РАЗДЕЛ V. АНТРОПОГЕННОЕ ВЛИЯНИЕ НА ВОДНЫЕ ЭКОСИСТЕМЫ

Глава 20. Органическое загрязнение

20.1. ОрганиЧ-еские вещества и их круговорот в водных экосистемах

Одним из важнейших компонентов водной среды, определяю­

щих ее экологическое качество, является наличие в воде органи­

ческих загрязнений.

В процессе жизнедеятельности гидробианты выделяют в воду белки, аминокислоты, углеводы, мочевину, пурины, фосфаты,

аммонийные соединения и т. д. Фактически, в водной среде содер­

жатся все те органические вещества, из которых построено тело

растений и животных. Кроме того, органические вещества посту­ пают в водные объекты с атмосферными осадками, с поверхност­ ным стоком, формирующимся на больших площадях суши, из

болот, торфяников, орошаемых земель, промытленных и ком­

мунально-бытовых предприятий. Все эти стоки привносят зна­

чительное количество разнообразных по своей структуре и хими­ ческому составу органических веществ. Попроисхождению орга­

нические вещества делятся на аллохтон.н.ые, поступающие с

площади водосбора, и автохтон.н.ые, образующиеся в самой вод­ ной экосистеме. Наибольшую массу органического вещества соз­

дают фитопланктон и макрофиты в процессе фотосинтеза.

Значительную часть автохтоннаго органического вещества

составляет детрит, или мертвое органическое вещество, образу­

ющееся в результате разложения органических остатков расти­

тельного и животного происхождения. В нем содержится также 4-5 % бактерий. К растворенному автохтонному органическому

веществу относятся также продукты жизнедеятельности водных

организмов, в частности аминокислоты, органические кислоты,

мочевина и другие.

С водосборной площади могут поступать вещества, вымывае­ мые из лесного перегноя, торфяников, заболоченных мест, чер­

ноземных почв и т. п.- гуммновые и фульвокислоты, сложные

углеводы, свободные аминокислоты, амины, белковоподобные

вещества.

Органические вещества природных вод - это сложные высоко­ молекулярные соединения типа белков, полисахаридов, неиасы­

щенных жирных кислот, аминов и других, находящиеся в раст-

Основы гидраэкологии

воренном, взвешенном или дисперсном состоянии. Большинство из них являются субстратом для массового развития бактериаль­

ного населения водных экосистем.

Гуминовые и фульвакислоты придают воде специфическую ок­

раску. Фульвокислоты относятся к высокомолекулярным соеди­

нениям ароматического ряда, они растворимы в воде и легко вы­

мываются грунтовыми водами. Гуминовые кислоты труднораст­ воримы в воде, характеризуются более высоким по сравнению с

фульвакислотами содержанием углерода и азота. Воды с высоким

содержанием этих кислот имеют бурый или черный цвет.

В водах морей и океанов основную массу органических ве­

ществ составляют растворенные и коллоидные формы, которые

могут проникать через фильтры с диаметром пор 0,45-1 мкм. Ор­

ганические вещества континентальных вод в растворенном состо­

янии имеют размер частиц до 0,001 мкм, в коллоидном - 0,001-0,1 мкм, а частицы величиной до 150-200 мкм относятся

ко взвешенным веществам.

Для Мирового океана общее количество всего органического ве­

щества (живых и мертвых составляющих) оценивается в 2-4·1 012 т

углерода; 75% приходится на легкоусвояемые формы и 25%- на трудно растворимые соединения (в основном, водный гумус).

В морских экасистемах наибольшее количество органического вещества (30-40 %) синтезируется фитопланктоном. С речным

стоком в Мировой океан выносится около 6·1 08 т растворенного ор­

ганического вещества в год. Оседая на дно морей и океанов, отмер­

шие организмы и прочие органические вещества образуют огром­

ные залежи органической массы, оцениваемые в 3·109 т углерода.

Важнейшим внутриводоемным процессом образования орга­

нического вещества, с которым связано и самозагрязнение водое­

мов, является фотосинтез фитопланктона, фитабентоса и высшей водной растительности. Считается, что в пределах всего Мирово­

го океана вклад водорослей в образование органического вещест­

ва в 10 раз больший, чем всех остальных групп организмов, не считая бактерий. Последним принадлежит исключительно важ­

ная роль не только в разложении, но и в образовании органичес­

кого вещества. В процессе функционирования водных экасистем

значительная часть растворенного и взвешенного органического

вещества аллохтоннога и автохтоннаго происхождения выносит­

ся со стоком воды и разлагается в процессе деструкции (минера­ лизации) (рис. 124).

Продукция и деструкция органического вещества характери­ зуют функциональное состояние водных экосистем. Уровень и

направленность продукционно-деструкционных процессов зави­

сят прежде всего от степени развития фитопланктона и условий

его вегетации. В морских и континентальных водоемах образова­

ние первичного органического вещества связано с жизнедеятель-

386

Раздел V. Антропогеюtое влияние на водные экасистемы

Донные отложения

Рис.124. Схема круговорота органического вещества в водных объектах.

ностью планктонных и донных водорослей, макрофитов и эпифи­

тов, составляющих автотрофное звено водных экосистем.

Синтезированное органическое вещество служит основой mpo·

фичес1еой пирамиды, по которой распределяются потоки энергии в

водных экосистемах. Именно органическое вещество автотрофных

организмов обеспечивает функционирование высших (следую­ щих) трофических уровней, биотичес1Сuй 1еруговорот веществ и nomo1e энергии в экосистемах. В конечном итоге формируется био·

логичес1еая проду1Сmuвностъ водных э1Сосистем. В зависимости от уровня первичной продукции их подразделяют на олиготроф·

ные (малопродуктивные), мезотрофные (среднепродуктивные), эвтрофные (высокопродуктивные) и гиперэвтрофные (чрезвы­

чайно продуктивные).

Первичная продукция органического вещества может быть

выражена в различных единицах: в граммах кислорода или угле­

рода на единицу площади водного зеркала (1 м2 , 1 га) или на еди­ ницу объема воды (1 м3); в джоулях или килоджоулях за единицу

времени (сутки, сезон, год). При переходе от одних единиц к дру­

гим принимается во внимание, что энергетический эквивалент

кислорода при окислении органических веществ смешанного со­

става равен 14,2 Джjмг 0 2, а также то, что в органическом веще­ стве содержится 41% углерода от общей массы-· 2,44 мг органи­

ческого вещества отвечает 1 мг углерода. При дыхательном коэф­

фициенте (COi02 ) 0,85 и ассимилирующем коэффициенте

387

Основыгидроэколоzии

(02/С02) 1,18 переходные коэффициенты имеют такие значения: 3,15 мг 02/мг С; 44,77 Джjмг С; 0,69 мг орг. веществаjмг 0 2 •

Органическое вещество в водной среде постоянно разлагается на более простые органические низкомолекулярные соединения,

которые, в свою очередь, вследствие жизнедеятельности микро­

организмов и в процессе химического окисления разлагаются до

воды, углерода, фосфора и азота. Синтезированное автотрофами

органическое вещество почти полностью разрушается гетеротро­

фами в реакциях биохимического окисления. Лишь незначитель­

ная часть его переходит из одного состояния в другое вследствие

химических реакций.

Активация вне организмеиных процессов распада может про­

исходить вследствие автолиза и разложения отмерших гидробион­

тов, что приводит к поступлению в воду высокоактивных соедине­

ний - ферментов, витаминов и даже целых блоков биологических

структур, содержащих в своем составе ферментные системы.

При высоком уровне насыщения воды кислородом разложение

органических веществ завершается образованием углекислоты и воды, а в анаэробных условиях - еще и образованием водорода и метана. В донных грунтах содержание кислорода бывает недоста­

точным, поэтому деструкция органических веществ протекает с

образованием метана, водорода, сероводорода и аммиака. Основная роль в разложении органического вещества в вод­

ных экоепетемах принадлежит гетеротрофным микроорганиз­

мам. В общей деструкции органического вещества, образуемого

фитопланктоном, на их долю приходится до 45-50 % в эвтроф­ ных водоемах и до 85 % - в олиготрофных. Они ассимилируют до 50-70% энергии органического вещества, из которой более 25% используется на биосинтез микробных клеток. В эвтрофных озе­ рах бактерии усваивают от 30 до 50% общего количества органи­ ческих веществ. Особенно интенсивно они утилизируют органи­

ческое вещество, образующееся в процессе фотосинтеза. Бакте­

рии используют до 26 % органических веществ макрофитов. Для функционирования водных экосистем большое значение

имеет соотношение первичной продукции органического вещест­ ва (А - assimilation), при которой энергия накапливается, и дест­

рукции (R - reduction), или суммарного дыхания гидробиантов

(respiration), в процессе которого происходит разложение органи­

ческого вещества и рассеивается энергия. Отношение А/R может быть больше или меньше единицы. При A~R и А/R~1 экасистема находится в сбалансированном состоянии. При А>R и А/R> 1 эка­ система характеризуется высоким биопродукционным потенциа­ лом (эвтрофная или гиперэвтрофная). В тех случаях, когда A<R и A/R<1, в системе преобладают деструкционные процессы.

Биопродукционный потенциал водных экасистем повышается

в процессе эвтрофикации.

388

Раадел V. Антропогенное влияние на водные экосисте.мы

20.2. Сапробнасть водных об-оектов

Степень загрязнения водных объектов органическими вещест­ вами определяет их сапробность (sapros - гниющий), а раздел гидроэкологии, изучающий такие загрязнения, называется сап· робиологией.

Разные водные организмы проявляют неодинаковую чувстви­

тельность к содержанию в воде органических веществ и продук­

тов их распада. Возможность приспособления гидробиантов к су­

ществованию в среде с разным уровнем органического загрязне­

ния предопределяется комnлексом физиолого-биохимических

процессов, протекающих в их организме. Гидробионты, живущие

в загрязненных органическими веществами водах и принимаю­

щие участие в процессах их разложения, называются сапробион­

тами, или сапротрофами. Они являются важным звеном в био­ логическом круговороте вещества и энергии. К этой группе орга­

ниамов относятся бактерии, актиномицеты, грибы, отдельные виды водорослей, способные усваивать органические вещества. Среди водных животных имеются организмы, питающиеся раст­

воренными органическими веществами, гниющими остатками,

экскрементами и способные жить в воде с невысоким содержани­ ем кислорода (например, олигохета трубочник обыкновенный -

Tublfex tublfex).

Видовая структура сообществ гидробиантов в зависимости от их

чувствительности к органическому загрязнению водоемов четко

выражена на биоценотическом уровне. Исходя из этого, в 1908 г.

немецкие исследователи К. Кольквитц и Р. Марссон предложили

оценивать интенсивность загрязнения вод органическими вещест­

вами по наличию в водоемах представителей отдельных таксоно­ мических групп гидробиантов разной степени гетеротрофпасти и

оксифильности - показательных организмов, или биоиндикато­

ров сапробности. Ими были заложены основы санитарно-биологи­

ческого анализа воды, или санитарной гидробиологии.

По степени загрязнения органическими веществами воды под­

разделяют на поли-, мезо- и олигосапробные, а гидробионты, жи­

вущие в них, называются поли-, мезо- и олигосапробами. Обитате­ лей особо чистых вод называют ~еатаробами, или ~еатаробионта­

ми, а особо грязных-- гиперсапробами. Эти организмы являются

показательными относительно соответс·rвующих условий сапроб­

ности, или биоиндикаторами.

Одним из основных показателей при оценке сапробиости вод­ ных объектов или их отдельных зон (табл.14) является количест­ венная характеристика наличия или отсутствия в воде свободно­ го кислорода. Чем больше степень загрязнения органическими

веществами, тем большее количество 0 2 используется на окисле­

ние, и тем меньше его остается в воде.

389

Осповыгидроэкологии

Таблица 14. ОсновНЪiе показатели сапробиости водНЪiх объектов

390

Раздел V. Аптропоzенное влияние на водные экасистемы

Степень сапробиости определяется прежде всего по видовому составу бактерио-, фито- и зоопланктона, бентоса и перифитона.

Полисапробные воды характеризуются наличием значитель­ ного количества белков, полипептидов, углеводов, а также лишь

следовыми концентрациями кислорода и накоплением в воде ди­

оксида углерода, сероводорода и метана. Для таких вод типич­ ным является восстановительный характер биохимических про­

цессов. Показатель биохимического потребления кислорода БСК5

в таких водах составляет около 40 мг 02/дм3 • В них живут преи­

мущественно гидробионты-полисапробы, выдерживающие высо­ кий уровень загрязнения, среди них - бактерии Thiopolycoccus

ruser и Sphaerotilus natans, серобактерии рода Beggiatoa, инфузо­ рии Paramecium putrinum, Vorticella putrina, жгутиковые Oico-

monas mutaЬilis, олигохеты TuЬifex tuЬifex, личинки мух Erista-

lis tenax.

водоемах, в которые спускаются хозяйственно-бытовые стоки и

сточные воды пищевых и других производственных предприя­

тий, перерабатывающих органические вещества. Количество ви­ дов гидробионтов, которые могут жить в таких водах, очень неве­ лико. Те же организмы, которые приспосабливаются к условиям полисапробности, развиваются массово, поскольку они имеют ог­

раниченный круг конкурентов. Полисапробы часто образуют сли­

зистые лопаетеобразные обрастания на твердых предметах. В по­ лисапробных водах в довольно значительном количестве может

встречаться кишечная палочка.

В мезосапробных водных объектах степень загрязнения менее выражена, отсутствуют белки, больше кислорода, значительно

меньше диоксида углерода и сероводорода. В то же время в воде

содержатся недоокисленные азотистые соединения, в частности

аммиак, амино- и амидокислоты. В мезосапробных водах живут

организмы, выдерживающие умеренно загрязненную органичес­

кими веществами среду. В отличие от полисапробон мезосапробы более требовательны к наличию в воде свободного кислорода и

продуктов распада белков, а именно - аммония и нитритов.

В зависимости от уровня загрязнения органическими вещест­

вами и присутствия представителей отдельных таксономических

групп гидробионтов мезосапробные воды подразделяют на а- и

~-мезосапробные.

Воды сх-мезосапробной зоны характеризуются наличием амми­ ака, нитритов, амидо-и аминокислот. Минерализация органичес­ кого вещества в таких водах происходит за счет аэробного окисле­ ния, в основном с участием бактерий. Показатель БСК5 для таких

вод составляет приблизительно 4-12 мг 02/дм3• Среди мезосап­

робных организмов встречается много бактерий, некоторые гри­

бы (Nematosporangium, Leptomitus lacteus), разные виды водо­

рослейсинезеленые (некоторые виды рода Oscillatoria), зеленая

391

Основыгидроэкологии

нитчатая водоросль Stigeoclonium tenue, некоторые эвгленовые

(Euglena viridis), ресничные инфузории (Stentor coeruleus), ко­

ловратки разных видов, ракообразные (Asellus aquaticus), мол­

люски (Sphaerium corneum), личинки двукрылых (Chironomus

plumosus, Psychoda), олигохеты и другие бентосвые беспозвоноч­ ные. Эти организмы выдерживают довольно загрязненную среду со значительным дефицитом кислорода. В воде встречается ки­

шечная палочка.

В ~-мезосапробних водах в значительно меньшем количестве содержится аммонийный и нитритный азот, преобладают нитра­

ты. Сероводород обнаруживается лишь в следовых концентраци­

ях. Отмечается некоторый дефицит кислорода в воде, но он выра­ жен слабо. Органические вещества минерализуются путем полно­

го окисления. БСК5 равняется в среднем 1, 7-4 мг 02jдм3 •

Организмы - индикаторы ~-мезосапробных вод представлены

различными водорослями: синезелеными, диатомовыми, зелены­

ми и другими. В ~-мезосапробной зоне могут интенсивно вегети­

ровать высшие водные растения. В значительном количестве

представлены виды простейших: корненожек, жгутиковых, рес­

ничных инфузорий, коловраток и червей. Встречаются моллюс­ ки, ракообразные, губки. В таких водоемах распространены ры­ бы (карась, карп, линь, голец, вьюн и прочие).

Воды слабо загрязненных рек, озер, водохранилищ, в которых

происходит интенсивная минерализация органических веществ,

характеризуются как олигосапробные. В таких водных объектах благодаря высокой концентрации растворенного кислорода пре­ обладают окислительные процессы. Из соединений азота в них со­

держатся нитраты, незначительное количество угольной кислоты

и отсутствует сероводород. БСК5 не превышает 1,6 мг 02/дм3 , что

свидетельствует об очень низком содержании органических ве­ ществ в воде. Среди олигосапробных организмов, живущих в чис­ тых или слабо загрязненных органическими веществами водах,

много водорослей разных систематических групп (в частности, ди­ атомовых и золотистых), беспозвоночных (коловраток (Notholca

longispina), ракообразных (Daphnia longispina, Bythotrephes longimanus), моллюсков (Dreissena polymorpha), личинок насекомых),

а из рыб представлены форель, судак, окунь, стерлядь, гольян. Среди бактерий олиrосапробной зоны мало сапрофитов (не более

3 тыс. экз.jсм3) и организмов, питающихся бактериями.

Особенно чистые воды по системе сапробиости называются н:а­ таробн.ы.ми. Такие воды перенасыщены кислородом, в них отсут­

ствуют диоксид углерода и сероводород. Показатель БСК5 очень

низкий, что свидетельствует о минимальном содержании органи­ ческих веществ. В таких водах (а это, как правило, холодные гор­ ные речные воды) хорошо чувствует себя форель и другие гидро­ бионты-оксифилы.

392