2.3. Эвтрофикация водоемов

Одним из серьёзных нарушений окружающей среды следует считать загрязнение природных вод. Выделяют особый вид ухудшения качества природных вод – эвтрофикацию водоемов. Эвтрофирование озер и водохранилищ в настоящее время приобрело глобальный характер. Оно не только приводит к ухудшению ряда показателей качества воды, а при очень высоких уровнях трофии создает опасность токсических эффектов, но и вызывает перестройку всей экосистемы водоема, воздействуя на состав и структуру биологических веществ.

Эвтрофикация вод – повышение биологической продуктивности водных объектов, в первую очередь малых рек и водохранилищ на них, в результате накопления в воде биогенных веществ (азота и фосфора) под воздействием антропогенных или естественных факторов.

Выделяют естественное и антропогенное эвтрофирование водоемов. Общепринято, в настоящее время, что антропогенное эвтрофирование тождественно естественному эвтрофированию и различия только в масштабах времени развития этого процесса.

Естественное эвтрофирование характеризуется тем, что это длительный процесс. Данный процесс определяется действием таких абиотических факторов как интенсивность солнечной радиации, изменение климатических условий (зональные и сезонные различия величины и характера атмосферных осадков, колебание температуры, воздействие ветра),  величина водного стока, зональное различие в гидрохимическом стоке (общая минерализация воды, различное содержание химических ингредиентов); а также действием биотических факторов, т.е. биологическими процессами в водоеме.

Антропогенное эвтрофирование характеризуется тем, что это процесс очень быстрый. Данный процесс определяется  сбросом в водоёмы бытовых и промышленных сточных вод, выносом с полей минеральных удобрений, пестицидов и ядохимикатов, окультирование земель на площади водосбора и побережья водоемов, регулированием режимов работы гидросооружений, рекреационным использованием водоемов.

В процессе эвтрофирования увеличивается уровень первичной продукции, изменяются физические показатели качества воды (уменьшается прозрачность, увеличивается цветность, появляется запах воды. Также изменяются химические показатели качества воды, а именно повышается содержания биогенных элементов и органических веществ (в первую очередь, азота и фосфора), снижается степень кислородного насыщения в связи с усилением поглощения кислорода водорослями; изменяется показатель кислотности воды.

Разберем более подробно каждый уровень трофности водоема.

По биологической классификации, основы которой были заложены А. Тинеманном и Е. Науманном пресноводные континентальные озера подразделяются на дистрофные, олиготрофные, мезотрофные и эвтрофные [5].

Дистрофные водоемы расположены, в основном, в заболоченной местности. Берега их низкие, болотистые, с редкой растительностью, часто сложены из сфагнума. Имеются торфянистые отложения на дне озера. Такие отложения исключают контакт воды с грунтом, поэтому вода слабо минерализована и бедна биогенами. Реакция среды кислая, вода сильно окрашена, прозрачность ее очень низкая. Планктон и бентос дистрофных озер очень бедны.

Олиготрофные водоемы характеризуются слабым поступлением биогенов, поэтому в них мало фитопланктона, бактерио- и зоопланктона. Обычно они расположены на кристаллических породах и являются глубокими (свыше 30 метров). Гиполимнион, богатый кислородом, по объему превосходит эпилимнион. Прозрачность воды высокая, гуминовых веществ в воде очень мало, литораль развита слабо, донные отложения бедны органикой. Такое озеро содержит небольшое количество биогенных веществ, которое способно поддерживать только низкий уровень биомассы. Атмосферный кислород очень медленно растворяется и смешивается с водой. Следовательно, бентосные растения не только обеспечивают пищу и убежище водным животным, но и поддерживают высокое содержание растворенного кислорода (O₂) на глубине, так как, выделяясь в процессе их фотосинтеза, он попадает непосредственно в воду. Таким образом, в водоеме, обедненном питательными элементами, может существовать богатая, разнообразная экосистема, состоящая из рыб, моллюсков и бентосных растений, которыми они питаются. Природные процессы, такие, как ветровая эрозия или вымывание дождевыми водами, обеспечивают вынос биогенных веществ в водную среду, что поддерживает развитие растений и животных. Поступления биогенных веществ в водоем всегда превышают их потери из него, что приводит к «чистому» накоплению этих веществ в водоеме. В нем начинается образование ила, обычно со скоростью 3 мм/год, но в водохранилищах, испытывающих интенсивную нагрузку по насосам, поступающим с водой притоков, скорость илонакопления может достигать 1 м/год. Олигосапробные воды – это чистые воды больших озер. Для них характерна высокая минерализация органики. Количество кислорода близко к нормальному насыщению. Среди чистых вод выделяют ксеносапробные и катаробные, для которых характерно почти полное отсутствие органических загрязнении, а растворенный кислород имеет очень высокие показатели в летний и зимний периоды. В этой зоне чистой воды доминируют окислительные процессы. Вследствие высокого окислительного потенциала воды, все химические вещества с переменной валентностью присутствуют в высшей степени окисления БПК, окисляемость, содержание СО₂ незначительно. Любые органические загрязнения, попадающие в водоем, достаточно быстро минерализуются аэробными микроорганизмами.

К водоемам мезотрофного типа относятся озера, занимающие промежуточное положение между олиго- и эвтрофными озерами. Воды в химическом отношении характеризуются большим содержанием углекислоты, а также высокомолекулярных легко разлагающихся органических веществ – белков, углеводородов. В этих водах интенсивно протекают процессы редукции и распада с образованием сернистого железа. Для полисапробной зоны характерно превышение поглощения кислорода, обусловленное разложением органических соединений, над пополнением запасов кислорода за счет фотосинтеза. В экосистеме возникают бескислородные условия. Помимо возникающей проблемы дыхания это приводит к изменению характера химических процессов в водоеме: в полисапробной зоне доминируют процессы восстановительного характера. При дефиците растворенного кислорода разложение органических соединений протекает за счет кислорода, связанного в неорганические анионы (нитраты, сульфаты и т.д.). На первой стадии окисление органики происходит за счет кислорода нитратов (денитрофикация) по схемам:

После того, как кислород и нитраты израсходованы, в нормальный кислородный цикл включается сера по схеме:

Потребность в кислороде удовлетворяется за счет сульфат-ионов, образовавшихся по схеме:

Такие продукты реакций (2.1) и (2.3), как CO₂, H₂S, и NH₃ (NH₄⁺), являются индикаторными химическими соединениями для полисапробной зоны. Окисленные формы: нитраты, нитриты, сульфаты расходуются на окисление и, поэтому, в полисапробных водах отсутствуют.

Анионы и катионы элементов с переменной степенью окисления, которые не принимают непосредственного участия в биохимических процессах, протекающих в полисапробной зоне, вследствие низкого окислительного потенциала среды, присутствуют в восстановительных формах. Например, железо присутствует в виде Fe²⁺.значительные количества ионов в восстановительной форме и полуразложившихся органических соединений обуславливают высокие значения окисляемости, а также СО₂ и БПК, соответственно.

Наряду с восстановительными процессами протекают окислительные процессы минерализации органического вещества с участием кислорода нитратов (2.1) и растворенного кислорода по схеме:

Как следует из уравнения (2.1), одним из продуктов окисления органического вещества нитрат-ионами является аммиак. В присутствии кислорода происходит окисление части аммиака до нитрит-ионов:

Процесс (2.6) осуществляется при помощи автотрофных бактерий Nitrosomonas. Дальнейшее окисление нитритов до нитратов в мезосапробной зоне не происходит из-за достаточно высокого окислительного потенциала. Из рассмотренных выше химических равновесий следует, что для химического состава воды мезосапробной зоны характерно присутствие некоторого количества аммиака (восстановленная форма азота), окисленные формы азота представлены нитрит- ионами; сероводород обычно отсутствует, так как сульфат- ион не участвует в окислительных процессах. Концентрация СО₂, БПК и окисляемость снижаются. Окислительные процессы в большей степени развиваются в -мезосапробной зоне, прилегающей к зоне чистой воды. β-мезосапробные воды характеризуются некоторым самоочищением. В них наряду с восстановительными процессами развиваются процессы окисления за счет кислорода, выделяемого хлорофилсодержащими организмами. Поэтому, химический состав вод характеризуется наличием небольшого содержания кислорода и наличием слабоокисленных азотистых соединений, таких как аммиак и аминокислоты. Восстановительные процессы развиваются в -мезосапробной зоне, граничащей с полисапробной зоной. В α-мезосапробных водах доминируют окислительные процессы. Характерным признаком является наличие всех трех форм минерализации белка. Это аммонийные соединения, нитраты и нитриты. Минерализация органики происходит за счет аэробного окисления.

К эвтрофным водоемам относятся неглубокие (до 10…15 м) равнинные озера с обильным поступлением биогенов. Летом в массовом количестве развивается фитопланктон и соответственно обильны бактерио- и зоопланктон, зообентос. Грунты илистые, прозрачность воды низкая, цветность высокая. Литораль хорошо выражена, сильно зарастает макрофитами. Водная масса гиполимниона по сравнению с эпилимнионом мала, бедна кислородом. Водная толща прогревается до дна. В эвтрофном озере вода плохого качества с низкой концентрацией растворенного кислорода и избыточной биомассой; в геологическом смысле подобное озеро вскоре исчезнет. В некоторых случаях водные массы могут быть пересыщены биогенными веществами – гипертрофными. На этой стадии рост водорослей лимитируется светом или температурой, а не доступностью биогенных веществ. Такие экологические системы имеют неустойчивое состояние, которое приводит к периодическим «катастрофам», после чего в озере возникает общая аноксия и вслед за этим отмирание биомассы в крупных масштабах.

Существует несколько критериев, по которым определяют уровень трофности водоемов. Агентство по охране окружающей среды США в 1972 году приняло следующие критерии для характеристики процесса эвтрофирования водоемов:

1) уменьшение концентрации растворенного кислорода в гиполимнионе;

2) увеличение концентрации биогенных веществ;

3) увеличение содержания взвешенных частиц, особенно органического вещества;

4) последовательная схема популяцией водорослей с преобладанием сине-зеленых или зеленых водорослей;

5) уменьшение проникновения света (или увеличение мутности водной среды);

6) увеличение концентрации фосфора (P) в донных отложениях.

Для эвтрофных водохранилищ, как и для озер, характерным является массовое развитие водорослей (цветение водоёма). Это явление можно рассматривать как новый фактор самозагрязнения водоёма. При цветении преобладает один или два вида микроорганизмов. Цветение длится некоторое время, а затем пропадает. Оно может быть вызвано различными водорослями. В начале весны наблюдается цветение диатомовыми водорослями, при этом вода приобретает желтовато-коричневый цвет. Наиболее распространенными диатомовыми водорослями, вызывающими цветение, являются астерионелла (Asteriionella), синедра (Synedra), мелозира (Melosira). В середине лета часто наблюдается цветение водоемов сине - зелеными водорослями. Характерными представителями сине-зеленых водорослей, вызывающие цветение, являются анабена (Anabaena), осциллятория (Oscillatoria), которые придают воде голубовато-зеленый цвет и неприятный привкус и запах. Водоросли выделяют особые антибиотические вещества, токсичные не только для бактерий, но и для других гидробионтов, а также для домашних животных и человека. Например, в субтропических районах выделения сине-зеленых водорослей Microcystis явилось причиной гибели крупного рогатого скота. В Австралии и Африке гибель животных, вызываемая употреблением цветущей воды, в настоящее время является серьезной проблемой. Специфичные токсичные выделения динофлагеллят могут испортить мясо рыб и накапливаются в ракообразных. Употребление мяса ракообразных явилось причиной около 500 зарегистрированных случаев смерти людей. В 1 кг сырой массы водорослей обнаруживают до 14…15 мг фенолов.

Цветение наносит вред работе сооружений технического и питьевого водопровода. Микроорганизмы обрастания вызывают засорение и обрастание водозаборных сооружений, внутренних стенок труб, вызывая их сужение. В теплообменных установках нарушается режим теплообмена. Попадание в воду живых или погибших микроорганизмов повышает концентрацию взвешенных веществ, появляются запахи и привкусы. Микроорганизмы обрастаний часто вызывают или усиливают коррозию металлов. При транспортировке сточных вод по трубам создаются условия для развития анаэробов, например бактерий, восстанавливающих сульфаты, что сопровождается образованием таких коррозийных агентов, как сероводород. Продуты выделения микроорганизмов, например диоксид углерода, могут вызывать коррозию бетона.

Естественное эвтрофирование протекает в течение геологических периодов, но антропогенное увеличение содержания фосфора (Р) и азоте (N) к ускорению естественных процессов старения водоемов, т. е. происходит искусственное эвтрофирование

К основным антропогенные источникам фосфора можно отнести смыв фосфорсодержащих удобрений с полей и других сельскохозяйственных угодий и бытовые сточные воды (50% – конечных продуктов обмена человеческого организма, 50% – полифосфаты, входящие в состав детергентов).

К основным антропогенные источникам азота можно отнести экскременты животных и человека, которые примерно наполовину состоят из нитратов (NO₃^–), удобрения, которые смываются с сельскохозяйственных полей или пригородных лужаек во время сильных дождей, также содержат большое количество нитратов (NO₃^–).

Существуют естественные процессы самоочищения водоемов. Окисление органических соединений является важнейшей составляющей процесса самоочищения водоема.

Самоочищение водоема – это последовательность физических (осаждение, седиментация), химических (нейтрализация, окисление, сорбция, коагуляция) и биохимических процессов (окисление в присутствии микроорганизмов и т. д.), которая приводит к восстановлению природных свойств водоема.

Эффективность процессов самоочищения зависит от степени сапробности водоема, а также  от интенсивности течения в водоеме (самоочищение водоемов с застойной водой (озерах, прудах) происходит медленнее, чем в проточных водоемах (реках)).

Методы искусственного освобождения воды от эвтрофирующих веществ разнообразны и зачастую очень сложны.

Первоочередным для оздоровления водоемов являются мероприятия по ограничению поступления в них биогенных элементов. Это может быть реализовано путем полного прекращения сброса в водоем неочищенных и условно очищенных сточных вод промышленных предприятий и бытовых стоков, несущих токсические для водоемов вещества (тяжелые металлы, нефтепродукты, детергенты), за счет эффективности очистки, использования «буферной защиты» (биологические пруды, параллельные руслу основного водоема, наливные водоемы в пойменном участке, поля орошения), введение оборотного водоснабжения и замкнутых циклов, разработки и внедрения маловодных и безотходных технологий предотвращения и сокращения попадания поверхностного сельскохозяйственного стока.

Одним из радикальных и технически осуществимых методов устранения отрицательных последствий эвтрофирования может быть гидрохимическое изъятие водорослевой массы, которая затем используется в народном хозяйстве для удобрения или переработки на кормовые концентраты. Удаление донных органических отложений с одновременным углублением водоема является, очевидно, необходимым мероприятием. В связи с возросшими в последнее время темпами эвтрофирования и увеличения илонакоплений дноуглубительные работы должны проводиться периодически.

Удалению илов может предшествовать работы по осаждению эвтрофирующих веществ и гидробионтов из толщи воды, особенно в периоды «цветения». Осаждению способствует применение различных коагулянтов, токов высокого напряжения, ультрагидравлического удара и др. Но эти методы методы на могут быть широко использованы из-за отсутствия селективности воздействующих веществ, их дороговизны и нерентабельности.

Разрабатываются более сложные варианты устройств, аэрирующих глубинные бескислородные воды, но не нарушающих расслоение водной массы. Преимущества аэрации без дестратификации в том, что открываются более широкие возможности регулировки её эффекта путем изменения режима работы аэратов, их размещения в водоеме и времени действия. Воздействие аэрации более широко, разнообразно и не ограничивается изменением окислительно-восстановительных условий глубинных вод.

К числу биологических методов регулирование «цветения» воды следует отнести применение вирусов, лизирующих сине-зеленых водоросли, и вселение в водоем растительноядных рыб. Для подавления «цветения» воды предложено применять вирусы (альгофаги), вызывающие быстрое разрушение клеток водорослей.

В последнее время среди подходов к деэвтрофированию водоемов широкое применение получает биоманипулирование – экологический подход с целью их оздоровления, улучшения качества воды путем изменения трофических соотношений. Методология биоманипулирования заключается в следующем. При снижении численности «мирных» рыб или после уничтожения всех рыб в зоопланктоне увеличивается численность крупных видов-фильтраторов. Это способствует снижению первичной продукции водоема и даже предотвращает «цветение» воды. Вследствие менее интенсивного развития фитопланктона возрастает прозрачность воды, более интенсивно растут макрофиты прибрежной зоны, увеличивается численность и разнообразие макрозообентоса. Крупный зоопланктон более эффективно контролирует рост фитопланктона. Он же потребляет более крупные клетки водорослей и благодаря образованию фекальных агрегатов способствует уменьшению в воде концентраций биогенных элементов. Некоторая положительная роль зоопланктона проявляется в улучшении качества воды и в блокировании связывания атмосферного азота сине-зелеными водорослями через выделение ими аммония и предотвращения дефицита СО₂. Это ведет к уменьшению рН вследствие выедания водорослей и также не способствует развитию сине-зеленых.