Романенко Основы гидроэкологии. Р69 Основы гидроэкологии Учебн для студентов высших учебных заведений. К генеза, 2004. 664 с 1
 Скачать 7.62 Mb.
|
|
Глава 20. Органическое загрязнение Органические вещества и их круговорот в водных экосистемах Одним из важнейших компонентов водной среды, определяющих ее экологическое качество, является наличие вводе органических загрязнений. В процессе жизнедеятельности гидробионты выделяют вводу белки, аминокислоты, углеводы, мочевину, пурины, фосфаты, аммонийные соединения и т. д. Фактически, вводной среде содержатся все те органические вещества, из которых построено тело растений и животных. Кроме того, органические вещества поступают вводные объекты с атмосферными осадками, с поверхностным стоком, формирующимся на больших площадях суши, из болот, торфяников, орошаемых земель, промышленных и ком- мунально-бытовых предприятий. Все эти стоки привносят значительное количество разнообразных по своей структуре и химическому составу органических веществ. По происхождению органические вещества делятся на аллохтонные, поступающие с площади водосбора, и автохтонные образующиеся в самой водной экосистеме. Наибольшую массу органического вещества создают фитопланктон и макрофиты в процессе фотосинтеза. Значительную часть автохтонного органического вещества составляет детрит или мертвое органическое вещество, образующееся в результате разложения органических остатков растительного и животного происхождения. В нем содержится также % бактерий. К растворенному автохтонному органическому веществу относятся также продукты жизнедеятельности водных организмов, в частности аминокислоты, органические кислоты, мочевина и другие. С водосборной площади могут поступать вещества, вымываемые из лесного перегноя, торфяников, заболоченных мест, черноземных почв и т. п. - гуминовые и сложные углеводы, свободные аминокислоты, амины, белковоподобные вещества. 'Органические вещества природных вод - это сложные высокомолекулярные соединения типа белков, полисахаридов, ненасыщенных жирных кислот, аминов и других, находящиеся в раст Основы гидроэкологии 1 воренном, взвешенном или дисперсном состоянии. Большинство из них являются субстратом для массового развития бактериального населения водных экосистем. Гуминовые и фульвокислоты придают воде специфическую окраску. Фульвокислоты относятся к высокомолекулярным соединениям ароматического ряда, они растворимы вводе и легко вымываются грунтовыми водами. Гуминовые кислоты труднорастворимы вводе, характеризуются более высоким по сравнению с фульвокислотами содержанием углерода и азота. Воды с высоким содержанием этих кислот имеют бурый или черный цвет. В водах морей и океанов основную массу органических веществ составляют растворенные и коллоидные формы, которые могут проникать через фильтры с диаметром пор 0,45-1 мкм. Органические вещества континентальных вод в растворенном состоянии имеют размер частиц до 0,001 мкм, в коллоидном — 0,001-0,1 мкм, а частицы величиной до 150-200 мкм относятся ко взвешенным веществам. Для Мирового океана общее количество всего органического вещества (живых и мертвых составляющих) оценивается в т углерода; 75 % приходится на легкоусвояемые формы и 25 % - на труднорастворимые соединения (в основном, водный гумус). В морских экосистемах наибольшее количество органического вещества (30-40 %) синтезируется фитопланктоном. С речным стоком в Мировой океан выносится около Ют растворенного органического вещества в год. Оседая на дно морей и океанов, отмершие организмы и прочие органические вещества образуют огромные залежи органической массы, оцениваемые в Ют углерода. Важнейшим внутриводоемным процессом образования органического вещества, с которым связано и водоемов, является фотосинтез фитопланктона, фитобентоса и высшей водной растительности. Считается, что в пределах всего Мирового океана вклад водорослей в образование органического вещества враз больший, чем всех остальных групп организмов, не считая бактерий. Последним принадлежит исключительно важная роль не только в разложении, но ив образовании органического вещества. В процессе функционирования водных экосистем значительная часть растворенного и взвешенного органического вещества аллохтонного и автохтонного происхождения выносится со стоком воды и разлагается в процессе деструкции (минерализации (рис. Продукция и деструкция органического вещества характеризуют функциональное состояние водных экосистем. Уровень и направленность продукционно-деструкционных процессов зависят прежде всего от степени развития фитопланктона и условий его вегетации. В морских и континентальных водоемах образование первичного органического вещества связано с жизнедеятель- 386 Раздел V. Антропогенное влияние на водные экосистемы Из С прилегающих Поступление органического вещества, в том числе вследствие хозяйственной деятельности Солнечная энергия Фотосинтез (первичное продуцирование органического вещества) Захоронение РАСХОД Сток аллохтонного и первично продуцированного органического вещества Биогенные элементы Органи- ческое вещество Рассеивание энергии Деструкция (минерализация) органического вещества Вынос Регенерация биогенных элементов Донные отложения 124. Схема круговорота органического вещества вводных объектах. ностью планктонных и донных водорослей и эпифитов, составляющих автотрофное звено водных экосистем. Синтезированное органическое вещество служит основой трофической пирамиды по которой распределяются потоки энергии вводных экосистемах. Именно органическое вещество автотрофных организмов обеспечивает функционирование высших (следующих) трофических уровней биотический круговорот веществ и поток энергии в экосистемах. В конечном итоге формируется биологическая продуктивность водных экосистем В зависимости от уровня первичной продукции их подразделяют на олиготрофные (малопродуктивные мезотрофные (среднепродуктивные), эвтрофные (высокопродуктивные) и гиперэвтрофные (чрезвычайно продуктивные). Первичная продукция органического вещества может быть выражена в различных единицах в граммах кислорода или углерода на единицу площади водного зеркалам га) или на единицу объема воды (1 м в джоулях или килоджоулях за единицу времени (сутки, сезон, год. При переходе от одних единиц к другим принимается во внимание, что энергетический эквивалент кислорода при окислении органических веществ смешанного состава равен 14,2 Дж/мг а также то, что в органическом веществе содержится 41 % углерода от общей массы - 2,44 мг органического вещества отвечает 1 мг углерода. Придыхательном коэффициенте и ассимилирующем коэффициенте Основы гидроэкологии переходные коэффициенты имеют такие значения мг С 44,77 Дж/мг С 0,69 мг орг. вещества/мг Органическое вещество вводной среде постоянно разлагается на более простые органические низкомолекулярные соединения, которые, в свою очередь, вследствие жизнедеятельности микроорганизмов ив процессе химического окисления разлагаются доводы, углерода, фосфора и азота. Синтезированное автотрофами органическое вещество почти полностью разрушается гетеротрофами в реакциях биохимического окисления. Лишь незначительная часть его переходит из одного состояния в другое вследствие химических реакций. Активация вне организменных процессов распада может происходить вследствие автолиза и разложения отмерших гидробионтов, что приводит к поступлению вводу высокоактивных соединений- ферментов, витаминов и даже целых блоков биологических структур, содержащих в своем составе ферментные системы. При высоком уровне насыщения воды кислородом разложение органических веществ завершается образованием углекислоты и воды, а в анаэробных условиях - еще и образованием водорода и метана. В донных грунтах содержание кислорода бывает недостаточным, поэтому деструкция органических веществ протекает с образованием метана, водорода, сероводорода и аммиака. Основная роль в разложении органического вещества вводных экосистемах принадлежит гетеротрофным микроорганизмам. В общей деструкции органического вещества, образуемого фитопланктоном, на их долю приходится до 45—50 % в ных водоемах и до 85 % - в олиготрофных. Они ассимилируют до % энергии органического вещества, из которой более 25 используется на биосинтез микробных клеток. В эвтрофных озерах бактерии усваивают от 30 до 50 % общего количества органических веществ. Особенно интенсивно они утилизируют органическое вещество, образующееся в процессе фотосинтеза. Бактерии используют до 26 % органических веществ макрофитов. Для функционирования водных экосистем большое значение имеет соотношение первичной продукции органического вещества (А - assimilation), при которой энергия накапливается, и деструкции, или суммарного дыхания гидробионтов, в процессе которого происходит разложение органического вещества и рассеивается энергия. Отношение A/R может быть больше или меньше единицы И экосистема находится в сбалансированном состоянии При A>R экосистема характеризуется высоким биопродукционным потенциалом (эвтрофная или гиперэвтрофная). В тех случаях, когда A Раздел V. Антропогенное влияние на водные экосистемы водных объектов Степень загрязнения водных объектов органическими веществами определяет их сапробность (sapros — гниющий, а раздел гидроэкологии, изучающий такие загрязнения, называется сап- Разные водные организмы проявляют неодинаковую чувствительность к содержанию вводе органических веществ и продуктов их распада. Возможность приспособления гидробионтов к существованию в среде с разным уровнем органического загрязнения предопределяется комплексом физиолого-биохимических процессов, протекающих в их организме. Гидробионты, живущие в загрязненных органическими веществами водах и принимающие участие в процессах их разложения, называются сапробион- или сапротрофами. Они являются важным звеном в биологическом круговороте вещества и энергии. К этой группе организмов относятся бактерии, актиномицеты, грибы, отдельные виды водорослей, способные усваивать органические вещества. Среди водных животных имеются организмы, питающиеся растворенными органическими веществами, гниющими остатками, экскрементами и способные жить вводе с невысоким ем кислорода (например, олигохета трубочник обыкновенный - Видовая структура сообществ гидробионтов в зависимости от их чувствительности к органическому загрязнению водоемов четко выражена на биоценотическом уровне. Исходя из этого, в г. немецкие исследователи К. Кольквитц и Р. Марссон предложили оценивать интенсивность загрязнения вод органическими веществами по наличию в водоемах представителей отдельных таксономических групп гидробионтов разной степени гетеротрофности и оксифильности - показательных организмов, или биоиндикаторов сапробности. Ими были заложены основы санитарно-биологи- ческого анализа воды, или санитарной гидробиологии. По степени загрязнения органическими веществами воды подразделяют на поли-, мезо- и олигосапробные, а гидробионты, живущие в них, называются поли-, мезо- и олигосапробами. Обитателей особо чистых вод называют или ми, а особо грязных - гиперсапробами. Эти организмы являются показательными относительно соответствующих условий сапроб- ности, или биоиндикаторами. Одним из основных показателей при оценке сапробности водных объектов или их отдельных зон (табл) является количественная характеристика наличия или отсутствия вводе свободного кислорода. Чем больше степень загрязнения органическими веществами, тем большее количество используется на окисление, и тем меньше его остается вводе Основы гидроэкологии Таблица 14. Основные показатели сапробности водных объектов Показатели Наличие органического вещества и продуктов его разложения Кислородные условия Источники кислорода Потребность организмов в кислороде Характер биохимических процессов Угольная кислота Сероводород Численность сапрофитных бактерий Многообразие Главные группы организмов Преобладание отдельных видов Продуценты Консументы Зоны полисап- робная Белковые соедине- ния, углеводы Анаэроб- ные Диффузия Незначи- тельная Восстано- вительный Много Много Сотни Крайне невысокое жгутиковые, инфузории, черви, личинки мух Очень сильное Нет Очень робная аммиак, аминокисло- ты, амиды, амидокисло- Полуанаэ- робные Диффузия и фотосинтез Слабая Окислитель- но-восстано- вительный Немного Немного Десятки Значительное, сине- зеленые, зеленые жгутиковые во- доросли, инфузории, черви, ко- ловратки, личинки мух Сильное Мало Много ная аммиачные соединения жирных Аэробные Фотосинтез и диффузия Большая Окислитель- ный Немного Мало - десятки тысяч Большое Синезеленые, диатомовые, зеленые, золотистые и прочие водоросли, инфузории, губки, коловратки, моллюски, ра- кообразные, рыбы Значительное Много Много олигосапроб- ная Аэробные Фотосинтез и диффузия Очень большая Окислитель- ный Мало Нет Сотни — Большое Зеленые, диа- томовые, нофитовые, хризомонадо- вые и другие водоросли, коловратки, мшанки, губ- ки, ки, ракообразные, рыбы Обычно слабое Много Немного Развел V. Антропогенное влияние на водные экосистемы Степень сапробности определяется прежде всего по видовому составу бактерио-, фито- и зоопланктона, бентоса и перифитона. воды характеризуются наличием значительного количества белков, полипептидов, углеводов, а также лишь концентрациями кислорода и накоплением вводе диоксида углерода, сероводорода и метана. Для таких вод типичным является восстановительный характер биохимических процессов. Показатель биохимического потребления кислорода таких водах составляет около 40 мг В них живут преимущественно выдерживающие высокий уровень загрязнения, среди них — бактерии Thiopolycoccus ruser и natans, серобактерии рода Beggiatoa, инфузории жгутиковые Oico- tnonas олигохеты Tubifex tubifex, личинки мух Erista- tenax. Полисапробные воды формируются в реках и закрытых в которые спускаются хозяйственно-бытовые стоки и сточные воды пищевых и других производственных предприятий, перерабатывающих органические вещества. Количество видов гидробионтов, которые могут жить в таких водах, очень невелико. Те же организмы, которые приспосабливаются к условиям развиваются массово, поскольку они имеют ограниченный круг конкурентов часто образуют слизистые лопастеобразные обрастания на твердых предметах. В по- лисапробных водах в довольно значительном количестве может встречаться кишечная палочка. В мезосапробных водных объектах степень загрязнения менее выражена, отсутствуют белки, больше кислорода, значительно меньше диоксида углерода и сероводорода. В тоже время вводе содержатся недоокисленные азотистые соединения, в частности аммиак, амино- и В мезосапробных водах живут организмы, выдерживающие умеренно загрязненную органическими веществами среду. В отличие от мезосапробы более требовательны к наличию вводе свободного кислорода и продуктов распада белков, а именно - аммония и нитритов. В зависимости от уровня загрязнения органическими веществами и присутствия представителей отдельных таксономических групп гидробионтов мезосапробные воды подразделяют на аи Воды зоны характеризуются наличием аммиака, нитритов, амидо- и аминокислот. Минерализация органического вещества в таких водах происходит за счет аэробного окисления, в основном с участием бактерий. Показатель для таких вод составляет приблизительно 4-12 мг Среди мезосап- робных организмов встречается много бактерий, некоторые грибы разные виды водорослей синезеленые (некоторые виды рода зеленая Основы гидроэкологии нитчатая водоросль Stigeoclonium tenue, некоторые эвгленовые viridis), ресничные инфузории (Stentor coeruleus), ко- ловратки разных видов, ракообразные (Asellus aquaticus), моллюски, личинки двукрылых олигохеты и другие бентосные беспозвоночные. Эти организмы выдерживают довольно загрязненную среду со значительным дефицитом кислорода. Вводе встречается кишечная палочка. В водах в значительно меньшем количестве содержится аммонийный и нитритный азот, преобладают нитраты. Сероводород обнаруживается лишь в следовых концентрациях. Отмечается некоторый дефицит кислорода вводе, но он выражен слабо. Органические вещества минерализуются путем полного окисления равняется в среднем 1,7-4 мг Организмы - индикаторы |3-мезосапробных вод представлены различными водорослями синезелеными, диатомовыми, зелеными и другими. В зоне могут интенсивно вегети- ровать высшие водные растения. В значительном количестве представлены виды простейших корненожек, жгутиковых, ресничных инфузорий, коловраток и червей. Встречаются моллюски, ракообразные, губки. В таких водоемах распространены рыбы (карась, карп, линь, голец, вьюн и прочие). Воды слабо загрязненных рек, озер, водохранилищ, в которых происходит интенсивная минерализация органических веществ, характеризуются как В таких водных объектах благодаря высокой концентрации растворенного кислорода преобладают окислительные процессы. Из соединений азота в них содержатся нитраты, незначительное количество угольной кислоты и отсутствует сероводород не превышает 1,6 мг что свидетельствует об очень низком содержании органических веществ вводе. Среди олигосапробных организмов, живущих в чистых или слабо загрязненных органическими веществами водах, много водорослей разных систематических групп (в частности, диатомовых и золотистых, беспозвоночных (коловраток (Notholca ракообразных (Daphnia longispina, Bythotrephes моллюсков (Dreissena личинок насекомых), а из рыб представлены форель, судак, окунь, стерлядь, гольян. Среди бактерий зоны мало сапрофитов (не более тыс. экз./см 3 ) и организмов, питающихся бактериями. Особенно чистые воды по системе сапробности называются ка Такие воды перенасыщены кислородом, в них отсутствуют диоксид углерода и сероводород. Показатель очень низкий, что свидетельствует о минимальном содержании органических веществ. В таких водах (а это, как правило, холодные горные речные воды) хорошо чувствует себя форель и другие гидро- бионты-оксифилы. 392 Раздел V. Антропогенное влияние на водные экосистемы. Самозагрязнение и самоочищение водоемов Под самозагрязнением понимают ухудшение качества воды вводном объекте, которое вызывается чрезмерной продукцией органического вещества. Наиболее часто это связано с массовым развитием фитопланктона до уровня цветения воды. Самозагряз- нение обусловлено накоплением самой биомассы водорослей и продуктов ее деструкции. Разложение биомассы в таких случаях приводит к выходу вводу большого количества органических и минеральных, в том числе токсических, веществ, существенным образом ухудшающих качество воды по значительному количеству показателей. Среди токсических веществ обнаруживаются полипептиды, фенолы, индол, скатол, сероводород и др. В отличие от аллохтонного поступления загрязнений, описываемое явление получило название биологического (вторичного) загрязнения, или самозагрязнения. Оно может происходить и вследствие десорбции органических и минеральных веществ, накопленных в донных отложениях. Такие процессы более интенсивно протекают при дефиците кислорода и подкислении водной среды, в анаэробных условиях. В нормально функционирующих водных экосистемах процессы продуцирования, усвоения и деструкции автохтонных веществ с участием гидробионтов протекают сбалансированно. Благодаря этому поддерживается определенный уровень воды. Процесс разложения и вывод загрязняющих веществ из круговорота водной среды вследствие взаимодействия механических, физических, химических, физико-химических и биологических факторов получил название самоочищения вод. Механическое самоочищение — это процессы перетирания, механического измельчения отдельных частиц, фильтрации загрязненных вод через песчаные грунты. Физические процессы самоочищения включают осаждение (седиментацию) загрязняющих веществ под действием сил тяготения. Химическое и физико-химическое самоочищение связано с образованием комплексных соединений отдельными веществами, сорбцией взвешенных частиц илом, глиной, песком и другими донными отложениями, окислением нестойких веществ растворенным кислородом (не биотического проис- хождения). Биологическое самоочищение вод включает такие составляющие биофильтрацию, минерализацию органических веществ, фотосинтетическую аэрацию - реаэрацию, биоаккумуляцию и Биофильтрацию осуществляют организмы-фильтраторы, главным образом двухстворчатые моллюски и планктонные ракооб- 393 Основы гидроэкологии разные. Пропуская через свое тело большое количество воды и очищая ее от взвешенных частиц, они используют органические и некоторые минеральные вещества в качестве корма, а остаток выводят вводу в виде слизистых комков, оседающих на дно. Благодаря этому происходит осветление воды и уменьшается концентрация в ней загрязняющих веществ. Гидробионты способны накапливать в организме загрязняющие вещества, содержащиеся вводе. При этом их содержание в организме (коэффициент накопления - КН) может возрастать по сравнению с содержанием вводе в тысячи, десятки тысячи более раз. Такое явление получило название биоаккумуляция, или био- концентрирование (bios — жизнь, accumulation — накопление). Накопление загрязняющих веществ в теле гидробионтов возрастает при прохождении по трофическим цепям (рис. Благодаря биоаккумуляции постепенно уменьшается концентрация вводной среде как органических, таки неорганических загрязняющих веществ. Некоторые из них могут возвращаться вводу после отмирания гидробионтов, но значительная их часть подлежит разрушению под воздействием ферментативных систем или переходит в неактивную форму. Разрушение и биоконцент- рирование токсических веществ вводной среде под влиянием жизнедеятельности водных организмов характеризуется как биологическая детоксикация. Минерализация органических веществ связана с жизнедеятельностью гидробионтов, в первую очередь бактерий. Это позво- -- юо -Рис. 125. Увеличение накопления токсических веществ в теле гидробионтов с возрастанием трофического уровня. § а |