N1. – P. 39-42.

15.Yoneshigue-Braga Yocie, Dix Druehl Louis. Further studies on seasonal growth and succession of tropical phytoplankton cultured in deep water // Publ. Inst. pesquisas mar. – 1977. – N108. – 22 p.

16.Безносов глубинных вод аэробной зоны Черного моря на жизнедеятельность гидробионтов // Автореф. дисс. ... канд. биол. наук. – М.: МГУ, 1995. – 23 с.

17.Финенко 3.3. Адаптации планктонных водорослей к основным факторам океанической среды // Биология океана. Т. 1. – М.: Наука, 1977. – С. 9-18.

18. О методах изучения фитопланктона и его активности. М.: МГУ. 1979. – 168 с.

19.Темас и эвтрофикация // Фосфор в окружающей среде. – М.: Мир, 1977. – С. 638-665.

20.Кобленц-, Ведерников продукция // Океанология. Биология океана. Т. 2. – М.: Наука, 1977. – С. 183-208.

21.Атлас океанов: Тихий океан. Ч. 1. – Л.: Гл. упр. навигаций и океанографии МО СССР, 1974.

22.Атлас океанов: Атлантический и Индийский океаны. Ч. 2. – Л.: Гл. упр. навигаций и океанографии МО СССР, 1977.

23.Безносов роста гидробионтов в зоне искусственного апвеллинга // Докл. МОИП. Зоол. и ботаника. – 1989. – С. 42-44.