91

5 Возможности биосистем для поддержания устойчивости в условиях загрязнения

Возможности самоочищения экосистем. Взаимодействие токсиканта и организма.

5.1Возможности самоочищения экосистем

Вгл. 3 был рассмотрен вопрос устойчивости экосистем к возмущающим внешним воздействиям и произошло знакомство с некоторыми механизмами поддержания этой устойчивости. Согласно закону Ле Шателье – Брауна, при воздействиях на систему в ней развиваются процессы, стремящиеся ослабить внешнее негативное влияние, это положение в данном случае применимо и к экосистемам, стремящимся сохранить свой гомеостаз.

Что касается взаимодействия с химическими соединениями – ксенобиотиками, чуждыми природной среде, то в процессе трансформации могут происходить как позитивные, так и негативные изменения в экосистемах. И в этом есть одна из опасностей воздействия антропогенного фактора. Механизмы трансформации экосистемы часто не готовы к реализации механизмов устойчивости в данных условиях.

92

света и способности реагирующего вещества его поглощать. Ненасыщенные ароматические соединения, например полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), чувствительны к фотолизу и подвергаются такой трансформации. Известно, что солнечный свет инициирует химические реакции в нижней атмосфере. Согласно результатам исследования [37], пировиноградная кислота, которая повсеместно распространена в атмосферных водах (например, туманы и водные аэрозоли), может поглощать солнечный свет, чтобы генерировать высокореактивные радикалы через механизм передачи протонов. Механизм инициируется действием света и способствует созданию более тяжелых продуктов с 6–8 атомами углерода, имеющих более высокую химическую сложность, из которых, предположительно, формируются новые вторичные органические аэрозольные частицы. В данном случае рассмотрено отсутствие процессов самоочищения атмосферы. Образуются предшественники так называемого смога.

Взаимодействие хлора с молекулами озона под действием света. Хлор, попадающий в воздух даже в небольших количествах, может оказать заметное влияние на концентрацию озона в верхних слоях атмосферы. Основным источником хлора в атмосфере считаются фреоны – фтор- и фторхлоруглеводороды. Они используются не только в холодильных установках, но и в многочисленных бытовых аэрозольных баллонах с красками, лаками, инсектицидами. Молекулы фреонов отличаются стойкостью и способны без изменений переноситься с атмосферными массами на огромные расстояния. На высотах 15–25 км (зона максимального содержания озона в средних широтах) они подвергаются воздействию ультрафиолетовых лучей и распадаются с образованием атомарного хлора и кислорода.

Высвобождающиеся атомы хлора вновь реагируют с озоном, вызывая цепную реакцию. Прежде чем хлор окажется связанным с каким-либо другим элементом, например водородом, может произойти разрушение многих тысяч молекул озона.

· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·

Свет способен изменить результаты действия других процессов деградации веществ: гидролиза и окисления. В результате токсичность нового вещества может быть выше, чем у исходного агента. Например, в результате фотоокисле-

93

ния паратиона (применяется в качестве пестицида) в среде может образовываться параоксон, токсичность которого для млекопитающих существенно выше, чем у исходного вещества.

Фотохимические превращения в окружающей среде 2,4,5-трихлорфен- оксиуксусной кислоты, известного гербицида, может приводить к образованию не менее опасного вещества, родственного упоминавшемуся ТХДД.

Гидролиз. Вода, особенно при нагревании, быстро разрушает многие вещества. Эфирные связи, например в молекулах фосфорорганических соединений, высокочувствительны к действию воды, чем определяется умеренная стойкость этих соединений в окружающей среде. Скорость гидролиза также сильно зависит от кислотности воды.

Процессы элиминации физической природы (не связанные с разрушением)

Для этих процессов характерно изменение концентрации ксенобиотиков в регионе путем их перераспределения в компонентах среды.

К процессам элиминации относятся атмосферные явления:

1.Испарение и выпадение осадков. Загрязнитель с высоким давлением пара может легко испаряться из воды и почвы, а затем перемещаться в другие регионы с током воздуха. Это явление лежит в основе повсеместного распространения относительно летучих хлорорганических инсектицидов, таких как линдан или гексахлорбензол.

Оксиды азота и серы, находящиеся в атмосфере, быстро вымываются дождями и попадают на почву в виде слабых растворов азотной, азотистой, серной

исернистой кислот. Вблизи действующего вулкана (или работающего предприятия) кислотность дождевой воды может стать опасно высокой и подавить рост

иразвитие растений, водных и почвенных животных.

2.Перемещение с токами атмосферы. Атмосферные токи постоянно цир-

кулируют в пределах всей биосферы, перенося частицы пыли. Перемещение воздушных масс над поверхностью Земли определяется вращением планеты, неравномерностью нагрева ее поверхности солнцем, образованием зон пониженного и повышенного давления, рельефом. На разных высотах скорость, направление воздушных потоков сильно различаются. Мелкодисперсная пыль (1–10 мкм) длительно сохраняется в воздухе, более крупные пылевые частицы быстрее оседают на почву и в воду в месте образования. При этом, чем выше выброс, тем на большее расстояние рассеиваются ксенобиотики. Полициклические ароматические углеводороды, бензпирен и родственные ему соединения как естественного (главным образом вулканического), так и антропогенного происхождения активно

94

включаются в биосферный круговорот веществ, переходя из одной среды в другую. При этом, как правило, они связаны с твердыми частицами атмосферной пыли.

3.Сорбция веществ на взвешенных частицах в воде, с последующим оса-

ждением приводит к их элиминации из толщи воды, но накоплению в донных отложениях. Осаждение резко снижает биодоступность загрязнителя.

4.Движение грунтовых вод. Перераспределению водорастворимых веществ способствуют дожди и движение грунтовых вод. Например, распространенный гербицид (из группы пестицидов) атразин, используемый для защиты широколиственных растений в сельском и парковом хозяйстве США, повсеместно присутствует в поверхностных водах. По некоторым данным, до 92% исследованных водоемов США содержат этот пестицид. Поскольку вещество достаточно стойкое и легко растворимо в воде, оно мигрирует в грунтовые воды и там перемещается [32].

Процессы самоочищения в поверхностных водоемах

· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·

Под самоочищением поверхностных водоемов подразумевают

весь комплекс биологических, физических и химических процессов, которые обусловливают способность водоемов освобождаться от загрязнений, образовавшихся в результате распада аутохтонных (местных водных) организмов или загрязнений, вносимых со сточными водами.

· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·

Процесс самоочищения водоемов происходит благодаря следующим процессам:

1)разбавлению сточных вод водой водоема;

2)седиментации (или оседания) взвешенных нерастворенных веществ и яиц гельминтов;

3)использованию (поеданию) органических веществ зоопланктоном, рыбами;

4)химическим превращениям (окислительно-восстановительным, гидролизу и т. д.);

5)биохимическому окислению растворенных, в том числе коллоидных, органических веществ биоценозом микроорганизмов и др.

95

Окисление. Одним из наиболее мощных путей самоочищения водоемов является биохимическое окисление, направленное на уменьшение органического загрязнения воды. При поступлении в водоем вместе со сточными водами растворенных органических веществ природного и антропогенного происхождения вещества минерализуются благодаря жизнедеятельности сапротрофных водных микроорганизмов, фито- и зоопланктона. Процессы биохимического окисления завершаются нитрификацией с образованием конечных продуктов распада – нитратов, карбонатов, сульфатов и пр.

Важно то, что для биохимического окисления органических веществ необходимо присутствие в воде растворенного кислорода. Его запасы восстанавливаются благодаря диффузии из атмосферного воздуха, поэтому важна чистота водной поверхности, особенно в водоемах со слабовыраженным течением. В водоеме должен присутствовать также биоценоз водных сапрофитных аэробных микроорганизмов.

Известно, что в 1 м3 речной воды в летнее время содержится биоценоз микроорганизмов, общая поверхность которого равняется 5 м2. Кроме того, в состав водного биоценоза входят фито- и зоопланктон, различные виды рыб и других водных организмов.

Если в водоем сбрасывают незначительное количество неочищенных или недостаточно очищенных сточных вод (хозяйственно-бытовых или сточных вод животноводческих комплексов, предприятий пищевой промышленности и т. п.), начиная с места их выпуска, органические вещества подвергаются биохимическому расщеплению.

Установлено, что биоценозы микроорганизмов вдоль течения реки разграничиваются на зоны сапробности.

· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·

Под сапробностью подразумевают комплекс физиологических

свойств определенного организма, обусловливающий его способность развиваться в воде с тем или иным содержанием органических веществ.

· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·

Если сточные воды сбрасывать в небольшие реки, то они почти по всей длине, а большие реки на расстоянии до 60 км фактически выполняют функцию очистного сооружения. В таком сооружении биохимические процессы протекают в определенной последовательности: на участке выпуска биохимические процессы выполняют микроорганизмы, характерные для полисапробной, затем

96

α-мезосапробной, β-мезосапробной, олигосапробной и, наконец, катаробной зонам. Две последние зоны характеризуются отсутствием загрязнения.

Зоне активной деятельности полисапробных микроорганизмов в водоеме свойственно значительное содержание нестойких органических веществ (белков, жиров, углеводов) и продуктов анаэробного распада (сероводород и другие газы). В α-мезосапробной зоне начинается распад органических веществ с образованием аммиака. В воде содержится много свободной углекислоты, в малых количествах – кислорода. В воде и донных отложениях протекают окислительновосстановительные процессы. Развиваются микроорганизмы, обладающие значительной стойкостью к недостатку кислорода и большому содержанию угольной кислоты. В β-мезосапробной зоне водоемов почти отсутствуют нестойкие органические вещества, которые полностью минерализовались. Концентрация кислорода и углекислоты на таком участке значительно колеблется в течение суток. Днем кислород может перенасыщать воду, углекислота исчезает почти полностью. Ночью же в воде наблюдается дефицит кислорода.

Олигосапробная зона характерна для практически чистых водоемов, где содержится незначительное количество нестойких органических веществ и продуктов их минерализации. Наконец, катаробная зона свойственна чистым водоемам с их микро- и макронаселением (флорой, фауной), аэробными окислительными процессами и незначительным количеством микроорганизмов, свойственных воде водоема [72].

В процессе самоочищения водоемов не только окисляются органические вещества, но и отмирают патогенные, условно патогенные и сапрофитные для кожи и слизистых оболочек человека микроорганизмы. Они гибнут вследствие уменьшения в воде питательных веществ, действия солнечных лучей, конкурентных взаимоотношений с водной микрофлорой, бактерицидного действия антибиотических веществ, выделяемых грибами и другими водными сапрофитами, и т. д.

Весьма ограничена способность водоемов самостоятельно освобождаться от токсических химических веществ, поступающих в них, главным образом, со сточными водами промышленных предприятий. Применительно к таким стойким загрязнителям, как тяжелые металлы, пестициды, другие хлорорганические соединения, способность водоема к самоочищению ограничивается процессами разбавления, сорбции на взвешенных веществах и активном иле с дальнейшей седиментацией и накоплением в донных отложениях. Некоторые экзогенные химические вещества разрушаются в воде водоемов под действием солнечных