Самоочищение водных объектов

Между компонентами водной экосистемы в процессе ее функцио­нирования непрерывно происходит обмен веществом и энергией. Этот обмен носит циклический характер различной степени замкнутости, сопровождаясь трансформацией вещества под воздействием физических, химических и био­логических факторов. В ходе трансформации может происходить постепен­ное разложение сложных веществ до простых, а простые вещества могут син­тезироваться в сложные. В зависимости от интенсивности внешнего воздей­ствия на водную экосистему и характера протекания процессов происходит либо восстановление водной экосистемы до фоновых состояний (самоочи­щение), либо водная экосистема переходит к другому устойчивому состоя­нию, которое будет характеризоваться уже иными количественными и каче­ственными показателями биотических и абиотических компонент. В случае, если внешнее воздействие превысит саморегулирующие возможности водной экосистемы, может произойти ее разрушение. Самоочищение водных экосис­тем является следствием способности к саморегулированию. Поступление веществ из внешних источников есть воздействие, которому водная экосис­тема способна противостоять в определенных пределах посредством внутри­системных механизмов. В экологическом смысле самоочищение является следствием процессов включения поступивших в водный объект веществ в биохимические круговороты с участием биоты и факторов неживой природы. Круговорот любого элемента слагается из двух основных фондов — резервного, образованного большой массой медленно изменяющихся компонент, и об­менного (циркуляционного), который характеризуется быстрым обменом между организмами и средой их обитания. Все биохимические круговороты можно разделить на два основных типа — с резервным фондом в атмосфере (например, азот) и с резервным фондом в земной коре (например, фосфор).

Самоочищение природных вод осуществляется благодаря вовлечению поступающих из внешних источников веществ в непрерывно происходящие процессы трансформации, в результате которых поступившие вещества воз­вращаются в свой резервный фонд.

118 Экология города

Трансформация веществ есть результат различных одновременно действу­ющих процессов, среди которых можно выделить физические, химические и биологические механизмы. Величина вклада каждого из механизмов зависит от свойств примеси и особенностей конкретной экосистемы.

Физические механизмы самоочищения. Газообмен на границе раздела "ат­мосфера-вода". Благодаря этому процессу осуществляется поступление в вод­ный объект веществ, имеющих резервный фонд в атмосфере, и возврат этих веществ из водного объекта в резервный фонд. Одним из важных частных случаев газообмена является процесс атмосферной реаэрации, благодаря ко­торому происходит поступление в водный объект значительной части кисло­рода. Интенсивность и направление газообмена определяются отклонением концентрации газа в воде от концентрации насыщения С\ Величина концент­рации насыщения зависит от природы вещества и физических условий в вод­ном объекте — температуры и давления. При концентрациях, больших С, газ улетучивается в атмосферу, а при концентрациях, меньших C_s, газ поглоща­ется водной массой.

Сорбция — поглощение примесей взвешенными веществами, донными отложениями и поверхностями тел гидробионтов. Наиболее энергично сор­бируются коллоидные частицы и органические вещества, находящиеся в не-диссоциированном молекулярном состоянии. В основе процесса лежит явле­ние адсорбции. Скорость накопления вещества в единице массы сорбента пропорциональна его ненасыщенности по данному веществу и концентра­ции вещества в воде и обратно пропорциональна содержанию вещества в сорбенте. Примерами нормируемых веществ, подверженных сорбции, явля­ются тяжелые металлы и СПАВ.

Осаждение и взмучивание. Водные объекты всегда содержат некоторое ко­личество взвешенных веществ неорганического и органического происхожде­ния. Осаждение характеризуется способностью взвешенных частиц выпадать на дно под действием силы тяжести. Процесс перехода частиц из донных отло­жений во взвешенное состояние называется взмучиванием. Он происходит под действием вертикальной составляющей скорости турбулентного потока.

Химические механизмы самоочищения. Фотолиз — превращение молекул вещества под действием поглощаемого ими света. Частными случаями фото­лиза являются фотохимическая диссоциация — распад частиц на несколько более простых и фотоионизация — превращение молекул в ионы. Из общего количества солнечной радиации порядка 1% используется в фотосинтезе, от 5% до 30% отражается водной поверхностью. Основная же часть солнечной энергии преобразуется в тепло и участвует в фотохимических реакциях. Наи­более действенной частью солнечного света является ультрафиолетовое излу­чение. Ультрафиолетовое излучение поглощается в слое воде толщиной по­рядка 10 см, однако благодаря турбулентному перемешиванию может прони­кать и в более глубокие слои водных объектов. Количество вещества, подвергшегося действию фотолиза, зависит от вида вещества и его концент­рации в воде. Из веществ, поступающих в водные объекты, относительно быстрому фотохимическому разложению поддаются гумусные вещества.

Раздел 3. Водная среда города 119

Гидролиз — реакция ионного обмена между различными веществами и водой. Гидролиз является одним из ведущих факторов химического превра­щения веществ в водных объектах. Количественной характеристикой этого процесса является степень гидролиза, под которой понимают отношение гид-рол изированной части молекул к общей концентрации соли. Для большин­ства солей она составляет несколько процентов и повышается с увеличением разбавления и температуры воды. Гидролизу подвержены и органические ве­щества. При этом гидролитическое расщепление чаще всего происходит по связи атома углерода с другими атомами.

Биохимическое самоочищение является следствием трансформации ве­ществ, осуществляемой гидробионтами. Как правило, биохимические ме­ханизмы вносят основной вклад в процесс самоочищения и только при угнетении водных организмов (например, под действием токсикантов) более существенную роль начинают играть физико-химические процессы. Био­химическая трансформация веществ происходит в результате их включе­ния в трофические сети и осуществляется в ходе процессов продукции и деструкции.

Особенно важную роль играет первичная продукция, так как она опреде­ляет большинство внутриводоемных процессов. Основным механизмом но­вообразования органического вещества является фотосинтез. В большинстве водных экосистем ключевым первичным продуцентом является фитопланк­тон. В процессе фотосинтеза энергия Солнца непосредственно трансформи­руется в биомассу. Побочным продуктом этой реакции является свободный кислород, образованный за счет фотолиза воды. Наряду с фотосинтезом в растениях идут процессы дыхания с затратой кислорода.

Автотрофная продукция и гетеротрофная деструкция — две важнейшие стороны преобразования вещества и энергии в водных экосистемах. Харак­тер и интенсивность продукционно-деструкционных процессов и, следова­тельно, механизм биохимического самоочищения определяются структурой конкретной экосистемы. Поэтому они могут существенно различаться в раз­личных водных объектах. Более того, в пределах одного водного объекта су­ществуют различные зоны жизни (экологические зоны), отличающиеся со­обществами населяющих их организмов. Эти отличия обусловлены сменой условий существования при переходе от поверхности к глубине и от при­брежных зон к открытым частям.

В водотоках в силу интенсивного перемешивания и небольших глубин вертикальная зональность не выражена. По живому сечению потока различа­ют рипаль — прибрежную зону и медиаль — открытую зону, соответствую­щую стрежню реки. Для рипали характерны невысокие скорости течения, заросли макрофитов, высокие значения количественного развития гидроби-онтов. В медиали скорости движения воды выше, количественное развитие гидробионтов ниже. По продольному профилю различают зоны плесов и зоны перекатов. В зоне плесов, характеризующихся замедленным течением, насе­ление количественно богаче, но качественно беднее. Для перекатов характер­на обратная картина.

120 Экология города

Комплексы экологических условий сказываются на процессах самоочи­щения в водотоках. Для замедленных течений характерны благоприятные условия для фотосинтеза, интенсивные процессы трансформации веществ, процессы осаждения. Для зон с повышенными скоростями характерны ин­тенсивные процессы перемешивания, газообмена и деструкции веществ.

В водоемах экологическая зональность проявляется отчетливее, чем в водотоках. В водоемах по горизонтальному профилю выделяют литораль — зону прибрежных мелководий и пелагиаль (лимническая зона) — зону от­крытой воды. В глубоких водоемах в водной массе пелагиали по вертикали выделяют три зоны — эпилимнион, металимнион и гиполимнион. Мета-лимнион, или термоклин, является зоной, разделяющей эпилимнион и ги­полимнион. Он характеризуется резким снижением температуры воды (1 градус на 1 м глубины). Выше металимниона расположен эпилимнион. Для эпилимниона характерно преобладание продукционных процессов. С увеличением глубины, по мере снижения фотосинтетически активной ра­диации (ФАР) происходит уменьшение интенсивности фотосинтеза. Глуби­на, при которой продукция становится равной деструкции, называется ком­пенсационным горизонтом. Выше него располагается трофогенная зона, где преобладают продукционные процессы, а ниже — трофолитическая, где преобладают процессы дыхания и разложения. Трофогенная зона находится в эпилимнионе, а трофолитическая, как правило, охватывает металимнион и гиполимнион.

В придонной зоне водоемов, кроме литорали, выделяют профундаль — глубоководную часть, примерно совпадающую с частью ложа водоема, запол­ненной водами гиполимниона.

Таким образом, в водоемах можно выделить зоны с преобладанием фото­синтетической продукции и зоны, где идут только процессы деструкции ве­ществ. В гиполимнионе, особенно в зимний и летний периоды, часто на­блюдаются анаэробные условия, что снижает интенсивность процессов само­очищения. Напротив, в литорали температурный и кислородный режимы благоприятны для интенсивного протекания процессов самоочищения.

Эвтрофирование, под которым понимают гиперпродукцию органическо­го вещества в водном объекте под действием внешних (аллохтонных) и внут-риводоемных (автохтонных) факторов, является одной из серьезных эколо­гических проблем, с которой сталкиваются почти все развитые страны. Эвт-рофированию подвержены практически любые водные объекты, однако наиболее ярко оно проявляется в водоемах. Эвтрофирование водоемов явля­ется природным процессом, его развитие оценивается геологическим масш­табом времени. В результате антропогенного поступления биогенных веществ в водные объекты произошло резкое ускорение эвтрофирования. Итогом этого процесса, называемого антропогенным эвтрофированием, является умень­шение временного масштаба эвтрофирования от тысяч лет до десятилетий. Особенно интенсивно процессы эвтрофирования протекают на урбанизиро­ванных территориях, что сделало их одним из наиболее характерных призна­ков, присущих городским водным объектам.

Раздел 3. Водная среда города

Трофность водного объекта соответствует уровню поступления орга­нического вещества или уровню его продуцирования в единицу времени и, таким образом, является выражением совместного действия органического вещества, образовавшегося при фотосинтезе и поступившего извне. По уров­ню трофности выделяют два крайних типа водных объектов — олиготроф-ные и эвтрофные. Основные отличия этих двух типов водных объектов при­ведены в табл. 3.14.

Таблица 3.14. Характеристики олиготрофного и эвтрофного водоемов

Основным механизмом естественного процесса эвтрофирования являет­ся заиливание водоемов. Антропогенное эвтрофирование происходит вследст­вие поступления в воду избыточного количества биогенных элементов, как результат хозяйственной деятельности. Высокое содержание биогенов стиму­лирует автотрофную гиперпродукцию органического вещества. Результатом этого процесса является цветение воды вследствие чрезмерного развития аль-гофлоры. Среди поступающих в воду биогенных элементов наибольшее вли­яние на процессы эвтрофирования оказывают азот и фосфор, поскольку их содержание и соотношение регулирует скорость первичного продуцирова­ния. Остальные биогенные элементы, как правило, содержатся в воде в дос­таточных количествах и не оказывают влияния на процессы эвтрофирования. Для озер лимитирующим элементом наиболее часто является фосфор, а для водотоков — азот.

Отнесение водного объекта к определенному уровню трофности осущест­вляется по поступлению органического вещества. Поскольку указанный

Экология города

параметр на практике контролировать сложно, в качестве индикаторов тро­фического уровня используют другие характеристики водной экосистемы, тесно связанные с трофическим состоянием водоема. Эти характеристики называют индикаторными. Наиболее часто в современной практике в каче­стве индикаторов используют величины поступления биогенных веществ, кон­центрации биогенных веществ в водном объекте, скорость истощения кисло­рода в гиполимнионе, прозрачность воды, биомассу фитопланктона. Фито­планктон является основным первичным продуцентом в большинстве водных экосистем. Поэтому экологическое состояние большинства водоемов опре­деляется фитопланктоном и зависит от ряда физических, химических и био­логических факторов среды обитания.

Физические факторы эвтрофирования. Освещенность. Зависимость пер­вичной продукции от освещенности приведена на рис. 3.18. Проникнове­ние света в толщу воды определяется рядом факторов. Падающий свет поглощается самой водой и растворенными в ней окрашенными веще­ствами, рассеивается находящимися в воде взвешенными веществами. Глу­бина, на которой освещенность составляет 5% от освещенности на поверх­ности, называется эвфотным горизонтом. Выше эвфотного горизонта распо­лагается эвфотная зона. Изменение первичной продукции по глубине зависит от изменения освещенности. В летние месяцы возможно смеще­ние максимума продуктивности в глубину. Это объясняется избыточной освещенностью на поверхности, приводящей к угнетению фитопланкто­на, вследствие чего наилучшие условия для его существования создаются в более глубоких слоях.

Температура оказывает влияние на физические и биологические процессы эвтрофирования. Она определяет степень насыщения воды кислородом, тем­пературный профиль оказывает влияние на интенсивность вертикальной тур­булентности и таким образом влияет на перенос биогенов из придонных об­ластей в эпилимнион. Температура также оказывает влияние на величину первичной продукции (рис. 3.19). Значение оптимальной температуры меня­ется в зависимости от вида организмов, но в большинстве случаев лежит в диапазоне 20—25° С.