Геоэкологическая система

Для понимания сути процессов самоочищения следует рассматривать процессы, происходящие в так называемой базовой единице биосферы «геоэкосистеме», которая, по определению Г.Н.Голубева [4], представляет собой «…ограниченный во времени и пространстве единый природный комплекс, образованный живыми организмами и средой их обитания, в котором живые и косные компоненты связаны между собой обменом веществ и распределением потока энергии».

Геоэкосистему следует рассматривать как сложный объект, изучение которого необходимо проводить на основе систематизации полученных данных с помощью полевых комплексных геоэкологических инженерных исследований, математического моделирования и системного анализа.

С точки зрения пространственного масштаба можно выделить следующие геоэкологические системы:

- локальные, к которым можно отнести, к примеру, водоём, лесную рощу, участок реки и т.п;

- региональные, имеющие отношение к региону или отдельно взятой стране;

- макрогеосистема, имеющая отношение к континенту, океану, горной стране и др. (например, масштаб трансграничных переносов загрязняющих веществ вследствие техногенных катастроф типа Чернобыля и Фукусимы);

- глобальная экосистема – система, в которой рассматриваются глобальные процессы, происходящие в экосфере Земли: круговорот веществ в природе, изменения климата в связи с эмиссией газов и глобальным потеплением, движение материков.

Рассмотрим процессы самоочищения в геоэкосистеме на примере экосистемы водного объекта.

Гидроэкосистема водоёма. Природный водоем представляет собой биологически сбалансированную экосистему, в которой естественным образом происходит самоочищение и самовосстановление. Когда в такой водоем попадают загрязняющие вещества в виде большого количества органики, нарушается способность экосистемы к самоочищению. Органика опускается на дно, образуя органическую биомассу донных отложений, подвергающуюся разложению гнилостными бактериями и грибками. При разложении интенсивно поглощается растворенный кислород, взамен выделяются в воду продукты распада – питательные элементы азота и фосфора. Избыток органических веществ приводит к нарушению биологического равновесия и подавлению способности экосистемы к самоочищению. Далее происходит изменение сценария трофности водоема: он меняет тип экосистемы на эвтрофный, т.е. происходит заболачивание.

Технология восстановления экосистемы такого водоёма носит название биоремедиации. Биоинженерная технология биоремедиации заключается в использовании способности живых организмов-фильтраторов, составляющих основу гидроэкосистемы, путем «фильтрации» загрязнений (поллютантов) подвергать их биодеструкции и детоксикации, что в конечном итоге помогает изменить сценарий действующих в водоеме физико-химических процессов, понижая его сапробность в сторону альфа- и бета-мезосапробного.

Гидроботаническая площадка (ГБП) как природный биофильтр

По сравнению с традиционными техническими мероприятиями очистки водоемов (опорожнение прудов, вывоз иловых отложений на полигоны и т.п., формирование ложа водоёма под проектные отметки), биоремедиация водоёма (организация водно-болотных участков, заселение живыми организмами, зарыбление и др.) позволяет восстанавливать гидроэкосистему и запускать механизм самоочищения для улучшения качества воды.

Биоинженерная технология с использованием ГБП, выступающей в качестве биофильтра, позволяет интенсивно реализовать такое природное явление, как самоочищение водоемов. Эффективная биологическая обработка сточных вод выполняется в мелководной ГБП, которая представляет собой аэробную систему и в которой выполняются следующие условия:

- обеспечение кислородом бактерий-деструкторов для их выживания;

- обеспечение достаточной области контакта между очищаемой водой и микробами с помощью высшей водной растительности (ВВР).

В результате процессов биодеструкции или детоксикации, происходящих в гидроэкосистеме ГБП, происходит почти полная нейтрализация загрязняющих веществ, неблагоприятно воздействующих на естественные процессы биологического самоочищения воды, нормализуется метаболизм, восстанавливается и активизируется аборигенный для мезосапробных водоемов видовой состав биоты водоёма.

Биоинженерная технология очистки – это не требующий сложного ухода процесс, используемый для глубокой биологической очистки сточных вод. Полная биодеградация загрязнений на ГБП осуществляется как сложный многоступенчатый процесс. В экосистеме ГБП необходимо различать две пищевые цепи:

а) "субстратную";

б) трофическую - типа "хищник-жертва".

"Субстратная" цепь – это процессы в так называемой «микробиальной петле», где происходят основные биохимические превращения на уровне микробов.

Микроорганизмы. Несмотря на то, что в процессах самоочищения участвует вся биота экосистемы, было установлено [5], что в основном микроорганизмы, и прежде всего бактерии, обеспечивая себе нормальное функционирование, в большой степени способствуют таким процессам, как:

- потребление таких веществ, которые для остальных гидробионтов являются загрязнениями;

- биодеструкция органических веществ, в процессе чего выделяются в качестве конечных продуктов метаболизма неорганические вещества.

В процессе попадания грязных стоков на ботаническую площадку происходит иммобилизация микроорганизмов на биоплёнке (перифитоне), прикреплённой к высшей водной растительности (ВВР). Перифитон представляет собой пространственное структурированное гетерогенное сообщество различных микроорганизмов.

Видовой состав микроорганизмов, участвующих в процессах ассимиляции и диссимиляции органических и неорганических соединений, распределяются в этой последовательной, пространственной цепи в соответствии со своей пищевой нишей. Пространственная сукцессия микроорганизмов обеспечивает интенсивное и глубокое изъятие органических веществ из сточной воды, т.к. полупродукты деструкции и метаболиты одних микроорганизмов служат питательным субстратом для других видов микроорганизмов на последовательных стадиях очистки в «микробиальной петле». Таким образом, создается цепь межвидового переноса субстрата, а, следовательно, и более глубокая его утилизация.

Трофическая цепь. Освобождение стоков от избыточной детритной бактериальной биомассы (отмерших клеток микроорганизмов) осуществляется за счет перехода пространственной сукцессии иммобилизованных микроорганизмов-деструкторов из «субстратного» (микробиального) уровня в разделенную в пространстве трофическую ("хищник - жертва") цепь гидробионтов, где уже в процесс включаются гидробионты высших трофических уровней: простейшие (зоо- и фитопланктон), ВВР, моллюски, ихтиофауна.

Простейшие. Число микробных клеток в перифитоне и в воде снижается вследствие выедания консументами. Приросту численности микробных клеток на ГБП противодействует выедание простейшими, а также коловратками и некоторыми веслоногими рачками, что не позволяет образовываться большим объёмам детрита на ГБП. Ресничные инфузории, жгутиконосцы и веслоногие питаются взвешенными бактериальными клетками, отцеживая их из воды. Амёбы, коловратки и нематоды поедают преимуществено прикреплённые бактериальные клетки. Выедание снижает величину бактериальной популяции. Размеры бактериальной популяции зависят как от поступления питательных веществ, так и от выедания, и оба этих фактора влияют один на другой.

Высшая водная растительность. ВВР выполняет важные функции:

а) стебли используется для прикрепления бактерий и микроорганизмов, участвующих в изъятии органических и неорганических загрязнений из сточной воды; таким образом создаётся пространственная трофическая цепь в экосистеме гидробионтов (aquatic organisms), в которой происходит биодеструкция загрязнений;

б) полые стебли ВВР используются для подачи кислорода в микробиальную систему;

в) заросли ВВР способны поглощать большое количество биогенных элементов, а также улавливать специфические виды загрязнений (пестициды, тяжёлые металлы, нефтепродукты и пр.);

г) заросли ВВР являются хорошим субстратом для зарослевых форм низших ракообразных, инфузорий, коловраток и других водных организмов, служащих пищей для молоди рыб; при этом фитонциды растений подавляют развитие сине-зелёных водорослей и болезнетворных бактерий;

д) очистка стоков и накопление загрязняющих веществ происходит не только в верхней части растений, но и в их корневой системе (ризосфере).

Ихтиофауна, моллюски. Моллюски (как правило, это дрейссены) эффективно улавливают водоросли, бактерии и детрит, ассимилируют и накапливают в своём теле биогенные элементы и некоторые специфические виды загрязнений (пестициды, цветные металлы и пр.), чем повышают качество воды. Кроме этого, в скоплениях моллюсков развивается масса других беспозвоночных, которые, с одной стороны, минерализуют фекалии дрейссены, а с другой, являются излюбленным кормом многих рыб.

Отдельные виды рыб поедают мелкие виды зоопланктона (коловраток, науплий, мелких рачков), питаются микроскопическими водорослями – фитопланктоном, массовое размножение которых приводит к «цветению» воды и заморам рыб. Значительное место в пита­нии донных рыб занимает детрит.

Таким образом, биомасса на ГБП находится в состоянии саморегуляции в соответствии с окружающей средой. Освобождение стоков от избыточной бактериальной биомассы осуществляется за счет перехода пространственной сукцессии иммобилизованных микроорганизмов-деструкторов в разделенную в пространстве трофическую ("хищник жертва") цепь гидробионтов.