2. Экологическое состояние водных экосистем
2.1 Загрязнение водных экосистем
Экологическое состояние водных экосистем определяется разнообразием поступающих минеральных и органических соединений, характером их воздействия на гидробионты, возможностью расщепляться или способностью аккумулироваться. С точки зрения химического состава в водоемы поступают все известные элементы периодической таблицы Менделеева. Особое место в общем потоке поступающих в водные экосистемы аллохтонных(посторонних, поступающих извне) веществ занимают органические соединения, которые наряду с автохтонным органическим веществом, образующимся непосредственно в водоеме, определяют уровень евтрофирования водных экосистем и оказывают существенное влияние на органолептические свойства воды: цветность, запах и вкус [36, 38] .
Антропогенное воздействие на водные экосистемы чаще всего проявляется в форме первичного загрязнения различными соединениями, поступающими из внешних источников, значительную их часть составляют вещества, содержащиеся в промышленных, сельскохозяйственных и коммунально-бытовых сточных водах.
Возможность определения природы и концентраций веществ, поступающих со сточными водами конкретных предприятий (первичное загрязнение), позволяет оценить степень их отрицательного воздействия и составить прогноз возможных экологических последствий. Различают три фазы ответных реакций водоемов на первичное загрязнение сточными водами [38, 39]:
1) изменение физических, физико-химических свойств воды, токсичное воздействие на гидробионты;
2) воздействие на процессы, протекающие в биоценозах;
3) стабилизация условий в водоеме в процессе самоочищения.
Вероятнее всего, такая последовательность реагирования на поступление аллохтонных соединений, заканчивающаяся процессами самоочищения, может быть характерна лишь для слабоевтрофированных водных экосистем с низкой степенью загрязнения. В водоемах, где уже существует высокий уровень фонового загрязнения, скорее всего, 3-я фаза отсутствует либо растягивается на довольно продолжительный период.
Вновь поступающие загрязняющие соединения вызывают серьезные нарушения в функционировании всех водных биоценозов, при этом выпадают отдельные звенья в трофической цепи, нарушается целостность экосистемы, накапливаются продукты трансформации или промежуточные соединения незавершенных природных циклов круговорота вещества. В итоге разбалансированного преобразования поступающих в избытке разнообразных соединений и веществ происходит вторичное загрязнение природных вод, нарушение биологического равновесия в водных экосистемах.
Вопреки существующему мнению, при мощном потоке поступающих в водоемы разнообразных аллохтонных веществ и биогенных элементов интенсивное развитие обитателей толщи воды (фитопланктона, зоопланктона, гетеротрофных микробных сообществ) и макрофитов (водной растительности) приводит не к самоочищению водных экосистем, а к их вторичному загрязнению [38, 40].
Вторичное загрязнение
Широкий круг разнообразных химических соединений, вызывающих первичное загрязнение, поступает в водоемы во время весенних и осенних паводков с территории водосбора с поверхностным и подземным стоком (пестициды, нефтепродукты, минеральные и органические удобрения).
Аллохтонные и автохтонные органические вещества, подвергаясь микробиологической деструкции и трансформации, аккумулируясь в живых организмах водоемов и вновь высвобождаясь при их отмирании, вызывают вторичное загрязнение. Источниками вторичного загрязнения могут стать:
продукты метаболизма сине-зеленых водорослей в период их массового развития;
растворенные и взвешенные органические соединения аллохтонного происхождения;
отмирающая биомасса гидробионтов, затопленная древесина;
разнообразные соединения и вещества, аккумулированные в донных отложениях.
Специфика вторичного загрязнения заключается в том, что невидимые и неконтролируемые процессы трансформации и биоаккумуляции органических соединений и токсичных веществ в конечном итоге приводят к реальным последствиям – изменению качества природных вод, нарушению кислородного режима, смене видового разнообразия гидробиоценозов.
Следует отметить, что факт вторичного загрязнения связан с функционированием самой водной экосистемы в пространственно – временных границах. В процесс вторичного загрязнения вовлекаются как автохтонные органические соединения, образующиеся непосредственно в самом водоеме, так и аллохтонные вещества природного и антропогенного происхождения, поступающие извне.
Суммарное воздействие первичного и вторичного загрязнения на общее экологическое состояние водной экосистемы можно выразить в виде схемы (рис. 1).
Рис. 1. Общая схема первичного и вторичного загрязнения водных экосистем [41]
Наиболее яркое проявление вторичного загрязнения водоемов наблюдается в период массового “цветения” водорослей.
Развитию водорослей и многочисленных групп микроорганизмов, участвующих в круговороте веществ, способствует загрязнение водоемов органическими и минеральными соединениями, в том числе биогенными элементами (азот, фосфор, калий).
Интенсивное развитие водорослей и макрофитов является результатом нарушения экологического равновесия в водных экосистемах под влиянием антропогенных факторов (Сиренко, Козицкая,1988). Между тем “цветение” водорослей как следствие первичного загрязнения, приводит ко вторичному загрязнению внеклеточными и внутриклеточными органическими веществами, поступающими прижизненно в форме продуктов жизнедеятельности, а также при деструкции водорослевой биомассы после их отмирания.
Обе группы соединений становятся факторами экологического риска, так как обладают высокой биологической активностью, проявляя аллергенные, мутагенные, канцерогенные, антигормональные, бактериоцидные и другие свойства.
Микробиологическое разложение прижизненных выделений и биомассы водорослей происходит в ходе минерализации и различных типов брожения (молочно-кислое, спиртовое, ацето-бутиловое, маслянокислое и др.) и приводит к накоплению в водоемах разнообразных органических соединений (кислот, спиртов, ацетона и др.), ухудшающих качество природных вод.
Высокомолекулярные полисахариды водорослей тормозят и снижают эффективность удаления примесей при очистке воды, а также задерживают удаление из нее низкомолекулярных метаболитов. Кроме того, белки, полипептиды и углеводы водорослей принимают участие в комплексовании тяжелых металлов, снижая их подвижность и способствуя аккумуляции в донных отложениях. Запахи и привкусы, появляющиеся в период “цветения”, при использовании обычной технологической схемы очистки воды не устраняются [35, 41].
Таким образом, токсичные продукты, накапливающиеся в водоемах во время “цветения” и после отмирания водорослей, относятся к важным факторам вторичного загрязнения, влияющего не только на качество воды, но и на функционирование всех звеньев трофической цепи водной экосистемы.
Биоаккумуляция
Первичное и вторичное загрязнения природных вод различаются по характеру и продолжительности воздействия. При первичном загрязнении высокими концентрациями токсичных соединений ответная реакция гидробионтов может быть мгновенной в виде летального исхода, в зависимости от уровня организации и устойчивости к токсичным веществам.
Менее очевиден токсикологический эффект от хронического загрязнения низкими концентрациями ядовитых веществ, которые могут накапливаться в отдельных звеньях трофической цепи или аккумулироваться в донных отложениях.
Можно привести примеры накопления, или биоаккумуляции, токсичных веществ водными организмами [35, 41].
Например, токсичные продукты, входящие в состав смазочных масел и сырой нефти, быстро накапливаются фитопланктоном и зообентосом (обитателями дна), составляющими кормовую базу многих видов рыб. Из пищевого тракта рыбы они быстро проникают в ее жировые ткани и внутренние органы. Снижение уровня нефтяного загрязнения в придонных сообществах не наблюдается в течение 3–4 лет за счет сложных внутриводоемных процессов, в которые вовлекается нефть (рис. 2).
Рис. 2. Схема загрязнения водных экосистем нефтью [41]
При содержании в воде 4 мг/л нефтепродуктов в кожных покровах рыбы их обнаружено 17,5 мкг, в мышцах – 5,2 мкг, в кишечнике – 9,5 мкг на один грамм веса рыбы. Уже при содержании нефтепродуктов в воде 0,1 мг/л рыба становится непригодной в пищу из-за неприятного привкуса и запаха. При передаче углеводородов по трофической цепи запах может не сохраняться, однако опасность для человека усиливается, так как в ходе преобразования отдельных углеводородов образуются и накапливаются канцерогенные соединения.
Концентрация пестицида ДДТ 0,1 – 0,2 мг/л не оказывает отрицательного влияния на качество воды по ее гидрохимическим показателям. Однако анализ донных отложений и биообъектов позволил обнаружить значительное превышение ПДК по ДДТ [35, 41]:
в фито- и зоопланктоне в 2180 раз;
иловых отложениях в 40 раз;
печени рыбы в 500 раз.
В живых рыбах ДДТ обнаруживался во многих органах: жабрах – 5,8 мг, почках – 5,1 мг, печени – 4,1 мг, жировых отложениях – 3,7 мг, мышцах – 0,9 мг на кг веса рыбы.
Вторичное загрязнение может проявляться в виде эффекта последействия. Так, было установлено, что хлорорганические пестициды (ДДТ, гексахлоран, ландрин) при низких концентрациях в воде могут не оказывать влияния на производителей лососевых и развитие икры, однако при переходе на активное питание личинок наблюдается их полная гибель. Хотя лосось холоднокровная рыба, при накоплении пестицидов она гибнет при снижении температуры. В свое время в р. Миссисипи гибель американского сома в зимнее время была обусловлена воздействием хлорзамещенных инсектицидов.
Следует отметить, что токсичные хлорированные производные фенолов могут поступать в водоемы несколькими путями[35, 41]:
со сточными водами целлюлозно-бумажной промышленности;
накапливаться в процессе микробиологической трансформации хлорсодержащих пестицидов;
образовываться при взаимодействии гиперхлорированных бытовых сточных вод с ароматическими соединениями, содержащимися в природных водах и в сточных водах промышленных и транспортных предприятий.
В первом случае хлорфенолы являются причиной первичного загрязнения, а во втором и третьем – вызывают вторичное загрязнение водных экосистем.
Однако, независимо от происхождения, они способны накапливаться в гидробионтах, приводя к их интоксикации. Хлорированные фенолы влияют на развитие перифитона, сине-зеленых и зеленых водорослей, вызывают гибель ракообразных и патофизиологические нарушения у рыбы: увеличение размеров печени, нарушение углеводного обмена, замедление роста половых желез.
Микроорганизмы могут выполнять двойную роль в водоемах.
Участвуя в деструкции полисахаридов, углеводов, белков, пептидов, органических кислот и аминокислот, выделяемых прижизненно и в ходе отмирания живых организмов (фито- и зоопланктона, водорослей, макрофитов и др.), они осуществляют процессы самоочищения водоемов.
С другой стороны, микроорганизмы способствуют вторичному загрязнению, за счет накопления собственных метаболитов и биомассы, промежуточных продуктов деструкции и трансформации автохтонных и аллохтонных органических веществ.
Некоторые соединения, не представляя на первый взгляд токсикологической опасности, при изменении условий окружающей среды (температура, рН, концентрация кислорода) способны превратиться в ходе биоконверсии в токсичные продукты.
Донные отложения
Донные отложения являются составной частью водной экосистемы и находятся в непрерывной взаимосвязи с водной толщей. В системе вода – дно ведущую связующую роль играют микробные сообщества. В донных отложениях протекают многочисленные микробиологические процессы при участии самых разнообразных физиологических групп микроорганизмов, порой совершенно не схожие с процессами, происходящими в толще воды. Особенно высокая численность бактерий, осуществляющих превращения биогенных элементов в водоемах, отмечается в верхнем слое донных отложений.
Вторичное загрязнение воды фосфатами может происходить при участии донных микроорганизмов, образующих зоны растворения меловых отложений и трикальций фосфата. В илах обнаруживаются фосфоррастворяющие бактерии. Наличие этой группы микроорганизмов в поверхностных илах указывает на интенсивность обмена фосфора между придонным слоем воды и грунтами.
Известно, что только на дне водоемов происходят процессы с образованием метана, сбраживание растительных остатков, главным образом целлюлозы и свободных углеводов, до ароматических кислот. Здесь встречаются бактерии, окисляющие метан и водород, анаэробные фиксаторы азота, возбудители практически всех известных типов брожения.
В донных отложениях осуществляется довольно сложный процесс азотфиксации при участии возбудителей масляно-кислого брожения и сульфатвосстанавливающих бактерий.
Растительные остатки и отмерший фитопланктон подвергаются анаэробному распаду с образованием летучих жирных кислот: муравьиной, уксусной, пропионовой, масляной, валериановой и капроновой. Количество кислот и их доля в органическом веществе иловых отложений намного выше в евтрофированных водоемах, чем в мезотрофных и олиготрофных.
Специфика процессов разложения органических соединений, активно сорбирующихся в донных илах, определяется условиями аэрации:
в поверхностных слоях донных отложений при участии кислорода происходит окисление сложных легкодоступных органических соединений с образованием аммония, нитритов, нитратов, углекислого газа и воды. Заканчивается процесс минерализации нитрификацией;
в анаэробных условиях осуществляются восстановление, сбраживание органических соединений, сульфатредукция и метанообразование. Накапливаются различные токсичные вещества: меркаптаны, органические кислоты, спирты, альдегиды, сероводород, метилированные производные тяжелых металлов.
При трансформации растительных остатков, лигнинсодержащих субстратов, гуминовых соединений, некоторых пестицидов и нефтепродуктов образуются фенольные соединения различной степени токсичности.
Трудноминерализуемые растительные остатки, нерастворимые аллохтонные органические соединения, высокомолекулярные комплексные соединения, соли тяжелых металлов и радиоактивные элементы, находящиеся в донных осадках, включаются в сложные биогеохимические процессы водных экосистем.