ГИДРОСФЕРА

Самоочищение водных объектов (Лекция)

 

ПЛАН ЛЕКЦИИ

1. Физические механизмы самоочищения

2. Химические механизмы самоочищения

3. Биохимическое самоочищение

 

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.

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.

 

1. 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 Сs Величина концентрации насыщения зависит от природы вещества и физических условий в водном объекте – температуры и давления. При концентрациях, больших Cs, газ улетучивается в атмосферу, а при концентрациях, меньших Cs, 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 недиссоциированном 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.

 

2. 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.

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 гидролизированной 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.

 

3. Биохимическое самоочищение

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 гидробионтов. 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.

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 внутриводоемных (автохтонных) факторов, является одной из серьезных экологических проблем, с которой сталкиваются почти все развитые страны. Эвтрофированию 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.

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 – олиготрофные и эвтрофные. Основные отличия этих двух типов водных объектов приведены в таблице ниже.

 

Таблица. Характеристики олиготрофного и эвтрофного водоемов

Характеристика

Состояние водоема

олиготрофное

эвтрофное

Физико-химические характеристики

Концентрация растворенного кислорода

Высокая

Низкая

в гиполимнионе

 

 

Концентрация биогенных элементов

Низкая

Высокая

Концентрация взвешенных веществ

Низкая

Высокая

Проникновение света

Хорошее

Плохое

Глубина

Большая

Небольшая

Биологические характеристики

Продуктивность

Низкая

Высокая

Разнообразие видов гидробионтов

Небольшое

Большое

Фитопланктон:

 

 

биомасса

Небольшая

Большая

суточные миграции

Интенсивные

Ограниченные

цветение

Редкое

Частое

характерные группы

Диатомовые,

Зеленые, сине-

 

зеленые водоросли

зеленые водоросли

 

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 альгофлоры. 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 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 рисунке далее.

Рис. Зависимость валовой первичной продукции от освещенности

 

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. Зависимость валовой первичной продукции от температуры

 

Значение оптимальной температуры меняется в зависимости от вида организмов, но в большинстве случаев лежит в диапазоне 20–25 °С.

Скорость потока. Величина скорости оказывает влияние на жизнедеятельность  гидробионтов. При значениях скоростей, равных так называемой лимитирующей скорости, начинается процесс угнетения гидробионтов, а увеличение скорости до значений больше критических приводит к гибели гидробионтов.

Рис. Зависимость валовой первичной от скорости потока

 

Химические факторы эвтрофирования. Растворенный кислород (РК). Низкая концентрация РК в воде приводит к развитию анаэробных процессов. В этом случае основным источником продуцирования становятся анаэробные процессы ферментации, которые приводят к выделению в воду метана и сероводорода. Концентрация РК изменяется как с глубиной, так и в течение суточного цикла. В дневное время в трофогенном слое происходит увеличение концентрации РК. Однако в темное время суток фотосинтетическая деятельность отсутствует и происходит только потребление кислорода. Амплитуда суточных колебаний РК пропорциональна биомассе первичных продуцентов. В эвтрофированных водоемах это может привести к формированию в темное время суток анаэробных условий.

Биогенные элементы. Гидробионтам требуется множество биогенных веществ в определенной пропорции. При нехватке любого из них скорость роста популяции замедляется. В целом, скорость роста популяции зависит от наличия лимитирующего элемента и может быть описана кривой Михаэлиса-Ментен-Моно.

Рис. Зависимость скорости роста популяции от содержания биогена

 

Как правило, к числу лимитирующих элементов в водных экосистемах относятся фосфор, азот и, значительно реже, углерод. При повышенном поступлении лимитирующих биогенов скорость первичного продуцирования может достичь максимальной величины, что приводит к эвтрофированию.

Биологические факторы эвтрофирования. Большинство организмов могут существовать в определенном диапазоне физических и биохимических воздействий, который называется диапазоном толерантности. В процессе адаптации биологические виды могут расширять свой диапазон толерантности. Поскольку со временем условия среды обитания в экосистеме меняются, преимущество получают виды, обладающие большей способностью приспосабливаться к новым условиям. Результатом этого является сукцессия сообществ.

С развитием эвтрофирования доминирующими становятся экстремальные условия по концентрации РК, освещенности, доступности биогенных веществ. В этих условиях преимущество получают синезеленые водоросли (cianobacteria), которые обладают наибольшей способностью к адаптации благодаря:

1)      своим относительно крупным размерам, из-за чего они не могут потребляться зоопланктоном;

2)      способности фиксировать растворенный в воде азот, противодействуя, таким образом, условиям его лимитирования;

3)      способности обходиться меньшим содержанием в воде двуокиси угле- рода по сравнению с другими водорослями;

4)      интенсивному развитию при более низком, чем другие водоросли, соот- ношении азота к фосфору;

5)      выделению в воду продуктов, приостанавливающих рост других водо- рослей;

6)      способности регулировать свою плавучесть, противодействуя неблаго- приятному влиянию физических факторов.

 


Купон, промокод Google Ads (Adwords) 750 kr Швеция
Купон, промокод Google Ads (Adwords) 750 kr Швеция


Пополнение баланса на сайте SMOService - 25 000 рублей
Пополнение баланса на сайте SMOService - 25 000 рублей


Купон, промокод Google Ads (Adwords) 60$ Казахстан
Купон, промокод Google Ads (Adwords) 60$ Казахстан