8.5. Загрязнение водоемов биогенами и эвтрофизация
Для понимания проблемы эвтрофизации необходимо различать два типа водной растительности: бентосную и фитопланктонную.
Бентосныерастения существуют, прикрепившись или укоренившись на дне. Бентосные растения способны нормально развиваться в бедной биогенами воде, поскольку все необходимые вещества (например, азот или фосфор) они получают из донных отложений, но сильно зависят от того, насколько проникает через толщу воды солнечный свет, необходимый для фотосинтеза. Слой воды от поверхности водоема до глубины, на которой еще возможен фотосинтез, называетсяэвфотической зоной. Глубина эвфотической зоны может достигать в очень чистой воде 100 – 200 м и уменьшаться до нескольких сантиметров, если вода очень мутная. Обычно эвфотическая зона простирается до глубин в 10 – 20 м.
Фитопланктонпредставляет собой множество видов водорослей, которые держатся вблизи поверхности воды, прямо на поверхности или частью в воде, частью над водой. Фитопланктон получает все необходимые для жизни биогены прямо из воды, поэтому недостаток биогенов в воде тормозит их развитие. Напротив, прозрачность воды мало сказывается на развитии фитопланктона, более того, именно фитопланктон часто сам является причиной помутнения воды, а поверхностные виды иногда могут поглощать практически весь свет, не пропуская его в глубинные слои.
В большинстве естественных водоемов в воде содержится весьма малое количество биогенов. Такие водоемы называются олиготрофными, т.е. бедные биогенами. Это ограничивает развитие фитопланктона, но позволяет хорошо развиваться бентосной растительности. Бентосные растения, в свою очередь, обеспечивают многим видам водных организмов укрытие и пищу, а также обогащают воду, в том числе и глубинные слои, кислородом, выделяющимся в процессе фотосинтеза.
Если в силу тех или иных причин в воде оказывается значительное количество биогенов, то это приводит к существенному изменению описанного выше равновесного состояния. Наличие биогенов в воде создает благоприятные условия для бурного развития фитопланктона. Для бентосных водорослей и связанных с ними многочисленных видов водных животных это имеет весьма отрицательные последствия. Резко уменьшается количество света, попадающего в глубинные слои, вследствие чего практически прекращается процесс фотосинтеза в бентосных растениях, что приводит к их гибели. Гибель бентосных растений, в свою очередь, приводит к обеднению глубинных слоев кислородом. В силу этого следом за исчезновением бентосных растений начинается гибель всех водных животных, жизненный цикл которых так или иначе связан с бентосными растениями. Хотя фитопланктон в процессе фотосинтеза также выделяет кислород, но обогащение кислородом воды происходит только в тонком приповерхностном слое. Приповерхностный слой воды при этом перенасыщается кислородом, который улетучивается с поверхности воды в атмосферу. В солнечный день часто можно наблюдать, как из скоплений нитчатых водорослей у поверхности воды всплывают пузырьки кислорода. Ситуация усугубляется еще и тем, что у фитопланктона очень короткий по сравнению с бентосными водорослями жизненный цикл. Постоянный быстрый рост, размножение и отмирание фитопланктона ведут к накоплению больших количеств детрита на дне водоемов. Это создает благоприятные условия для развития различных редуцентов в придонном слое, в основном бактерий. Эти бактерии потребляют в процессе дыхания кислород, еще более сокращая его содержание в глубинных слоях водоемов. Когда растворенного в воде кислорода не остается, бактерии способны поддерживать свою жизнедеятельность за счет анаэробного брожения, если детрит, которым они питаются, присутствует в достаточном количестве. Конвекционные потоки переносят продукты разложения бактериями детрита к поверхности, создавая еще более благоприятные условия для развития фитопланктона. Круг замыкается.
В результате происходит почти полная замена богатой в отношении видового многообразия экосистемы, основанной на бентосных водорослях, на более простую и бедную экосистему, основанную на фитопланктоне. При этом общий объем биомассы в новой системе может оказаться даже большим, чем в старой, за счет более высокой биопродуктивности фитопланктона по сравнению с бентосными водорослями. Однако видовое многообразие новой системы, а именно оно, как мы видели, является одним из необходимых условий стабильности экосистемы, значительно меньше, чем в старой. При этом могут исчезнуть в экосистеме многие ценные виды промысловых рыб; водоемы теряют свою привлекательность и не могут использоваться, например, в рекреационных целях; становится затруднительным или невозможным использование водоема в качестве источника питьевой воды, т.к. мельчайший фитопланктон забивает водоочистные фильтры и придает воде неприятные вкус и запах.
Обогащение
водоемов биогенами, стимулирующими
рост фитопланктона, называетсяэвтрофизацией.
В естественных условиях водоемы заполняются биогенами постепенно, т.е. эвтрофизация представляет собой составную часть естественной сукцессии. Деятельность человека значительно ускоряет этот процесс, сокращая его длительность с тысяч лет до нескольких десятилетий. Отметим еще и такую особенность антропогенной эвтрофизации. Обычно загрязнения связывают с поступлением в окружающую среду ядовитых веществ. В данном же случае загрязнение вызывается биогенами – веществами, считавшимися безвредными. Поэтому опасность насыщения тех или иных экосистем биогенами была осознана не сразу.
Основная причина эвтрофизации – наносыи поступление в водоемы больших количеств биогенов.
Источник всех наносов – почвенная эрозия. К уже рассмотренным нами выше причинам эрозии – выпахиванию, перевыпасу скота и сведению лесов – в данном случае еще можно добавить потери почвы и грунта со строительных площадок, карьеров, а также из-за неудачного размещения ливнестоков. Ежегодные потери почвы и грунта со стройплощадок сопоставимы с потерями в естественных условиях за 20000 – 40000 лет. Не меньше потери и при устройстве карьеров, когда обнажаются большие площади подпочвы. Неудачное расположение ливневых водотоков ускоряет овражную и береговую эрозию. Вымываемые почва и грунт уносятся поверхностным стоком и рано или поздно попадают в водоемы. Наносы приводят к снижению прозрачности воды, что затрудняет развитие бентосных водорослей, практически не сказываясь на развитии фитопланктона. Во-вторых, наносы вызывают обмеление водоемов и соответствующее увеличение площади их поверхности, что еще более смещает равновесие в пользу фитопланктона за счет бентосных водорослей. Наконец, наносы приводят к тому, что многие виды рыб и других водных животных лишаются своих мест укрытия и отдыха на дне водоемов, а бентосные водоросли не могут закрепиться на одном месте, поскольку дно представляет собой непрерывно движущийся слой ила, песка и других мелких частиц.
Наносы являются и основным поставщиком биогенов в водоемы. В основном это нитрат-, фосфат- и калий-ионы, входящие в состав частиц глины и гумуса (вспомните ионообменную емкость почвы).
Кроме наносов значительный вклад в поступление биогенов в водоемы дают:
удобрения, вымываемые с полей, газонов, садов и т.п.;
отходы животноводства, смываемые с пастбищ, ферм, конюшен и других мест скопления домашних животных;
смываемые из городов и пригородов отходы домашних животных (отметим, что плотность домашних животных в городах примерно в 100 раз выше, чем в диких популяциях видов таких же размеров);
экскременты человека (системы очистки канализационных стоков в большинстве городов не предусматривают очистки их от биогенов, и последние поступают в водоемы вместе с очищенной водой, а плотность населения в городах, по меньшей мере, в 1000 раз выше, чем у диких животных сходного размера в естественных условиях);
фосфатсодержащие детергенты (синтетические поверхностно-активные вещества), на долю которых приходится до 60 % фосфорсодержащих веществ в сточных водах (еще 30 % дают человеческие экскременты), вытеснившие обычное мыло в связи с широким распространением стиральных машин, а также поступающие в водоемы с промышленными стоками (флотационное обогащение руд, разделение продуктов химических технологий, бурение нефтяных и газовых скважин и др.);
кислотные осадки (см. раздел 8.7.2), на долю которых приходится в некоторых районах до 25 % поступающего в водоемы азота (в основном в форме NO3–).
Как мы видим, большое количество биогенов, поступающих в водоемы, обусловлено поверхностным стоком, о пагубности которого для водных экосистем мы уже говорили.
Опасность эвтрофизации значительно увеличивается из-за уничтожения болот, о котором также уже говорилось выше. Болота являются естественными фильтрами для биогенов, удерживая их и не пропуская в другие водоемы (именно поэтому болота и обладают такой большой биопродуктивностью). Кроме того, прибрежные болота частично гасят волны, предотвращая возникновение турбулентностей, взмучивающих воду и снижающих ее прозрачность.
Существует два основных подхода к борьбе с эвтрофизацией. Первый заключается в устранении симптомов, связанных с эвтрофизацией. На этом пути чаще всего используется химическая обработка воды (например, медным купоросом). Однако фитопланктон (особенно наиболее "агрессивные" сине-зеленые водоросли) относится к одним из самых устойчивых к ядам водных организмов и поэтому погибает при такой обработке последним, а по завершении обработки и очистки от ядохимикатов первым же возрождается, а ядохимикатов с избирательным действием до сих пор не разработано.
Поскольку эвтрофизация сопряжена с обеднением воды кислородом, к достаточно хорошим результатам (особенно для предотвращения заморов рыбы) приводит аэрация, т.е. искусственное насыщение водоемов кислородом с помощью различных механических систем подачи воздуха. Однако, будучи эффективным в аквариумах, бассейнах или небольших водоемах, такой способ борьбы с последствиями эвтрофизации весьма дорог и экономически невыгоден.
Иногда используют и сбор водорослей (вручную или с помощью простейших технических средств), уничтожая их затем или получая из них неплохое органическое удобрение. Однако очевидно, что подобный метод применим только для относительно небольших водоемов.
Более перспективным является второй подход, основанный на устранении причин эвтрофизации. Прежде всего, это устранение (или существенное снижение) поступления биогенов в водоемы за счет эрозии. О борьбе с эрозией мы уже говорили. Здесь же только отметим, что наряду с сохранением почв борьба с эрозией позволит сохранить и водные экосистемы. Во-вторых, это снижение доли поверхностного стока до естественных значений, о чем уже также говорилось выше. Наконец, это совершенствование систем очистки канализационных вод, заключающееся не только в удалении или нейтрализации ядовитых веществ или болезнетворных микроорганизмов, но и в очистке их от большого количества биогенов.