Смена парадигмы в технической гидробиологии: от изучения локального воздействия к концепции водных техноэкосистем ТЭС и АЭС

Размещено на http://www.allbest.ru/

Институт гидробиологии НАН Украины

Смена парадигмы в технической гидробиологии: от изучения локального воздействия к концепции водных техноэкосистем ТЭС и АЭС

А.А. Протасов

г. Киев

Аннотация

На основании анализа публикаций Ф.Д. Мордухай-Болтовского рассматриваются исследования влияния тепловых и атомных электростанций, изначально выполнявшиеся в рамках классической «геккелевской» экологической парадигмы: внешнего влияния техногенных факторов на водные экосистемы и биоту. Снижение интереса к проблеме не было связано с уменьшением техногенного влияния и изменениями структуры энергетики. Происходит трансформация самой парадигмы, в частности - формирование концепции техноэкосистемы. Водоемы-охладители ТЭС и АЭС являются моделями изменений климатических условий в сторону потепления. Материалы, полученные в ходе исследований влияния техногенного повышения температуры, еще недостаточно используются гидробиологами, изучающими последствия климатических изменений.

Ключевые слова: Ф.Д. Мордухай-Болтовской, тепловые электростанции, атомные электростанции, энергетика, изменения климата.

Введение

Более полувека назад Филарет Дмитриевич Мордухай-Болтовской стал одним из основателей в СССР нового направления в прикладной гидробиологии - исследований влияния на водные экосистемы техногенных факторов, связанных с работой тепловых и атомных электростанций. В середине 1970-х гг. был опубликован обширный обзор (Мордухай-Болтовской, 1975), в котором ученый не только подвел некоторые итоги исследований в данной области, но и наметил основные направления дальнейшей работы. Эта публикация стала определенным этапом в изучении указанной проблемы в СССР.

В основу исследований был заложен принцип внешнего техногенного воздействия на гидроэкосистему, сходный с принципами классической «геккелевской» экологии. Гидробиологическая парадигма относительно функционирования сообществ и экосистем была подобна таковой, сложившейся в экологии: организм (популяция, сообщество, экосистема) существуют и выполняют свои функции в некотором поле факторов среды, тем или иным образом воздействующих на данный объект. Именно в рамках этой парадигмы и развивались исследования влияния энергетических станций на водные экосистемы. Так, на волжских водохранилищах проводилось изучение воздействия прямоточных систем охлаждения тепловых электростанций - т. е. сбросов подогретых вод в крупные водные объекты. В подобных случаях вода для охлаждения конденсаторов используется однократно. Дальнейшие исследования систем ТЭС, а затем АЭС с оборотной системой охлаждения (в частности, с водоемами-охладителями) привели к развитию представлений о биотопическом единстве природных и техногенных элементов экосистем и далее - к формулированию новой концепции техноэкосистемы. Изучение техноэкосистем в данном случае строится на принципе единства прямых и обратных связей между природными и антропогенными элементами техноэкосистем. Такая смена парадигмы в технической гидробиологии и прикладной экологии в целом приводит к формированию иного взгляда на систему взаимодействия в отношениях между человеком и водными объектами, на проблему охраны экосистем, получения экосистемных услуг.

Фундаментальный обзор проблемы влияния подогретых сбросных вод электростанций на водные экосистемы, сделанный Ф.Д. Мордухай-Бол- товским почти полвека назад, имел большое значение для гидробиологов страны не только потому, что знакомство с зарубежной литературой имело в тот период определенные ограничения и сложности, но и в связи с тем, что в обзоре были подведены некоторые итоги исследований и поставлены задачи на будущее. Эта обзорная статья во многом обусловила развитие целого направления прикладной гидробиологии и была опубликована в сборнике «Экология организмов водоемов-охладителей». Издание включало работы только по объектам Волжского бассейна, однако данная проблема уже более 10 лет разрабатывалась в других регионах СССР (в Литве, Забайкалье, Украине). Приоритет был справедливо отдан украинским ученым, работавшим под руководством А.В. Топачевского, М.Л. Пидгайко, О.Г. Кафтанниковой. Однако именно при активном участии Ф.Д. Мордухай-Болтовского происходила координация исследований по проблеме, было организовано несколько плодотворных научных совещаний и конференций.

В указанной статье автор рассматривал влияние таких обычных в гидробиологии факторов, как температура и динамика водных масс. Однако их особенностями в данном случае были происхождение и сила влияния. Исследователь особо подчеркнул, что это вносит новые аспекты в, казалось бы, традиционные проблемы: речь шла о поступлении в водоем дополнительного тепла, причем круглогодично, а также о существенном превышении абсолютной температуры по сравнению с естественными условиями. Кроме того, появилось новое явление - прохождение огромных масс воды с их населением через системы теплообменников, что особенно важно в замкнутых водоемах-охладителях, где это может происходить многократно. Существенным был также анализ проблемы пороговых температур на физиологическом, организменном и ценотическом уровнях. Оказалось, что сугубо академические физиологические исследования, связанные с «неестественно» высокими температурами, имеют вполне реальное экологическое приложение. К середине 1970-х гг. был накоплен достаточно большой материал относительно воздействия энергетических станций на гидробионтов и их сообщества разных экологических группировок, была показана весьма различная реакция планктона, бентоса, перифитона, рыбного населения на техногенные факторы. Эту публикацию, безусловно, можно считать этапной, она сыграла значительную роль в последующем развитии изучаемой проблемы, в ней были поставлены важные задачи дальнейших работ. Ф.Д. Мордухай-Болтовской также провел обширный библиографический анализ: мировая литература к этому моменту насчитывала уже многие сотни публикаций, включая монографические работы.

Характер воздействия

Представляется важным отметить, что в исследованиях Ф.Д. Мордухай-Болтовского объект изучения определил подход и основную концепцию парадигмы прикладной гидробиологии. Ученый и его коллеги имели дело с участками больших водохранилищ, подверженными влиянию ТЭС, поэтому подходы были ограничены следующей моделью исследования: водная экосистема находится под сугубо внешним техногенным воздействием. Задача исследования рассматривалась в рамках классической экологической парадигмы: экологический объект находится и функционирует в поле определенных факторов среды, основными из которых в данном случае были термический и гидродинамический, определяемые работой энергетической станции.

Ф.Д. Мордухай-Болтовской разделил проблему на два аспекта: влияние техногенного повышения температуры, зачастую до пороговых экологических значений, и вовлечение огромных масс воды в системы технического и циркуляционного водоснабжения. На обширном материале было показано, что в натурных условиях, практически так же как и в физиологических исследованиях, существуют пороговые значения температуры («заколдованные 30»). Для большинства гидробионтов умеренной зоны именно порог в 30 °С оказался критическим для развития и выживания. Исследования на уровне сообществ показали, что в градиенте температур происходит закономерная смена доминирующих комплексов: в частности, в фитопланктоне из состава сообществ могут выпадать целые отделы водорослей. Очень важным было сравнение реакции на повышение температуры и другие техногенные факторы у представителей различных экотопических группировок гидробионтов: планктона, бентоса, перифитона. Тем не менее, в масштабах большого водохранилища и прямоточной системы охлаждения влияние энергетических станций выглядело достаточно локальным, а главное - односторонним, поскольку последствия сбросов не оказывали влияния на «возмущающий» объект.

Иначе выглядит взаимосвязь между техническими системами и водной экосистемой при оборотной схеме водоснабжения и охлаждения ТЭС и АЭС с замкнутыми водоемами-охладителями, градирнями и т. п. (Протасов и др., 1991; Техно-экосистема АЭС, 2011). В подобных случаях формируется своеобразная техноэкосистема, включающая природные и техногенные биотопы, биоценозы в которых формируются под влиянием как природных, так и техногенных факторов. Строго говоря, водохранилище также представляет собой техноэкосистему, поскольку имеет антропогенную природу и основные ее функции заданы человеком, однако здесь могут доминировать и природные компоненты.

Внимание к проблеме научного сообщества

Вв своем обзоре Ф.Д. Мордухай-Болтовской отмечал наличие большого количества публикаций и широту географии исследований в области влияния энергетических станций на водные экосистемы, однако в последние десятилетия интерес к данной проблеме существенно снизился. Так, в Украине в 1960-1990 гг. исследования проводились на всех крупных водоемах-охладителях ТЭС, на охладителях Чернобыльской и Южно-Украинской АЭС (Протасов и др..., 1991), а в настоящее время -только на водоеме Хмельницкой АЭС. Практически свернуты исследования по вопросам «термального загрязнения» в Беларуси. В России гидробиологи работают на оз. Кенон в Забайкалье (Цыбекмитова, 2017); отдельные специальные работы выполняются в районах Ленинградской АЭС (Makushenko et al.,2014), на одном из водоемов-охладителей ТЭЦ в Тюмени (Sharapova et al. 2020). Однако комплексные исследования техноэкосистем не проводятся.

В чем же причины такого снижения интереса к проблеме? Вероятно, имеет место фактор популярности проблемы, если не сказать «моды» на проблему. В некоторый начальный период достаточно быстро решаются задачи, которые лежат как бы на поверхности. Именно на решение этих «поверхностных» вопросов уходит основная финансовая и организационная поддержка исследований. Далее наступает период реализации более частных, но и более глубоких задач, анализа особенностей, индивидуальных и редких разновидностей явлений. В определенном смысле наступает «усталость» от проблемы. Вспомним хотя бы историю изучения эвтрофирования, «цветения воды», вселения дрейссенид в водоемы и др. В данном случае на ум приходит параллель, связанная с работой Ф.Д. Мордухай-Болтовского (1960), касающаяся динамики инвазивного процесса: новую проблему поначалу можно сравнить с агрессивным видом-вселенцем, резко увеличивающим свою численность, однако постепенно численность его популяции снижается, и он занимает уже скромное место или вовсе исчезает из экосистемы.

Еще одной причиной снижения интереса к проблеме «теплового загрязнения» можно предположить изменения в структуре энергетики. Широко распространено мнение о скорой замене традиционных источников энергии, росте так называемой «зеленой энергетики». С 1970-х гг. во всем мире тепловую энергетику на ископаемом топливе серьезно потеснила атомная, которая оказалась достаточно опасной уже не только для экосистем, но и непосредственно для человека. Однако сама проблема тепловых сбросов и связанных с ними других факторов не исчезла и не может исчезнуть до тех пор, пока существует производство электроэнергии на тепловых или ядерных электростанциях, и пока турбину вращает пар, полученный при сгорании ископаемых или ядерного топлива. как показывают последние статистические исследования (BP Statistical Review..., 2020), структура мировой энергетики за последние 20-25 лет принципиально не изменилась (Тен, 2012). Хотя доля так называемой «зеленой энергетики» в 2019 г. впервые превысила число ядерных электростанций, а производство электроэнергии на солнечных электростанциях растет чрезвычайно быстро (Рис. 1), основная часть электроэнергии в мире (90% и более) производится и будет еще долгие годы производиться на электростанциях, которые в большей или меньшей степени используют воду для охлаждения и технических нужд. Пока нет каких-либо глобальных устойчивых тенденций снижения производства электроэнергии на атомных электростанциях (исключение составляют некоторые европейские страны). Но, как отмечается (Тен, 2012), вывод из эксплуатации АЭС, например, в Германии, приведет к использованию замещающих мощностей и сжиганию 35,2 * 10⁹ м³ природного газа в год.

Рис. 1 Производство электроэнергии на атомных (A) и солнечных (B) электростанциях, тераватт-час (по данным BP Statistical review..., 2020)

Концепция техноэкосистемы

Существование и функционирование биосферы связано исключительно с естественными процессами в природных экосистемах. Антропогенные экосистемы энергетически зависят от природных, как и сам человек, создающий их. Биосфера трансформируется вследствие возрастающей экспансии техноэкосистем. Последние можно определить как совокупность биотопов (естественной и техно-антропогенной природы) и их живого населения, объединенных системой потоков вещества и энергии, изменяющихся в пространстве и во времени.

Истоки понятия о техноэкосистеме заложены еще в начальных представлениях об экосистемах. Автор термина и концепции экосистемы, А. Танс- ли, признавал существование как чисто природных, так и зависящих в разной мере от человека экосистем (Tansley, 1935). Изучение воздействия энергетических станций начиналось с традиционного вопроса: как влияют сбросы подогретых вод ТЭС, т. е. некая совокупность техногенных факторов, на водные экосистемы? Однако со временем стали очевидными два дополнительных аспекта:

1. системы водоснабжения ТЭС и АЭС представляют собой единое целое с биотопами собственно водоема-охладителя;

2. эффективность и надежность работы технических систем существенно зависит от экологических факторов.

Таким образом, теперь нас интересуют следующие вопросы: каковы взаимосвязи и взаимодействия в системе отношений между экологическими и техническими объектами (т. е. в техноэкосистеме); как техноэкосистемы и окружающие природные экосистемы влияют друг на друга?

Уникальность техноэкосистем состоит в том, что они не имеют какой-либо «биотопической, экологической логики», как это обосновано в концепциях речного (Vannote et al., 1980) и/или озерного (Protasov, 2008) континуумов. Широкая популярность концепции речного континуума (КРК) (Батурина, 2019) именно для потамологии определенным образом снизила ее значимость для гидробиологии и экологии в целом. Положения, высказанные В.И. Жадиным (1948) за десятилетия до появления КРК, которые можно считать ее предвосхищением, на наш взгляд, гораздо более широки и универсальны. Речь идет о предложенной Жадиным модели трансформации биоценозов вниз по течению реки и при контакте ее с лентическим водоемом, например, при создании водохранилища. Концепция континуальности может быть положена в основу биогеомного структурирования гидросферной части биосферы (Протасов, 2017; Protasov, 2016).

В то же время в техноэкосистемах смена биотопических элементов связана с их конструкцией и характером эксплуатации. Для каждой техноэкосистемы наблюдаются уникальные сочетания и соотношения биотопов, а также населяющих их сообществ гидробионтов. Концепция техноэкосистемы рассматривает как важнейшие не только прямые влияния техногенных факторов на биоту, условия среды, но и обратное влияние биотических факторов на технические устройства, агрегаты и системы. Возникающая при этом проблема биопомех считается одной из ключевых в технической гидробиологии. Биологические помехи представляют собой сложные взаимодействия между различными гидробионтами, их популяциями и сообществами с одной стороны, и техническими объектами - с другой. В тепловой и атомной энергетике одним из важных вариантов биологических помех является обрастание, формирование сообществ перифитона на различных технических поверхностях (Протасов и др. 1991)

экосистема температура ценотический водный

Следствия новой парадигмы

С позиций охраны среды мы должны рассматривать не столько непосредственное воздействие техногенных факторов, сколько взаимосвязь между техноэкостемой и окружающими природными экосистемами. Этот подход должен существенно изменить принципы экологического и гидробиологического мониторинга, в частности, в энергетике. Он должен базироваться не на контроле «допустимых» сбросов, а на целостной оценке эколого-технического состояния техноэкосистемы ТЭС или АЭС. Следует отметить, что после печально известных катастроф на Чернобыльской АЭС и АЭС «Фукусима-1» внимание вполне справедливо сфокусировано на радиационном воздействии этих электростанций на человека. Однако и нерадиационные факторы играют существенную роль, причем не только с точки зрения воздействия на окружающую среду, но и в плане обеспечения надежности работы оборудования самих станций. Исключительно в практическую плоскость переходит биогеографический вопрос об инвазийном процессе: в техноэкосистеме должен осуществляться постоянный мониторинг появления вселенцев, в первую очередь тех организмов, которые могут вызвать биологические помехи в работе оборудования, привести к снижению его надежности.

В обзоре Ф.Д. Мордухай-Болтовского были выдвинуты и некоторые гипотезы относительно развития проблемы. Верным оказалось предположение о том, что даже при установлении субтропического термического режима в охладителях не будут формироваться экосистемы субтропического или тропического состава и типа. Дело, видимо, в том, что при изменении термического режима неизменными остаются другие факторы среды, например, режим освещенности, сезонная периодичность. Однако в настоящее время инвазийный процесс протекает настолько интенсивно, что уэе есть примеры, когда доминирующий комплекс гидробионтов в охладителях, расположенных в умеренной зоне, имеет тропическое или субтропическое происхождение (Novoselova et al., 2020).

Как и остальные ученые, занимавшиеся данной проблемой, Ф.Д. Мордухай-Болтовской не мог предвидеть, что через три десятка лет проблема локального «теплового загрязнения» (“thermal pollution”) перерастет в проблему «глобального потепления» (“global warming”). Развитие энергетики не привело к глобальной термофикации водоемов, хотя мощности только АЭС в Европе и США к 2019 г. относительно 1970-х гг. выросли более чем в 5 раз! Тем не менее на фоне наблюдающихся термических погодных аномалий локальные воздействия энергетических станций могут иметь катастрофические последствия.

Техническая гидробиология и глобальные проблемы климата

В 1970-е гг. существовало представление о том, что исследования в области влияния высоких температур, обычно не встречающихся в природе, имеют сугубо академический характер, связанный с физиологией экстремальных условий, или относятся к частным проблемам локального влияния ТЭС и АЭС на водоемы. Однако климатические изменения поставили эту проблему совсем в ином, глобальном масштабе. Возникла потребность прогнозировать поведение водных экосистем при повышении температуры в природных условиях. Техноэкосистемы ТЭС и АЭС стали чрезвычайно важными моделями климатических изменений. Но на наш взгляд, опыт исследований в этой области, принадлежащий технической гидробиологии, используется недостаточно. Показательным примером могут быть работы (Лазарева и др., 2016; Shcherbak, 2019), в которых рассматриваются вопросы отклика разных группировок гидробионтов на аномально высокие значения природных температур без каких-либо ссылок на исследования влияния техногенного повышения температуры.

Так или иначе, проблема собственно теплового загрязнения под воздействием энергетических станций в настоящее время существенно сузилась (во всяком случае, ослаб интерес к ней ученых), но появились новые важные аспекты - климатические изменения и закономерности функционирования техноэкосистем ТЭС и АЭС, а также и других техноэкосистем, оценка их состояния.

Перспективы изучения техноэкосистем

Что касается развития самой концепции техноэкосистемы, то она гораздо шире, чем проблема влияния ТЭС и АЭС на водные объекты и жизнь в них. Это влияние представляет собой частный вопрос, причем эффект повышения температуры рассматривается в комплексе с другими факторами: гидродинамическим, а также изменениями гидрохимического режима. Проблема в целом из моноцентрической переходит в бицентрическую: влияние технических факторов на биотические системы приобретает такую же важность, как и вопросы надежности технических систем под воздействием экологических, в том числе, биотических факторов.

Техноэкосистемы ТЭС и АЭС представляют собой лишь часть все растущей в биосфере антропогенной компоненты. Представляется, что движение к ноосфере, о которой писал В.И. Вернадский, и есть процесс замещения в той или иной мере природных экосистем природно-антропогенными. Это глобальная проблема формирования новой структуры биосферы, проблема ноосферогенеза.

Природа науки такова, что она имеет свойство многообразия. Некоторые представления целиком заменяют старые парадигмы и они полностью уходят в историю, в других же случаях новые сосуществуют со старыми, впитывают их опыт и дополняют новыми подходами, идеями, принципами. Именно по этой причине научное наследие Ф.Д. Мордухай-Болтовского актуально и сейчас. Исследования, начало которым было положено Ф.Д. Мордухай-Болтовским, А.В. Топа- чевским и другими, продолжаются и в настоящее время в России и Украине. Несколько лет назад в Чите прошла научно-практическая конференция, посвященная изучению водоемов-охладителей (Цыбекмитова, 2017). Не вызывает сомнения тот факт, что исследования водных техноэкосистем как энергетических станций, так и другого происхождения, их роли в отдельных регионах и биосфере в целом станут одной из основных задач технической гидробиологии.

Список литературы

1. Батурина, Н.С., 2019. Закономерности организации речных экосистем: ретроспектива становления современных концепций (обзор). Биология внутренних вод 1, 3-11.

2. Жадин, В.И., 1948. Донная фауна Волги от Свияги до Жигулей и ее возможные изменения. В: Жадин, В.И. (ред.), Сборник работ по проблеме реконструкции фауны Волги (Труды ЗИН АН СССР. Т 8. Вып. 3). Издательство АН СССР, Москва - Ленинград, СССР, 413-466.

3. Лазарева, В.И., Пряничникова, Е.Г., Цветков, А.И., 2016. Отклик водохранилищ Верхней Волги на потепление климата: изменение кислородного режима и его влияние на гидробионтов. Материалы V Международной научной конференции «Озерные экосистемы: биологические процессы, антропогенная трансформация, качество воды», 12-17 сентября 2016 г, Минск - Нарочь. Издательский центр БГУ, Минск, Беларусь, 85-87.

4. Мордухай-Болтовской, Ф.Д., 1960. Каспийская фауна в Азово-Черноморском бассейне. Наука, Москва -Ленинград, СССР, 286 с.

5. Мордухай-Болтовской, Ф.Д., 1975. Проблема влияния тепловых и атомных электростанций на гидробиологический режим водоемов. В: Девяткин, В.Г. (ред.), Экология организмов водохранилищ-охладителей (Труды ИБВВ АН СССР Вып. 27 (30)). Наука, Ленинград, СССР, 7-69.

6. Протасов, А.А., Сергеева, О.А., Кошелева, С.И., Кафтанникова, О.Г., Ленчина, Л.Г. и др., 1991. Гидробиология водоемов-охладителей тепловых и атомных электростанций Украины. Наукова думка, Киев, Украина, 192 с.

7. Протасов, О.О., 2017. Біогеоміка. Екосистеми світу у структурі біосфери. Академперіодика, Київ, Україна, 382 с.

8. Тен, М.Г., 2012. Мировая энергетика: современное состояние и прогноз развития. Территория новых возможностей. Вестник ВГУЭС 1, 7-13.

9. Техно-экосистема АЭС. Гидробиология, абиотические факторы, экологические оценки, 2011. Протасов, А.А., (ред.). Институт гидробиологии НАН Украины, Киев, Украина, 234 с.

10. Цыбекмитова, Г.Ц. (ред.)., 2017. Сборник материалов всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Экология водоемов-охладителей энергетических станций». ЗабГУ, Чита, Россия, 278 с.

11. Makushenko, M.Ye., Kulakov, D.V., Vereshchagina, Ye.A., 2014. Zooplankton of Koporskaya Bay of the Gulf of Finland in the Zone of the Influence of the Leningrad NPS. Hydrobiological Journal 50 (4), 3-14. https://doi.org/10.1615/HydrobJ.v50.i4.10

12. Novoselova, T.N., Sylaieva, A.A., Gromova, Yu.F., Menshova, T.I., Morozovskaya, I.A., Protasov, A.A., 2020. Technoecosystem of the cooling pond of the South Ukrainian Nuclear Power Plant: group dynamics and transformation. Ecosystem Transformation 3 (1), 40-54. https://doi.org/10.23859/estr-191112

13. Protasov, A.A., 2008. River and Lake Continua: An Attempt at Analysis and Synthesis. Inland Water Biology 1 (2), 105-113.

14. Protasov, A.A,. 2016. Biogeomes of hydrosphere and land as elements of the biosphere structure. Ecology and Noospherology 27 (1-2), 5-15.

15. Sharapova, T.A., Gerasimov, A.G., Gerasimova, A.A., 2020. Invasive Tropical Crustacean Steno- cypris sp. (Ostracoda) in Periphyton of a Cooling Pond (the Western Siberia). Hydrobiological Journal 56 (3), 62-68. https://doi.org/10.1615/HydrobJ. v56.i3.50

16. Shcherbak, V. I., 2019. Response of рhytoplankton of the Kiev Reservoir to the increase in summer temperatures. Hydrobiological Journal 55 (1), 1835. https://doi.org/10.1615/HydrobJ.v55.i1.20

17. Tansley, A.D., 1935. The use and abuse of vegetational concepts and terms. Ecology 16 (4), 284-307.

18. Vannote, R.L., Minchall, G.W., Cummins, K.W., Sedell, J.R., Cushing, C.E., 1980. The river continuum concept. Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences 37 (1), 130-137.

19. BP Statistical review of World Energy, 2020. Интернет-ресурс. URL: https://www.bp.com/en/ global/corporate/energy-economics/statistical-re- view-of-world-energy.html (дата обращения 24.06.2020).

Размещено на Allbest.ru