Надежное измерение дефицита кислорода в реках и озерах

Сточные воды приносят в реки и озера большое количество органических веществ, что приводит к активному росту бактерий и дефициту кислорода. До сих пор методы измерения не могли точно оценить это органическое загрязнение. Новый метод, разработанный при участии экспертов из Центра Гельмгольца Хереон, должен в будущем давать четкую картину состояния вод. Работа опубликована в научном журнале Science Advances.

Сточные воды из населенных пунктов несут в природу вместе с фекалиями большое количество жиров, белков, сахаров и других органических веществ. Эти вещества разлагаются бактериями, потребляющими кислород. Чем больше объем стоков, тем лучше развиваются бактерии, а содержание кислорода в воде снижается, пока рыбы, моллюски и черви буквально не остаются без воздуха. Это привело к образованию бедных кислородом «мертвых зон» во многих реках и озерах мира.

Отсутствие «золотого стандарта» измерений

Для оценки загрязнения вод органикой из сточных вод государственные органы и экологи регулярно берут пробы воды. Широко используемый метод измеряет содержание органических веществ с помощью химической реакции. Как показывает международная группа ученых, этот устоявшийся метод дает значения, из которых сложно вывести реальную степень загрязнения. «В статье мы также представляем новый метод, который сделает измерения гораздо более надежными в будущем», — говорит профессор Хельмут Томас, директор Института циклов углерода Хереон, соавтор исследования.

При использовании обычного метода пробы воды смешивают с химикатами — перманганатом или дихроматом. Эти высокореактивные вещества быстро разлагают всю органику. По количеству израсходованного реагента определяют, сколько органического вещества содержалось в пробе. Эксперты называют это измерение «химической потребностью в кислороде» (ХПК). Проблема в том, что метод ХПК не различает органические вещества, попавшие в воду со сточными водами, и естественные вещества, такие как лигнин и гуминовые кислоты, выделяющиеся при разложении древесины. Таким образом, загрязнение практически невозможно отделить от естественного содержания органики. «На примере реки Ханган в Южной Корее мы показали, что загрязнение органикой из сточных вод за последние двадцать пять лет снизилось. Однако измерения ХПК по-прежнему показывают высокие значения, как и раньше, потому что здесь естественные вещества составляют большую часть органики в воде», — объясняет Хельмут Томас.

Новый оптический метод ускоряет и улучшает измерения

Альтернативный метод, представленный Хельмутом Томасом и его командой, улучшает классическое измерение биологической потребности в кислороде (БПК). Его преимущество в том, что необходима только одна проба воды, которая сразу герметизируется, а потребление кислорода измеряется без вскрытия сосуда. Это исключает контакт пробы с атмосферным кислородом. При новом подходе в сосуд с пробой сразу вводится оптическое волокно. Через него содержание кислорода можно непрерывно измерять непосредственно в пробе с помощью оптических эффектов.

«Мы можем измерять содержание кислорода непрерывно и получать гораздо более точную картину потребления кислорода бактериями», — говорит Томас. Первые тесты показали, что значимый результат доступен уже через 48 часов, что значительно ускоряет измерение БПК. Оптический метод делает измерения БПК не только более надежными, но и быстрее. Хельмут Томас полагает, что новый метод станет новым стандартом в ближайшие годы, заменив как измерения ХПК, так и классические измерения БПК. В будущем это позволит, например, надежнее оценивать эффективность мер по контролю загрязнения воды.