Очищение реки Волги от сине-зеленых водорослей

XXII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Личный портфель

Очищение реки Волги от сине-зеленых водорослей

Катяков П.К. 1
1МБОУ "СОШ №47" г.Чебоксары
Селиванова Т.Н. 1
1МБОУ "СОШ №47" г.Чебоксары
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Диплом школьникаСвидетельство руководителя
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

ВВЕДЕНИЕ

Волга - одна из самых великих рек Российской Федерации. На её берегах расположено более 60 городов, в которых проживает более 60 млн человек – это более трети населения страны.

Наш любимый город Чебоксары также располагается на берегу реки Волги. И каждое лето мы наблюдаем печальную картину, вода в Волге кардинально меняет свой цвет: от тёмно-синего до изумрудно-зеленого. Вода покрывается сине-зелёными водорослями (научное название – цианобактерии). И эти водоросли не так безобидны: они вызывают гибель рыб и птиц, воздействуют на самочувствие человека (могут вызвать аллергические реакции, раздражаются слизистые носа, глаз). Меня взволновала эта проблема и я решил в ней разобраться. Так появилась тема моего исследования «Очищение реки Волги от сине-зелёных водорослей».

Актуальность исследования: Волга – занимает особое место в жизни страны, она снабжает водными ресурсами её европейскую часть. Но человеческая деятельность ухудшает качество вод, численность живых организмов сокращается. Важно сохранить её могущество для наших потомков.

Целью исследования является поиск методов очистки реки от сине-зелёных водорослей.

Задачи:

  1. изучить и проанализировать научную информацию по теме, проконсультироваться со специалистами;

  2. выявить причины изменения экологического состояния реки;

  3. узнать процентное содержание водорослей в воде;

  4. провести опыты, которые покажут, как появляются, размножаются и отмирают сине-зелёные водоросли;

  5. предложить методы очистки воды от сине-зелёных водорослей, провести наглядные опыты и подсчитать стоимость выполнения работ по очистке реки на примере Чебоксарского водохранилища;

  6. узнать какие меры предпринимаются государством по оздоровлению реки Волги.

Объектом исследования является река Волга.

Предмет исследования: сине-зелёные водоросли (научное название -цианобактерии).

Практическая значимость: результаты исследований могут быть использованы для улучшения экологического состояния реки и обеспечения нормального функционирования реки Волги.

Гипотеза исследования: предполагается, что очищение реки Волги от сине-зелёных водорослей возможно.

Методы исследования: изучение научных исследований и публикаций, проведение опытов по очистке воды от сине-зелёных водорослей.

  1. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

2.1 Изучение информации, консультация со специалистом

В прошлом учебном году мы проводили исследование «Рыбное население Чебоксарского водохранилища», где выяснил, что за прошедшие 42 года, с момента образования Чебоксарского водохранилища, видовое разнообразие рыбного населения значительно снизилось, что крупных и ценных видов рыб стало гораздо меньше. И сделали вывод, что это произошло из-за изменения биологического режима места обитания рыб: изменения кормовой базы, загрязнения воды, нехватки кислорода, заиливания дна.

Экологическое равновесие нарушается в том числе из-за сине-зелёных водорослей, которые быстро и неконтролируемо размножаются.

Для того, чтобы узнать что из себя представляют сине-зеленые водоросли, благодаря чему они размножаются, какой вред они наносят живым организмам, какие нормы содержания химических веществ в воде существуют, какие нормативные документы действуют в нашей стране, как проводят лабораторные испытания мы посетили испытательный лабораторный центр ФБУЗ «Центр гигиены и эпидемиологии в Чувашской Республике - Чувашия» (приложение 1).

На наши вопросы ответила врач-лаборант Яковлева Татьяна Николаевна. Она также показала нам лабораторное оборудование и рассказала о методах изучения качества воды.

Яковлева Т.Н. рассказала, что сине-зеленые водоросли (цианобактерии) – это крупные бактерии, которые могут располагаться по одной, группами либо в виде нитей. Их особенность – способность осуществлять настоящий фотосинтез (на свету выделять кислород в водную среду). Сами водоросли можно распознать по таким признакам: до начала активного размножения они имеют вид маленьких пятнышек на воде желтого или зеленого цвета. Чем выше концентрация цианобактерий, тем мутнее и гуще вода. Цвет ее может быть желтым, коричневым или зеленым. Часто на поверхности имеется пленка ядовитого салатового цвета, отличающаяся тошнотворным запахом, которая препятствует проникновению солнечного света в глубинные слои водоема, угнетая другие водные растения. Также водоросли употребляют большое количество кислорода, необходимый рыбам и растениям. После начала разложения водорослей вода тускнеет и становится серо-коричневой. Отмершие водоросли попадают на дно, увеличивают содержание фосфора, азота и создают идеальную среду для собственного самовоспроизведения.

Основными фактами разрастания сине-зеленых водорослей является: отсутствие течения, большое количество солнечных дней для фотосинтеза, хорошая прогреваемость воды (когда температура воды прогревается до +18о С), содержание большого количества фосфатов (значительно больше 1 мл/л), азота, изменение щелочного значения pH. Источником питательных веществ для цианобактерий являются неочищенные или плохо очищенные канализационные сточные воды. Так, фосфор в огромных количествах содержится в моющих средствах, а азот попадает вместе с продуктами жизнедеятельности людей, пищевым мусором, навозом, отходами производств, удобрениями, которые используются на посевных полях.

Опасность их активного появления - в том, что эти растения выделяют до 300 видов органических веществ, большая часть из которых ядовита [1]. Они буквально отравляют воду, делая ее непригодной ни для чего – ни для питья, ни для купания. Приводят к затруднениям в техническом и питьевом водоснабжении, создают помехи нормальной работе гидротехнических сооружений.

Безопасные нормы концентрации химических веществ можно посмотреть в СанПиН 1.2.3685-21 «Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов среды обитания» и в нормативах для рыбохозяйственного водопользования (Приказ Минсельхоза № 552 от 13.12.2016 г.).

2.2 Изучение развития сине-зеленых водорослей

Для того, чтобы понять примерное содержание цианобактерий в реке Волга в летнее время мы стали наблюдать за определенном прибрежным участком на территории Московской набережной г. Чебоксары (56.15349 с.ш. 47.25014 в.д.). Вода в этом месте имеет слабое течение. Наблюдение проходило как в 2022 году во время проведения прошлой исследовательской работы, так и 2023 году.

Как видно из графика, в 2022 году цианобактерии появились раньше по сравнению с 2023 годом. Более раннему массовому развитию цианобактерий способствовали высокие температуры воздуха и воды в июле и в августе 2022 года. Температура воды и воздуха в июне, июле 2023 года были значительно ниже.

Во время массового роста цианобактерий в 2022 и 20223 годах поверхность воды стала ярко-зеленой, имела неприятный запах. Проводить время около берега Волги было не комфортно. По сообщениям средств массовой информации за эти периоды погибло много рыб.

Вывод: скорость разрастания цианобактерий быстрее при высоких температурах. Также мы провели два опыта, которые наглядно показали, как появляются и отмирают цианобактерии.

Опыт №1.

Цель: узнать за какое время могут появиться водоросли в чистой воде и воде, которой содержится фосфор, азот, поверхностно-активные вещества (ПАВ).

Начало проведения опыта 3 июля 2023г. Мы взяли две ёмкости объемом 6л. В одну мы поместили воду из колодца (56.063507 с.ш., 47.323604 в.д.) (ёмкость №1), в другую – воду из колодца с добавлением 10г удобрения, содержащего фосфор и азот, и 5мл средства для мытья посуды, с содержанием ПАВ (ёмкость №2). Ёмкости были установлены в хорошо освещенном месте. Температура воздуха за время исследования менялась от +150С до +360С.

На протяжении всего наблюдения вода в ёмкости №2 была мутной, в ёмкости №1- прозрачной. В ёмкости №2 выпал светлый осадок, толщиной примерно 2-3мм. В ёмкости №2 количество погибших насекомых в десятки раз больше, чем в ёмкости №1.

Водоросли начали появляться 20 июля в ёмкости №1, но другого типа - нитевидные. В ёмкости №2 водоросли не появились. Мы предположили, что добавленная нами концентрация удобрения и ПАВ была настолько большой, что жизнь животных и растений в ёмкости №2 невозможна. Чтобы подтвердить наше предположение, мы добавили некоторое количество сине-зелёных водорослей. 22 июля мы заметили, что водоросли погибли.

Наша цель не была достигнута в полном объёме.

Вывод: вода, содержащая большое количество фосфора, азота, ПАВ не пригодна для человека, животных, растений. Необходимо тщательно относиться к очищению сточных вод. Не допускать больших концентраций химических веществ в водоёмах.

Опыт №2.

Цель: узнать, как живут и отмирают сине-зелёные водоросли.

22 июля 2023г. мы набрали воду из р. Волга на Московской набережной (56.15349 с.ш. 47.25014 в.д.). И сразу заметили, что сине-зелёные водоросли расположились в верхней части сосудов и предположили, что при высоких температурах (температура воздуха в этот день составляла +260С) водоросли находятся в верхних толщах воды. Затем поместили воду в ёмкость и оставили в хорошо освещенном месте. 26 июля мы заметили, что цианобактерии опустились на дно ёмкости плотным слоев и приобрели зелёно-коричневый окрас. Температура воздуха опускалась за время наблюдения до +140С. На дне ёмкости наблюдалось множество пузырьков. Вывод: цианобактерии отмирая, оседают на дне и разлагаясь поглощают кислород. В природе это создает бескислородные, «мёртвые» участки дна, что приводит к замору рыбы и загрязнению водоёмов.

2.3 Методы очистки от сине-зелёных водорослей

Опыт №3.

Цель: очистить воду механическим способом.

Для проведения механической очистки мы использовали кусок медицинской марли, вату и пластиковую бутылку. С помощью марли и ваты собрали простейший фильтр и уложили в разрезанную пополам пластиковую бутылку. Загрязненную сине-зелёными водорослями воду из р. Волга начали пропускать через фильтр небольшими объемами. Эффект виден сразу: вода стала чистой.

Вывод: очищение воды механическим способом возможно и результат сразу заметен.

Конечно, в масштабах р. Волга ватно-марлевый фильтр использоваться не может. Для очищения водоема необходимо использовать судно с технологическим оборудованием [2]. Но одним судном решить проблему невозможно, нужен мини флот, который будет собирать водоросли.

Мы подсчитали примерную стоимость проведения работ в Чебоксарском водохранилище. По официальным данным объём воды в Чебоксарском водохранилище составляет 13,85 км3. Численность водорослей составляет 70 млн клеток или 10г на 1 м3 воды. Масса водорослей таким образом составляет 130 850 тонн. Чтобы очистить такой объём биомассы надо сделать примерно 2 600 рейсов. 1 судно (грузоподъемность 50 тонн), совершая 3 рейса в день, за месяц очистит 50 тонн х 3 рейса х 22 рабочих дня =3 300 тонн. Для сбора 130 850 тонн водорослей понадобиться 130 850 тонн / 3 300 тонн =40 судов.

Стоимость 1 судна с технологическим оборудованием составляет примерно 15 млн. руб., 40 судов – 600 млн.руб. Также необходимо добавить стоимость топлива, зарплату рабочих, подготовить места хранения, технику для переработки водорослей. Итоговая стоимость работ будет составлять 12-15 млрд. руб.

Плюсы механического способа: быстрая эффективность и окупаемость, так как цианобактерии можно перерабатывать в удобрения (в них много азота) и получение биогаза (вырабатывают метан в процессе загнивания). Судна можно использовать для перевозки грузов.

Минусы: можно использовать только 1-1,5 месяца в год.

Опыт №4.

Цель: очистить воду химическим способом.

Для проведения опыта мы использовали 3% перекись водорода. Для воды объёмом 3л мы подготовили 10мл перекиси водорода и добавили её в загрязнённую цианобактериями воду. Каждые 12 часов мы перемешивали воду. Окончательный результат использования перекиси водорода был замечен на 3 день – вода полностью стала чистой.

Вывод: очищение воды химическим способом возможно и результат можно наблюдать через несколько дней.

Примерная стоимость: оптовая цена 37% перекиси водорода (в случае водоёма, заселенного рыбой, рекомендуется вносить 16 мл на 1м3 [3]) составляет 80 руб/л (1м3 воды-1,28 руб). На объём воды Чебоксарского водохранилища 13,85 км3 потребуется 17 млрд 728 млн рублей. При добавлении стоимости перевозки, зарплаты рабочих -18 млрд. руб.

Ближайшее крупное производство перекиси водорода — это компания «Волжская перекись», которая находится в г. Новочебоксарск на базе ПАО «Химпром», где в год планируется выпускается 250 тыс. тонн перекиси. Перекись водорода не опасна для рыб при соблюдении точной дозировки.

Плюсы способа: перекись водорода – экологически чистый продукт, который распадается в воде водоёма на кислород и воду

Минусы способа: эффективность видна не сразу, необходимость соблюдения дозировки.

Опыт №5.

Цель: очистить воду биологическим способом.

Этот опыт покажем на примере домашнего аквариума. На стенках нашего аквариума образовывался налёт из зелени, который приводит к уменьшению света внутри и портит внешний вид. Нам стало понятно, что система фильтрации не справляется с грязью. Тогда мы решили дополнительно приобрести рыбу-чистильщика. Аквариумисты посоветовали нам взять кальчужного сома. Благодаря ему стенки аквариума сохраняют чистоту.

Вывод: очищение воды биологическим способом возможно.

В живой природе рыбой-чистильщиком является толстолобик, это единственная рыба пищей для которой служат сине-зелёные водоросли. Водорослями толстолобик начинает питаться только повзрослев [4].

Примерная стоимость: зарыбленность водоёма на 1 км2 может составлять 30 млн. руб. Площадь Чебоксарского водохранилища 2190 км2, в нём может проживать 65 млрд. 570 млн особей рыб. Если в водоём добавить 10 млрд. взрослых особей толстолобика стоимостью 20 руб. получится 200 млрд. руб.

Плюсы способа: экологичность.

Минусы способа: большая стоимость, выживаемость, изменение ихтиофауны реки, медленный результат.

2.4 Меры, предпринимаемые государством по очистке реки

Очистка Волги требует серьезных затрат, которые, возможно, не окупятся. Но это необходимо, потому что Волга – наиважнейшая река европейской части России, имеющая государственное значение.

Самый крупный проект, который реализуется в данный момент - это федеральный проект «Оздоровление Волги», направленный на улучшение экологической ситуации в акватории реки Волга по всей её протяженности, на снижение объема доли загрязненных сточных вод, отводимых в реку Волгу [5].

2024 год – стал «Годом экологической культуры и бережного природопользования» в Чувашской Республике и надеемся, что он затронет очищение реки Волги.

  1. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Итак, мы добились той цели, которую ставили перед собой в начале исследования – мы нашли методы очистки реки от сине-зелёных водорослей.

Таким образом, мы полностью подтвердили выдвинутую нами в начале исследования гипотезу о том, что очищение реки Волги от сине-зелёных водорослей возможно.

На основании практической части мы сделали вывод, что возможно использовать три варианта очистки р. Волга: механический, химический и биологический, причем эти способы можно совмещать. Они требуют крупных затрат, но охрана и сохранение природы – важнейшая задача для всего человечества.

Результаты данного исследования могут быть использованы для улучшения экологического состояния реки Волги и обеспечения её нормального функционирования.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  1. Цианобактерии и их метаболиты/ Поляк М.С., Сухаревич В.И. - Санкт-Петербург: Издательство «Нестор-История»,2012.-328с.: ил.

  2. stimul.online – журнал об инновациях в России. Очистим Волгу от сине-зелёных.

  3. gidrologia.ru -интернет-портал. Применение перекиси водорода для очистки водоёма.

  4. bloknot-volgodonsk.ru -информационный портал. «Великий фильтратор»: как толстолобик очищает воду Цимлянского водохранилища

  5. mnr.gov.ru – портал министерства природных ресурсов и экологии Российской Федерации.

Приложение 1. Посещение лабораторного центра ФБУЗ «Центр гигиены и эпидемиологии в Чувашской Республике - Чувашия»

Приложение 2. Наблюдение за развитием сине-зелёных водорослей

Приложение 3. Проведение опыта №1

Приложение 4. Проведение опыта №2

Приложение 5. Очищение воды механическим способом

Приложение 6. Очищение воды химическим способом

Приложение 7. Очищение воды биологическим способом

Просмотров работы: 30