30

Тема 6. Біогенне забруднення вод в умовах інтенсифікації аграрного виробництва

ПЛАН

1. ПРИТОК ПОЖИВНИХ РЕЧОВИН ЯК ЧИННИК ЗМІНИ ЕКОЛОГІЧНОЇ РІВНОВАГИ У ВОДОЙМИЩАХ. МОЖЛИВОСТІ ВИЗНАЧЕННЯ БІОГЕННОГО НАВАНТАЖЕННЯ

2. ЕКОЛОГІЧНІ І САНІТАРНО-ГІГІЄНІЧНІ НАСЛІДКИ ЕВТРОФУВАННЯ ВОД

3. СІЛЬСЬКОГОСПОДАРСЬКІ ДЖЕРЕЛА БІОГЕННОГО НАВАНТАЖЕННЯ

4 ЗНИЖЕННЯ БІОГЕННОГО НАВАНТАЖЕННЯ З ДОПОМОГОЮ

ПРОТИЕРОЗІЙНИХ ІНЖЕНЕРНО-БІОЛОГІЧНИХ СИСТЕМ

1. Приток поживних речовин як чинник зміни

ЕКОЛОГІЧНОЇ РІВНОВАГИ У ВОДОЙМИЩАХ. МОЖЛИВОСТІ

ВИЗНАЧЕННЯ БІОГЕННОГО НАВАНТАЖЕННЯ

Інтенсифікація сільськогосподарського виробництва істотно міняє господарсько-біологічний круговорот речовин, що нерідко приводить до загострення екологічних проблем, пов'язаних з функціонуванням агро-екосистем, зокрема обумовлених станом поверхневих і підземних вод, які не тільки забруднюються токсичними речовинами, але і знаходяться під впливом процесів посиленого евтрофування (від греч. еutrophe – огрядність, жирність, посилене живлення). Будучи чинником-учасником в процесах евтрофування, сільське господарство може опинитися в украй неблагополучній ситуації при водозабезпеченні населених територій, тваринницьких комплексів і зрошуваних масивів.

Під евтрофуванням нерідко розуміють збагачення вод поживними речовинами, що викликає масовий розвиток водоростей. Проте це всього лише видима частина складного природно-антропогенного процесу, в якому превалюють природні процеси, а дія людини грає роль могутнього каталізатора. Таким чином, евтрофування (евтрофікація, евтрофія) вод – це підвищення біологічної продуктивності водних об'єктів в результаті накопичення у воді біогенних елементів під впливом антропогенних або природних чинників.(Деколи використовують також термін «евторфізація»)

Евтрофування водоймищ як за кордоном, так і в нашій країні інтенсивно вивчалося в період Міжнародного десятиліття водних проблем (1980 – 1990рр.). Початковим етапом процесу евтрофування визнано надмірне надходження біогенних елементів у водотоки і водоймища. Проте цей процес не обмежується поверхневими водами, тому останніми роками термін «евтрофування» застосовують і для характеристики стану підземних вод, а також забруднення зон морів і Світового океану.

У геологічних масштабах часу водоймища поступово збагачуються біогенами і заповнюються наносами, що поступають з суші, тобто евтрофування – складова частина природного процесу. Як підкреслюють деякі дослідники, по своїй суті – це природний процес «старіння» водоймищ, що виявляється в підвищеній продукції органічної речовини Проте господарська діяльність людини значно прискорює процес евтрофування: за декілька десятиліть антропогенний чинник евтрофування привів до змін, які в природному ритмі відбулися б у водоймищах за десятки тисяч років. Цьому сприяло будівництво каскадів ГЕС і водосховищ, рекреаційні заходи, судноплавство, скидання промислових, комунально-побутових і тваринницьких стічних вод, зливові стоки і т. д.

Найшвидше процес антропогенного евтрофування розвивається у водоймищах, площі водозборів яких освоюються сільськогосподарським виробництвом. Чинники інтенсифікації рослинництва і тваринництва (механізація, меліорація і особливо хімізація і промислове виробництво) стали могутнім прискорювачем процесу евтрофування вод.

Основною складовою біосфери є органогени (водень, вуглець і кисень), які зв'язані між собою біологічними і геологічними циклами; повсюдне розповсюдження цих елементів не може обмежувати розвиток як біосфери в цілому, так і її квазіприродних (майже природних) одиниць – агроекосистем. Елементи, що також необхідні для життєдіяльності організмів, об'єднані в групу біогенних (біофільних), найважливіші з яких – азот, фосфор, калій, кальцій, натрій, сірка, магній і ін. Нестача біогенів знижує родючість грунтів і стає причиною порушення нормального функціонування агроекосистеми.

В той же час біогени, беручи участь в різних геохімічних і біохімічних циклах, поступають у водні об'єкти, причому найбільш значущі для біологічної наземної продуктивності (фосфор, азот, калій) стають в них лімітуючими, тобто набувають обмежуючих властивостей, що особливо важливо для водних ресурсів, використовуваних для водопостачання населення, тваринницьких ферм, рибництва і т.д.

Результати проведених досліджень показали, що зміна стану вод обумовлена не тільки зовнішнім надходженням в них біогенних елементів, але і внутрішніми процесами, викликаними зміною екологічної рівноваги у водоймищі. Порушення рівноваги веде до дисбалансу між рівнями первинної і вторинної біологічної продуктивності. Відбувається накопичення автотрофних гідробіонтів, в результаті якого у водоймищі продукується в десятки і сотні разів більше органічної речовини, ніж потрапляє унаслідок господарської діяльності. Таким чином, антропогенне надходження біогенів – це етап в розвитку евтрофування водоймищ, до якого надалі підключаються внутрішні біологічні процеси, що ведуть до інтенсивного накопичення органічних речовин у воді, тобто до самозабруднення.

Вивчення і опис екологічних процесів, що відбуваються усередині водоймищ, дозволили розробити ряд моделей евтрофування озер і водосховищ при різних шляхах надходження біогенів. У одних водоймищах (і таких більшість) основною причиною евтрофування є надходження біогенів з водозбірної площі (зовнішнє біогенне навантаження), в інших – виділення їх з донних відкладень (внутрішнє біогенне навантаження).

Явною ознакою евтрофування як процесу порушення екологічної рівноваги водоймища слід вважати зміну співвідношення між двома життєвими формами водних рослин: бентосною і фітопланктонню.

Бентосні (від греч. benthos – глибина) рослини розвиваються, прикріпляються або укорінюються на дні; це занурена водна рослинність, яка одержує необхідні елементи з донних відкладень і з води, що сприяє самоочищенню водоймища.

Основна умова стійкого фотосинтезу бентосних рослин – проникнення крізь товщу води достатньої кількості світла, що знаходиться в прямій залежності від другої життєвої форми рослин водоймища – фітопланктону (від греч. phyto –рослина і planktos – блукаючий), який представлений безліччю видів водоростей (окремі клітини, їхні скупчення, або «нитки», які тримаються або на поверхні води, або поблизу від неї) При високій чисельності фітопланктону вода стає каламутною, а її колір темно-зеленим (цвітіння води), в результаті поглинається практично все сонячне світло і бентосні рослини можуть розвиватися тільки на мілководді, коли частина їх виступає над поверхнею води. При цьому глибоководні частини водоймищ позбавляються надходження розчиненого кисню.

Особливістю фітопланктону є поглинання біогенів з води. Кисень, що виділяється ними в процесі фотосинтезу, перенасичує верхній шар води і випаровується з її поверхні в атмосферу. Озера, схильні до евтрофування, іноді називають мертвими, але з біологічної точки зору це неправильно, оскільки загальна біопродуктивність фітопланктону може значно перевищувати аналогічний показник бентосної рослинності. Планктоном іноді харчуються крупні популяції деяких риб, що уникають глибоких, збіднених киснем шарів води.

Наступним процесом порушення рівноваги у водоймищі є відмирання фітопланктону, що веде до накопичення на глибині величезної кількості детриту. Як частина органічної речовини, що найлегше мінералізується, він служить джерелом живлення і енергії для мікроорганізмів. Редуценти, що харчуються детритом, в основному бактерії, як і інші мешканці водоймища, споживають в процесі дихання кисень, скорочуючи таким чином до критичного його вміст у воді, що проявляється як замор риб, що мешкають на глибині, і інших представників тваринного світу водоймища. Бактерії ж в таких умовах виживають, продовжуючи розкладання детриту на біогенні складові за рахунок анаеробного бродіння. Конвекційні потоки повертають біогени до поверхні, що забезпечує постійне внутрішнє джерело живлення фітопланктону. Ослаблення процесу наростаючого евтрофування відбувається при різкому скороченні надходження біогенів ззовні і зниженні температури до рівня, що не досягає оптимального для переважаючих видів водоростей. Так, встановлено, що при

середній температурі води нижче 11 °С її цвітіння маловірогідне. Тому недивно, що у водосховищах Дону і Дніпра відбувається інтенсивне евтрофування: тут квітне близько 90% акваторії; у Волжському каскаді цей процес також супроводжується інтенсивним цвітінням, охоплюючи понад 70% акваторії Волги, а в сибірських водосховищах, які також схильні до процесів евтрофування, цвітіння стримується нижчими температурами води.

Аналіз існуючих підходів до визначення винесення біогенних речовин у водні об'єкти показує, що існуючі моделі не можуть бути використані для прогнозування і оптимізації біогенного забруднення вод на етапі проектування, оскільки для цих цілей необхідні загальні дані про екологічний стан систем, що вивчаються, які одержуються на основі укрупнених показників як в просторі, так і в часі (місяць, сезон, рік). Розрахунки грунтуються на великому числі даних (початкова концентрація речовини в стоці, інтенсивність поверхневого стоку, концентрація речовини в потоці, кількість біогенних речовин в орному шарі грунту, шар поверхневого стоку за розрахунковий інтервал часу, глибина орного шару і його активної зони, повна вологоємкість грунту і т. д.).

Для орієнтовної оцінки поверхневого зносу і винесення біогенних речовин з грунту рекомендується агрохімічний підхід, заснований на залежності їхніх втрат від процесів вимивання і вилуговування, а також від винесення з урожаєм.