Самоочищення водних об'єктів

Між компонентами водної екосистеми в процесі її функціонування безупинно відбувається обмін речовиною й енергією. Цей обмін носить циклічний характер різного ступеня замкнутості, супроводжуючись трансформацією речовини під впливом фізичних, хімічних і біологічних факторів. У ході трансформації може відбуватися поступове розкладання складних речовин до простих, а прості речовини можуть синтезуватися в складні. У залежності від інтенсивності зовнішнього впливу на водну экосистему і характеру протікання процесів відбувається або відновлення водної екосистеми до фонових станів (самоочищення), або водна екосистема переходить до іншого стійкого стану, що буде характеризуватися вже іншими кількісними і якісними показниками біотичних і абіотичних компонентів. У випадку, якщо зовнішній вплив перевищить саморегулюючі можливості водної екосистеми, може відбутися її руйнування. Самоочищення водних екосистем є наслідком здатності до саморегулювання. Надходження речовин із зовнішніх джерел є вплив, якому водна екосистема здатна протистояти у визначених межах за допомогою внутрісистемних механізмів. В екологічному змісті самоочищення є наслідком процесів включення речовин, що надійшли у водний об'єкт, у біохімічні кругообіги за участю біоти і факторів неживої природи. Кругообіг будь-якого елемента складається з двох основних фондів - резервного, утвореного великою масою повільно змінюваних компонентів, і обмінного (циркуляційного), що характеризується швидким обміном між організмами і середовищем їх існування. Усі біохімічні кругообіги можна розділити на два основних типи - з резервним фондом в атмосфері (наприклад, азот) і з резервним фондом у земній корі (наприклад, фосфор).

Самоочищення природних вод здійснюється завдяки залученню речовин, що надходять із зовнішніх джерел, у безупинні процеси трансформації, у результаті яких речовини, що надійшли, повертаються у свій резервний фонд.

Трансформація речовин є результат різних одночасно діючих процесів, серед яких можна виділити фізичні, хімічні і біологічні механізми. Величина внеску кожного з механізмів залежить від властивостей домішки й особливостей конкретної екосистеми.

Фізичні механізми самоочищення. Газообмін на межі розділу „атмосфера-вода”. Завдяки цьому процесу здійснюється надходження у водний об'єкт речовин, що мають резервний фонд в атмосфері, і повернення цих речовин з водного об'єкта в резервний фонд. Одним з важливих окремих випадків газообміну є процес атмосферної реаерації, завдяки якому відбувається надходження у водний об'єкт значної частини кисню. Інтенсивність і напрямок газообміну визначаються відхиленням концентрації газу у воді від концентрації насичення. Величина концентрації насичення залежить від природи речовини і фізичних умов у водному об'єкті - температури і тиску. При високих концентраціях, газ піднімається в атмосферу, а при низьких концентраціях, газ поглинається водною масою.

Сорбція - поглинання домішок зваженими речовинами, донними відкладеннями і поверхнями тіл гідробіонтів. Найбільше енергійно сорбуються колоїдні частки й органічні речовини, що знаходяться в недисоційованому молекулярному стані. В основі процесу лежить явище адсорбції. Швидкість нагромадження речовини в одиниці маси сорбенту пропорційна його ненасиченості по даній речовині і концентрації речовини у воді і обернено пропорційна вмісту речовини в сорбенті. Прикладами нормованих речовин, підданих сорбції, є важкі метали і СПАВ.

Осадження і збовтування. Водні об'єкти завжди містять деяка кількість зважених речовин неорганічного й органічного походження. Осадження характеризується здатністю зважених часток випадати на дно під дією сили тяжіння. Процес переходу часток з донних відкладень у зважений стан називається збовтуванням. Він відбувається під дією вертикальної складової швидкості турбулентного потоку.

Хімічні механізми самоочищення. Фотоліз - перетворення молекул речовини під дією світла, яке поглинається ними. Окремими випадками фотолізу є фотохімічна дисоціація - розпад часток на більш прості і фотоіонізація - перетворення молекул в іони. З загальної кількості сонячної радіації порядку 1 % використовується у фотосинтезі, від 5% до 30% відбивається водною поверхнею. Основна ж частина сонячної енергії перетворюється в тепло і бере участь у фотохімічних реакціях. Найбільш діючою частиною сонячного світла є ультрафіолетове випромінювання. Ультрафіолетове випромінювання поглинається в шарі воді товщиною порядку 10 см, однак завдяки турбулентному перемішуванню може проникати й у більш глибокі шари водних об'єктів. Кількість речовини, які піддаються дії фотолізу, залежить від виду речовини і його концентрації у воді. З речовин, що надходять у водні об'єкти, відносно швидкому фотохімічному розкладанню піддаються гумусні речовини [18].

Гідроліз - реакція іонного обміну між різними речовинами і водою. Гідроліз є одним з ведучих факторів хімічного перетворення речовин у водних об'єктах. Кількісною характеристикою цього процесу є ступінь гідролізу, під якою розуміють відношення гідролізованої частини молекул до загальної концентрації солі. Для більшості солей вона складає кілька відсотків і підвищується зі збільшенням розведення і температури води. Гідролізу піддаються й органічні речовини. При цьому гідролітичне розщеплення найчастіше відбувається по зв'язку атома вуглецю з іншими атомами.

Біохімічне самоочищення є наслідком трансформації речовин, здійснюваної гідробіонтами. Як правило, біохімічні механізми вносять основний вклад у процес самоочищення і тільки при пригніченні водних організмів (наприклад, під дією токсикантів) більш істотну роль починають відігравати фізико-хімічні процеси. Біохімічна трансформація речовин відбувається в результаті їх включення в трофічні мережі і здійснюється в ході процесів продукції і деструкції.

Особливо важливу роль відіграє первинна продукція, тому що вона визначає більшість внутрішньо-водоймових процесів. Основним механізмом ново-творення органічної речовини є фотосинтез. У більшості водних екосистем ключових первинних продуцентів є фітопланктон. У процесі фотосинтезу енергія Сонця безпосередньо трансформується в біомасу. Побічним продуктом цієї реакції є вільний кисень, утворений за рахунок фотолізу води. Поряд з фотосинтезом у рослинах йдуть процеси дихання з витратою кисню.

Автотрофна продукція і гетеротрофна деструкція - дві найважливіші сторони перетворення речовини й енергії у водних екосистемах. Характер і інтенсивність продукційно-деструкційних процесів і, отже, механізм біохімічного самоочищення визначаються структурою конкретної екосистеми. Тому вони можуть істотно розрізнятися в різних водних об'єктах.

У водотоках у силу інтенсивного перемішування і невеликих глибин вертикальна зональність не виражена. По живому перетині потоку розрізняють рипаль - прибережну зону і медіаль - відкриту зону, що відповідає стержню річки. Для рипалі характерні невисокі швидкості течії, зарослі макрофітів, високі значення кількісного розвитку гідробіонтів. У медіалі швидкості руху води вищі, кількісний розвиток гідробіонтів нижчий. За подовжнім профем розрізняють зони плесів і зони перекатів. У зоні плесів, що характеризуються уповільненими течіями, кількісно багатше видове різноманіття, але якісно бідніше. Для перекатів характерна зворотна картина. Комплекси екологічних умов позначаються на процесах самоочищення у водотоках. Для уповільнених течій характерні сприятливі умови для фотосинтезу, інтенсивні процеси трансформації речовин, процеси осадження. Для зон з підвищеними швидкостями характерні інтенсивні процеси перемішування, газообміну і деструкції речовин.

У водоймах екологічна зональність виявляється чіткіше, ніж у водотоках. У водоймах по горизонтальному профілю виділяють літораль - зону прибережних мілководь і пелагіаль (лімнічна зона) - зону відкритої води. У глибоких водоймах у водній масі пелагіалі по вертикалі виділяють три зони - епілімніон, металімніон і гіполімніон. Металимніон, або термоклин, є зоною, що розділяє епілимніон і гіполимніон. Він характеризується різким зниженням температури води (1 градус на 1 м глибини). Вище металимніону розташований епілимніон. Для епілимніону характерна перевага продукційних процесів. Зі збільшенням глибини, у міру зниження фотосинтетично активної радіації (ФАР) відбувається зменшення інтенсивності фотосинтезу. Глибина, при якій продукція стає рівна деструкції, називається компенсаційним обрієм. Вище його розташовується трофогенна зона, де переважають продукційні процеси, а нижче - трофолітична, де переважають процеси дихання і розкладання. Трофогенна зона знаходиться в епілимніоні, а трофолітична, як правило, охоплює металімніон і гіполімніон.

У придонній зоні водойм, крім літоралі, виділяють профундаль - глибоководну частину, що приблизно збігається з частиною ложа водойми, заповненого водами гіполімніону.

Евтрофування, під яким розуміють гіперпродукцію органічної речовини у водному об'єкті під дією зовнішніх (алохтонних) і внутрішньо-водоймних (автохтонних) факторів, є однієї із серйозних екологічних проблем, з яким зіштовхуються майже всі країни. Евтрофуванню піддані практично будь-які водні об'єкти, однак найбільше яскраво воно виявляється у водоймах. Евтрофування водойм є природним процесом, його розвиток оцінюється геологічним масштабом часу. У результаті антропогенного надходження біогенних речовин у водні об'єкти відбулося різке прискорення евтрофування. Підсумком цього процесу, названого антропогенним евтрофуванням, є зменшення тимчасового масштабу евтрофування від тисяч років до десятиліть. Особливо інтенсивно процеси евтрофування протікають на урбанізованих територіях, властивим міським водним об'єктам.

Трофність водного об'єкта відповідає рівню надходження органічної речовини або рівнюі його продукування в одиницю часу і, таким чином, є вираженням спільної дії органічної речовини, яка утворилась при фотосинтезі і надійшла ззовні. За рівнем трофності виділяють два крайніх типи водних об'єктів - оліготрофні і евтрофні.

Основним механізмом природного процесу евтрофікації є замулювання водойм. Антропогенна евтрофікація відбувається внаслідок надходження у воду надлишкової кількості біогенних елементів, як результат господарської діяльності. Високий вміст біогенів стимулює автотрофну гіперпродукцію органічної речовини. Результатом цього процесу є цвітіння води внаслідок надмірного розвитку альгофлори. Серед біогенних елементів, що надходять у воду, найбільший вплив на процеси евтрофікація створюють азот і фосфор, оскільки їх вміст і співвідношення регулює швидкість первинного продукування. Інші біогенні елементи, як правило, утримуються у воді в достатніх кількостях і не створюють впливу на процеси евтрофікації. Для озер елементом, що лімітує, найбільше часто є фосфор, а для водотоків - азот.

Віднесення водного об'єкта до визначеного рівня трофності здійснюється за надходженням органічної речовини. Найбільше часто в сучасній практиці як індикатори використовують величини надходження біогенних речовин, концентрації біогенних речовин у водному об'єкті, швидкість виснаження кисню в гіполімніоні, прозорість води, біомасу фітопланктону. Фітопланктон є основним первинним продуцентом у більшості водних екосистем. Тому екологічний стан більшості водойм визначається фітопланктоном і залежить від ряду фізичних, хімічних і біологічних факторів середовища існування.

Фізичні фактори евтрофікації. Освітленість. Проникнення світла в товщу води визначається рядом факторів (рис. 1). Падаюче світло поглинається самою водою і розчиненими в ній забарвленими речовинами, розсіюється зваженими речовинами, що є у воді. Глибина, на якій освітленість складає 5% від освітленості на поверхні, називається евфотним горизонтом. Вище евфотного горизонту розташовується евфотна зона. Зміна первинної продукції з глибиною залежить від зміни освітленості. У літні місяці можливий зсув максимуму продуктивності в глибину. Це пояснюється надлишковою освітленістю на поверхні, що приводить до гноблення фітопланктону, унаслідок чого найкращі умови для його існування створюються в більш глибоких шарах.

Рис. 1. Залежність валової первинної продукції від освітлення

Температура впливає на фізичні і біологічні процеси евтрофікації. Вона визначає ступінь насичення води киснем, температурний профіль впливає на інтенсивність вертикальної турбулентності й у такий спосіб впливає на перенос біогенів із придонних областей у епілімніон. Температура також впливає на величину первинної продукції (рис. 2). Значення оптимальної температури змінюється в залежності від виду організмів, але в більшості випадків лежить у діапазоні 20-25° С.

Рис. 2. Залежність валової первинної продукції від температури

Швидкість потоку. Величина швидкості впливає на життєдіяльність гідробіонтів. При значеннях швидкостей, рівних так званій лімітуючій швидкості, починається процес пригнічення гідробіонтів, а збільшення швидкості до значень більше критичних приводить до загибелі гідробіонтів (Рис. 3.).

Рис. 3. Залежність валової первинної продукції від швидкості потоку

Хімічні фактори евтрофікації. Розчинений кисень (РК). Низька концентрація РК у воді приводить до розвитку анаеробних процесів. У цьому випадку основним джерелом продукування стають анаеробні процеси ферментації, що приводять до виділення у воду метану і сірководню. Концентрація РК змінюється як із глибиною, так і протягом добового циклу. У денний час у трофогенному шарі відбувається збільшення концентрації РК. Однак у темний час доби фотосинтетична діяльність відсутня і відбувається тільки споживання кисню. Амплітуда добових коливань РК пропорційна біомасі первинних продуцентів. У евтрофованих водоймах це може привести до формування в темний час доби анаеробних умов [18].

Біогенні елементи. Гідробіонтам потрібно безліч біогенних речовин у визначеній пропорції. При недостачі кожного з них швидкість росту популяції сповільнюється. У цілому, швидкість росту популяції залежить від наявності лімітуючого елемента (рис. 4). Як правило, до числа лімітуючих елементів, у водних екосистемах відносяться фосфор, азот і, значно рідше, вуглець. При підвищеному надходженні біогенів швидкість первинного продукування може досягти максимальної величини, що приводить до евтрофікації.

Рис. 4. Залежність швидкості росту популяції від вмісту біогену

Біологічні фактори евтрофування. Більшість організмів можуть існувати у визначеному діапазоні фізичних і біохімічних впливів, що називається діапазоном толерантності. У процесі адаптації біологічні види можуть розширювати свій діапазон толерантності. Оскільки згодом умови середовища існування в екосистемі змінюються, перевагу одержують види, що володіють більшою здатністю пристосовуватися до нових умов. Результатом цього є сукцесія співтовариств.

З розвитком евтрофікації домінуючими стають екстремальні умови за концентрації РК, освітленості, приступності біогенних речовин. У цих умовах перевагу одержують синьо-зелені водорості (cіanobacterіa), що мають найбільшу здатність до адаптації завдяки:

- своїм відносно великим розмірам, через що вони не можуть споживатися зоопланктоном;

- здатності фіксувати розчинений у воді азот, протидіючи, таким чином, умовам його лімітування;

- здатності обходитися меншим вмістом у воді двоокису вуглецю в порівнянні з іншими водоростями;

- інтенсивному розвитку при більш нижчому, ніж для інших водоростей, співвідношенні азоту до фосфору;

- виділенню у воду продуктів, що припиняють ріст інших водоростей;

- здатності регулювати свою плавучість, протидіючи несприятливому впливу фізичних факторів.