В ацидных озёрах (pH < 5,4) присутствуют несколько видов водных растений, например, жёлтая кубышка (Nuphor luteum), водный мох – Sphagnum. Большинство погруженных растений (например, элодея) в таких условиях полностью отсутствуют. Состав фитопланктонного сообщества хорошо отражает кислотное состояние водоёмов, так как различные виды водорослей имеют разный pH оптимум. При ацидификации массово размножаются синезелёные водоросли, а количество зелёных – резко падает.

С увеличением кислотности в водоёмах уменьшается плотность зоопланктона. Особенно такая связь проявляется у Eudiaptomus, Daphnia. Снижается и количество бентосных организмов, однако, среди зообентоса могут быть виды, которые наоборот увеличивают свою плотность в кислых водах. Численность веснянок, ракушковых моллюсков снижается уже при pH ниже 6. Более толерантные к кислотности крупные личинки стрекоз, хирономид.

Раки очень чувствительны к ацидификации, которая может спровоцировать многие болезни, в частности, рачью чуму. Оплодотворение яиц самок в кислой воде очень низкое. pH 5,5 - 6,0 является критической для развития популяций раков в водоёмах.

Ацидификация в значительной степени влияет на состояние популяций рыб, обусловливает их высокую смертность, в частности, гольяна в мелких скандинавских реках из-за интоксикации микроэлементами. У карпов при низком pH наблюдается некроз жаберных лепестков. На отмерших участках поселяются сапрофитные микроорганизмы, что приводит к гибели рыб.

Одним из практических мероприятий, которое в современных условиях проводят для противодействия процессам ацидификации, является известкование. Эти работы широко проводятся в скандинавских странах. Известкование значительно улучшает качество воды и биологическое разнообразие планктона, зообентоса и сообщества рыб. Например, в результате известкования популяция широкопалого рака стала вновь воспроизводиться, возобновилось воспроизводство в популяции окуня.

11.4. Биологическое самоочищение водоёмов

Процесс самоочищения водоёмов создан самой природой. В нём принимают участие биологические, химические и физические факторы. К химическим и физическим факторам относятся испарение, адсорбция, диффузия, растворение. Гидробионты осуществляют минерализацию растворенных и взвешенных органических веществ, осаждают взвеси. В процессах переработки органических загрязняющих веществ принимают участие все группы водных организмов, но основную роль играют микроорганизмы. Скорость распада органических соединений зависит от температуры, наличия О2, концентрации органических веществ, условий перемешивания. Скорость потребления растворённых органических веществ зависит от физиологической активности микроорганизмов и от их массы.

97

Велика роль в процессах самоочистки вод простейших. Обмен веществ у них протекает интенсивно, они окисляют большое количество органического вещества, но основное участие простейших в процессах самоочищения осуществляется через потребление ими бактерий, органических взвесей и водорослей. Важно, что обеззараживают воду простейшие, потребляя патогенных бактерий.

Коловратки, низшие ракообразные, моллюски и другие гидробионты в процессе питания отфильтровывают взвеси, способствуют их коагуляции, осаждению. Непригодный в пищевом отношении материал в склеенном виде выбрасывается из полости тела гидробионта (псевдофекалии).

Роль водорослей в процессе самоочистки также велика. Выделяемый ими

входе фотосинтеза О2 ускоряет минерализацию органических веществ. А многие сине-зелёные и зелёные водоросли способны усваивать растворённые органические вещества. Заросли высших водных растений очищают воду от биогенных соединений. А выделяемые цветковыми растениями и водорослями бактерицидные вещества подавляют развитие патогенной микрофлоры. Водная растительность окисляет нефтепродукты, извлекает из воды соли тяжёлых металлов, радионуклиды. В результате деятельности гидробионтов радиоактивность воды через несколько суток падает до 5 - 10 % от исходной.

Все гидробионты в какой-то мере способны разрушать или обезвреживать различные токсические вещества. В одних случаях токсиканты используются

как источники пищи, в других – в качестве донаторов О2, в третьих, попадая в организм гидробионтов, токсиканты инактивируются в печени, а в результате концентрация токсикантов в водоёме снижается. В ещё большей степени уменьшается количество токсических веществ в воде вследствие их накопления

ворганизме.

11.5.Биологическая индикация загрязнения водоёмов

В1908 г. Кольквитц и Марссон создали систему биологического анализа качества вод. Анализ степени загрязнённости водоёмов органическими веществами – сапробности (sapros – разложение) основан на учёте видовой структуры сообщества, т. е. нахождения в нём тех или иных организмов с характерным экологическим обликом. По шкале Кольквитца и Марссона водоёмы в зависимости от степени загрязнения органическими веществами подразделяются на поли-, мезо- и олигосапробные.

Полисапробная зона: неразложившаяся органика, нет О2, присутствуют H2S, CO2, CH4, аммиак. Биохимические процессы носят восстановительный характер. Основа населения – сапрофиты. Видов немного, но биомасса большая за счёт огромного количества особей. Это бактерии (до многих сотен миллионов в 1 мл воды), бесцветные жгутиковые, грибы. Встречаются коловратки. В донных осадках в большом количестве обитают олигохеты из сем.Tubificidae и личинки мухи Eristalis tenax.

α-мезосапробная зона: нет неразложившейся органики, присутствует О2, аммиак и аминокислоты, амидокислоты. Население качественно бедно. Это

98

сапрофитные бактерии (до многих десятков миллионов в 1 мл воды), жгутиковые, грибы, инфузории, коловратки. В донных осадках олигохеты и личинки комара Chiromonus plumosus.

β-мезосапробная зона: преобладают окислительные процессы над восстановительными. Много О2. Присутствуют продукты минерализации органических веществ – аммонийные соединения, нитриты и нитраты. Есть аммиак и продукты его окисления – азотная и азотистая кислоты. Аминокислот уже нет. Следы H2S. Органическое вещество полностью окисляется. Население качественно разнообразно. Но количественно невелико, т. е. небольшая биомасса.

Олигосапробная зона: свободна от загрязнения, перенасыщена О2. Население наиболее разнообразно в видовом отношении, но количественно значительно беднее, чем в предыдущих зонах.

Каждой зоне свойственны специфические группы организмов. Различное отношение гидробионтов к степени загрязнения водоёма обусловливается двумя основными причинами: потребностью организма в органических веществах как в пище и степенью выносливости организмов, т. е. способностью их существовать в загрязнённых водах. Организмы, характерные для зон определённой сапробности, получили название индикаторов сапробности. Первые списки организмов-индикаторов были составлены Кольквитцем и Марссоном. Сейчас таких растений и животных превышает 2500 видов. Но поскольку один и тот же индикаторный организм может встречаться в двух или даже трех зонах сапробности, анализ загрязнения вод стал учитывать не только качественные, но и количественные оценки. Так, в 1955 г. Пантле и Бук предложили вычислять индекс сапрбности исходя из индикаторной значимости каждого вида в пробе и частоты их встречаемости. Индексы сапробности, вычисленные по Пантле и Буку, тесно коррелируют с величинами биохимического потребления кислорода (БПК), т. е. это достаточно корректный метод. Но ещё более совершенный метод биоиндикации – метод Зелинка и Марвана (1961). В этом методе применяется более детальная дифференцировка характерности организмов для той или иной зоны сапробности – по десятибалльной системе, а также учёт их численности на единицу пространства.

Однако шкала сапробности в её любых вариантах малопригодна для оценки уровня токсического загрязнения, наиболее важного в современных условиях. Известные же биологические способы анализа токсичности вод далеки от совершенства. В наиболее простой форме биоиндикация загрязнения сводится к сравнению видового богатства, разнообразия, численности и биомассы населения в загрязнённой и контрольной зонах. Для этого используют абсолютные величины перечисленных показателей или различные индексы, о которых мы говорили на предыдущих лекциях. Это индексы разнообразия, поскольку при увеличении степени загрязнения уменьшается видовое разнообразие.

Что касается токсичных загрязнений, то, пока промышленность не перейдёт на безотходную технологию и замкнутое водоснабжение, остаётся

99

лишь следить за тем, чтобы концентрация и величина сброса не превышала допустимые границы. Для этого разработаны научнообоснованные предельно допустимые концентрации (ПДК) для различных веществ, сбрасываемых в водоёмы. Имеется в виду медицинские ПДК, относящиеся к здоровью человека. Но разработаны ПДК для рыб и других гидробионтов и вообще для экосистем, так как их деградация влечёт изменения в биосфере как среде обитания человека. В качестве критерия токсичности выдвигается нормальное воспроизводство особей в нескольких поколениях без ухудшения качества потомства. В тех случаях, когда требуется дать быструю и приблизительную оценку токсичности, используют экспресс-метод, т. е. определяют выживаемость объектов (рыб, растений, беспозвоночных) в различных концентрациях испытуемых веществ в течение суток или нескольких дней. Полученные данные сравнивают с контролем; в качестве показателя выживаемости обычно принимают гибель 50 или 100 % испытуемых особей.

11.6. Гидробиологический мониторинг

Сущность гидробиологического мониторинга – периодическое долговременное наблюдение за водными экосистемами для оценки и прогноза состояния их, в обнаружении тенденций в изменении их в результате антропогенного воздействия. При этом важно знать реакцию на воздействие живых систем. Предпочтительным объектом гидробиологического мониторинга могут служить группы, входящие в состав сообществ на границе с другими средами (атмосферой, сушей), т. е. в экотоне, так как они отличаются видовым разнообразием, большой численностью и первыми сталкиваются с внешними воздействиями и чувствительнее реагируют на них.

Прогноз состояния водных экосистем и выявления тенденций в их получении важны для планирования эксплуатации водоёмов.

11.7. Методы биологической очистки сточных вод

Биологические методы очень эффективны для очистки бытовых и производственных стоков, содержащих органические вещества. Эти методы основаны на тех же процессах биохимического распада органического вещества, которые происходят в природе, т. е. используется деятельность различных групп организмов. При этом либо воспроизводят биохимический распад в почве (поля фильтрации, поля орошения, биофильтры, аэрофильтры), либо воспроизводят биохимический распад органических веществ в водной среде (биологические пруды, аэротенки, метантенки).

Очистка стоков на полях фильтрации и полях орошения осуществляется фильтрацией через почву за счёт деятельности её микробного населения. Толщина фильтрующего грунта 1,5-2,0 м. На полях орошения ещё и выращивают корнеплоды, травы, кукурузу. Урожайность их в 2-4 раза выше, чем на неорошаемых стоками землях. Почвенная фильтрация полностью освобождает воды от яиц гельминтов и на 98 – 99 % от бактерий.

100

Индустриальная очистка стоков происходит на биофильтрах, аэрофильтрах, аэротенках. Это резервуары, заполненные пористым субстратом, через который фильтруются стоки. Во всей толще воды и на субстрате развиваются микроорганизмы – бактерии и водоросли, нематоды, олигохеты, низшие ракообразные, личинки насекомых. В аэротенках вся толща воды постоянно аэрируется, поэтому самоочищение вод здесь протекает очень интенсивно. Взвеси, удаляемые из сточных вод, поступают в метантенки, содержащие много активного ила – скоплений организмов-редуцентов. Здесь в анаэробных условиях распад органических веществ сопровождается выделением биогаза (смеси СН4, Н, СО2, Н2S).

В настоящее время всё большее применение для очистки сточных вод находят аэрируемые пруды. Это пруды, куда по системе перфорированных шлангов от компрессора подаётся воздух. Самоочищение вод здесь протекает очень интенсивно. Сооружение аэрируемых прудов обходится на 70 %, а эксплуатация на 80 % дешевле комплекса аэротенка и отстойников.

Но радикальным решением проблемы очистки сточных вод может быть совершенствование технологии производства, в результате чего сокращаются потери различных соединений, создание на предприятиях замкнутого водоснабжения, создание сухих методов производства.

101