ЗАГРЯЗНЕНИЯ ГОРОДСКИХ ВОДОЕМОВ И ПОСЛЕДСТВИЯ

ЗАГРЯЗНЕНИЯ ГОРОДСКИХ ВОДОЕМОВ И ПОСЛЕДСТВИЯ

Опубликовано в категориях: Научные публикции Просмотров: 108

Небольшие водоемы по своему положению в рельефе суши являются аккумуляторами минеральных и органических веществ, которые циркулируют в пределах водосбора. Такие водоемы чаще всего имеют замедленный водообмен, уровень воды в них поддерживается за счет небольших речек, ручьев, подземных родников, атмосферных осадков.

Производственная деятельность города, наземный транспорт, коммунальные стоки приводят к поступлению в водоемы различных отходов, многие из которых являются высокотоксичными. Огромной проблемой для города являются различные нефтяные углеродосодержащие соединения  и тяжелые металлы. Основные источники загрязнения водоемов – утечка из канализационных коллекторов, автомобильный транспорт, загрязненные атмосферные осадки, поверхностные стоки во время паводков, пылевые частицы. Среди органических загрязнителей особую опасность представляют мутагенные и канцерогенные соединения. Эти токсиканты аккумулируются водными организмами и курсируют по трофической цепи, воздействуя на все компоненты экологической системы. Естественно, эти соединения представляют опасность не только для обитателей водоемов, но и населения города.

Часть токсикантов сорбируется на взвеси и оседает на дно, накапливаясь там. По мере накопления ила загрязнители постепенно захораниваются в более глубоких слоях. Однако при изменении рН, окислительно-восстановительного потенциала среды  многие загрязнители, в том числе высокотоксичные, из донных отложений поступают обратно в толщу воды и заново начинают циркулировать по трофической цепи. Они во многих случаях представляют собой «бомбу замедленного действия».

В водоемы поступает большое количество биогенных веществ, в первую очередь соединений азота и фосфора, столь необходимых для развития водной растительности. Одна из причин – это различные стоки, содержащие  моющие средства, которые содержат в своей основе полифосфаты. К примеру, поступление фосфора и азота в коммунальные стоки составляет на одного человека, соответственно, 4 и 8 г в сутки. Кроме того, биогенные вещества поступают в водоем за счет экскрементов водоплавающих птиц, опавшей листвы, пылевых частиц, а также при купании отдыхающих. К примеру, каждый купающийся вносит в водоем в среднем около 75 мг фосфора и 700 мг азота, а количество азота, поступающего в водоем с пылью, может достигать 10 кг/га в год. Таким образом, водоем – это своеобразная чаша, в которой накапливаются всевозможные отходы.

Повышенное содержание биогенных веществ приводит к интенсивному развитию водорослей и «цветению» водоемов. Этот процесс называется эвтрофированием. При эвтрофировании водоемов происходит резкое увеличение биомассы фитопланктона, в основном за счет развития синезеленых водорослей (их еще называют цианобактериями). Наиболее массово развиваются виды синезеленых из родов Microcystis, Aphanizomenon, Anabaena, Gloeotrichia, Oscillatoria, Lyngbya, причем продолжительность такого цветения может достигать двух месяцев.  Механизм «взрывного» характера развития синезеленых связан с колоссальным потенциалом их размножения. Дополнительная причина, которая способствует развитию цианобактерий, это небольшое турбулентное перемешивание таких водоемов. В значительной мере по этой причине «цветут» равнинные водохранилища, особенно в южных регионах страны.

При «цветении» водоемов и особенно при отмирании водорослей происходят значительные структурные изменения в водных сообществах. Цианобактерии становятся доминирующей группой, вытесняя другие виды водорослей. Из сообщества выпадают диатомовые, динофитовые, золотистые водоросли. В то же время, увеличивают численность эвгленовые водоросли, способные потреблять органические вещества.

Массовое развитие синезеленых приводит к увеличению содержания органического вещества в растворенной и взвешенной формах. Их разрушение осуществляется бактериями с интенсивным потреблением кислорода. Органического вещества становится настолько много, что в водоеме наблюдается дефицит кислорода. Если в летнее время в верхнем слое водоема дефицит кислорода сравнительно легко восстанавливается за счет газообмена с атмосферой и фотосинтеза водорослей, то зимой, в период ледостава, в придонном слое возможно полное потребление кислорода. При интенсивном развитии синезеленых уже с августа в толще воды может наблюдаться дефицит кислорода, а в придонной части – заморные явления. В зимнее время заморы часто происходят во всей толще воды, что приводит к массовой гибели рыб. Недостаток кислорода приводит к образованию в придонной зоне сероводорода и метана.

Развитие синезеленых отрицательно сказывается на зоопланктонном сообществе. Это связано с тем, что зоопланктон в основном питается мелкими водорослями, тогда как при «цветении» водоемов развиваются в основном колониальные формы, которые практически не потребляются зоопланктоном. Они включаются в трофическую цепь только после их разрушения бактериями. В составе зоопланктона происходит уменьшение их видового разнообразия в сторону упрощения сообщества. Наблюдается преобладание мелких видов с коротким жизненным циклом развития (ветвистоусых рачков и коловраток), которые не могут столь интенсивно утилизировать органическое вещество.

Характерный признак эвтрофирования –  зарастание водоемов прибрежно-водной растительностью (тростник, рогоз, рдесты, элодея).  Усиливается развитие нитчатых водорослей, способных  потреблять органические вещества. Отмирание растений осенью и зимой приводит к заболачиванию прибрежной части водоема.

Нарушение кислородного режима в придонных слоях приводит к изменению в составе зообентоса. Из сообщества выпадают личинки поденок, снижается численность личинок ручейников и других насекомых, многих моллюсков.  Все они являются потребителями органического вещества. В то же время в больших количествах развиваются менее чувствительные к дефициту кислорода личинки кровососущих комаров (они в основном дышат атмосферным воздухом). Возрастает плотность популяций личинок комаров-звонцов (мотыль) и малощетинковых червей. В результате бентос становится беднее и однообразнее. На поздних этапах эвтрофирования в глубинной области водоемов остаются немногие организмы, приспособленные к недостатку кислорода. Только брюхоногие моллюски и личинки стрекоз, обитающие на стеблях прибрежных растений, не испытывают недостатка в кислороде.

Эвтрофирование водоемов оказывает влияние и на рыбном населении. Происходит массовая гибель икры и молоди рыб в береговой зоне, в результате в водоеме остаются виды, приспособленные к минимальному содержанию в воде кислорода (в основном карась, линь).

Развитие синезеленых приводит к выделению в среду метаболитов, в результате вода становится непригодной для питьевых целей (неприятный вкус и запах)  и рекреационного использования (купания и рыбной ловли). Вода, насыщенная продуктами метаболизма водорослей, становится аллергенной и токсичной. Метаболиты синезеленых вызывает различные заболевания у рыб и теплокровных животных. Синезеленые подщелачивают воду и создают благоприятные условия для развития патогенной микрофлоры и возбудителей кишечных заболеваний.

Особое значение приобретают токсины водорослей, которые образуются при отмирании синезеленых. Они имеют широкий спектр биологического действия, воздействуют на центральную нервную систему животных,  в том числе и человека. Их относят к протоплазматическим ядам высокой биологической активности. Токсическое вещество водорослей не обезвреживается системами обычной водоочистки, поэтому воду из мест скопления водорослей нельзя использовать в питьевых целях.

Аллергенные и токсичные свойства воды из таких водоемов могут усиливаться за счет присутствия в них ксенобиотиков (органических токсикантов антропогенного происхождения, не вступающих в пластический и метаболический обмен клетки). К этим соединениям относятся в первую очередь полихлорированные бифенилы, в том числе диоксины, образующиеся, например, при сжигании пластика, мусора, листвы, обработанной пестицидами, и т.п., а также полициклические ароматические углеводороды, основным источником которых являются нефтепродукты автомобильного транспорта. Рост в городах онкологических заболеваний и различных аллергических состояний связывают именно с антропогенным загрязнением экосистем.

         Проблема антропогенного эвтрофирования водоемов возникла в 20-х годах ХХ века и за короткий срок приобрела значение одной из актуальных в современной лимнологии. Эвтрофирование водоемов стало распространяться с угрожающей скоростью на всех континентах и стало повсеместным явлением. В настоящее время оно охватывает большую часть озер мира, включая крупнейшие из них. Однако серьезное внимание этим процессам начали уделять лишь в середине ХХ века, когда во многих озерах Европы и Северной Америки негативные последствия эвтрофирования привели к угрожающим последствиям их экологического состояния.

Необходимо отметить, процессы эвтрофирования крупных водоемов протекают медленно, даже в условиях высокой антропогенной нагрузки занимают десятилетия, но именно в этом заключается главная опасность этого процесса. Изменения экосистем водоемов становятся видимыми только, когда их восстановление оказываются очень длительным и трудоемким. Многие крупные водоемы, такие как Боденское озеро (Германия), Женевское озеро, озеро Люцерн (Швейцария), озеро Лаго-Маджоре (Швейцария, Италия), североамериканские озера, когда-то чистые, за короткое время подверглись эвтрофированию за счет поступления в них стоков, богатых биогенными соединениями. 

         Водоемы обладают уникальным свойством – способностью к самоочищению за счет жизнедеятельности обитающих в них организмов. Под самоочищением понимается комплекс воздействия на экосистему водоема физических, химических и в первую очередь биологических факторов, в результате которых качество воды  возвращается к первоначальному (или близкому к нему) состоянию. Разумеется, это происходит при небольшой степени загрязнения водоемов. Ксенобиотики, как правило, препятствуют процессу самоочищения.

         В процессах самоочищения принимает участие весь комплекс биоценоза, включающий водных растений, животных, бактерий, грибов, рыб. Одни из них обладают механической очистительной способностью, другие могут аккумулировать в своих органах химические соединения, третьи – минерализуют сложные загрязняющие вещества, обладающие мутагенными и канцерогенными свойствами. Несомненно, наибольшую роль в этих процессах играют бактерии, грибы и другие микроорганизмы в комплексе с водной растительностью. Необходимо отметить, что очистительной способностью обладает стабильный комплекс организмов, составляющих биоценоз экосистемы. Чем богаче видовое разнообразие, тем быстрее осуществляются эти процессы.

         В стабильной экосистеме синтезированное фитопланктоном органическое вещество утилизируется зоопланктоном. При этом в сообществе развиваются те виды водорослей, к которым приспособлено зоопланктонное население. Неиспользованное органическое вещество разлагается в толще воды или оседает на дно, где трансформируется донными бактериями и животными. Всех их, в конечном счете, потребляют рыбы. Таким образом, круг замыкается. Достаточное количество кислорода в водоеме способствует более полному окислению органического вещества. Большое разнообразие видов (как животных, так и растений) позволяет такой экосистеме существовать достаточно долго.    

         Для начала необходимо понять, какие группы животных и растений обитают в водоемах.

         Любой водоем достаточно быстро зарастает прибрежной растительностью. Их семена разносятся ветром и водоплавающими птицами. Растительность водоемов подразделяется на прибрежную (тростник, рогоз, камыш) и водную (рдесты, роголистник, элодея). Сюда же входят растения с плавающими на поверхности воды листьями (кубышки, кувшинки, ряски, телорез). Прибрежная растительность укрепляет берег и препятствуют его размыванию.  В местах, где растет тростник, его корни и корневища армируют грунт до глубины 50 см и прочно ее скрепляют. Тростник укрепляет не только подводную, но и сухую часть водоема.       

         Водная растительность выполняет еще одну важную функцию, защищает водоем от загрязнений. Она является своеобразным фильтром; механически задерживает минеральные и органические взвеси, и минерализует их. Большое значение имеет наличие у некоторых растений водных корней. У тростника, к примеру, они образуются под водой в узловых побегах; их общая поверхность может в 10-15 раз превышать площадь, занимаемую растениями. Роль водных корней в очистке воды от взвешенных частиц чрезвычайно велика. Так, в лабораторных экспериментах заросли тростника и рогоза задерживали водными корнями  до 98% соединений азота и фосфора, содержащихся в животноводческих стоках. А разложение нефтепродуктов в присутствии растений протекает в 3-5 раз быстрее, чем без них. Для эксплуатации таких природных биофильтров необходима периодическая уборка растений. В противном случае они сами после отмирания станут причиной дальнейшего загрязнения водоемов. 

Существование прибрежно-водной растительности является благом для водоема и его обитателей, но только в том случае, если их количество не превышает 20-30% площади водоема. В противном случае их влияние на водоем будет негативным.

         В открытой части водоема обитают микроскопические водоросли. Их бывает настолько много, что порой окрашивают воду в различные цвета (в зависимости от вида водорослей). Они служат кормовой базой для зоопланктона (дафний, простейших, коловраток). Кроме этого микроскопические водоросли являются основными поставщиками кислорода в толще воды, т.к. в спокойной воде роль диффузии атмосферного кислорода имеет весьма малое значение. Выделение кислорода при фотосинтезе бывает настолько велико, что его количество достигает 300% от полного насыщения воды кислородом. Количество кислорода в воде бывает настолько велико, что малейшее «шевеление» воды приводит к массовому выходу кислорода в атмосферу, т.е.  эффект «газировки».     

         Ракообразные – это большая группа беспозвоночных, обитающих в толще воды. В пресных водоемах наиболее массово представлены ветвистоусые (Cladocera) и веслоногие (Copepoda).  Размер их не превышает 1-3 мм. Большинство из них являются фильтраторами, потребляют микроскопические водоросли, бактерии и детрит (взвесь). Их роль настолько велика, что всего за одни сутки могут профильтровать всю толщу вод озера. Зоопланктон служит кормовой базой для многих видов рыб, которые выедают их в больших количествах. Только высокая плодовитость рачков позволяет им поддерживать численность на достаточном уровне. Воздействие ракообразных на фитопланктонное сообщество настолько велико, что если, к примеру, снизить численность в водоеме рыб-планктофагов (за счет вселения хищных рыб), численность рачков возрастет настолько, что за счет выедания водорослей могут увеличить прозрачность водоема в 2-3 раза.

         Количество бактерий в прудах в зависимости от степени эксплуатации достигает 10-50 млн. кл/мл (в относительно чистых водоемах до 5-7 млн. кл/мл). Основная их функция – это разрушение органического вещества, в результате чего количество кислорода в толще водоема может снизиться до крайне низких значений. В зимнее время заморы в загрязненных водоемах являются обычным явлением, и связаны с деятельностью бактерий. В илах количество бактерий достигает нескольких миллиардов клеток в одном грамме ила. Кроме того, в илах в больших количествах развиваются простейшие. Донные организмы, питающиеся илами, усваивают именно бактерий и простейших, а не сами илы.

         Любой водоем (даже не связанный с рекой) быстро заселяется донными животными: личинками насекомых, олигохетами (червями), моллюсками, ракообразными и др.  Одни из них прилетают сами (насекомые), другие заносятся в водоем при паводках, ветром или на оперении и кишечнике водоплавающих птиц.

         Наибольшего развития в небольших водоемах достигают моллюски, хирономиды (мотыль) и олигохеты (малощетинковые черви). Олигохеты встречаются в любых водоемах, но большой численности достигают в илистых грунтах прудов и сточных загрязненных водах. Численность их достигает несколько десятков тысяч экземпляров на 1 м2. Все они питаются илами и участвуют в очистке водоемов.

         В зообентосе видное место по биомассе занимают брюхоногие моллюски (или улитки). Они в основном обитают в зарослях растений, где наблюдается их большое видовое разнообразие. Численность отдельных видов достигает нескольких сот экземпляров на одном килограмме водных растений.

         Насекомые составляют самую большую часть пресноводного макробентоса и часто доминируют в донных сообществах, как по численности, так и биомассе. Личинки поденок обитают в илах и на водных растениях. На дне много личинок ручейников. Одна из преобладающих групп бентоса – это личинки комаров–звонцов. В научной литературе их называют хирономидами (в обиходе – мотылем). Они, потребляя илы, играют важную роль в очищении прудов (за сутки съедают в несколько раз больше, чем масса их тела). Сбор мотыля является неплохим бизнесом. В водоемах, богатых илами, с 1 м2 можно «намыть» до 1 кг мотыля. Имеются сведения, что с одного гектара поверхности прудов вылетает от 15 до 30 млн. этих насекомых, что составляет около 40 кг живого вещества. Вся эта огромная масса организмов в основном питается илами, тем самым участвует в очищении водоемов от загрязнения.       

         Приведенное выше показывает, что водоем представляет собой динамичную  и сложную систему, в которой энергия, запасенная растениями в процессе фотосинтеза, рассеивается всем сообществом организмов. Знание и понимание протекающих в водоеме процессов позволяет эксплуатировать их достаточно долго и без видимого нарушения.

         Для борьбы с эвтрофированием водоемов существуют несколько подходов. Одни из них предполагают устранение причин эвтрофикации, другие – устранение последствий этого явления. Первый путь – это отвод сточных вод за пределы водосбора, что не всегда приемлемо из-за дороговизны и малой эффективности в городских условиях. Очистка водоемов путем удаления ила и прибрежно-водной растительности экономически дорога, при этом не всегда возможен положительный результат, т.к. уже через несколько лет водоем может постигнуть та, же учесть. Кроме того, этот метод применим только для очистки небольших водоемов, к примеру, на дачных участках.

         Химические методы борьбы с «цветением» воды путем внесения в водоемы различных альгицидов также неприемлемы из-за временного эффекта и опасности токсического действия химиката на другие организмы. Кроме того, отмирание водорослей приводит к развитию бактерий, а после них – к повторному «цветению» водорослей.

         Периодическое выкашивание прибрежных макрофитов приводит к оздоровлению водоемов. Однако необходимо иметь в виду, что макрофиты являются конкурентами фитопланктона за биогенные вещества, поэтому в водоеме должно оставаться их некоторое количество. Важным условием является то, чтобы макрофиты не оставались на берегу водоема (и тем более не сжигались там), а транспортировались на большие расстояния.

         Одним из методов борьбы с «цветением» является повышение мутности воды за счет внесения в водоем глинистого раствора. Оседая на дно, глина образует слой, препятствующий выходу в воду биогенов из ранее накопленных донных отложений. Однако этот метод не нашел широкого распространения из-за дороговизны и накопления  донных отложений, что ведет к обмелению водоемов.

         Положительные результаты по уменьшению обилия синезеленых получены при искусственной аэрации водоемов. Аэрация не только ликвидирует анаэробные условия в толще воды, но и, что особенно важно, на поверхности донных отложений образуется окисленная пленка, препятствующая выходу в воду биогенов, и их повторному вовлечению в биотический круговорот. Поскольку в процессе аэрации важно не взмучивать донные отложения и не нарушать стратификацию, должны использоваться аэраторы, позволяющие обогащать кислородом воду на определенной глубине. Однако искусственная аэрация применима лишь в небольших водоемах.

         В качестве одного из методов борьбы  с «цветением» предложено использовать вирусов и фагов, которые лизируют синезеленые водоросли. Однако практическое использование их  может быть решено только после тщательного изучения этих вирусов и всех последствий их применения.

         Другим биологическим методом является вселение в водоемы растительноядных рыб – белого амура, толстолобика, тиляпии. Первые потребляют макрофиты, а вторые – фитопланктон. Выбор тиляпии обусловлен широким спектром ее пищевого предпочтения – планктонные водоросли, макрофиты, илы. Однако тиляпия относится к теплолюбивым рыбам, поэтому в нашем климате ее выращивание требует дополнительных затрат. В борьбе с зарастанием водоемов польза от этих рыб несомненна, однако необходимо следить, чтобы неумеренная их активность не нарушала экологическое равновесие в среде. Растительноядных рыб можно рассматривать как вспомогательный фактор при оздоровлении водоемов.

         Антропогенная эвтрофикация водоемов обратима, однако универсальных методов устранения ее причин и последствий нет. Наиболее простая и в то же время эффективная мера – это комплекс приемов и в первую очередь создание биоценоза, функционирование которого будет способствовать очистке и удалению из водоема лишней биомассы, а с ней и токсических веществ.

Яндекс.Метрика