Взмучивание осадка для омоложения мелководных эвтрофных лагун

В статье подробно описывается роль ресуспендирования (взмучивания) осадков в борьбе с последствиями заболачивания и в поддержании истощенных береговых лагун, подверженных циклическим дистрофным процессам. Статья представляет собой обзор различных источников, описывающих технологию ресуспендирования осадков, ее влияние на процессы, происходящие в эвтрофных лагунах, а также результаты специальных исследований, недавно проведенных автором.

Введение
Нарушение морфологии дна, в результате которого происходит взмучивание осадка в толще воды, обычно считается негативным явлением. Взмучивание мягкого осадка, который в обычных условиях поддерживает стабильную форму на дне, к примеру, вследствие усиления ветра, может оказывать существенное влияние на состояние водоема, поскольку происходит подъем органических частиц и растворенных органических веществ к поверхности (Хопкинсон, 1985), что способствует окислительной бактериальной минерализации (Фаннинг с соавт., 1982), а также ускоряет процесс реминерализации (Вэйнрайт, 1987; Вэйнрайт, 1990). Также, благодаря взмучиванию, происходит перенос питательных веществ, содержащихся в осадочных водах и адсорбируемых мельчайшими частицами осадка. Путем лабораторного моделирования, Вэйнрайт и Хопкинсон (1997) доказали, что взмучивание способствует выделению питательных веществ в водную среду, повышению содержания соединений углерода и более интенсивному поглощению кислорода в толще воды. В то же время, результаты исследований довольно противоречивы, и ученые расходятся во мнениях относительно эффектов от взмучивания донного осадка. На самом деле, очень многое зависит от природы осадка, глубины водоема, характеристик органической материи, свойственной данному водоему, и экологических условий, при которых происходит взмучивание. (Тенгеберг с соавт., 2003; Мости и Холмер, 2003).

Взмучивание осадка может способствовать соединению железа с кислородом и образованию оксидов железа, которые поглощают ортофосфаты и таким образом уменьшают их концентрацию в водной среде (Гольтерман, 1995; 2001). Как видим, в разных местах взмучивание может производить различные эффекты, которые могут зависеть, например, от уровня содержания железа в осадке. Зондергаард с соавторами (1992) утверждает, что в озере Арезо (Дания), донный осадок которого беден железом, взмучивание является ключевым фактором, влияющим на содержание ортофосфатов в воде. С другой стороны, в ходе лабораторных исследований, Слот с коллегами (1996) установил, что в время ресуспендирования (взмучивания), процесс поглощения растворенного в воде кислорода ускоряется в 10 раз, однако, исследования показали, что изменения в движении питательных веществ были менее значительными. Лабораторные эксперименты с глубинными отложениями, проведенные Кошинским (2001), не выявили увеличения содержания органического углерода, тяжелых металлов, питательных веществ или микробиологической активности в результате адсорбции взмученным осадком. В то же время, Тенгберг (2003) обнаружил, что естественное ресуспендирование, происходящее в лагунах побережья Швеции, в зимний период приводит к уменьшению концентрации карбонатов и фосфатов и увеличению концентрации растворенного кислорода, соединений кремния, нитритов и нитратов, в то время, как количество аммиака остается неизменным. По мнению этих ученых, эффект от ресуспендирования может варьироваться в зависимости от состояния дна и времени года. Согласно исследованию Блэкбёрна (1997), ресуспендирование ведет к резкому увеличению концентрации азота вследствие смешивания с пластовыми водами, однако, по градиенту концентрации, такое же количество вещества наблюдалось бы в любом другом случае в течение более длительного периода. Тенгберг (2003) считает, что для адекватной оценки эффектов от ресуспендирования, наблюдающихся в разное время года, в том числе долгосрочных эффектов, требуется более основательное экспедиционное исследование.

Регулярное взмучивание и ресуспендирование осадка
Эффекты от случайного взмучивания, как правило, кратковременны, и варьируются в зависимости от состояния осадка, его насыщенности органической материей, состава материи, а также условий, наблюдаемых в водной среде. Эффекты, наблюдаемые при относительно часто повторяющемся взмучивании, могут быть совершенно иными. В ходе лабораторных исследований, Штальберг (2006) доказал, что частое взмучивание осадка приводит к 2-5-кратному ускорению минерализации. В ходе эксперимента, проведенного в ограниченном пространстве мелководной лагуны (лагуна Орбетелло, Италия), Ленци (2005) обнаружил, что взмучивание мягкого осадка, вызываемое регулярно проплывающими лодками, способствует увеличению оксидативности осадка или окислительно-восстановительного потенциала (Eh), тем самым снижая концентрацию органического содержимого, при этом значительного увеличения концентрации питательных веществ или интенсивного поглощения кислорода в толще воды не наблюдается.

В 2010 году, Ленци исследовал два больших участка (площадь каждого – 20 га) еще одного прибрежного водоема — озера Бурано (Италия), проведя многократное искусственное взмучивание осадка с помощью специально оборудованного плавсредства, и получил одинаковые результаты. Поведение растворенных сульфидов показало, что взмучивание приводит к прерыванию процесса восстановления сульфатов. Теоретически, вполне возможно, что на участках, регулярно подвергаемых взмучиванию (например, каждые 24-48 ч), согласно исследованию Штальберга (2006), может наблюдаться более интенсивная минерализация, которая, по мнению этих ученых, не оказывает существенного влияния на состояние водной среды, что и подтверждает в своем исследовании Ленци и его коллеги (2005, 2010). В оксидативных осадках ортофосфаты вступают в реакции с оксидами и гидроксидами железа (Гольтерман, 1995, 2001), карбонатами и глинами (Додж с соавт., 1984; Де Йонге и Виллериус, 1989), поэтому концентрация ортофосфатов в пластовых водах, а значит — и в самом водоеме, уменьшается; иными словами, ортофосфаты становятся недоступными для водорослей. Что касается соединений азота, окисление усиливает нитрификацию и приводит к преобладанию нитратов над восстановленными компонентами, нитритами и аммонием (Ревзбек с соавт., 1980). Рост концентрации нитратов приводит к более интенсивной денитрификации (Герберт и Недвелл, 1990), свойственной бескислородным микросредам (в оксидативных условиях) (Френчел, 1992), в результате которой часть осадочного азота в виде N₂ или N₂O теряется, что ведет к снижению эвтрофности (Новики с соавт., 1997). Таким образом, при регулярном взмучивании донного осадка, происходят окислительные реакции, уменьшается количество неустойчивой органической материи, прекращается поступление в среду ортофосфатов и происходит частичная потеря азота.

Проблема заболачивания мелководных лагун
В донных осадках морей, океанов, а также береговых лагун и в других неустойчивых средах, более 50% органической материи разлагается с помощью сульфатовосстанавливающих бактерий (биологический круговорот серы, Йонгенсен, 1983). Многие прибрежные лагуны и устья подвергаются заболачиванию, и в теплое время года в них накапливается огромное количество макроводорослевой биомассы (Моранд и Брайэнд, 1996). Это приводит к накоплению органической материи в осадке и увеличению концентрации сульфатов. В свою очередь, распад органической материи, катализируемый данным процессом, приводит к выделению кислых газов — CO₂ и H₂S.

Растворенные в воде сульфиты токсичны и могут оказывать пагубное влияние на водную среду (Хиджс и соавт., 2000). В частности, это приводит к нарушению бикарбонатного равновесия в пластовых водах и придонном слое воды, непосредственно контактирующим с осадком, и выпадению белого осадка карбоната кальция CaCO3 (Дилман, 1975). В результате, донный осадок содержит больше кислотообразующих веществ, имеет низкую окисленность (очень низкий окислительно-восстановительный потенциал), что способствует накоплению в нем восстановленных и восстанавливающих компонентов. Снижение окислительно-восстановительного потенциала и значения водородного показателя рН способствуют образованию аммония и нитритов вследствие аммонизации органической материи с выделением аммиака (Марти с соавт., 1990)., токсичных для водной фауны (Торрес – Берристейн с соавт., 2006), в то же время стимулирует жизнедеятельность нитрофильных (азотолюбивых) водорослей.

Естественная буферизация
Естественная буферизация препятствует этому процессу. Образованию свободного сульфида (H₂S, HS, S²) путем восстановления сульфатов препятствуют ионы 2- и 3-валентного железа: H₂S вступает в реакцию с 3-валентным железом (H₂S↑+2Fe⁺⁺⁺ = S↓+2Fe⁺⁺ +2H⁺) и уже как сульфид блокируется 2-валентным железом, затем как сульфид 2-валентного железа (H₂S↑+Fe⁺⁺ = FeS↓ +2H⁺) и, наконец, как пирит (FeS↓+ S↓ = FeS₂↓) (Бернер, 1984; Лютер, 1991; Ричард и Лютер, 1997; Розан с соавт., 2002). Количества железа, содержащегося в осадке, может оказаться достаточно для блокировки процесса истощения и заболачивания водоема, однако, если количество органической материи превосходит концентрацию доступного железа (H₂S/Fe>1), в водное пространство начинает поступать сероводород H₂S (Джиордани с соавт., 1996), который вступает в реакцию с растворенным в воде кислородом (извлекает кислород из среды, что ведет к его дефициту) и таким образом отравляет водную среду. Восстановление железа и его блокировка сероводородом H₂S ведет к высвобождению ортофосфатов, которые до этого были связаны оксидами и гидроксидами 3-валентного железа (Гуннарс и Бломкввист, 1997; Гольтерман, 2001; Розан с соавт., 2002). Таким образом, ортофосфаты мобилизуются в водную среду и становятся доступными для водорослей, способствуя их жизнедеятельности.

Цветение макро- и микроводорослей
В береговых лагунах интенсивность водного обмена низкая, и недостаток кислорода в осадках, наблюдающийся из-за переизбытка питательных веществ и большого скопления органической материи, ведет к угнетению и длительному подавлению жизнедеятельности в теплое время года и, в конце концов, к росту патогенной микрофлоры и резкому сокращению фитобентосной растительности (Валиела с соавт., 1997). Это очень хорошо заметно на степени развития корневой растительности в осадке, рост которой блокируется микробиологическими и химическими процессами, происходящими в осадке, а также в силу распространения растений-паразитов и фитопланктона, препятствующего проникновению света, и в силу скопления у поверхности макроводорослей, которые распространяются на обширные участки, делая их непригодными для жизнедеятельности морских трав. (Ден, 1994; Рафаэлли с соавт., 1998). Высокая степень заболачивания способствует замещению морских трав водорослями, а при ухудшении условий – патогенными водорослями, для которых характерен интенсивный метаболизм (Дуарте, 1995). Ленци с соавт. (2003) обнаружил повышенный градиент распространения макроводорослей и скопление «фосфоролюбивых» макроводорослей вблизи созданного человеком источника питательных веществ, а также скопление «азотолюбивых» водорослей на некотором расстоянии от него. Наконец, недостаток кислорода и серные бактерии могут способствовать мобилизации минеральных загрязнителей, например — ртути в составе киновари, а также метилртути (CH3Hg+) (Вуд и Ванг, 1983). В настоящее время, эти механизмы еще недостаточно изучены и требуют дальнейших исследований.

Вывод: взмучивание донного осадка как метод борьбы с заболачиванием лагун
Внутри подобных эвтрофных сред с маловыраженным водным обменом, регулярное взмучивание донных отложений противодействует длительному установлению дистрофных условий. Благодаря био-химио-физическим эффектам ресуспендирования, взмучивание способствует обновлению микрофлоры, флоры и фауны в этих средах, в заболоченных же (эвтрофных и дистрофных) средах происходят обратные процессы; также, происходит увеличение популяций штаммов минерализирующих и окисляющих бактерий, выпадение ресуспендированной материи, способствующей росту жизнедеятельности бактерий в осадке в непосредственной близости от взмученных участков (Логан и Кирхман, 1991), распространение различных представителей придонной фауны (Виддикомб и Аустен, 2001), уменьшение количества фосфора, а значит макроводорослей, блокирующих солнечный свет (Ленци и соавт., 2003), а также реколонизация грунта цветочными растениями, которые поглощают питательные вещества через корневые системы. Упрощенная схема этого процесса показана на рисунке 1.
Результат этих процессов был виден во время проведения мероприятий по борьбе с сильным заболачиванием лагуны Орбетелло, суть которых сводилась в основном к ликвидации макроводорослей путем их сбора с помощью специальных плавсредств. Хотя по подсчетам, из всего объема макроводорослей, присутствовавших в лагуне, удалось собрать 3-6%, заметное качественное и количественное изменение флоры лагуны произошло лишь спустя 2 года. Резко сократилась популяция зеленых водорослей, красные водоросли приспособились к новым условиям, однако их развитие замедлилось; цветочные растения, которые были полностью уничтожены вследствие экологического кризиса и заболачивания, появились вновь (Ленци и соавт., 2003).

Последующий эксперимент со специальным плавсредством, оборудованным устройством, предназначенным для взмучивания осадка озера Бурано, выявил резкое сокращение популяции макроводорослей и увеличение популяции цветочных растений (с множественными побегами, произрастающими непосредственно из семян) в местах, где проводилось взмучивание (общая площадь взмученных участков – 44 га); на участках, где взмучивание не производилось (общей площадью в 40 га), подобных явлений отмечено не было (Ленци с соавт., 2010). Чтобы убедиться в том, что ответ на поставленный в самом начале вопрос будет утвердительным, еще многое предстоит сделать. Однако, уже сейчас мы имеем довольно обнадеживающие результаты экспериментов, проведенных в мелководных лагунах. В нынешних условиях нет смысла искать ответ на вопрос о том, способно ли взмучивание донных осадков нанести вред экосистеме, которая и так уже сильно пострадала в результате экологических сбоев, сопровождающихся истощением водных сред. Идет сокращение популяций многих видов промысловых рыб, разрушаются микросреды и некоторые виды, характерные для той или иной местности, в результате происходит уменьшение биологического разнообразия в этих средах. Несомненно, было бы благоразумно проводить анализ донных отложений на предмет загрязнителей, которые не распространяются на толщу воды (Ким с соавт., 2006; Кальнейаис, 2007).

На мелководных водоемах производить взмучивание удобнее всего с помощью лодок, имеющих подходящие габариты и оборудованных моторами, при работе которых происходит смешивание воды и пузырьков воздуха в воздушной струе, направленной в сторону дна. В результате происходит взмучивание верхнего слоя донного осадка, имеющего толщину 3-4 см. Взмучивание дна водоемов и устий, имеющих глубину более 2 метров, — процедура более сложная, но тоже выполнимая. Это можно осуществить с помощью трала «рапидо», предназначенного для ловли камбалы и гребешков, сняв с него сеть и зубья и отрегулировав полозья таким образом, чтобы он плавно перемещался вдоль дна. Устройство крепится к лодке и при движении взмучивает верхний слой донного осадка. Таким образом, можно проводить ресуспендирование в относительно глубоких водоемах.

Было бы целесообразно проанализировать данный критерий работы с природными объектами, чтобы выяснить, действительно ли он дает лучшие результаты, нежели традиционные методы сугубо технического характера, такие как строительство подводных каналов для сбора осадка, бетонирование набережных, установка насосных станций для перекачки морской воды и ускорителей течения, а также экстренные экологические мероприятия, такие как сбор и утилизация водорослей, и т. д. Многие из этих операций приводят к тяжелым экологическим последствиям, нежелательным изменениям в экосистемах и зачастую проводятся без исследований, необходимых для предотвращения таких последствий. Также, эти действия сопряжены со сложными техническими процедурами, которые не всегда осуществляются вовремя и должным образом. Поэтому, эффект от этих действий часто бывает кратковременным, после чего процессы истощения и заболачивания возобновляются.
——
По информации: Mauro Lenzi. Resuspension of Sediment as a Possible environmental Management Method for Coastal Lagoons and Aquaculture Ponds. Journal of Aquaculture & Research Development;2012, Vol. 3 Issue 7, p1.

Реакция постоянных читателей:

Заметил ошибку, тык*:

 Orphus

Комментарии Вконтакте:

Добавить комментарий

Войти с помощью: 

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *