Продукционно – деструкционные процессы

 

Продукционно-деструкционные процессы играют важную роль в водных экосистемах. Они приводят к образованию автохтонного ОВ, а основные продуценты и деструкторы (фито- и бактериопланктон) являются кормовой базой зоопланктона. Широко известно, что деструкция во многих северных водоемах и морских экосистемах выше, чем продукция, и только в высокопродуктивных объектах продукция больше деструкции [Бульон, 1994; Сапожников, 2003].

Особенности кинетики биохимического потребления кислорода (БПК) часто используют для характеристики окислительной трансформации компонентов органического вещества (ОВ) в природных водах (относительно чистых и загрязненных), развития продукционно-деструкционных процессов, а также при изучении проблем качества водных ресурсов. Кроме того, актуальная задача современных исследований состояния водных объектов и качества воды – выявление соответствия между показателями БПК, фиксируемого в пробах воды, и концентрациями различных компонентов ОВ в этих водах.

Значения БПК оценивают в опытах разной продолжительности: за одни сутки (БПК1) – для характеристики продукционно-деструкционных процессов; за 5 сут (БПК5) – для ориентировочной оценки качества воды; за 20 сут (БПК20) – для оценки расходования О2 на окисление лабильной фракции ОВ в исследуемой воде.

В большинстве случаев для описания кинетики БПК в отечественных и зарубежных исследованиях традиционно используется уравнение 1-го порядка Cтритера – Фелпса:

[БПКt] = [БПКп] × (1 – e–k × t), (1)

где БПКt – значения БПК в разные моменты времени t, мг О2/л;

БПКп – значения полного БПК на окисление лабильной фракции ОВ (часто за БПКп принимается значение БПК20), мг О2/л;

k – константа скорости БПК, сут–1.

По значениям k и БПКп оценивается начальная скорость процесса – v1 = k × [БПКп], мг О2/(л × сут).

Уравнение (1) описывает развитие БПК в эксперименте по экспоненциальной зависимости (характерное для относительно чистых природных вод). Кинетические параметры процесса оценивают по результатам измерений БПК в разные моменты времени t. Однако можно оценить значения параметров БПК по двум отдельным измерениям за время t1 и t2 [Бикбулатов, Бикбулатова, 1993]. Комбинация уравнения (1) для двух сроков времени t1 и t2, при t2 = 2 t1:

[БПКt2] / [БПКt1] = (1 – e–k × t1),

из которого легко найти значения k и БПКп:

k = 1/t × ln {[БПК ]/(2 × [БПК ] – [БПК ])}, (4) t1 t1 t2

[БПКп] = ([БПКt12]/(2 × [БПКt1] – [БПКt2]).

 Если t2 = 3 t1, то уравнение преобразуется

в квадратное уравнение:

[БПК ]/[БПК ]=1–e–k×t1 +e–2×k×t1,

из которого также можно установить значение e–k×t1 и после его логарифмирования вычислить значение k, а затем и [БПКп]:

[БПК]=[БПК ]×(1–e–k×t1). (7) t t1

Значение k отражает степень лабильности ОВ: чем выше значение k, тем более биохимически лабильно OВ, и при этом предельное значение БПКп будет достигнуто намного быстрее. Основной смысл взаимосвязи значений БПКп и k состоит, по-видимому, в оценке скорости окисления ОВ. В отечественной литературе этот факт не обсуждается и нет конкретных рекомендаций по определению кинетических параметров процесса БПК, важных именно для характеристики окисления и преобразования ОВ. В соответствии со значениями k ОВ подразделяется по степени биоразлагаемости на: биологически мягкие ОВ (k ≥ 0,3 сут–1); промежу- точные ОВ (0,06 ≤ k < 0,3 сут–1) и биологически жесткие ОВ (k < 0,06 сут–1) [Kaплин, 1979].

Экспоненциальное уравнение, как правило, используется для описания развития БПК за первые 20 сут эксперимента. При этом все наблюдаемые значения БПК на участках кривых свыше 20 сут не отражаются этим уравнением. Наличие в испытываемой воде загрязняющих веществ оказывает влияние на кинетику БПК, и его развитие во времени может отступать от классического экспоненциального закона (в динамике БПК появляется задержка развития с начала эксперимента). Несмотря на то, что экспоненциальное уравнение не может описать развитие БПК в длительных экспериментах, оно часто применяется как в отечественных, так и в зарубежных исследованиях БПК без должной корректировки его развития на разных стадиях.

Таким образом, большое практическое значение имеет количественная оценка биохимически окисляющихся веществ, влияющих на кислородный режим водного объекта.

При наличии большого количества биохимически нестойких веществ может образоваться сильный дефицит кислорода, начинают гибнуть рыбы и другие гидробионты.

При остром дефиците кислорода начинают развиваться анаэробные бактерии и образуются безжизненные зоны.

 

 

Список литературы:

 

· Бикбулатов Э. С., Бикбулатова Е. М. Кинетические закономерности разложения органических веществ (на примере притоков Рыбинского водо- хранилища) // Формирование и динамика полей гидрологических и гидрохимических характеристик во внутренних водоемах и их моделирование. СПб.: Гидрометеоиздат, 1993. С. 111–149.

· Готовцев А. В. Определение БПК и коэффициента скорости биохимического потребления кислорода: мониторинг, прямая и обратная задачи, формулы, расчеты и таблицы // Водные ресурсы. 2016. Т. 43, No 6. С. 510–520. doi: 10.7868/S0321059616050060

· https://cyberleninka.ru/article/n/otsenka-organicheskogo-veschestva-zapadnosibirskih-torfov

· http://www.vniro.ru/files/trydi_vniro/archive/tv_2017_t_169_article_8.pdf

· Агатова А.И., Лапина Н.М., Торгунова Н.И. 2001. Органическое вещество в водах высоких широт Ба- ренцева и Норвежского морей // Опыт системных океанологических исследований в Арктике. М.: Научный мир. С. 205–220.

· Мельников И.А. 1989. Экосистема арктического морс- кого льда. М.: ИО РАН. 191 с.

· Айзатуллин Т.А., Лебедев В.Л., Хайлов К.М. 1979. Океан. Активные поверхности и жизнь. Л.: Гидрометеоиздат. 191 с.

· https://ru-ecology.info/term/19633/