Способ управления альгоремедиацией водных объектов

Изобретение относится к области биотехнологии. Предложен способ управления альгоремедиацией водных объектов. Способ включает анализ химического состава воды, первое внесение альголизанта, периодический мониторинг водного объекта, определение факторов загрязнений, выбор наиболее значимых загрязняющих веществ и анализ состояний экосистемы водного объекта на основе положений мультифрактальной динамики гидробиологических показателей. Для наиболее значимых факторов загрязнений вычисляются фрактальные индексы избыточности, устойчивости и недостаточности. При этом расчет изменения количества вносимого на последующих стадиях культивирования альголизанта производят пропорционально степени отклонения от индекса устойчивости D₀. Изобретение обеспечивает повышение эффективности альгоремедиации водных объектов. 6 з.п. ф-лы, 1 ил., 3 табл.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к биотехнологии, а именно к способу биологической реабилитации водоемов с использованием культур микроводорослей, в том числе хлореллы, и относится к технической области восстановления эвтрофной воды.

Уровень техники

В настоящее время мультифрактальные методы активно используются при комплексной оценке состояния сложных систем. Например, в патенте № CN106290796 A (МПК G01N 33/24, публ. 04.01.2017) на основе мультифрактальных показателей производится оценка степени засоленности почвы. В патентах № US5456690 А (МПК A61N 1/39, публ. 10.10.1995) предлагается использовать мультифрактальные параметры кардиограммы для прогнозирования сердечных приступов и внезапной сердечной смерти. В патенте № CN102254095 А (МПК G06F 19/00, 23.11.2011) мультифрактальные параметры используются для дифференцирования залежей рудных полезных ископаемых. В патенте № US20110319784 А1 (МПК A61B 5/0476, публ. 29.12.2011) описывается блок мультифрактальных вычислений для оценки эмоционального состояния человека на основе энцефалограммы. В № US20160106331 А1 (МПК A61B 5/04, A61B 5/16, публ. 21.04.2016) и № WO2014176286 А1 (МПК A61B 5/0476; A61B 5/048, публ. 30.10.2014) мультифрактальные методы предлагается использовать для анализа сигналов энцефалографа и коррекции хода лечения пациентов. В патенте № CN105615879 А (МПК A61B 5/0476; A61B 5/0484; G06F 19/00; G06K 9/00, публ. 01.06.2016) мультифрактальные методы используются в алгоритмах работы полиграфа. В патенте № US20190282088 А1 (МПК A61B 3/12, публ. 19.09.2019) мультифрактальные параметры используются в ретинографии.

Вместе с тем для восстановления надлежащего функционирования водных экосистем широко применяются штаммы микроводоросли хлореллы. В патентах № RU2643256 C1 (МПК A01G 33/00, C12M 1/00, публ. 31.01.2018) и № RU2192459 (МПК C12N 1/12, C02F 3/34, публ. 10.11.2002) приводится технология выращивания специальных штаммов хлореллы и доказывается эффективность ее использования для биологической реабилитации водоемов. В патенте № RU2677983 C1 (МПК A01B 79/02, публ. 22.01.2019) описывается способ биологической рекультивации техногенного ландшафта тепловой электроцентрали с использованием микроводоросли хлореллы.

Известен способ биологической реабилитации водоемов культурой хлореллы, описанный в патенте № CN110078217 B1 (МПК C02F 3/32; C02F9/14, публ. 02.08.2019), при котором в предварительно обработанную посредством флокулянта эвтрофную воду добавляют культивированную хлореллу. Причем процесс культивирования хлореллы включает стадию, при которой хлорелла подвергается воздействию интенсивного импульсного светового излучения.

Известен способ снижения эвтрофикации воды озера Тайху с использованием штамма хлореллы, описанный в патенте № CN102145941 B1 (МПК C02F3/34, публ.10.08.2011).

Известен способ культивирования микроводорослей и способ обработки с помощью микроводорослей сточных вод, описанные в патенте № KR101549666 B1 (МПК C02F 11/04; C12N 1/12, публ. 03.09.2015). В патенте раскрыта культуральная среда, подходящая для культивирования хлореллы, в которой концентрация аммиачного азота и цветность снижены до 500 мг / л или менее и уменьшено количество бактерий в результате стерилизации, что дает эффект стабильного производства микроводорослей. При этом путем смешивания и культивирования двух видов хлореллы, имеющих разные температуры культивирования, микроводоросли можно использовать для снижения эвтрофикации воды в течение всего года, даже в сезон низких температур и летом.

Также известны способы управления ростом зеленых водорослей при их культивировании в водоёмах, описанный в патентах № CN101363004 В1 (МПК A01K 61/00; C12N 1/12; C12R 1/89, 21.09.2011) и № CN105875395 B (МПК C12N 1/12, 25.01.2019, основанные на создании водорослевой фазы, а в изобретении по патенту № CN105875395 конкретных этапов создания водорослевой фазы: в течение периода подготовки, поддержания водорослевой фазы на ранней стадии культивирования и поддержания водорослевой фазы на средней или поздней стадии культивирования.

Недостатком известных способов является недостаточная эффективность биологической реабилитации водоемов по причине использования в процессе альголизации неконтролируемого количества культур микроводоросли, в том числе хлореллы, препятствующих достижению высоких показателей по снижению содержания загрязняющих веществ в водных объектах.

Раскрытие изобретения

При создании изобретения решалась задача достижения заданных результатов по снижению содержания загрязняющих веществ в водных объектах и восстановления их экологического равновесия в процессе альгоремедиации с использованием, в том числе, планктонного штамма хлореллы.

Заявленный способ управления альгоремедиацией водных объектов направлен на решение поставленной задачи и достижение технического результата, состоящего в повышении эффективности альгоремедиации водных объектов путем регулирования количества вносимого альголизанта.

Поставленная задача в отличие от известных из аналогов, решается путем использования оптимального количества вносимого альголизанта, в частности – суспензии планктонного штамма хлореллы (альголизанта) соответствующего качества (количество клеток на 1 мл вносимого альголизанта составляет от 50 до 70 млн. штук) для восстановления ценотических параметров водного объекта с целью обеспечения экологической безопасности водопользования.

Метод альголизации водных объектов для снижения и нейтрализации фактора антропогенного воздействия основан на научно-практических исследованиях (Богданов Н.И. «Биологическая реабилитация водоёмов», Пенза, 2008), подтвердившими факт того, что процесс восстановления загрязненных вод при внесении планктонного штамма хлореллы протекает намного интенсивнее, чем при естественном самоочищении.

Способ управления альгоремедиацией водных объектов заключается в периодическом внесении оптимально установленного и рассчитанного количества альголизанта на единицу площади водного зеркала.

При применении данного способа определяются факторы загрязнений, несущие основную угрозу устойчивости экосистемы. Выбор наиболее значимых загрязняющих веществ производится при помощи метода главных компонент (PCA) с использованием статистического пакета SPSS Statistics. Количество альголизанта, вносимого на 2 и 3 стадиях рассчитывается в соответствии с динамикой содержания в воде загрязняющих веществ, наиболее влияющих на экологическое состояние водного объекта.

Способ базируется на теории мультфрактальной динамики, при помощи инструментов которой анализируется временной ряд концентраций загрязняющих веществ и гидробиологических показателей как фрактальные объекты. Порядок операций по определению оптимальных объёмов внесения суспензии планктонного штамма для альгоремедиации выбирается в соответствии с достижением экологической системой устойчивого или неустойчивого состояния и определяется по степени близости фрактальных параметров временных рядов компонент к базовым значениям. Этим достигается тонкое управление параметрами экосистемы и предупреждается чрезмерное усиление влияния природных и техногенных факторов на экосистему.

Краткое описание чертежей

Сущность изобретения поясняется описанием конкретного примера исполнения и иллюстрируется прилагаемыми графическими материалами, где на фиг. 1 представлена фрактальная модель динамики по условиям толерантности экосистемы.

Осуществление группы изобретений

Теоретической основой альгоремедиации является комплексное решение проблем загрязненных водоёмов. Её схема включает действия, направленные на минимизацию содержания загрязняющих веществ, улучшение санитарного состояния, предотвращение «цветения» воды синезелеными водорослями, биологическую мелиорацию высшей водной растительности.

Методика управляемой альгоремедиации основана на внесении в водный объект определенного количества суспензии хлореллы, в определенные сроки с последующим постоянным мониторингом динамики изменения химического состава воды и гидробиологических параметров.

Внесение альголизанта производится в несколько этапов.

Первое внесение оптимально произвести под лед. В южных регионах Российской Федерации, в случае не установления ледостава, первую стадию альгоремедиации надо производить при температуре воды до 6°С. Уже при этой температуре происходит размножение хлореллы. Поскольку при температуре воды 8-10°С происходит развитие зоопланктона, которое может воспрепятствовать быстрому распространению хлореллы по акватории водного объекта.

В средней полосе и на севере России оптимальный срок первого внесения – март-май и оно производится под лед. Перед первым внесением для определения необходимого количества альголизанта берутся пробы воды и производится анализ химического состава для последующего построения мультифрактальной математической модели.

После первого внесения альголизанта ведётся мониторинг экологического состояния водного объекта путем отбора проб воды с периодичностью от 10 до 20 дней.

Для достижения оптимального результата анализа рекомендовано взятие следующего количества проб воды:

для водоемов с площадью водного зеркала не превышающей 1 кв. км – две пробы, характеризующие верховья и низовья водоема;

для водоемов с площадью водного зеркала от 1 до 2 кв. км – три пробы, отбираемые в верховьях, средней части и в низовьях водного объекта;

для водоемов с площадью водного зеркала от 2 до 20 кв. км – одна проба на 100 гектар водной глади;

для водоемов с площадью водного зеркала от 20 до 50 кв. км – одна проба на 250 гектар водной глади;

для водоемов с площадью водного зеркала от 50 до 100 кв. км и более – одна проба на 500 гектар водной глади.

На основании анализа динамики мультифрактальных показателей производится второе внесение альголизанта. После первого внесения альголизанта ведётся мониторинг экологического состояния водного объекта путем отбора проб воды с периодичностью от 10 до 20 дней.

Третье внесение альголизанта является корректирующим и производится на основании анализа динамики мультифрактальных показателей, сделанных на основе выборки из проб, проведенных после второго внесения. Коррекция дозы альголизанта производится на основе анализа отклика водной экосистемы. Обратная связь обеспечивается за счет анализа приближения-удаления состояния гидробиоценоза к устойчивому состоянию.

Отклик экосистемы на внешнее воздействие предлагается оценивать при помощи фрактальных параметров временных рядов основных загрязняющих веществ. Привлечение к анализу динамик гидробиологических показателей увеличивает чувствительность метода и повышает точность корректировки вносимой дозы альголизанта.

Применение фрактальных показателей техно-природных объектов в качестве исходных статистических данных имеет существенное значение, поскольку позволяет анализировать морфологию объекта в связи с изменением параметров внешней среды. Другими словами, оцениватся комплементарность гидробиоценоза и среды его обитания. В этом смысле фрактал является достаточно универсальным математическим инструментом описания структурной динамики развития гидробиоценоза, как совокупного действия детерминированных и хаотических процессов, случайные процессы в котором являются лишь частным случаем. Взаимная корреляция процессов в факторном пространстве состояний описывается фрактальным соотношением:

(1)

Где: H- постоянная Хёрста.

Известно, что соотношение (1) может быть использовано для установления направленности действующих процессов по характеру их корреляций: при значениях Н=0,5, С_Н=0 имеем случайные процессы с отсутствием корреляций. При значениях Н>0,5, С_Н<0 имеем персистентные (трендоустойчивые) детерминированные процессы, при значениях Н<0,5, С_Н<0 имеем антиперсистентные (знакопеременные) хаотические процессы. Необходимо отметить, что постоянная Хёрста, как и фрактальная размерность являются величинами, характеризующими структурную сложность временной динамики анализируемого параметра. Применять к анализу временных рядов постоянную Хёрста или фрактальную размерность можно только для серий наблюдений за динамикой параметра во времени.

Таким образом, проекция факторных нагрузок, определяемая корреляционным соотношением (1) задает систему фрактальных уравнений динамики по условиям толерантности экосистемы:

(2)

(3)

Где: предикаты функциональной целостности экосистемы в виде противоположно направленных векторов техногенного и ресурсного компонентов; – средневзвешенные (текущие) фрактальные показатели избыточности и дефицита факторов; – лимитирующие фрактальные показатели устойчивости (толерантности) экосистемы; D_o – фрактальный индекс устойчивости - динамического равновесия (гомеостаза) экосистемы.

Содержательно уравнения (2-3) определяют направленность развития гидробиоценоза по соотношениям фрактальных мер детерминированности и хаотичности составляющих компонентов и включают в себя подмодель типа “среда-объект”, (2) описывающего пространственно-временную динамику гидробиоценоза и подмодель типа “воздействие-отклик”, (3) описывающего пределы устойчивости (толерантности) экосистемы, т.е. ограничений стабильности его развития, Табл.1

Табл.1 – структура уравнения динамики по условиям толерантности экосистемы.

Уровние описания гидробиоценоза	Типы моделей
Функциональный	Совокупность моделей типа “среда-объект”, устанавливающих причинно-следственные связи, определяющие пространственно-временную динамику экосистемы
Логико-функциональный	Совокупность моделей типа “воздействие-отклик”, устанавливающие причинно-следственные связи, определяющие пределы стабильной динамики по условиям толерантности экосистемы.

В соотношении (2) модули векторов отображают уровни техногенной нагрузки и ее ресурсной компенсации, а направленности векторов определяют временной сдвиг (лаг) между действием техногенного и ресурсного компонентов. При этом характер сдвига имеет существенное значение и определяет качество компенсационных механизмов по контуру обратной связи.

То есть, сдвиг определяет, насколько сильно биоценоз коррелирован со средой своего существования – чем выше корреляция, тем качественнее действие компенсационных механизмов, и, наоборот, утрата связи со средой свидетельствует о полном отсутствии компенсации.

Уравнения (2-3) также объясняют морфологию динамических систем диссипативного типа, к которым относится биоценоз. В таких системах каждый акт структурного усложнения сопровождается ответной диссипативной реакцией, что объясняет постоянное чередование детерминированных и хаотических процессов, обеспечивающих ее функциональную целостность за счет фрактальности.

Фрактальность или масштабная инвариантность экосистемы обеспечивает возможность диссипации (локализации) техногенных субстанций вещества и энергии за счет развитости структуры экосистемы, выступающей в качестве каналов стока этих субстанций. Графическая иллюстрация динамической модели по условиям толерантности экосистемы (2-3) и ее компенсаторная схема с обратной связью показана на Фиг. 1.

Для осуществления анализа мультифрактальной динамики развития гидробиоценоза выбираются загрязняющие вещества, изменение концентраций которых наиболее существенно влияет на общую динамику. Выбор наиболее значимых загрязняющих веществ производится при помощи статистического программного обеспечения, основанного на алгоритмах статистического анализа с обширной библиотекой алгоритмов машинного обучения, например, SPSS Statistics.

Критерии управляемости развитием гидробиоценоза и выбор управляющих переменных задаются экологическим нормированием к показателям устойчивости биоценоза. Это необходимо для ответа на вопрос, нуждается ли гидробиоценоз в вынужденном восстановлении, или можно ограничиться стандартным регламентом проведения экологического мониторинга.

Для экологического нормирования к показателям устойчивости экосистемы проводят следующие процедуры:

считают среднее значение фрактальных показателей, формирующих тренд смещения в сторону избыточности факторов

(4)

вычисляют фрактальный индекс избыточности факторов,

(5)

считают среднее значение фрактальных показателей, формирующих тренд смещения в сторону недостаточности факторов

(6)

вычисляют фрактальный индекс недостаточности факторов

(7)

Анализ состояний экосистемы и выбор управляющих переменных по результатам экологического нормирования основывается на анализе расчётных данных табл.1, табл.2.

Таблица 2. Результат экологического нормирования.

Фрактальный индекс антропогенной преобразованности биоценоза	Уровень антропогенной преобразованности биоценоза
Фрактальный индекс избыточности фактора
<1	Низкий (нормативный)
1	Средний (предельно допустимый)
>1	Высокий (кризисный)
Фрактальный индекс недостаточности фактора
<1	Высокий (кризисный)
1	Средний (предельно допустимый)
>1	Низкий (нормативный)

Основным управляющим параметром предлагаемого метода является увеличение/снижение количества альголизанта при последующих внесениях. Расчет изменения количества альголизанта делается пропорционально степени отклонения от индекса устойчивости D₀.

Применение предложенного изобретения было осуществлено на базе гидрологической системы из трех водоемов: Верхнего Фермского пруда, Среднего Фермского пруда и Нижнего Фермского пруда.

Первое внесение альголизанта – суспензии микроводоросли хлорелла (штамм Chlorella vulgaris BIN с количеством 50-60 млн. живых клеток хлореллы на 1 мл) было осуществлено под лед Нижнего Фермского пруда в феврале 2019 года в количестве 60 л. Перед первым внесением альголизанта берутся пробы воды и производится анализ химического состава для последующего построения мультифрактальной математической модели.

В качестве контрольного водоема был взят Средний Фермский пруд, по водному питанию, глубине и размерам идентичный Нижнему Фермскому пруду. После внесения альголизанта проводился мониторинг водного объекта путем отбора проб воды для химического и гидробиологического анализа. С обоих прудов с периодичностью в две недели брались пробы воды с глубины 0,5 м.

Полученная статистика динамики изменения химического состава воды анализировалась при помощи статистического программного обеспечения, поддерживающего анализ данных при помощи метода главных компонент. При помощи метода главных компонент (PCA) с использованием статистического пакета SPSS осуществляется выбор загрязняющих веществ, несущих основную угрозу устойчивости экосистемы, из которых составлялась группа для анализа.

Далее расчеты производились на основе этой группы факторов. Если вес фактора положительный, то он отрицательно влияет на экологическую ситуацию. Если вес отрицательный, то фактор оказывает положительное или нейтральное влияние на экологическую ситуацию объекта, так как его рост ведет к снижению экологической нагрузки.

Методом главных компонент в процессе анализа проб воды Нижнего Фермского пруда были выбраны четыре главных показателей, влияющих на изменение экологического состояния: «Мутность», «Растворенный кислород», «Аммонийный азот» и «Нефтепродукты». Отрицательная величина показателя «Растворенный кислород» говорит о том, что чем выше его содержание, тем интенсивнее проходят процессы окисления органических и неорганических экотоксикантов, вследствие чего уровень антропогенной преобразованности экосистемы Нижнего Фермского пруда в течении альгоремедиации уменьшился и соответствует низкому (нормативному) уровню.

На основе положений мультифрактальной динамики для основных компонентов были вычислены фрактальные индексы избыточности, устойчивости и недостаточности. На основе величин индексов сделаны выводы о близости водной экосистемы к одному из трех пороговых состояний – угнетенности, устойчивости и кризиса. Для этого установлено соответствие расчетных индексов одному из классифицированных типовых сценариев развития экосистемы, Таблица 3

Таблица 3 - Типовые сценарии развития экосистемы

Типовые сценарии развития экосистемы
Наименование	Фазовый сдвиг уровней нагрузки	Вид фазовой диаграммы состояний	Характерные условия геоэкологических ландшафтов
Гомеостаз (экологический оптимум)			Охраняемые заказники, заповедники, уникальные природные комплексы с отсутствием источников техногенного воздействия.
Техно-природный баланс			Урбанизированные городские и техно-природные ландшафты, рекреационные зоны.
Неустойчивое равновесие с внешне средой			Нарушение технологических норм и правил застройки территорий; Изношенность производства, включая опасные производства; Нарушение технологий очистки или утилизации использованных ресурсов; Нарушение регламента хранения, контроля и транспортировки загрязняющих веществ.
Экологический кризис нестабильности (деградация)

Количество альголизанта, вносимого на 2 и 3 стадиях рассчитывалось в соответствии с динамикой содержания в воде загрязняющих веществ, наиболее влияющих на экологическое состояние водного объекта. А именно, если фрактальные индексы устойчивости меньше 0,15, то количество альголизанта или его концентрация могут быть снижены на 25%, а если меньше 0,1, то на 50%. Если индекс стагнации меньше 0,1, то необходимо комплексное решение по коррекции конкретного компонента (кроме альголизации). Если фрактальные индексы избыточности нагрузки меньше 0,15, то количество альголизанта или его концентрация должны быть повышены на 25%, а если меньше 0,1, то на 50%. На основе общего анализа ситуации принимается решение о дополнительных мерах альгоремедиации.

Третье внесение альголизанта являлось корректирующим и производилось в течение июля. Обратная связь по коррекции дозы альголизанта производилась на основе анализа отклика водной экосистемы. Обратная связь обеспечивалась за счет анализа приближения-удаления состояния экосистемы к устойчивому состоянию.

Например, по состоянию на сентябрь 2019 года экологическую ситуацию в Нижнем Фермском пруду можно оценить как благоприятную. Динамика изменений величин концентраций показателей стала более стабильной, что указывает на возросшую устойчивость экосистемы Нижнего Фермского пруда. В тоже время в воде Нижнего Фермского пруда существенно вырос такой важный показатель для аквакультуры как уровень растворенного кислорода, превышение которого на сентябрь составило 20 %.

Исходя из того, что фрактальный индекс избыточности факторов загрязнений Нижнего Фермского пруда приблизительно на 20 % меньше равновесного значения, то мощность воздействия на гидробиоценоз – объем вносимого альголизанта – можно сократить на эту величину, что и было сделано при третьем внесении.

Эффективное управление параметрами гидробиоценоза Нижнего Фермского пруда путем определения оптимального количества альголизанта было подтверждено при сравнении динамикой показателей экосистемы Среднего Фермского пруда.

В конце сезона сделан общий анализ временных рядов загрязнений и выводы об успешности альгоремедиации и о дальнейших действиях.

Предложенный способ даёт научно-практический аппарат и метод расчёта необходимого для конкретного объекта количества суспензии планктонного штамма хлореллы для достижения оптимального результата по снижению концентраций загрязняющих веществ в водных объектах, доведению их до нормы за один сезон и восстановлению экологического равновесия водного объекта. Тем самым, повышается эффективность альгоремедиации водных объектов с помощью вносимого альголизанта.

1. Способ управления альгоремедиацией водных объектов, предусматривающий естественную очистку водного объекта путем реабилитации гидробиоценоза с поэтапно вносимым альголизантом, отличающийся тем, что перед первым внесением альголизанта проводят анализ химического состава воды, после первого внесения альголизанта периодически проводят мониторинг водного объекта путем отбора проб воды для химического анализа, в процессе анализа определяют факторы загрязнений, среди которых осуществляют выбор наиболее значимых загрязняющих веществ с помощью метода главных компонент (PCA) с использованием статистического пакета SPSS и проводят анализ состояний экосистемы водного объекта на основе положений мультифрактальной динамики гидробиологических показателей, при котором для наиболее значимых факторов загрязнений вычисляются фрактальные индексы избыточности (), устойчивости (D₀) и недостаточности (), причем расчет изменения количества альголизанта, вносимого на последующих стадиях культивирования, производят пропорционально степени отклонения от индекса устойчивости D₀.

2. Способ управления альгоремедиацией по п. 1, отличающийся тем, что первое внесение осуществляют при достижении температуры воды от 2 до 6 ° С.

3. Способ управления альгоремедиацией по п. 1, отличающийся тем, что в качестве альголизанта использована, по меньшей мере, одна культура микроводорослей.

4. Способ управления альгоремедиацией по п. 3, отличающийся тем, что в качестве культуры микроводорослей используют планктонный штамм Chlorella vulgaris BIN.

5. Способ управления альгоремедиацией по п. 1, отличающийся тем, что мониторинг водного объекта включает гидробиологический анализ проб воды.

6. Способ управления альгоремедиацией по п. 1 или 5, отличающийся тем, что периодичность проведения мониторинга составляет от 10 до 20 дней.

7. Способ управления альгоремедиацией по п. 1 или 6, отличающийся тем, что для водоемов с площадью водного зеркала, превышающей 2 км², мониторинг водного объекта осуществляют на основе выборки из не менее пяти проб воды при расчете 1 проба на 50 га.