с 6 по 10 лекцию, для всех word-ов. Водні екосистеми
 Скачать 478 Kb.
|
Тема: Антропогенний вплив на водні екосистеми.
Сучасні екосистеми гідросфери майже повсюдно знаходяться під значним антропогенним впливом. Його джерелами є стічні води різних галузей промисловості, сільського і комунального господарств, військові комплекси з високим ступенем технічного оснащення, наземний, водний і повітряний транспорт, нафто- і газопроводи та багато інших виробництв - забрудників водного середовища. Антропогенному впливу підпадають річкові системи внаслідок гідротехнічного будівництва, пов’язаного з зарегулюванням водного стоку. В результаті такого вторгнення в природні водотоки змінюється сам тип водної екосистеми. З дотичних вони перетворюються в лентичні. Особливу небезпеку для водних екосистем несуть теплові і особливо атомні електростанції. При безаварійній роботі вони являються джерелом теплового забруднення гідросфери. При аварійних ситуаціях їх негативний вплив на навколишнє середовище може набувати глобальних масштабів. Прикладом цього є аварія на Чорнобильській атомній електростанції (1986 р.), коли радіонуклідне зараження охопило великі території України, Республіки Білорусь, Російської Федерації та інших Європейських країн. В зону ядерного впливу попали водні екосистеми, в яких радіонукліди включаються в кругообіг вода - донні відклади - біота, несучи постійну загрозу її біофонду. 1. Органічне забруднення За походженням органічні речовини поділяються на алохтонні, які надходять з площі водозбору, та автохтонні, які утворюються в самій водній екосистемі. Найбільшу масу органічної речовини створюють фітопланктон і макрофіти в процесі фотосинтезу. Значну частину автохтонної органічної речовини становить детрит, або мертва органічна речовина, яка утворюється внаслідок розпаду залишків організмів рослинного і тваринного походження і містить також 4—5 % бактерій. До розчиненої автохтонної органічної речовини належать також продукти життєдіяльності водяних організмів, зокрема, амінокислот, органічні кислоти, сечовина та інші. З водозбірної площі можуть надходити речовини, які вимиваються з лісового перегною, торф'яників, заболочених місць, чорноземних грунтів тощо - гумінові і фульвокислоти, складні вуглеводи, вільні амінокислоти, аміни, білковоподібні речовини. Органічні речовини природних вод - це , складні високомолекулярні сполуки типу білків, полісахаридів, ненасичених жирних кислот, амінів та інших, які знаходяться в розчиненому, завислому і диспергованому станах. Більшість з них є субстратом для масового розвитку бактеріального населення водних екосистем. Найважливішим внутрішньоводоймним процесом утворення органічної речовини, з яким пов’язано і самозабруднення водойм, є фотосинтез фітопланктону, фітобентосу та вищої водяної рослинності. Ступінь забруднення водних об’єктів органічними речовинами визначає їх сапробність (sapros - гниючий), а розділ гідроекології, що вивчає такі забруднення, називається сапробіологія. Водяні організми різних систематичних груп виявляють різну чутливість до вмісту у воді органічних речовин і продуктів їх розкладу. Можливості пристосування гідробіонтів до існування у середовищі з різним рівнем органічного забруднення зумовлюється комплексом фізіолого- біохімічних процесів, які постійно протікають у їх організмі. Гідробіонти, які живуть у забруднених органічними речовинами водах і приймають участь у процесах їх розкладу, називаються сапробіонтами, або сапротрофами. Вони є важливим ланцюгом у біологічному кругообігу речовини і енергії. Самозабруднення і самоочищення водойм Під самозабрудненням розуміють надмірний рівень продукції органічної речовини, яка викликає погіршання якості води в водному об’єкті. Воно найчастіше пов’язане з масовим розвитком фітопланктону до рівня “цвітіння” води. Самозабруднення спричиняється самою біомасою водоростей та продуктами її деструкції. Розпад біомаси у таких випадках призводить до виходу у воду великої кількості органічних, мінеральних і токсичних речовин, які істотно погіршують якість води за значною кількістю показників. Серед токсичних речовин виявляються поліпептиди, феноли, індол, скатол, сірководень та інші. На відміну від алохтонного надходження забруднень, таке явище отримало назву біологічного (вторинного) забруднення, або самозабруднення. Воно може відбуватись і за рахунок десорбції органічних і мінеральних речовин, накопичених у донних відкладах. Такі процеси більш інтенсивно протікають при дефіциті кисню і підкисленні водного середовища в анаеробних умовах. У нормально функціонуючих водних екосистемах перебіг процесів продукування, засвоєння та деструкції автохтонних речовин за участю гідробіонтів збалансований. Завдяки цьому підтримується певний рівень якості води. Процес розкладу і виведення забрудників з кругообігу водного середовища внаслідок взаємодії механічних, фізичних, хімічних, фізико- хімічних і біологічних факторів отримав назву самоочищення вод. Механічне самоочищення - це процеси перетирання, механічного подрібнення окремих частинок, фільтрації забруднених вод через піщані грунти. Фізичні процеси самоочищення включають осадження (седиментація) забруднюючих речовин під дією сил тяжіння. Хімічне і фізико-хімічне самоочищення пов’язане з утворенням комплексних сполук, реакціями між окремими речовинами, сорбцією завислих частинок мулом, глиною, піском та іншими донними відкладами, окиснення нестійких речовин розчиненим киснем (небіотичного походження). Біологічне самоочищення вод включає такі складові: біофільтрацію, мінералізацію органічних речовин, фотосинтетичну аерацію - реаерацію, біоакумуляцію та біодетоксикацію. Біофільтрацію здійснюють організми-фільтратори - головним чином двостулкові молюски та планктонні ракоподібні. Пропускаючи через своє тіло велику кількість води і очищаючи її від завислих частинок, вони використовують органічні та деякі мінеральні речовини як корм, а решту виводять у воду у вигляді слизових грудок, що осідають на дно. Завдяки цьому відбувається освітлення води та зменшується концентрація забрудників у ній. Евтрофікація - причини і наслідки для водних екосистем Евтрофікація полягає в збагаченні води біогенними елементами, особливо азотом і фосфором, внаслідок чого зростає первинна продукція органічної речовини за рахунок фотосинтезу водоростей і вищих водяних рослин. Причиною прискореної евтрофікації може стати зарегулювання річкового стоку, коли велика кількість біогенних елементів вимивається з затоплених грунтів. За джерелами надходження біогенів можна виділити три типи антропогенної евтрофікації: урбогенну, що виникає внаслідок скидання неочищених від сполук фосфору та азоту міських стічних вод; агрогенну - за рахунок вимивання грунтовими водами та дощових змивів мінеральних добрив з сільськогосподарських угідь; зоогенну, що виникає внаслідок забруднення водойм стоками тваринницьких ферм або при багаторазовому водопої та купанні великих черід худоби. Основними ознаками евтрофікації водойм є збільшення біомаси фітопланктону або інших автотрофних організмів (фітомікробентос, нитчасті водорості), масовий розвиток водоростей до рівня “цвітіння” води, зменшення концентрації розчиненого кисню на заключному етапі вегетації - при масовому відмиранні водоростей та інших організмів. В залежності від кількості біогенів, що надходять у водну екосистему, може прискорюватись перехід оліготрофних водойм до мезотрофних і евтрофних. У лентичних екосистемах евтрофікація призводить до масового розвитку водоростей. Між здатністю водоростей до накопичення біогенних елементів і їх потенційними можливостями як до масового розвитку існує прямий корелятивний зв’язок, і тому із зростанням вмісту цих елементів в екосистемі створюються сприятливі умови для масового розвитку фітопланктону, утворення первинної продукції органічної речовини і збагачення водного середовища киснем. Антропогенна евтрофікація охоплює все більшу кількість водних об’єктів, розташованих на різних континентах Землі. Її наслідком є посилення “цвітіння” води або масовий розвиток нитчастих (бентосних) водоростей в озерах і водосховищах. Для попередження евтрофікації найважливішими заходами є обмеження забруднення водойм біогенними елементами шляхом очищення міських стічних вод, створення водоохоронних зон по берегах річок, озер і водосховищ. Перспективним напрямком зниження евтрофікації вод і захисту їх від забруднення має бути фітомеліорація, тобто культивування вищої водяної рослинності в прибережних зонах з метою перехоплення біогенних елементів, які надходять з полів, з тваринницьких ферм та населених пунктів. 2. Токсичне забруднення та його наслідки для водних екосистем Джерела токсичного забруднення Одним з найбільш тяжких проявів антропогенного впливу на водні екосистеми та гідросферу в цілому є хімічне забруднення, яке може призводити до отруєння водного середовища та його живого населення. Серед хімічних речовин, які надходять у водойми із стічними водами (токсикогенним стоком) та атмосферними опадами, більша частина отруйна для гідробіонтів. Речовини, які проявляють таку дію називаються токсикантами, а сам процес надходження отруйних речовин у водні об’єкти називається токсифікацією. Токсичні речовини бувають природного походження і такі, що синтезовані людиною. Останні мають назву ксенобіотики. Стічні води промислових підприємств, як правило, містять цілий комплекс токсикантів різної хімічної природи (див. табл.). Їх вплив на водні екосистеми має комплексний характер, а роль окремих компонентів не завжди можна виділити і оцінити. Таблиця Основні токсичні компоненти стічних вод різних виробництв
Основні напрямки практичної діяльності в галузі охорони вод від токсичних забруднень – це очистка стічних вод, розробка стандартів і нормативів допустимого забруднення і допустимих скидів. В цьому аспекті особливого значення набувають так звані гранично допустимі концентрації токсичних речовин (ГДК), які розробляються екотоксикологами, гідроекологами та гігієністами. Під гранично допустимими концентраціями маються на увазі такі концентрації хімічних речовин, які не завдають шкоди здоров`ю людини при використанні води для питних цілей (санітарно-гігієнічні ГДК), нормальній життєдіяльності риб і кормових організмів (рибогосподарські ГДК), не порушують стан водних екосистем (екологічні нормативи – ЕН, або екологічні стандарти якості води). Практиці охорони вод ГДК для складних сумішей встановлюють на основі досить простої формули:  ,де С1 , С2 , С3 … Сn - концентрація речовини; ГДК1 , ГДК2 , ГДК3 … ГДКn – гранично допустимі концентрації окремих речовин. I-II класи шкідливих речовин:  III-IV класи шкідливих речовин:  [C] – концентрація г/м3. 3. Радіонуклідне забруднення водних екосистем та його дія на гідробіонтів Серед фізичних факторів, що впливають на життєдіяльність організмів у водних екосистемах, особливо важливу роль відіграють іонізуючі випромінювання. Це - випромінювання, взаємодія яких з речовиною призводить до іонізації її атомів та молекул, тобто перетворення їх з електрично нейтральних частинок в позитивно або негативно заряджені іони. До іонізуючих випромінювань належать заряджені частинки (альфа- частинки, електрони, позитрони, протони та інші), нейтральні частинки, а також електромагнітні випромінювання високих енергій, які іонізують атоми і молекули речовини. Одиницею радіоактивності є Бекерель (Бк): 1 Бк = 1 розпад/с. Для вимірів радіоактивності інколи використовують одиницю Кюрі (Кі), що відповідає радіоактивності 1г 226Rа: 1 Кі = 3,7 * 1010 розпадів/с. Кількість енергії, поглинута одиницею маси опроміненої речовини, прийнято називати поглинутою дозою. Одиницею поглинутої дози є Грей (Гр): 1 Гр = 1 Дж/кг. Час, протягом якого радіоактивна речовина розпадається наполовину, називається періодом піврозпаду (Т1/2). Величина Т 1/2 може становити від часток секунди до багатьох мільярдів років. Природна радіоактивність водних об’єктів Протягом всього часу еволюції біосфери на життєві процеси постійно і безперервно діють іонізуючі випромінювання. Гідробіонти також зазнають дії іонізуючих випромінювань. Основну частину опромінення вони отримують від природних джерел радіації, до яких належать космічне випромінювання і природні радіоактивні ізотопи, або радіонукліди, що містяться в земній корі, атмосфері, гідросфері та біоті. Внаслідок природних процесів вилуговування, вивітрювання та ерозії гірських порід, а також діяльності людини, у біосфері відбувається безперервна міграція природних радіонуклідів. Видобуток і переробка десятків мільярдів тон різних гірських порід призводить до викиду у біосферу практично всіх відомих природних радіонуклідів. Найвищі рівні радіоактивності у компонентах біосфери відзначаються в районах розташування уранових підприємств і родовищ радіоактивних руд - так званих уранових і торієвих провінцій. Істотним джерелом надходження у біосферу природних радіонуклідів є природне органічне паливо, що використовується транспортом, енергетичними установками і тепловими електростанціями. Використання мінеральних добрив у сільському господарстві супроводжується накопиченням природних радіонуклідів в орних грунтах, рослинах і водоймах. У природі виявлено близько 300 природних радіонуклідів. Найбільш поширені в земній корі та гідросфері 40К, 87Rb, деякі елементи рядів урану (U) і торію (Тh), які формують основну частку природної радіоактивності. Внаслідок послідовних радіоактивних розпадів уран і торій перетворюються у стабільний свинець. Висока міграційна здатність радію та радону створює навколо уранових родовищ ареали підвищеної радіоактивності, так звані радіоактивні аномалії, у яких вміст радіонуклідів у порівнянні з іншими територіями у сотні і тисячі разів більший. У мікрокількостях радій міститься у природних водах повсюдно. Радіоактивні води, що відзначаються високим вмістом природних радіоактивних елементів радію nа радону (радієві, радонові та ін.), знайшли широке лікувальне застосування в бальнеологічній практиці. Продуктами розпаду 222Ru є особливо токсичні радіонукліди: свинець - 210Рb та полоній - 210Ро, які виділяються при спалюванні вугілля та нафтопродуктів, з вихлопними газами розсіюються в атмосфері, а потім з опадами частково повертаються на землю, у водні об’єкти. 210Ро в істотних кількостях зустрічається в районах уранових родовищ, у приземному повітрі уранових рудників, у воді нафтових скважин та вугіллі. Як зазначалось раніше, природна радіоактивність річкових, озерних та інших вод в основному, визначається 40К. Концентрація радіонуклідів у річковій воді залежить від кліматичних умов, гідрохімічного складу води, типу гірських порід, через які протікають ріки. Наприклад, води рік на Півночі Росії містять уран в кількості ( 0,02-0,2)*10-6 г/дм3 (4,93*10-4 Бк/дм3), тоді як ріки Середньої Азії - до 50*10-6 г/дм3 (1,23 Бк/дм3). Найвища радіоактивність у водах уранових і торієвих родовищ, а також мінеральних джерел. Вміст природних радіонуклідів у таких водах досягає: урану - 120-10-6 г/дм3 (2,96 Бк/дм3), торію – 50*10-6 г/дм3 (0,40 Бк/дм3), радію - 25,9*103 Бк/дм3, радону - 9,62 Бк/дм3. Високі концентрації природних радіонуклідів характерні також для грунтових вод. У гірських породах вода збагачується мінеральними речовинами та радіонуклідами. Отже, природна радіоактивність вод перебуває у прямій залежності від їхньої мінералізації та радіоактивності порід, які вони омивають. Забруднення водних об’єктів штучними радіонуклідами Починаючи з 40-х років XX століття, внаслідок випробування і застосування у військових цілях ядерної зброї, розвитку атомної енергетики, широкого використання джерел іонізуючого випромінювання у медицині, техніці та інших сферах діяльності людини почало прогресувати забруднення довкілля, в тому числі гідросфери, штучними радіонуклідами. За станом на кінець 2000 р. в Україні експлуатувалися п’ять атомних електростанцій. Атомні електростанції використовують як джерела водопостачання: Запорізька — Каховське водосховище, Рівненська - р. Стир (притока р. Прип’яті), Хмельницька - р. Горинь (притока р. Прип’яті), Чорнобильська (зупинена в 2000 р.) - р. Прип’ять, Південно-Українська - р. Південний Буг. У басейні р. Десни на території Росії працюють Курська і Смоленська АЕС. Курська розміщена на притоці Десни р. Сейм. Водозабезпечення Смоленської АЕС здійснюється з водосховища, побудованого шляхом перекриття верхньої частини русла р. Десни дамбою. Розвинута атомна енергетика і в країнах басейну р.Дунай: у Болгарії, Угорщині, ФРН, що загострює радіоекологічні проблеми нижньої ділянки цієї ріки в межах України. У складі викидів та скидів АЕС містяться продукти поділу ядерного палива. До їх числа входять інертні радіоактивні гази (ізотопи криптону, ксенону та ін.), 3Н, 14С, 90Sr, 131І, 134Cs, 137Сs та ін. У складі забруднень значну питому вагу становлять продукти корозії матеріалів активної зони реактора: 51Сr, 54Мn, 55Fe, 65Zn та ін. Дія радіонуклідного забруднення на гідробіонтів Природні та штучні радіонукліди, що містяться у водних екосистемах, генерують іонізуюче випромінювання. Дія іонізуючого випромінювання на речовини та організми призводить до іонізації - відриву електронів від атомів. Виникнення іонів атомів і молекул супроводжується індукцією хімічних та біологічних реакцій у клітинах, тканинах і органах гідробіонтів. Іонізуючі випромінювання здатні розривати будь-які хімічні зв’язки та індукувати повільні хімічні реакції з великими іонними виходами. При цьому в процеси розвитку радіаційного ураження залучається величезна кількість макромолекул які безпосередньо не зачеплені опроміненням. Це значно посилює біологічну дію опромінення і підвищує загальний рівень якісних і кількісних руйнувань в клітинах і організмах. Відсутність або принаймні недостатність процесів, відповідальних за відновлення пошкоджених структур, призводить до виникнення різних за глибиною, масштабами і накопиченням у часі пошкоджень біологічних структур на різних рівнях організації. Променеве ураження гідробіонтів здійснюється у кілька умовних етапів і тісно пов’язане з рівнями біологічної організації.
Під дією іонізуючого випромінювання у гідробіонтів виникають радіаційна стимуляція, порушення різних фізіологічних і біохімічних реакцій, найрізноманітніші аномалії росту та розвитку, морфологічні зміни окремих органів і організму в цілому, спадкові зміни, скорочення тривалості життя і, нарешті, загибель. Зміни в біосистемах під впливом іонізуючого випромінювання отримали назву радіобіологічних ефектів. Таким чином, радіонуклідне забруднення водойм супроводжується як прямим ураженням біосистем внаслідок дії іонізуючого випромінювання, так і опосередковано - через порушення збалансованих структурно-метаболічних зв’язків у гідробіоценозах. Якщо ураження гідробіонтів на атомно-молекулярному рівні проявляються протягом часток секунди, то на рівні популяцій - через роки - століття. Можливість проявлення віддалених у часі наслідків зобов’язує сучасне суспільство відноситись з великою відповідальністю до проблем охорони гідросфери Землі від радіонуклідного забруднення. При цьому необхідно мати на увазі, що за умов складного поєднання діючих природних та антропогенних факторів у гідробіонтів виникають зміни різного типу - від таких, що легко відновлюються, як, наприклад, інтенсивність фотосинтезу або дихання, до глибоких і незворотніх порушень у життєдіяльності найбільш стійких популяцій гідробіонтів, вимирання окремих видів і регресії гідробіоценозів. Якісні та кількісні зміни у водному середовищі завжди випереджають адаптаційні процеси гідробіонтів, які відбуваються з деяким запізненням. Час адаптації гідробіонтів залежить від сили діючих факторів, а також від метаболічної пластичності і здатності організмів пристосовуватись до змін, що відбуваються у водному середовищі. Короткочасна зміна інтенсивності фотосинтезу або дихання під впливом хімічного забруднення або дії температури на найбільш чутливі особини буде відповідати події першого рівня (компенсаційні зміни в метаболізмі найбільш чутливих особин). Численні фактори, зокрема специфічні токсиканти, спричиняють порівняно вузько спрямовану дію, як, наприклад, сполуки - інгібітори фотосинтезу, здатні викликати загибель фотосинтезуючих організмів. Загибель фотосинтезуючих організмів і втрата біологічної цінності водної екосистеми згідно наведеної шкали відповідають рівню події з оцінкою у десять балів, що відображає максимально можливі порушення. 3/4 всього фотосинтезу та О2 в світі виробляють водорості. Таким чином, біологічні системи водних об’єктів, що сформувалися в процесі багатовікової еволюції, зіткнулися з надзвичайно різноманітним антропогенним впливом, який особливо гостро проявляється у прогресуючому хімічному, тепловому та радіонуклідному забрудненні, що призводить до зниження видового різноманіття, спрощення трофічних ланцюгів і регресу гідробіоценозів. викладач: Бобко А.О. Лекція 8 |