Раздел V. Аптропогеппое влияпие па водпые эн:осисте.мы

20.3. Самозагрязнение и самоочищение водоемов

Под самозагрязнением понимают ухудшение качества воды в водном объекте, которое вызывается чрезмерной продукцией ор­ ганического вещества. Наиболее часто это связано с массовым раз­ витием фитопланктона до уровня •цветения• воды. Самозагряз­ нение обусловлено накоплением самой биомассы водорослей и

продуктов ее деструкции. Разложение биомассы в таких случаях

приводит к выходу в воду большого количества органических и

минеральных, в том числе токсических, веществ, существенным

образом ухудшающих качество воды по значительному количест­

ву показателей. Среди токсических веществ обнаруживаются по­ липептиды, фенолы, индол, скатол, сероводород и др. В отличие от аллахтонного поступления загрязнений, описываемое явле­ ние получило название биологического (вторичного) загрязне­ ния, или самозагрязнения. Оно может происходить и вследствие десорбции органических и минеральных веществ, накопленных в донных отложениях. Такие процессы более интенсивно протека­ ют при дефиците кислорода и подкислении водной среды, в ана­ эробных условиях.

В нормально функционирующих водных экасистемах процес­

сы продуцирования, усвоения и деструкции автохтонных веществ

с участием гидробиантов протекают сбалансированно. Благодаря этому поддерживается определенный уровень качества воды.

Процесс разложения и вывод загрязняющих веществ из круго­ ворота водной среды вследствие взаимодействия механических, физических, химических, физико-химических и биологических факторов получил название самоочищеиия вод.

Механическое самоачищекие - это процессы перетирания, ме­

ханического измельчения отдельных частиц, фильтрации загряз­

ненных вод через песчаные грунты. Физические процессы само­ очищения включают осаждение (седиментацию) загрязняющих веществ под действием сил тяготения.

Химическое и физико-химическое са;коочищение связано с об­ разованием комплексных соединений, реакциями между отдель­

ными веществами, сорбцией взвешенных частиц илом, глиной, песком и другими донными отложениями, окислением нестой­

ких веществ растворенным кислородом (не биотического проис­

хождения).

Биологическое самоочищение вод включает такие составляю­ щие: биофильтрацию, минерализацию органических веществ, фотосинтетическую аэрацию - реаэрацию, биоаккумуляцию и

биодетоксикацию.

Биофильтрацию осуществляют организмы-фильтраторы, глав­ ным образом двухстворчатые моллюски и планктонные ракооб-

393

Основыгидроэкологии

разные. Пропуская через свое тело большое количество воды и

очищая ее от взвешенных частиц, они используют органические и

некоторые минеральные вещества в качестве корма, а остаток вы­

водят в воду в виде слизистых комков, оседающих на дно. Благо­

даря этому происходит осветление воды и уменьшается концент­

рация в ней загрязняющих веществ.

Гидробианты способны накапливать в организме загрязняю­ щие вещества, содержащиеся в воде. При этом их содержание в организме (коэффициент накопленияКН) может возрастать по сравнению с содержанием в воде в тысячи, десятки тысяч и более раз. Такое явление получило название биоаккумуляция, или био­ кон.цен.трирован.ие (Ьios - жизнь, accumulation - накопление).

Накопление загрязняющих веществ в теле гидробиантов возрас­

тает при прохождении по трофическим цепям (рис. 125). Благодаря биоаккумуляции постепенно уменьшается концент­

рация в водной среде как органических, так и неорганических загрязняющих веществ. Некоторые из них могут возвращаться в воду после отмирания гидробионтов, но значительная их часть подлежит разрушению под воздействием ферментативных систем или переходит в неактивную форму. Разрушение и биоконцент­

рирование токсических веществ в водной среде под влиянием

жизнедеятельности водных организмов характеризуется как био­

логическая детоксикация.

Минерализация органических веществ связана с жизнедея­ тельностью гидробионтов, в первую очередь бактерий. Это позво-

394

Раздел V. Антропогенное влияние на водные экасистемы

ляет определять качество воды по бактериологическим показа­ телям, например по общей численности бактериопланктона, по

количеству бактерий группы кишечной палочки (коли-титр и

коли-индекс) и сапрофитов. При органических загрязнениях

численность бактерий в воде возрастает. В частности, наличие в

воде кишечной палочки свидетельствует не только об антропо­

генном фекальном загрязнении, но и о повышенном содержании

органических веществ, возникающем вследствие отмирания гид­

робионтов, преимущественно фитопланктона и высших водных растений.

Фотосинтетическая аэрация - это насыщение воды кислоро­ дом, выделяемым растениями в процессе фотосинтеза (в отличие

от растворенного кислорода, поступающего в воду путем инвазии

из атмосферы). Образующийся кислород окисляет растворимые

органические вещества и поддерживает кислородный режим за­

грязненных вод (фотосинтетическая реаэрация). Этот процесс на­

ходит широкое применение в системах очистки сточных вод в так

называемых биологических прудах, где массово развиваются

хлоракокковые водоросли-фотосинтетики.

Реаэрация способствует восстановлению газового режима за­ грязненных вод благодаря поступлению в них кислорода биоген­

ного происхождения.

Развитие бактерий в водоемах, загрязненных органическими

веществами, зависит от содержания органических соединений ав­

тохтонного и аллохтоннога происхождения. Оно отражает поступ­

ление загрязнений с близлежащих территорий и из источников

водоснабжения, количественный и качественный состав взвешен­

ных веществ, степень развития и физиологическое состояние фи­

топланктона, фитобентоса, высших водных растений. На содер­

жание бактерий в воде влияют иловые отложения и их взмучива­ ние во время ветрового перемешивания воды. При значительном

поступлении легкодоступных органических веществ резко повы­

шается численность сапрофитных бактерий. Возрастает числен­ ность бактериопланктона и в водоемах, мутность которых связа­

на со взвешенными частицами. В теплые летние дни, когда массо­

вого развития достигают синезеленые водоросли, наблюдается и

вспышка численности бактериопланктона. В то же время при ве­

сеннем массовом развитии некоторых других водорослей числен­ ность бактерий может даже уменьшаться вследствие угнетения

экзометаболитами водорослей.

Последовательный ход процессов самоочищения в водотоках сопровождается соответствующим изменением сапробиости - от

полисапробной зоны к а-мезосапробной, а далее к ~-мезосапроб­

ной и олигосапробной.

Зоны сапробиости наиболее четко выражены в малых реках с замедленным течением (при наличии одного источника загрязне-

395

Основыгидроэкологии

ния). По течению формируются последовательно поли-, <Х- и rз-ме­

зосапробная зоны. При отсутствии дополнительных источников загрязнения последняя постепенно переходит в олигосапробную.

Если на реке есть еще другие источники загрязнения, то опять восстанавливается зона высокого загрязнения (полиили <Х-мезо­ сапробная). Снесенные течением планктонты, характерные для высокого качества воды, могут смешиваться с гидробиантами - индикаторами более высокого уровня загрязнения. Поэтому как

индикаторы загрязнения в таких случаях следует рассматривать

прикрепленные формы (перифитон), то есть организмыобраста­ тели подводных сооружений, к которым относятся нитчатые во­ доросли и макрофиты, а также организмы зообентоса.

Исходя из этого, современная методология санитарно-гидро­

биологических исследований предусматривает наряду с исследо­ ванием планктона, проведение обязательного анализа состава пе­ рифитона, а также бентосных гидробионтов.

Возерах и водохранилищах поток загрязнений от сточных

труб и других точечных источников распространяется концент­

рически (по радиусам), поэтому зоны сапробиости здесь формиру­ ются по кольцевой схеме, а при штормовом и турбулентном пере­ метивании вод границы между зонами сапробиости размывают­ ся. Загрязнения могут разноситься локальными течениями, поэтому зоны высокой и низкой сапробиости чередуются мозаич­ но и бессистемно. Итак, для правильного установления зон сап­ робиости необходимо выбирать места отбора проб соответственно гидрологическим особенностям водного объекта.

Взарегулированных крупных реках и гигантских водохрани­

лищах типа Каховского или Кременчугского процессы органи­

ческого загрязнения - самоочищения изучены еще недостаточно.

Глава 21. Звтрофикация, ее причины и последствия

для водных экосистем

21.1. Естественная и антропогенная эвтрофикация

Эвтрофикация заключается в обогащении воды биогенными

элементами, особенно азотом и фосфором, вследствие чего воз­

растает первичная продукция органического вещества благодаря интенсификации фотосинтеза водорослей и высших водных рас­

тений.

Содержание биогенных веществ в водных экасистемах может

увеличиваться вследствие антохтонных процессов (естественная эвтрофикация)- разложения органических веществ, азотфикса-

396

Раздел V. Антропогенное влияние на водные экосисте.мы

ции и перехода в воду биогенных элементов, захороненных в дон­

ных отложениях, и вследствие поступления биогенных веществ

извне, из аллахтонных источников (антропогенная эвтрофика­ ция) - вымывания с полей, поступления сточных вод животно­ водческих комплексов, коммунально-бытовых и промышленных

сточных вод, несущих значительное количество азота и фосфора.

Причиной ускоренной эвтрофикации может стать зарегулиро­ вание речного стока, когда большое количество биогенных эле­

ментов вымывается из затопленных грунтов.

По источникам поступления биогенов можно выделить три ти­ па антропогенной эвтрофикации: урбогеппую, возникающую вследствие сброса неочищенных от соединений фосфора и азота городских сточных вод; агрогеппую, причиной которой является

вымывание грунтовыми водами и дождевыми смывами минераль­

ных удобрений с сельскохозяйственных угодий; зоогеппую, к ко­ торой приводит загрязнение водоемов стоками животноводческих ферм или многоразовый водопой и купание больших стад скота.

В прудовых рыбных хозяйствах при большой плотности по­

садки рыб эвтрофикация может быть следствием накопления

фосфорных и азотных соединений, экскретированных рыбами. Кроме того, в прудовых хозяйствах эвтрофикацию создают целе­ направленно путем внесения минеральных удобрений для повы­

шения количества планктона - основного корма рыб.

Основными признаками эвтtюфикации водоемов является уве­ личение биомассы фитопланктона или других автотрофных орга­ низмов (фитомикробентос, нитчатые водоросли), массовое разви­ тие водорослей до уровня •цветениЯ>~ воды, уменьшение концент­

рации растворенного кислорода на заключительном этапе

вегетации - при массовом отмирании водорослей и других орга­

низмов. В зависимости от количества биогенов, поступающих в

водную экоеистему, может ускоряться переход олиготрофных во­ доемов в мезотрофные и эвтрофные.

Водоросли и высшие водные растения при поступлении в вод­

ную среду азота и фосфора способны накапливать эти элементы в значительном количестве. В этом состоит одна из важнейших осо­

бенностей биологии водорослей, служащая основой механизма

развития эвтрофикации.

В лентических экосистемах эвтрофикация приводит к массо­ вому развитию водорослей. Между способностью водорослей к на­ коплению биогенных элементов и их потенциальными возмож­

ностями к массовому развитию существует прямая коррелятив­

ная связь. Поэтому с возрастанием содержания этих элементов в экосистеме создаются благоприятные условия для массового раз­ вития фитопланктона, образования первичного органического ве­ щества и обогащения водной среды кислородом.

397

Оснобыгидрозкологии

Наращивание биомассы фитопланктона в определенной степе­

ни положительно влияет на функционирование водных экосис­

тем: повышается кормовая база для гидробиантов следующих

трофических уровней, численность и биомасса гетеротрофов. Но с течением времени между наращиванием биомассы фитоnланкто­ на, образованием органического вещества и количеством кисло­ рода, расходуемого на биологическую деструкцию и химическое окисление органического вещества, возникает дисбаланс. Орга­ нического вещества образуется больше, чем могут разложить

микроорганизмы; накапливается органическое вещество, загряз­

няющее водные массы; в то же время стимулируется дальнейшее возрастание биомассы фитопланктона, что еще больше углубляет

иускоряет процесс эвтрофикации.

Вэвтрофированных водоемах существенно изменяются физи­ ко-химические свойства среды: повышается содержание биоген­

ных и органических веществ, снижается уровень насыщения во­

ды кислородом, в придонных слоях воды появляются анаэробные

зоны, возрастает мутность и уменьшается прозрачность воды. На­

копление чрезмерного количества органических вещес•rв в дон­

ных иловых отложениях сопровождается образованием метана,

водорода, сероводорода, аммиака, которые могут выделяться в

виде пузырьков. При растворении в воде эти вещества придают ей неприятный запах и оказывают токсическое воздействие на рыб и беспозвоночных, особенно зимой при наличии ледяного покрова, способствующего возникновению недостатка кислорода в воде и массовой гибели рыб.

В высокоэвтрофных водоемах для большинства водных живот­

ных создаются неблагаприятные условия существования. Умень­ шается видовое многообразие промыслоно ценных видов рыб. В

местах концентрирования и разложения синезеленых водорослей массово гибнет рыба вследствие отравления продуктами распада

этих водорослей и дефицита кислорода, вызванного их гниением.

Следует, однако, указать, что масштабы и скорость развития эвтрофикации не всегда определяются только поступлением био­ генных элементов. Этот процесс зависит еще и от интенсивности

водообмена, глубины водоема, объема воды и степени :кислород­

ного насыщения водных масс. В глубоких водоемах с достаточ­ ным водообменом эвтрофикация происходит очень медленно, тог­ да как в слабопроточных инеглубоких водоемах она протекает ус­

коренно.

Антропогенная эвтрофикация охватывает все большее количе­

ство водных объектов, расположенных на разных континентах

Земли. Ее следствием является усиление «цветения» воды или

массовое развитие нитчатых (бентосных) водорослей в озерах и

водохранилищах.

398

Раадел V. Антропогенное влияние на водные экосисте.мы

Для предупреждения эвтрофикации важнейшими мероприя­ тиями являются ограничение загрязнения водоемов биогенными

элементами путем очистки городских сточных вод, создание водо­

охранных зон по берегам рек, озер и водохранилищ. Перспектив­

ным направлением снижения эвтрофикации вод и защиты их от

загрязнения может быть фитомелиорация, то есть культивирова­ ние высшей водной растительности в прибрежных зонах для за­ держания биогенных элементов, поступающих с полей, животно­

водческих ферм и населенных пунктов.

21.2. <<Цветение>> воды как гидробиологический

процесс, обусловленный эвтрофикацией

Одной из важнейших биологических особенностей водорос­

лей является способность к накоплению азота и фосфора при их поступлении в водную среду в значительном количестве. Наличие

этих элементов в воде стимулирует размножение водорослевых

клеток, потенциальные возможности которых к делению чрезвы­

чайно высоки. Так Microcystis aeruginosa на протяжении вегета­

ционного сезона может образовывать от одной клетки до 1020 по­

томков [110]. Поэтому обогащение воды биогенными веществами,

особенно азотом и фосфqром, вызывает массовое развитие водо­ рослей. В высоко эвтроqiных водоемах видовое многообразие фло­ ры обеднено. Преобладают, в основном, несколько видов водорос­ лей, образующих значительную биомассу.

В морях вследствие массового развития водорослей наблюда­

ются так называемые «красные приливы». Причиной их возник­ новения являются водоросли родов Prymnesium (золотистые) и

Cochlodinium (динофитовые), выделяющие· очень опасные для

рыб и многих беспозвоночных токсические вещества.

В континентальных водоемах, особенно в малопроточных во­

дохранилищах, наибольшее значение в развитии фитопланктона

до уровня «цветения» воды имеютеинезеленые водоросли, в пер­

вую очередь виды родов Microcystis, Aphanizomenoн и Anabaena. <<Цветением» это явление называется потому, что вследствие мас­

сового развития планктонных водорослей вода приобретает окрас­ ку (сине-зеленую, зеленую, красную, буро-желтую) в зависимости от пигментации видов-возбудителей. Развитие синезелених водо­ рослей до уровня «цветения» лимитируется содержанием фосфа­

тов, скоростью течения и мутностью воды. Этим объясняется тот

факт, что в быстротекущих и мутных реках «цветения» воды практически не бывает.

Экологический механизм «цветения» воды сложен и обуслов­ лен взаимодействием естественных и антропогенных факторов

[98]. К последним относится зарегулирование речного стока,

399

Основыгидраэкологии

например таких равнинных рек, как Днепр, Днестр, Волга, Дон.

Пос.'lе заливания больших площадей суши, в результате перехо­ да в воду биогенных веществ и образования мелководных застой­

ных зон, где вода интенсивно прогревается и слабо перемешива­ ется, создаются наиболее благоприятные экологические условия для массового развития синезеленых водорослей. В водохрани­

лищах Украины к их числу относятся виды Microcystis aerugi-

nosa, Aphanizomenon flos-aquae, Anabaena sp., причем первый

вид доминирует в водорослевых сообществах и часто образует мо­

нокультуру с биомассой до 40 кг/м3 • В процессе развития микро­

цистис проходит несколько стадий - донную, планктонную, нейстонную, стадию сухих корок и спор. Наличие спор в цикле развития делает этот вид водорослей довольно стойким к измене­

ниям условий среды.

Различают разные степени (<цветения• воды в зависимости от

количества образующейся биомассы: в пределах 0,5-0,9 мгjдм3 -

слабое (<цветение., 1,0-9,9 мг/дм3 - умеренн:ое, 10-99,9 мг/дм3 -

интенсивное и (<гиперцветение•, когда биомасса превышает более

100мгjдм3•

Во время массового развития фитоплан:ктон:а н:а поверхности водоемов образуются слизеподобные пленки, при слиянии кото­

рых формируются «пятна цветения•. В них можно выделить

планктонн:ую, нейстопную и гипонейстонную зоны, занимающие

разные горизонты водной поверхности, а по окраске в пределах (<пяте1н обрисовываются зоны зеленой, голубой, бурой и белой

пленок, где водоросли находятся на разных этапах деструкции.

Вместе с основной колонией микроцистиса в таких пленках

встречаются значительно меньшие скопления других видов водо­

рослей (например, афанизоменона), а также бактерии разных фи­ зиологических групп и вирусы. Эти микроорганизмы утилизиру­ ют органические вещества отмерших и отмирающих водорослей.

Таким образом, (<пятна цветения• представляют собой довольно сложные образования (альго-бактериальные), в которых проте­

кают преимущественно деструкционные процессы разложения

биомассы.

В период максимального накопления «ПЯ'l'ен цветения• (июль­ август) акватория водохранилища в штилевую погоду имеет вид

мозаики из •пятен• и чистоводий. В штормовую погоду (<пятна•

разбиваются, но с восстановлением штиля быстро формируются снова. Ветры и течения разносят их по всей акватории. В зависи­

мости от направлений ветра большие массы водорослей могут сго­

няться к берегам водохранилища. Так, в Кременчугском и Кахов­

ском водохранилищах сгоны направляются преимущественно к

юго-западным берегам, а масса таких сгон:ов может достигать

500 кгjм3 • Здесь возникают зоны заморов, так как в нагонных

400

Раадел V. Антропагенное влияние на водные экасистемы

массах запутывается большое количество рыбы, которая гибнет вследствие засорения жабр, кислородного дефицита и отравления

токсинами водорослей. Больше всего водорослей нагоняется в за­ ливы и бухты, где нагонные массы настолько плотные, что пре­

пятствуют движению лодок.

Рыбу, вынесенную волнами на песчаные берега, быстро скле­

вывают птицы (цапли, аисты, бакланы и другие), прилетающие массово к местам скопления погибшей рыбы. Водоросли, остаю­

щиеся после нагонов на песчаных побережьях, высыхают, пере­

мешиваются с песком и образуют сухие корки.

Большая часть «пятен цветения• разлагается в местах нагона

с образованием большого количества продуктов распада (фенол, индол, скатол, полипептиды и альготоксины), в основном токси­ ческих. При разложении выделяются также лигментыфикоби­ лины, фикоцианины, поэтому вода приобретает густо-синий цвет.

Такие водные участки становятся непригодными для жизни мно­ гих гидробионтов.

Определенная часть водорослевых пленок поддается лизису nод воздействием вирусов и соnутствующих бактерий, а также собственных токсинов. Такое явление происходит довольно час­

то, и на месте распавшегося «Пятна• остается только тонкая по­

верхностная пленка. При этом также выделяются токсины. Некоторая часть биомассы остается в толще воды в виде бурых

скоплений, напоминающих фекальные массы, с соответствую­ щим запахом, и, наконец, только небольшал часть продуцирован­ ной биомассы оседает на дно, где в «иловом растворе• на стыке

двух биотопов - водной массы и донного ила - образует зимующие колонии водорослей, покрытые слоем слизи. Цикл завершается

на протяжении сентября-октября, и тогда место синезеленых во­

дорослей как доминант в биоценозах занимают другие, более хо­ лодолюбивые водоросли, в частности диатомовые.

Отмирание водорослевой биомассы обусловливает резкое ухуд­

шение качества воды, показатели которой приближаются к уров­ ню <Х-мезосапробной, полисапробной и даже гиперсапробной зо­

ны. Загрязнение водоемов вследствие разложения больших масс

водорослей характеризуется 1-~ак биологическое самозагрязпепие. Период доминирования синезеленых водорослей связан с угне­

тением всех других компонентов фитопланктона вследствие за­

темнения, перехвата биогенных элементов и влияния токсичес­ ких выделений на другие планктонные виды.

После Чернобыльекой аварии установлено, что Microcystis aeruginosa является концентратором радионуклидов с коэффициен­

том накопления 10\ то есть в 10 тыс. раз по сравнению с концент­

рацией их в воде.

Зоопланктон во время «цветения• воды угнетен и состав его очень обеднен, так как питаться колониями микроцистиса зоопланктон-

401