Эвтрофикация водоемов

Под эвтрофикацией вод понимают обогащение их биогенными элементами, особенно азотом и фосфором или веществами, их содержащими. На примере эвтрофикации и её последствий наглядно прослеживаются такие основополагающие для экологии явления, как цепные природные реакции, действие лимитирующих факторов, водные сукцессии и другие системные положения. Следствие эвтрофикации – интенсивный рост водорослей и других растений, накопление в водоемах органических веществ и продуктов отмирания организмов. Это создает условия для увеличения численности организмов – редуцентов, питающихся мертвым органическим веществом и разлагающих его до минеральных элементов и углекислого газа. Редуценты в процессе жизнедеятельности интенсивно поглощают кислород. Конечный результат таких явлений – обескислороживание водной среды и замена аэробных (с участием кислорода) процессов на анаэробные, протекающие в бескислородной среде. Результат анаэробных процессов – выделение в среду сероводорода, метана и других ядовитых загрязняющих веществ.

Эвтрофикация вызывается как природными, так и антропогенными факторами. Различия в их действии связаны не только с интенсивностью, но и с механизмом отдельных процессов.

Природная эвтрофикация протекает, как правило, медленно и зависит от химизма и минералогического состава пород и грунтов, окружающих водоемы, и длится сотни и тысячи лет. Водоемы, с большими запасами воды и расположенные среди кристаллических пород, мало подвержены эвтрофикации. Они в течение тысячелетий могут оставаться в олиготрофном (бедном питательными веществами) состоянии, а следовательно, с чистой водой. Пример такого водоема – озеро Байкал (существует более 20 млн. лет). Медленная эвтрофикация характерна также для озер ледникового происхождения. Это основные резервуары озерной чистой воды. Такие водоемы из-за малой населенности и низкой температуры слабо способны к самоочищению и чувствительно реагируют на загрязнение.

В последние десятилетия, в связи с возросшим антропогенным воздействием, скорость эвтрофикации водоемов резко увеличилась. Небольшие водоемы, питающиеся водосбросами, хорошо обеспечены подвижными формами фосфора и азота и подвержены интенсивной эвтрофикации. Они быстро переходят из состояния молодости (олиготрофные) к зрелости (мезатрофные) и старости (эвтрофные) при последующем превращении в болота, а затем и в сушу с торфяными субстратами. Антропогенной эвтрофикации подвержены практически все внутренние водоемы и некоторые моря. Основными факторами ее являются минеральные удобрения, а в ряде случаев моющие средства, компоненты которых – поверхностно активные вещества (ПАВ) содержат фосфор. Эвтрофикацию воды вызывают бытовые и промышленные стоки, стоки животноводческих комплексов, подогретые воды, рекреационные воздействия, преобразования текущих вод в стоячие и другие результаты человеческой деятельности. При антропогенной эвтрофикации резко увеличивается скорость фотосинтеза. Связь эвтрофикации водоемов с обогащением их фосфором и азотом вытекает из схемы балансового уравнения фотосинтеза:

106СО₂ + 90Н₂О + 16NO^–₃ + PO₄^3– C₁₀₆H₁₈₀O₄₆N₁₆P + 154O₂ + Q.

Согласно закону действующих масс, при увеличении концентрации азота и фосфора скорость прямой реакции, то есть скорость фотосинтеза возрастает, что и приводит к эвтрофикации. Важным источником поступления фосфора в водные экосистемы служат атмосферные аэрозоли, выбрасываемые предприятиями теплоэнергетического комплекса; при сжигании твердых бытовых отходов на мусоросжигательных заводах; от выбросов заводов по производству удобрений. Много соединений фосфора поступает в атмосферу, а затем попадает в водоемы с осадками, при антропогенной эоловой эрозии почвенного покрова – от 3700–6699 тыс. тонн/год. Зачастую в водоемы биогенных элементов (особенно фосфора) поступает больше из атмосферы, чем с поверхностными стоками.

Увеличение поступления биогенных элементов (особенно азота и фосфора) в Великие Американские озера привело к их эвтрофикации, при этом особенно пострадали озера Эри и Мичиган. Аналогичные процессы происходят в Женевском, Ладожском, Балатоне и других крупных озерах. Интенсивно идут процессы эвтрофикации в крупнейшем озере Японии – Бива, в котором за последние годы биомасса фитопланктона возросла более чем в 10 раз. Процессы эвтрофикации также охватывают многие речные экосистемы (особенно малые реки), замкнутые и полузамкнутые морские бассейны. Особенно пострадало Балтийское море, в котором в 30-х годах в донных осадках отсутствовал сероводород, а уже в 1975 г. площадь сероводородных зон достигала 87 тыс. км². Во многих морях участились «красные приливы», связанные с чрезмерным сбросом в них органических веществ и массовой вспышкой численности пирофитовых водорослей. Это крошечное малочисленное создание, быстро размножается, достигая концентрации до 6000 штук в капле воды. Одно из нашествий красного прилива получило отражение в Библии: «… и вся вода в реке превратилась в кровь, и рыба в реке вымерла, и река воссмердила, и египтяне не могли пить воды из реки».

«Цветение воды» вызвало к жизни новый источник накопления запасов азота в водоеме за счет фиксации атмосферного азота сине-зелеными водорослями. В результате жизнедеятельности они производят сильнейшие яды (алкалоиды, низкомолекулярные пептиды и др.), которые при попадании в воду создают опасность для других организмов и человека. Эти яды могут вызывать заболевание печени и дерматиты у людей, отравление и гибель животных. Поэтому основным ограничивающим фактором «цветения» сине-зеленых водорослей является уменьшение сброса биогенных веществ в водные экосистемы. Эвтрофикация водоемов стала серьезной глобальной экологической проблемой.