Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ОЦЕНКИ ТРОФНОСТИ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ

Предлагаемое изобретение относится к области экологии и может быть использовано для мониторинга состояния водных объектов.

По экологическому состоянию водоемы классифицируют на дистрофные, олиготрофные и эвтрофные. Между ними выделяют промежуточные состояния - ультраолиготрофное, мезотрофное, гиперэвтрофное и другие. В водных экосистемах самую важную роль играет фитопланктон, поскольку является поставщиком первичной продукции. При действии различных экологических факторов, включая антропогенные, на водные экосистемы в первую очередь изменяются концентрация и фотосинтетическая активность клеток фитопланктона, в частности количественное содержание в его клетках хлорофилла a, быстро отражающего реакцию растительных клеток на внешнее воздействие. Эти изменения приводят к изменениям во всех звеньях экосистемы. Из этого следует, что регистрация характеристик фитопланктона может быть использована для оценки состояния водной среды в целом. Наличие и количество пигментов, в частности хлорофилла а, его концентрация служит показателем состояния фитопланктона и позволяет судить о трофности водного объекта.

Известен способ определения хлорофилла a, [ГОСТ 17.1.04.02-90. Методика спектрофотометрического определения хлорофилла a. М.: Издательство стандартов, 1990. 15 с.].

Способ основан на отборе проб из исследуемого водного объекта (BO), осаждении клеток фитопланктона на мембранном фильтре (d=0,45 мкм), покрытом суспензией Mg₂CO₃, с последующей экстракцией хлорофилла а 90%-ацетоном. Методика предназначена для определения содержания хлорофилла a фитопланктона в пробах морских и поверхностных вод суши. Также допускается использовать данную методику для определения хлорофилла a микрофитобентоса и микрофлоры льда. Результаты определений по данному стандарту могут быть использованы для калибровки непрямых методов оценки содержания хлорофилла a, в том числе и при космическом зондировании состояния водных объектов, а также при регистрации роста водорослей в биохимических экспериментах.

Оптическую плотность экстракта измеряют на спектрофотометре.

Концентрацию хлорофилла a, в пробе, мкг/дм³, вычисляют по формуле:

где D₆₃₀, D₆₄₇, D₆₆₄, D₇₅₀ - оптические плотности экстракта на длинах волн 630, 647, 664 и 750 нм.

V_экс - объем экстракта в см³, V_пр - объем пробы в дм³, - длина кюветы в см.

За рубежом концентрации хлорофилла a, b, c и d вычисляют с помощью алгоритмов, модифицированных в последние годы: Ritchie (2008) [Ritchie R.J. Universal chlorophyll equations for estimating chlorophylls a, b, c and d and total chlorophylls in natural assemblages of photosynthetic organisms using acetone, methanol, or ethanol solvents. // Photosynthetica. 2008, 46, №1, P. 115-126 doi:10.1007/s11099-008-0019-7].

Концентрацию хлорофилла a, в пробе, мкг/дм³, вычисляют по формуле:

где D₆₃₀, D₆₄₇, D₆₆₄, D₆₉₁, D₇₅₀ - оптические плотности экстракта на длинах волн 630, 647, 664, 691 и 750 нм.

V_экс - объем экстракта в см³, V_пр - объем пробы в дм³, - длина кюветы в см.

Известные способы просты со стороны аналитического определения показателя, но трудоемки, т.к. требуют значительных затрат времени и средств на отбор проб, пробоподготовку, хранения препаратов в определенных условиях и доставку в лабораторию.

Использование в качестве показателя трофности концентрации хлорофилла а фитопланктона в мкг/дм³, вошло в номенклатурную шкалу трофности [Оксиюк О.П., Жукинский В.Н., Брагинский Л.П., Линник П.Н., Кузьменко М.И., Кленус В.Г. Комплексная экологическая классификация поверхностных вод суши. // Гидробиологический журнал, 1993. Т. 29. №4. С. 62-76]. При значении показателя менее 5 водоемов считают олиготрофным, при значении показателя от 5 до 10 включительно - олиготрофно-мезотрофным, при значении от 11 до 15 включительно - мезотрофным, при значении от 16 до 20 включительно - мезотрофно-эвтрофным, при значении от 21 до 40 включительно - эвтрофным, при значении от 41 до 75 включительно - эвтрофно-полиэвтрофным, при значении от 76 до 150 включительно - полиэвтрофным, при значении более 150 - гиперэвтрофным.

Такую шкалу трофности до настоящего времени успешно используют для качественных оценок состояния водных объектов. Недостаток этого подхода заключается в необходимости проведения значительных по объему работ по отбору проб, их сохранению до аналитического определения, а также в неконтролируемой репрезентативности пробы воды по отношению к исследуемому водному объекту.

Известны способы оценки трофности и токсичности вод по пигментному составу фитопланктона, быстро отражающего реакцию фитопланктона на внешнее воздействие.

Например, в способе определения токсичности воды (А.С. СССР №1405745 МКИ А01К 61/00, G01N 33/18) (7) контролируют изменение интенсивности выхода пигментов в среду под действием токсических соединений, где в качестве пигментсодержащего тест-объекта используют морские красные водоросли рода Callithamnion.

Известны способы оценки состояния водного объекта, основанные на сравнении флуоресцентных характеристик микроводорослей, концентрация хлорофилла которых изменяется при появлении в их окружении химических соединений. Например, в способе определения содержания фитотоксических веществ (Патент РФ №2069851 МКИ G01N 21/64, G01N 33/00) (11) хлореллу помещают в не содержащие токсиканта контрольные пробы и пробы с токсикантами облучают обе пробы, регистрируют флуоресценцию обоих проб и сравнивают обе характеристики.

Недостатками известных способов являются длительность анализа, необходимость проведения их в лабораторных условиях, наличие набора специальных приборов и оборудования. Кроме того, известные способы относятся к «контактным» методам, недостатком которых является неопределенная репрезентативность отобранной из водного объекта пробе воды по отношению даже к ограниченному по размерам объему водной экосистемы.

Известны способы оперативной оценки состояния водного объекта, в которых измерения проводят дистанционно, автоматически рассчитывают результаты, по данным которых получают оценку.

Например, известен способ, дающий возможность дистанционно определить распределение диатомовых микроводорослей в Мировом океане на открытых океанических участках мирового океана, глубина которых больше 200 метров (Gregg W.W., Casey N.W. Modeling coccolithophores in the global oceans // Deep-Sea Research II. 2007. V. 54. P. 447-477). Способ осуществляют путем ассимиляции данных в выбранном районе, полученных дистанционно со спутников, и таких же судовых экспериментальных данных по поверхностной температуре, скорости, направлению ветра и других гидрометеорологических параметров. По этим параметрам, а также по содержанию биогенных элементов, в том числе по содержанию кремния в водорослях, оценивают концентрацию общей биомассы диатомовых микроводорослей, по величине которой осуществляют мониторинг распределения диатомовых микроводорослей.

Способы дистанционной спектрометрии водных экосистем, использующих информацию космических систем, имеют как свои преимущества (обзорность), так и недостатки. Во-первых, пространственное разрешение аппаратуры большинства современных космических систем недостаточно для исследования относительно «небольших» водных объектов, к которым относятся поверхностные водные объекты. Во-вторых, спектральное разрешение современных космических систем широкого доступа недостаточно для решения многих специфичных для поверхностных водных объектов задач. Кроме того, атмосферная коррекция может приводить к существенным неточностям при интерпретации получаемой информации.

Известен способ мониторинга распределения диатомовых микроводорослей в Японском море (Патент РФ №2460770, МПК C12N 1/12, опубл. 10.09.2012), который включает определение в исследуемом районе дистанционным методом концентраций общей взвеси и хлорофилла а, вычисление хлорофилльного индекса и последующий мониторинг распределения диатомовых микроводорослей в Японском море по величине хлорофилльного индекса. При этом, чем больше хлорофилльный индекс, тем меньше доля диатомовых относительно общей биомассы микроводорослей. Недостатком способа является ограниченность применения, т.к. его используют для сбора информации о распределении диатомовых микроводорослей в Мировом океане, закрытых экосистемах, как, например, Японское море, где водная среда относится к 1-му типу (прозрачная, малопродуктивная).

В поверхностных водах, которые относятся к водам 2-го типа (мутным, продуктивным), фитопланктон имеет иной, значительно более сложный состав, где превалируют зеленые и сине-зеленые водоросли, концентрация которых в отдельные фазы развития экосистемы может в 100 раз превышать концентрацию диатомовых водорослей. Алгоритм определения концентрации хлорофилла в водах обоих типов принципиально различны: в водах 1-го типа используется «синяя» область спектра, где существенно влияние различных органических веществ на регистрируемый оптический сигнал.

Наиболее близким к заявляемому является способ определения экологического состояния пресноводных водоемов (патент РФ №2050128, МПК A01K 61/00, G01N 33/18), с помощью которого можно осуществлять (проводить) контроль поверхностных вод второго типа. Способ заключается в том, что в водоеме устанавливают датчики кислорода и pH, регистрируют активную реакцию среды pH, содержание кислорода (O₂), в качестве критерия трофности рассчитывают показатель трофности (ПТ) и определяют экологическое состояние водоема по значению критерия. При значении показателя менее 5,7 водоем считают дистрофным, при значении показателя больше 5,7, но меньше 7,0 - ультраолиготрофным, при значении 7,0 - олиготрофным, от значения более 7,0, но меньше 8,3 - мезотрофным, а при значении показателя, большем либо равном 8,3 - эвтрофным.

Известный способ достаточно трудоемок, т.к. требует установки датчиков в водоеме и постоянного их обслуживания. Кроме того, способ является контактным, недостатком которого является неконтролируемая объективность оценки трофности, которая зависит от места расположения датчика в водоеме. Кроме того, датчики оказывают возмущающее воздействие на экосистему водного объекта.

Задачей изобретения является разработка нового, высокоэффективного и в то же время сравнительно простого способа дистанционного бесконтактного мониторинга водной среды.

Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является уменьшение трудоемкости, увеличение оперативности и объективности получения информации о состоянии водного объекта.

Согласно изобретению поставленная задача и требуемый технический результат достигаются тем, что в качестве критерия трофности выбирают форму спектра коэффициентов спектральной яркости (КСЯ) восходящего от воды излучения, в диапазоне длин волн видимого спектра 420-750 нм, которые в зависимости от формы спектра разделяют на шесть категорий. По ним строят спектрометрическую шкалу трофности BO. При этом КСЯ первой категории с соотношением: ρ560> ρ620> ρ645> ρ675> ρ700> ρ740 характеризует олиготрофный BO, второй категории с соотношением: ρ560> ρ620> ρ645> ρ675 = ρ700> ρ740 характеризует мезотрофный BO, третьей категории с соотношением: ρ560> ρ620 ≈ ρ645> ρ675< ρ700> ρ740 характеризует мезотрофно-эвтрофной BO, четвертой категории с соотношением: ρ560> ρ620< ρ645> ρ675< ρ700> ρ740 характеризует эвтрофной BO, пятой категории с соотношением: ρ560> ρ620< ρ645> ρ675< ρ700> ρ740 характеризует полиэвтрофный BO, шестой категории с соотношением: ρ560> ρ620< ρ645> ρ675< ρ700> ρ740 характеризует гиперэвтрофный BO, а оценку экологического состояния водного объекта проводят по дистанционно измеряемым оптическим показателям с использованием спектрометра, путем регистрации спектра яркости восходящего от воды излучения, после чего рассчитывают КСЯ, определяют его форму и по спектрометрической шкале оценивают трофность водного объекта.

Существенным отличием заявленного изобретения является новый способ оценки трофности (трофического статуса) водного объекта (BO) по спектрам коэффициентов спектральной яркости восходящего от воды излучения, измеренным дистанционно и неконтактно.

Другим существенным отличием является использование всего непрерывного спектра в видимом диапазоне длин волн в пределах 420-750 нм, что позволяет регистрировать любые, даже незначительные, изменения соотношения всех пигментов клеток фитопланктона, ответственных за процесс фотосинтеза водной экосистемы BO.

Еще одно существенное отличие характеризуется тем, что после регистрации спектра яркости восходящего от воды излучения, рассчитывают спектры КСЯ, разделяют их по неформальным признакам на 6 категорий, и по спектрометрической шкале категорий оценивают трофность BO.

Таким образом, за счет новых отличительных признаков в совокупности обеспечивается оперативность, объективность и информативность способа при уменьшении трудоемкости.

В патентной и технической литературе отсутствуют сведения о предложенном способе оценки экологического состояния (трофического статуса) BO, в связи с чем этот способ обладает элементами существенной новизны, а также изобретательским уровнем.

Способ осуществляют следующим образом

Основной измеряемый дистанционно показатель, по которому оценивают параметры исследуемого объекта - яркость восходящего от воды излучения. Спектры яркости восходящего от воды излучения зависят от концентрации видимых компонентов, присутствующих в воде. Ассимиляция солнечной энергии происходит не непосредственно хлорофиллом a, но, на первоначальном этапе, осуществляется сопровождающими его пигментами фитопланктона: хлорофиллами b, c, d или фикобилинами. Эти «вспомогательные» пигменты непосредственно ассимилируют солнечную энергию и лишь затем передают ее хлорофиллу a. Так как на величину спектра яркости сильно влияют и погодные условия и освещенность, то в качестве основной измеряемой величины выбран коэффициент спектральной яркости (КСЯ), ρ_λ, равный отношению яркости изучаемого BO к яркости так же освещенного идеального рассеивателя, где λ - длина волны, на которой измеряют КСЯ.

При дистанционной съемке водных объектов КСЯ вычисляют как отношение яркости восходящего от воды излучения к яркости эталона (ортотропно рассеивающей белой пластины), расположенного над водной поверхностью.

Спектральные распределения яркости и КСЯ получают портативным (вес 0,76 кг) малогабаритным (129×78×53 мм³) спектрометром S41, производства фирмы «SolarLS». Спектральный диапазон прибора - 389-808 нм, спектральное разрешение 1,8 нм. Спектральное разрешение менее 2 нм позволяет регистрировать любые, даже незначительные, изменения соотношения всех пигментов клеток фитопланктона, ответственных за процесс фотосинтеза водной экосистемы BO.

Время получения одного спектра восходящего излучения составляет от 1 до 6 секунд, в зависимости от погодных условий (условий освещенности BO). Прилагаемое к спектрометру S41 программное обеспечение позволяет в реальном времени (в течение нескольких минут) получить из спектров яркости восходящего от воды излучения - КСЯ и, соответственно, непосредственно в процессе съемки получать информацию обо всех особенностях «тонкой» спектральной структуры изучаемой экосистемы.

Для получения достоверных спектров, не подверженных влиянию бликов от поверхности и отраженных облаков, каждый объект снимают 3-5 раз, проводят три-четыре серии таких измерений для каждого изучаемого объекта, которые затем обрабатывают.

Диапазон спектра, реально используемый при исследовании водных объектов - от 420 до 750 нм.

Спектры КСЯ, использованные для классификации, получали с 2008 г. по 2014 г. в период «открытой воды» с временным промежутком около 15 суток. Всего в обработку включено около 250 КСЯ, полученных на p. Дон с мостовых переходов, а также иных сооружений, включая плавательные средства, на протоках в устье p. Дон и Цимлянском водохранилище. С учетом того, что каждый спектр регистрировали не менее 5-7 раз, всего в обработку включено около 1000 КСЯ.

По своей форме спектры КСЯ восходящего от воды излучения продуктивных водных экосистем, к которым относится и экосистема p. Дон, включая Цимлянское водохранилище и протоки реки в устье, заметно отличаются в течение весеннее-осеннего сезона. Без учета деталей изменения их можно охарактеризовать изменением соотношения КСЯ в семи спектральных интервалах шириной около 15 нм с максимумами (или минимумами) на длинах волн вблизи 450, 560, 620, 645, 675, 700 и 740 нм. Выделено 6 типичных по форме спектров КСЯ - шесть категорий. Соотношение КСЯ категорий на указанных длинах волн представлено в таблице 1.

Весь массив собранных КСЯ разделен на группы, не равноценные по количеству КСЯ в каждой из групп. Для дальнейшего сравнения с опубликованными в литературе данными по концентрации хлорофилла a параллельно с измерением каждого спектра КСЯ отбирали пробы воды и проводили стандартное аналитическое определение. При описании результатов классификации с целью дальнейшего сравнения указаны эти значения Схл для каждой из групп.

На фиг. 1 представлены усредненные спектры КСЯ шести категорий. В первую категорию попадают спектры относительно чистой воды. В спектрах нет выраженных особенностей, хотя незначительные перегибы с длинноволновой стороны главного максимума указывают на то, что в спектрах появляются «селективные особенности», обусловленные наличием в экосистеме минимального количества фитопланктона. Кроме того, о присутствии в экосистеме взвешенного минерального вещества в количестве более 0,1-0,2 мг/дм³ говорит и положение главного максимума на длине волны около 560 нм. Максимум КСЯ «очень чистой воды», например озера Байкал, находится на длине волны около 520 нм и смещается в длинноволновую сторону при появлении незначительного количества минеральных взвешенных веществ. Относительно резкий максимум КСЯ на длине волны 560 нм указывает именно на минимальное количество минеральных взвешенных веществ, Схл=2,1 мкг/дм³. Водные объекты, в которых зарегистрированы КСЯ такой формы, относят к олиготрофным.

Спектры КСЯ второй категории отличаются от первого лишь менее острой формой главного максимума, что говорит о присутствии в экосистеме большего (по сравнению с первой категорией) количества минеральных взвешенных веществ. Спектральная особенность этой категории - величины КСЯ на 675 нм и 700 нм равны - образуется характерное «плечо» в красной области спектра. Для этой категории среднее значение концентрации хлорофилла a, Схл=6,8 мкг/дм³. Экосистема из олиготрофной переходит в мезотрофную.

В спектрах третьей категории появляется «красный» максимум на длине волны около 690 нм. Еще менее острый, чем у категории II главный максимум указывает на дополнительное увеличение концентрации минеральных взвешенных веществ. У этой категории уже несколько спектральных особенностей: на длинах волн 620 и 645 нм значения КСЯ равны, а на длине волны 675 нм значение КСЯ меньше, чем на 700 нм, Схл=11,0 мкг/дм³, что говорит о переходе ВО в мезотрофно-эвтрофное состояние.

В спектрах четвертой категории начинают проявляться две спектральных особенности: «наплыв» в области около 450 нм указывает на появление в экосистеме каротиноидов. Минимум в «оранжевой» области, на длине волны около 645 нм, свидетельствует о появлении в составе фитопланктона синезеленых водорослей и, конкретно, о появлении в клетках водорослей фикоцианина с характерным максимумом поглощения в этой области спектра; типичная отличительная особенность этой категории - равенство КСЯ на 645 и 700 нм. Схл=44,0 мкг/дм³. Это уже экосистема эвтрофного BO, в котором начинается цветение синезеленых водорослей.

Спектр пятой категории по форме похож на спектр IV-й категории, усиливаются лишь процессы, связанные с проявлением каротиноидов и фикоцианина. При этом главный максимум становится более резким и узким, что, как отмечено выше, говорит об уменьшении количества минеральной взвеси. Красный максимум смещается до 703 нм. Значительно увеличивается концентрация фитопланктона до Схл=51,3 мкг/дм³ - BO переходит в гиперэвтрофное состояние.

Спектральные особенности шестой категории практически те же, что и у пятой. В спектрах этой категории математическая запись проявляется в виде двух неравенств: минимум КСЯ на 675 нм меньше, чем в ближней инфракрасной области на длине волны 740 нм, или даже в предельном случае - исчезновение максимума КСЯ на 700 нм, за счет того, что ρ₇₄₀>>ρ₇₀₀. В этой категории отмечена особенность, характерная для гиперэвтрофных BO с концентрацией хлорофилла a фитопланктона до 100 мкг/дм³ и более. При таких концентрациях фитопланктона происходит его скопление на поверхности BO, и экосистема покрывается своеобразным ковром из его клеток. Поглощение восходящего от воды излучения существенно уменьшается. В отдельных случаях поглощения водой практически не происходит. При таких концентрациях фитопланктона часто регистрируют спектры, характерные для зеленого растительного покрова, например ветлендов, сильно заросших рогозом или же даже в предельном случае - кроны деревьев.

Многолетние дистанционные спектрометрические съемки экосистемы p. Дон, включая Цимлянское водохранилище и проток в устье, имеющих меньший по сравнению с основным руслом p. Дон водообмен, показали значительное изменение формы спектров КСЯ при изменении концентрации хлорофилла a. Таким образом, построение шкалы трофности BO, в основу которой положена изменяющаяся форма спектров КСЯ, причем эти изменения описываются в виде строгих математических выражений, является обоснованной.

Корректность предложенного способа подтверждается данными по определению концентрации хлорофилла a фитопланктона в отобранных синхронно с проведением спектрометрической съемки пробах воды. Концентрацию определяли по стандартному аналитическому методу, приведенному в заявке [ГОСТ 17.1.04.02-90. Методика спектрофотометрического определения хлорофилла a. М.: Издательство стандартов, 1990. 15 с.]. В таблице 2, столбцы 4 и 5, приведены полученные предлагаемым способом данные по концентрации хлорофилла а, соответствующие категориям КСЯ. В столбце 3 приведены данные из работы [Оксиюк О.П., Жукинский В.Н., Брагинский Л.П., Линник П.Н., Кузьменко М.И., Кленус В.Г. Комплексная экологическая классификация поверхностных вод суши. // Гидробиологический журнал, 1993. Т. 29. №4. С. 62-76], где концентрацию хлорофилла а определяли тем же стандартным аналитическим методом. [ГОСТ 17.1.04.02-90. Методика спектрофотометрического определения хлорофилла а. М.: Издательство стандартов, 1990. 15 с.].

где О - олиготрофный, ОМ - мезотрофный, М - мезотрофный Э - эвтрофный, ЭП - эвтрофно-полиэвтрофный, ГЭ - гиперэвтрофный.

Из таблицы 2 видно, что данные, полученные предлагаемым способом, близки к данным, полученным известным способом.

Предложенный способ может быть эффективно использован для решения задач классификации водных объектов по состоянию их экосистемы. Кроме того, этот способ может быть использован для оценки концентрации хлорофилла а фитопланктона непосредственно при проведении обследования водных объектов в реальном времени без отбора проб и лабораторных определений.