Естественные источники загрязнения воды и системы их самоочистки

Содержание
Введение
1. Естественное загрязнение
1.1. Атмосферные осадки
2. Процессы самоочищения водоемов
3. Роль биоты в самоочищении водоемов
3.1. Бактерии
3.2. Растения
3.3. Животные
3.4. Выводы
4. Примеры водных экосистем
4.1. Озеро Байкал
4.2. Экосистемы рек Северной Европы
Заключение
Список литературы

Естественные источники загрязнения воды и системы их самоочистки

При значительном повышении загрязненности, особенно при повышении концентрации вредных веществ, наступает массовая гибель моллюсков-фильтраторов, их численность и, соответственно, суммарная фильтрующая деятельность катастрофически падают. Это ведет к нарастанию загрязненности, подавлению множества других видов, требовательных к чистоте воды. Экосистема упрощается и переходит на другой относительно стационарный уровень с менее благопри­ятным балансом поступления и удаления вредных примесей. Восстановление такой экосистемы требует уже не только значительного снижения вредных сбросов, но и очень больших затрат на ее реконструкцию или многих десятков, а то и сотен лет на самовосстановление в процессе вторичной сукцессии — последовательного восстановления групп видов, приспособленных ко все более чистой воде и способных все более эффективно ее очищать.
3. Роль биоты в самоочищении водоемов
3.1. Бактерии
Поступающие в водоем органические вещества, равно как и образующиеся в нем в результате синтеза первичной продукции, подвергаются воздействию со стороны всех групп гидробионтов. Основную роль в минерализации органических соединений играют бактерии.
Бактериальное население водоема делится на:
аллохтонное, т. е. поступающее извне;
автохтонное, присущее водоему.
Аллохтонные бактерии вносятся в водоем с дождевым стоком, а также со сточными и очищенными водами. Среди них преобладают сапрофитные формы, но могут быть и болезнетворные микроорганизмы. В тех случаях, когда аллохтонная микрофлора находит в водоеме благоприятные условия для жизни, наблюдается увеличение ее количества. Но чаще бактерии, попадая в необычные для них условия водоема, постепенно отмирают. Скорость отмирания зависит от температуры, от обеспеченности питательными веществами и от других причин. В зимний период сроки бактериального самоочищения водоемов затягиваются и, следовательно, возрастает опасность распространения патогенных микроорганизмов.
Автохтонные сапрофиты интенсивнее всего развиваются преимущественно в водоемах эвтрофного типа. В этих водоемах наблюдается интенсивный прирост бактериальной биомассы, сопровождающийся деструкцией органического вещества.
Основные виды бактерий, участвующие в самоочищении водоемов:
Гетеротрофные бактерии — целлюлозоразлагающие бактерии Cytophaga и Sporocytophaga, многие эпифитные (постоянно живущие на растениях) бактерии; из анаэробных форм — клостридии, сбраживающие пектин, крахмал и другие углеводы. Так как в водоемах содержится много растительных остатков, то роль этих микроорганизмов в деструкции органического вещества весьма велика.
Литоавтотрофные формы представлены в водоеме нитрифицирующими, сероокисляющими бактериями и железобактериями. В иловых отложениях встречаются метановые сульфатвосстанавливающие и водородные бактерии. Литотрофные бактерии играют важную роль в круговороте веществ в водоеме.
Условия существования в водоеме и особенно на дне чрезвычайно специфичны. Илы и донные грунты представляют собой проточные капиллярные системы. Одна из основных особенностей жизни в илах — постоянное перемешивание их, которое приводит к непрерывному обмену среды вокруг бактериальных клеток. Другая особенность илов в том, что на очень малых расстояниях друг от друга, измеряемых миллиметрами и долями миллиметров, располагаются микрозоны, резко отличающиеся по физико-химическим свойствам. Способные к активному движению бактерии ила располагаются в этих микрозонах соответственно своим потребностям.
К типичным водным обитателям, не входящим в общее число сапрофитов, относятся многие слизеобразующие организмы, такие, как Zoogloea ramigera и Sphaerotilus natans. Способность образовывать зооглеи, т.е. оформленные бактериальные скопле­ния, имеющие общую слизистую капсулу, свойственна многим микроорганизмам. В случае изменения условий существования способность к образованию слизистых капсул нарушается.
3.2. Растения
Растительный мир водоемов представлен фитопланктоном, микробентосом и высшими водными растениями. В загрязненных водоемах процессы окисления органических соединений идут весьма интенсивно. Основные поставщики кислорода, расходуемого на окисление органических веществ бактериями, — водные растения. При температуре воды в реках 21,4—22,8° С поступление кислорода в воду колеблется в широких пределах, но всегда связано со степенью загрязненности реки. На незагрязненных участках фитопланктон развивается слабо, в нем преобладают диатомовые водоросли. На участках рек, загрязненных сточными водами, фитопланктон развивается более обильно. Помимо диатомовых, развиваются зеленые одноклеточные водоросли (Chlorella, Scenedesmus, Ankistrodesmus и др).
Фитобентос играет очень большую роль на мелководьях и в искусственных каналах, в которых стенки часто покрываются сплошным ковром нитчатых водорослей. На более глубоких участках водоемов роль фитобентоса невелика, так как рост водорослей ограничивается недостатком света.
Водоросли способны непосредственно усваивать простые органические соединения и тем самым участвовать в процессах самоочищения водоема. Очень велика роль фитопланктона в процессах удаления из воды избытка соединений азота и фосфора. Известно, что при поступлении в водоемы очищенных сточных вод содержание в них нитритного и нитратного азота, а также фосфора намного превышает содержание их в незагрязненных водоемах. Водоросли, расходуя биогенные элементы на построение своей биомассы, способствуют их удалению из воды.
Помимо положительной роли водорослей в процессе самоочищения водоемов, фитопланктон при некоторых условиях может способствовать и увеличению степени загрязненности воды. Например, некоторая часть органических веществ, синтезированных водорослями, может поступать в воду, увеличивая тем самым количество растворенной в воде органики.
В несбалансированных водоемах, где первичная продукция не используется или используется недостаточно полно организмами следующих трофических уровней, после отмирания фитопланктона возможно накопление разлагающихся органических веществ и так называемое вторичное загрязнение водоема. При разложении водорослей легкоокисляемые органические вещества, такие, как растворимые углеводы и белки, минерализуются и поступают в воду. Более трудноокисляемые соединения, в частности клетчатка, опускаются на дно, где они участвуют в образовании стойких лигнино-гумусовых комплексов и способствуют заилению водоемов.
К высшим водным растениям, или макрофитам, относятся тростник, камыш, рогоз, рдест и другие растения, имеющие корень, стебель и листья. Макрофиты широко распространены на многих реках, озерах и водохранилищах. Роль макрофитов в самоочищении водоемов велика и многообразна. Они принимают участие в удалении из воды взвесей, минеральных и органических веществ, оказывают влияние на химизм водоема.
Поступающие в водоем вместе с поверхностным стоком взвешенные вещества в литоральной зоне встречают своеобразный барьер из высших растений. Скорость течения среди растений ниже, чем в открытом водоеме. Это способствует выпадению взвесей в осадок. Поверхность стеблей и листьев макрофитов обычно покрыта слизью, к которой прилипают содержащиеся в воде взвеси. Чем больше суммарная поверхность растения, тем эффективнее роль его как фильтратора.
В процессах фотосинтетической аэрации макрофиты играют не меньшую роль, чем фитопланктон. Очень большое значение имеет способность высших водных растений аккумулировать в своем теле различные элементы. На способность усвоения азота влияет обеспеченность растений другими элементами минерально­го питания. Растения отличаются друг от друга способностью накапливать отдельные элементы: камыш активно поглощает марганец, ирис — кальций, осока — железо, ряска — медь и т. д. Коррелятивной зависимости между содержанием в воде минеральных элементов и их поглощением растениями не наблюдается.
В местах вегетации высших водных растений обычно не наблюдается «цветения» воды. Это объясняется изъятием фосфора из воды макрофитами.
Высшие водные растения принимают участие в процессах очистки водоемов от органических веществ. Механизм этого явления пока не изучен, но уже установлено, что минерализующая роль макрофитов не может быть объяснена только выделением ими кислорода2. Камыш озерный, например, интенсивно очищает воду от фенолов. В течение суток одно растение камыша массой 100 г способно извлечь из воды до 4 мг фенола. Помимо фенола, поглощаются и его производные: пирокатехин, резорцин, ксилол и др. Поглощенные соединения включаются в метаболизм растения и, следовательно, обезвреживаются. Макрофиты так же способствуют всплыванию нефтепродуктов, осевших на дно, и их разрушению. Даже при непрерывном поступлении нефти к водоему в зарослях высших водных растений она присутствует в незначительном количестве. Наиболее перспективные растения для очистки воды от нефти: камыш озерный и рогозы — узколистный и широколистный. Считается, что разрушение нефти в присутствии макрофитов можно объяснить деятельностью эпифитной (развивающейся на растениях) микрофлоры.
К числу опасных загрязнителей водоема относятся радионук­лиды. Однако, высшие водные растения способны аккумулировать цезий-137, стронций-90, кобальт-60.
3.3. Животные
Роль животных организмов в процессе самоочищения водоемов в значительной степени определяется их способом питания. Фильтраторы и седиментаторы освобождают воду от взвесей, в том числе от бактерий и водорослей. Тем самым они способствуют осветлению воды.
Активными седиментаторами являются многие спиралересничные и кругоресничные инфузории. Например, одна особь Carchesiutn lachmani при питании в течение часа пропускает через свой организм около 30 000 бактерий, а колонии Carchesiutn состоят из многих тысяч особей. Седиментация присуща и другим представителям кругоресничных инфузорий. У многих сувоек (Vorti-cella) в течение 30—40 с тело заполняется пищеварительными вакуолями с бактериями. Седиментаторами являются многие коловратки.
Фильтрация свойственна многим ракообразным, в том числе дафниям, личинкам комаров Culex и Anopheies, многощетинковым червям Polychaeta, а из рыб — толстолобику. При фильтрации животные пропускают сквозь имеющиеся у них мелкопористые структуры ток воды и используют для питания отцеженный материал.
Фильтраторы зоопланктона снижают численность бактерий в прудах примерно на 99%. При высокой численности дафний они за сутки могут профильтровать весь объем пруда. Скорость фильтрации воды и поглотительная способность ветвистоусых рачков настолько велики, что в течение суток рачки потенциально способны поглотить всех бактерий, содержащихся в пруду. Практически этого не бывает, так как параллельно идет размножение бактерий. Двустворчатые моллюски — дрейссены, беззубки, перловицы оказывают очень большое влияние на химический состав воды.
Изъятую из воды взвесь фильтраторы и седиментаторы перерабатывают в своем теле, а не переваренные остатки выбрасывают и виде фекальных комочков, которые опускаются на дно водоема. Большую роль в процессах самоочищения играет образование ими так называемых «псевдофекалий». Моллюски, например, не заглатывают большую часть отфильтрованного материала, а склеивают его и выбрасывают. Такие «псевдофекалии», состоящие из малопригодных в пищевом отношении комочков, также оседают на дно. Таким способом фильтраторы осуществляют транспорт загрязняющих веществ из воды на дно.
Большое влияние оказывают организмы зоопланктона на кислородный режим водоема. Влияние это прямое и косвенное. Прямое влияние выражается в усиленном потреблении кислорода зоопланктоном в процессах дыхания.
Косвенное влияние зоопланктона на кислородный режим водоема выражается в том, что в результате выедания им фитопланктона снижается интенсивность фотосинтеза. При массовом развитии зоопланктона вода обычно становится прозрачной вследствие выедания фитопланктона и бактерий; отсутствует явление стратификации, так как дафнии активно перемешивают воду; содержание кислорода обычно бывает низким, 0,2—1,0 мг/л, но одинаковым на поверхности воды и в глубине опять таки в результате турбулентного перемешивания, осуществляемого дафниями.
В процессах самоочищения водоемов от органических веществ фильтраторы и седиментаторы играют роль потребителей первичной продукции. Они относятся к так называемому «мирному» зоопланктону и являются консументами I порядка. Сами они в свою очередь служат пищей хищным организмам зоопланктона и планктоноядным рыбам. Растительноядные рыбы, например толстолобик или белый амур, также относятся к консументам I порядка, в то же время являясь конечной продукцией в водоеме. Планктоноядные рыбы относятся сразу к двум (или более) трофическим уровням: поедая фильтраторов и седиментаторов, они выступают как организмы второго трофического уровня, а в качестве потребителей хищного зоопланктона относятся к третьему трофическому уровню.
3.4. Выводы
Кратко суммируя данные о роли различных гидробионтов в процессах деструкции и изъятия загрязнений из водоемов, можно сделать следующие выводы:
1. Фитопланктон обогащает воду кислородом, необходимым для деструкции органического вещества, изымает из воды биогенные элементы, служит пищей растительноядным организмам, но в случае чрезмерного развития вызывает вторичное загрязнение водоемов.
2. Макрофиты также обогащают воду кислородом и способствуют удалению биогенных элементов, принимают активное участие в процессах изъятия из воды нефтепродуктов и токсичных соедине­ний, легче, чем фитопланктон, удаляются из водоема, на мелководьях могут способствовать процессу заболачивания.
3. Бактерии — наиболее активные деструкторы органических веществ. Вследствие своей всеядности разрушают любые органические вещества естественного происхождения, служат пищей организмам следующих трофических уровней.
4. Растительноядный зоопланктон поедает фитопланктон и бактерий и тем самым участвует в процессах деструкции органических веществ. Удаляя из воды взвешенные вещества, он способствует осветлению воды, активно снижает концентрацию кислорода в воде как в результате дыхания, так и путем выедания фитопланктона, способствует перемешиванию воды, поглощая патогенные микроорганизмы, а также ее обеззараживанию.