Вступ

В наш час є досить суттєвим, як не сказати катастрофічним, вплив людини на довкілля. Особливо сильного забруднення зазнають гідросфера та літосфера.

Найважливішим наслідком забруднення води є те, що, потрапляючи у во­дойми, забруднюючі речовини спричинюють зниження її якості.

Якість води - це сукупність фізичних, хімічних, біологічних та бактеріологічних показників, які обумовлюють придатність води для використання у промисловому виробництві, побуті тощо.

Це виявляється у зміні її фізичних властивостей (прозорості, запаху, присмаку) та хімічного складу ( кислотності, кількості органічних та мінеральних домішок, вмісту отруйних речовин тощо ), у зменшенні вмісту у воді кисню, зміні кількості і видового складу мікроорганізмів, появі хвороботворних бактерій. Отже, забруднення природних вод може призвести до того, що вони стають непридатними для пиття, купання, а інколи і для технічних потреб. Як правило, забруднена вода непридатна і для використання у промисловості, оскільки порушує нормальний хід технологічного процесу, знижує якість вироблюваної продукції.

Природна вода, забруднена побутовими стоками, непридатна для водопостачання населення, бо шкідливі речовини та збудники хвороб, що містяться в ній, завдають великої шкоди здоров’ю людей, можуть викликати різні інфекційні захворювання ( дизентерія, інфекційний гепатит, холера та ін.).

1. Органічні речовини та їх кругообіг у водних екосистемах.

Одним з найважливіших компонентів водного середовища, що визначає його екологічну якість, є наявність у воді органічних забруднень.

У процесі життєдіяльності гідробіонти виділяють у воду білки, амінокислоти, вуглеводи, сечовину, пурини, фосфати, амонійні сполуки тощо. Фактично у водному середовищі знаходяться всі ті органічні речовини, з яких побудовано тіло рослин і тварин. Крім того органічні речовини надходять у водні об’єкти з атмосферними опадами, з поверхневим стоком, що формується на великих площах суходолу, з боліт, торф’яників, зрошувальних земель, промислових та комунально-побутових підприємств. Усі ці стоки приносять значну кількість різноманітних за своєю структурою та хімічним складом органічних речовин. За походженням органічні речовини поділяються на алохтонні, які надходять з площі водозбору, та автохтонні, що утворюються в самій водній екосистемі. Найбільшу масу органічної речовини створюють фітопланктон і макроліти в процесі фотосинтезу.

Значну частину автохтонної органічної речовини становить детрит, або мертва органічна речовини, яка утворюється внаслідок розкладу залишків організмів рослинного і тваринного походження і містить також 4-5 % бактерій. До розчиненої автохтонної органічної речовини належать також продукти життєдіяльності водяних організмів, зокрема, амінокислоти, органічні кислоти, сечовина тощо.

З водозбірної площі можуть надходити речовини, які вимиваються з лісового перегною, торф’яників, заболочених місць, чорноземних грунтів тощо – гумінові і фульвокислоти, складні вуглеводи, вільні амінокислоти, аміни, білковоподібні речовини.

Органічні речовини природних вод – це складні високомолекулярні сполуки типу білків, полісахаридів, ненасичених жирних кислот, амінів та інших ,які знаходяться в розчиненому, завислому і диспергованому станах. Більшість з них є субстратом для масового розвитку бактеріального населення водних екосистем.

Гумінові і фульвокислоти надають воді специфічного забарвлення. Фульвокислоти є високомолекулярними сполуками ароматичного ряду, вони розчинні у воді і легко вимиваються грунтовими водами. Гумінові кислоти важкорозчинні у воді, характеризуються більш високим у порівнянні з фульвокислотами вмістом вуглецю і азоту. Води з великим вмістом таких кислот мають бурий або чорний колір.

Найбільш поширені в природних водах вуглеводневі сполуки, які входять до складу всіх живих організмів. У водах морів і океанів основну масу органічних речовин становлять розчинені і колоїдні форми, які можуть проникати через фільтр з діаметром пор 0,45 – 1 мкм. Органічні речовини континентальних вод, що знаходяться в розчиненому стані, мають розмір частинок до 0,001 мкм, у колоїдному – 0,001 – 0,1 мкм, а частинки величиною до 150 – 200 мкм належать завислим речовинам.

Для Світового океану кількість усієї органічної речовини ( живих і мертвих складових ) оцінюється в 2 - 4×10² т вуглецю; 75 % припадає на легкозасвоювані форми і 25 % - на важкорозчинні сполуки ( в основному водний гумус ).

У морських екосистемах найбільша кількість органічної речовини ( 30 – 40 % ) синтезується фітопланктоном. З річковим стоком виноситься у Світовий океан близько 6×10⁸ т розчиненої органічної речовини. Осідаючи на дно морів і океанів, відмерлі організми та інші органічні речовини утворюють величезні поклади органічної маси, які оцінюються у 3×10⁹ т вуглецю.

Найважливішим внутрішньоводоймним процесом утворення органічної речовини, з яким пов’язане і самозабруднення водойм, є фотосинтез фітопланктону, фітобентосу та вищої водяної рослинності. Вважається, що в межах усього Світового океану внесок водоростей в утворення органічної речовини у 10 разів більший, ніж усіх інших груп організмів, не рахуючи бактерій. Останнім належить виключно важлива роль не тільки в розкладанні, а й в утворенні органічної речовини. У процесі функціонування водних екосистем значна частина розчиненої і завислої органічної речовини алохтонного і автохтонного походження виноситься із стоком води та розкладається в процесі деструкції ( мінералізації ).

Продукція і деструкція органічної речовини характеризують функціональний стан водних екосистем. Рівень і спрямованість продукційно-деструкційних процесів залежать перш за все від ступеню розвитку фітопланктону та умов його вегетації. У морських та континентальних водоймах утворення первинної органічної речовини пов’язане з життєдіяльністю планктонних і донних водоростей, макролітів і епіфітів, які формують автотрофну ланку водних екосистем.

Синтезована органічна речовина є основою трофічної піраміди , по якій розподіляються потоки енергії у водних екосистемах. Саме органічна речовина автотрофних організмів забезпечує функціонування вищих ( наступних ) трофічних рівнів, біотичний кругообіг речовин і потік енергії в екосистемах. У кінцевому підсумку формується біологічна продуктивність водних екосистем. В залежності від рівня утворення первинної продукції їх поділяють на оліготрофні (малопродуктивні), мезотрофні (середньо-продуктивні), евтрофні (високопродуктивні) і гіперевтрофні (надмірно продуктивні).

Первинна продукція органічної речовини може бути виражена в різних одиницях : у грамах кисню або вуглецю на одиницю площі ( 1 м² , 1 га ) або на одиницю об’єму води ( 1 м³ ); у джоулях чи кілоджоулях за одиницю часу ( добу, сезон, рік ). При переході від одних одиниць до інших приймається до уваги, що енергетичний еквівалент кисню при окисненні органічних речовин мішаного складу дорівнює 14,2 Дж/мг О₂ , а також те, що в органічній речовині міститься 41 % вуглецю від маси : 2,44 мг органічної речовини відповідає 1 мг вуглецю. При дихальному коефіцієнті ( СО₂\О₂ ) 0,85 і асиміляційному коефіцієнті (СО₂\О₂ ) 1,18 перехідні коефіцієнти мають такі значення : 3,15 мг О₂/мг С ; 44,7 Дж/мг С ; 0,69 мг орг. речовини/мг О₂.

Органічна речовина у водному середовищі постійно розкладається на прості органічні низькомолекулярні сполуки, які в свою чергу внаслідок життєдіяльності мікроорганізмів та в процесі хімічного окиснення розкладаються до кінцевих елементів ( вуглецю, фосфору, азоту, води ). Синтезована автотрофами органічна речовина майже повністю руйнується гетеротрофами в реакціях біохімічнго окиснення. Лише незначна частина її переходить з одного стану в інший внаслідок хімічних реакцій.

Активізація позаорганізмених процесів розкладу може відбуватись внаслідок автолізу і руйнування відмерлих гідробіонтів, що призводить до надходження у воду високоактивних сполук – ферментів, вітамінів і навіть цілих блоків біологічних структур, які містять у своєму складі ферментні системи.

При високому рівні насичення води киснем руйнування органічних речовин завершується утворенням вуглекислоти і води, а в анаеробних умовах – ще й утворенням водню і метану. У донних грунтах вміст кисню буває недостатнім, тому деструкція органічних речовин протікає з утворенням метану, водню, сірководню та аміаку.

Основна роль у руйнуванні органічної речовини у водних екосистемах належить гетеротрофним мікроорганізмам. У загальній деструкції органічної речовини, утворюваної фітопланктоном, на них припадає до 45-50 % в евтрофних водоймах і до 85 % - в оліготрофних. Вони асимілюють до 50-70 % енергії органічної речовини, з якої більше 25 % використовується для біосинтезу мікробних клітин. В евтрофних озерах бактерії засвоюють від 30 до 50 % загального вмісту органічних речовин. Особливо інтенсивно вони утилізують органічну речовину, яка утворюється в процесі фотосинтезу. З макрофітів ними використовується до 26 % органічних речовин.

Для функціонування водних екосистем важливе значення має співвідношення первинної продукції органічної речовини ( А – assimilation ), при якому енергія накопичується, до деструкції ( R – reduction ) або сумарного дихання гідробіонтів ( respiration ), в процесі якого відбувається деструкція органічної речовини і розсіяння енергії. Відношення А/R може бути більшим або меншим від одиниці. При А=R і А/R=1 екосистема знаходиться у збалансованому стані. При А›R і А/R›1 екосистема характеризується високим біопродукційним потенціалом ( евтрофна або гіперевтрофна. У тих випадках, коли А›R і А/R›1, у системі переважають деструкційні процеси. Підвищення біопродукційного потенціалу водних екосистем відбувається при евтрофікації.

Стічні води, які містять органічні речовини, мають значну кількість біогенів. Вони здатні утримуватись часточками глини та гумусу і підвищувати родючість грунту. Після надходження біогенів до водних екосистем відбувається масове розмноження організмів фітопланктону. Внаслідок їх бурхливого росту та розмноження збільшується і кількість органічних решток (відмерлі особини), що веде до збільшення загальної маси органічної речовини у водоймі. Інтенсивний розвиток фітопланктону зумовлює помутніння води, а, отже, і погіршення умов для росту бентос них рослин. Зменшується також насичення води киснем, особливо у бентосній частині. Усі ці процеси погіршують умови для проживання водних тварин. Вода стає непридатною для життя, у ній починають переважати анаеробні процеси, накопичення отруйних для багатьох тваринних організмів речовин. Відбувається евтрофікація – підвищення біологічної продуктивності водних екосистем внаслідок накопичення у воді біогенних елементів, які надійшли до водойми природним шляхом або у результаті діяльності людини (антропогенне). Евтрофікація призводить до заростання водоймища, обміління, зниження рибної продуктивності і утворення на місці водойми болота.

Стічні води, що містять суспензії органічного походження або розчинені органічні речовини, згубно впливають на стан водойм. Осаджуючись, суспензії заливають дно й затримують розвиток або повністю припиняють життєдіяльність даних мікроорганізмів, що беруть участь у процесі самоочищення вод. При гнитті даних опадів можуть утворюватися шкідливі сполуки й отруйні речовини, такі як сірководень, які призводять до забруднення всієї води в річці. Наявність суспензії утрудняє також проникнення світла в глиб води й сповільнює процеси фотосинтезу. Однією з основних санітарних вимог, висуваємих до якості води, є вміст у ній необхідної кількості кисню. Шкідливу дію роблять всі забруднення, які так чи інакше сприяють зниженню вмісту кисню у воді. Поверхово активні речовини – жири, масла, мастильні матеріали – утворять на поверхні води плівку, що перешкоджає газообміну між водою й атмосферою, і знижує ступінь насиченості води киснем. Значний обсяг органічних речовин, більшість із яких не властива природним водам, скидається в ріки разом із промисловими й побутовими стоками. Наростаюче забруднення водойм і водостоків спостерігається у всіх промислових країнах. Інформація про вміст деяких органічних речовин у промислових стічних водах надана нижче:

Забруднюючі речовини	Кількість у світовому стоці ,млн.   Тон/рік
1. Нафтопродукти	26, 563
2. Феноли	0,460
3. Відходи виробництв синтетичних волокон	5,500
4. Рослинні органічні залишки	0,170
5. Усього	33, 273

У зв'язку зі швидкими темпами урбанізації й трохи вповільненим будівництвом очисних споруд або їхньою незадовільною експлуатацією , водні басейни й ґрунт забруднюються побутовими відходами. Особливо відчутне забруднення у водоймах з уповільненою течією або непроточних водоймах (водосховища, озера).

Розкладаючись у водному середовищі, органічні відходи можуть стати середовищем для патогенних організмів. Вода, забруднена органічними відходами, стає практично непридатною для пиття й інших потреб. Побутові відходи небезпечні не тільки тим, що є джерелом деяких хвороб людини (черевний тиф, дизентерія, холера), але й тим, що вимагають для свого розкладання багато кисню. Якщо побутові стічні води надходять у водойму в дуже великих кількостях, то вміст розчинного кисню може понизиться нижче рівня, необхідного для життя морських і прісноводних організмів.

Рис.1. Екологічні наслідки забруднення Світового океану