Нумерология 

Эвтрофикация - это что такое? Причины, признаки и последствия процесса. Причины и механизмы эвтрофикации водоемов Эвтрофикация водоемов ее причины сущность и последствия


Под загрязнением водоемов понимается ухудшение их экономического значения и биосферных функций в результате антропогенного поступления в них вредных веществ. Экологическое действие загрязняющих веществ проявляется на организменном, популяционном, биоценотнческом и экоснстемном уровнях.

На организменном уровне наблюдаются нарушение отдельных физиологических функций, изменение поведения, снижение темпа роста, увеличение смертности вследствие прямого отравления или уменьшения устойчивости к стрессовым состояниям внешней среды. Большое значение имеет изменение наследственности особей - повреждение их генетического аппарата и трансформации исходного генофонда.

На уровне популяций загрязнение может вызывать изменение их численности и биомассы, рождаемости и смертности, половой и размерной структуры, типа динамики и ряда функциональных свойств. К этому следует добавить хаотизацию внутрипопуляционных отношений, вызываемую изменением поведения особей и искажением языка химических сигналов, играющих огромную роль в коммуникации особей.

На биоценотическом уровне загрязнение сказывается на структуре и функциях сообщества, поскольку одни и те же загрязняющие вещества неодинаково влияют на разные компоненты биоценоза. Например, жгутиковые водоросли устойчивее диатомовых к нефтяному загрязнению, и оно существенно изменяет видовую структуру микропланктона. Под влиянием токсических веществ изменяется хорологическая структура сообществ, цепи разложения начинают преобладать над пастбищными, анаэробные процессы над аэробными, деструкция над продукцией. В конечном счете происходит деградация экосистем - ухудшение их как элементов среды человека и снижение положительной роли в формировании биосферы, обесценение в хозяйственном отношении (замена ценных видов бесполезными, появление вредных видов и др.).

Для многих гидробионтов характерен кумулятивный эффект - накопление в организме токсиканта, когда скорость его поступления в тело выше, чем скорость выведения из него. Накапливая ядовитое вещество, организмы начинают страдать от него даже тогда, когда концентрация токсиканта в воде сравнительно невелика (ниже пороговой). Помимо этого, концентрируя в себе ядовитые вещества, гидробионты сами становятся токсически опасными. Обнаружено, что многие моллюски энергично накапливают цинк и медь, медузы - цинк, радиолярии - стронций, асцидии - ванадий, морские водоросли - йод, бром и алюминий. В ряде случаев наблюдается нарастание концентрации токсикантов в организмах последующих трофических уравнений - так называемый эффект пищевой цепи. Например, с липофильными свойствами метилированной ртути и ее способностью образовывать прочные комплексы с белками связано «ртутное загрязнение» тунцов - одного из верхних звеньев трофической цепи в океане. Эффект пищевой цепи характерен также для хлорорганических соединений (ДДТ и др.) и некоторых других токсикантов. Прослеживается обратная корреляция между размерами организмов и коэффициентами накопления ими токсикантов. В значительной мере это связано с увеличением относительной поверхности при уменьшении организмов (больше адсорбирующая площадь).

Из загрязняющих веществ наибольшее значение для водных экосистем имеют нефть и продукты ее переработки, пестициды, соединения тяжелых металлов, детергенты, антисептики. Чрезвычайно опасным стало загрязнение водоемов различными продуктами радиоактивного распада - радионуклидами, или радиоизотопами. Все большую озабоченность вызывает ацидификация пресных водоемов в результате выпадения «кислых дождей», когда в атмосферной влаге растворяются сернистый газ и некоторые другие вещества, выбрасываемые в воздух различными промышленными предприятиями. Значительную роль в загрязнении водоемов играют бытовые стоки, лесосплав, отходы деревообрабатывающей промышленности, пластики и многие другие загрязнения, не относящиеся к токсическим, но ухудшающие среду гидробионтов (снижение концентрации кислорода, уменьшение прозрачности воды, выпадение взвеси на дно и др.).

Антропогенная эвтрофикация

Важное последствие бытового загрязнения вытекает из того, что коммунальные сточные воды, кроме большого количества органических веществ, несут и много биогенных элементов. Результатом этого становится антропогенная эвтрофикация водоемов и водотоков, под которой подразумевают связанное с деятельностью человека повышение уровня трофии водоемов, возникающее в результате избыточного поступления в них биогенов (азота, фосфора) и сопровождающееся характерным комплексом изменения экосистем.

Для оценки степени эвтрофикации водоемов используют биологические, химические и физические показатели, различные для поверхностных и глубинных вод. Например, для эпилимниона это в первую очередь видовой состав, численность, биомасса и продукция водорослей, численность бактерий, в частности сапрофитных, видовой состав и степень развития макрофитов, содержание Р-Р0 4 или сумма фосфорсодержащих компонентов в начале весенней циркуляции, активность фосфатазы и нитрогеназы. Для гиполимниона это прежде всего содержание кислорода в воде к концу летней стагнации, ВПК, выделение СО2, накопление Р-РО4 и растворенных соединений азота, образование метана и сероводорода в донных отложениях.

Главными агентами эвтрофирования могут выступать соединения азота и фосфора, главным образом в виде нитратов и фосфатов.

Источники поступления агентов эвтрофирования:

¾ естественное вымывание питательных веществ из почвы и выветривание пород;

¾ сбросы частично очищенных или неочищенных бытовых сточных вод; содержащих органические соединения азота и фосфора, нитраты и фосфаты;

¾ смыв неорганических удобрений, содержащих нитраты и фосфат;

¾ смыв с ферм навоза, содержащего органические соединения азота и фосфора, нитраты, фосфаты и аммиак;

¾ смывы с нарушенных территорий (шахты, отвалы, стройки, неправильное использование земель);

¾ сбросы детергентов, содержащих фосфаты;

¾ поступление нитратов из атмосферы.

Вещества, способствующие эвтрофикации водоемов, разнообразны по своему происхождению, составу, физиологическому и экологическому значению. Из них основные - фосфор и азот, значительно реже углерод, кремний и некоторые другие. Из двух первых биогенов большее значение имеет фосфор; реже лимитирует развитие автотрофов азот, что в значительной мере связано со способностью многих бактерий и цианобактерий к его фиксации.

По мере роста населения и развития централизованной канализации непрерывно увеличивается поступление биогенов с коммунальными стоками. Этому способствует, в частности, употребление во все больших количествах моющих средств, содержащих фосфор.

Стадии эвтрофирования. При эвтрофировании водная экосистема последовательно проходит несколько стадий. Сначала происходит накопление минеральных солей азота и/или фосфора в воде. Эта стадия, как правило, непродолжительна, так как поступающий лимитирующий элемент немедленно вовлекается в кругооборот и наступает стадия интенсивного развития водорослей в эпилимнионе. Нарастает биомасса фитопланктона, увеличивается мутность воды, повышается концентрация кислорода в верхних слоях воды.

Затем наступает стадия отмирания водорослей, происходят аэробная деградация детрита, образование хемоклина. Интенсивно отлагаются донные илы с повышенным содержанием органики. Отмечаются изменения зооценоза (замещение лососевых рыб карповыми).

Наконец, наступает полное исчезновение кислорода в глубинных слоях и начинается анаэробное брожение. Характерно образование сероводорода, сероорганических соединений и аммиака.

Хозяйственные последствия эвтрофирования. Обильная растительность может препятствовать движению воды и водного транспорта, вода может стать непригодной для питья даже после обработки, рекреационная ценность водоема может снизиться, могут исчезнуть коммерчески важные виды рыб (такие как форель). Наконец, эвтрофирование приводит к вспышкам «цветения» (массового развития) водорослей.

Цветение водорослей наносит двоякий ущерб водной системе. Во-первых, оно снижает освещенность, вызывая гибель водных растений. Тем самым нарушаются естественные местообитания многих гидробионтов. Во-вторых, при отмирании водорослей потребляется много кислорода, что может привести к тем же последствиям, что и прямое внесение органики в воду.

Поступающие в водотоки и водоемы с бытовыми стоками легкоокисляемые органические вещества подвергаются там химическому и микробиологическому окислению. Для измерения содержания органических веществ в воде принято пользоваться величиной биохимического потребления кислорода за 5 сут. (БПК 5 ). Ее определяют по разнице содержания в воде кислорода при отборе пробы и после пяти суток инкубации без доступа кислорода. БПК 5 , отражая содержание легкоокисляемой органики в воде, является универсальным показателем, используя который можно сопоставить степень загрязнения от разных источников. Легкоокисляемое органическое вещество, в избытке содержащееся в коммунально-бытовых стоках, становится питательной средой для развития множества микроорганизмов, в том числе и патогенных. Кроме непосредственной опасности развития патогенных организмов в воде, загрязненной бытовыми стоками, существует другое непрямое неприятное для человека последствие этого вида загрязнений. При разложении органического вещества (и химическом, и микробиологическом) потребляется кислород. В случае тяжелого загрязнения содержание растворенного в воде кислорода падает настолько, что это сопровождается не только заморами рыбы, но и невозможностью нормального функционирования микробиологических сообществ. Происходит деградация водной экосистемы.

В проточных водах и в водоемах замедленного водообмена картина последствий загрязнения бытовыми стоками выглядят по-разному.

В проточных водах образуются четыре, следующие друг за другом по течению, зоны. В них совершенно четко выражены градиенты содержания кислорода (увеличение от места сброса вниз по течению), биогенных веществ и БПК 5 (соответствующее снижение), видового состава биологических сообществ.

Первая зона – зона полной деградации, где происходит смешивание сточных и речных вод. Далее располагается зона активного разложения, в которой микроорганизмы разрушают большую часть попавших органических веществ. Затем следуют зоны восстановления качества воды и, наконец, чистой воды.

Еще в начале ХХ в. Р. Кольквитц и М. Марссон привели списки индикаторных организмов для каждой из этих зон, создав так называемую шкалу сапробности (от греч. сапрос – гнилой).

В первой зоне, полисапробной , содержится значительное количество нестойких органических веществ и продуктов их анаэробного распада, много белковых веществ. Фотосинтез отсутствует, и кислород поступает в воду только из атмосферы, полностью расходуясь на окисление. Анаэробные бактерии вырабатывают метан, Desulfovibrio desulphuricans восстанавливает сульфаты до сероводорода, что способствует образованию черного сернистого железа. Благодаря этому ил черный, с запахом сероводорода. Очень много сапрофитной микрофлоры, нитчатых бактерий, серных бактерий, простейших – инфузорий, бесцветных жгутиковых, олигохет-тубифицид.

В следующей за ней α-мезосапробной зоне идет аэробный распад органических веществ. Аммонийные бактерии метаболизируют азотные соединения с образованием аммиака. Высокое содержание углекислоты, кислорода все еще мало, но сероводорода и метана уже нет, БПК 5 составляет десятки миллиграммов в литре. Сапрофитные бактерии исчисляются десятками и сотнями тысяч в 1 мл. Железо присутствует в окисной и закисной формах. Протекают окислительно-восстановительные процессы. Ил серого цвета. Преобладают организмы, приспособившиеся к недостатку кислорода и высокому содержанию углекислоты. Много растительных организмов с миксотрофным питанием. В массе развиваются нитчатые бактерии, грибы, хламидомонады, эвглены. Встречаются сидячие инфузории, коловратки, много жгутиковых. Много тубифицид и личинок хирономид.

В β-мезосапробной зоне практически нет нестойких органических веществ, они почти полностью минерализовались. Сапрофитов – тысячи клеток в 1 мл. Содержание кислорода и углекислоты колеблется в зависимости от времени суток. Ил желтый, идут окислительные процессы, много детрита. Много организмов с автотрофным питанием, наблюдается цветение воды. Встречаются диатомеи, зеленые, много протококковых водорослей. Появляется роголистник. Много корненожек, солнечников, инфузорий, червей, моллюсков, личинок хирономид. Встречаются ракообразные и рыбы.

Олигосапробная зона соответствует зоне чистой воды. Цветения не бывает, содержание кислорода и углекислоты постоянно. На дне мало детрита, автотрофных организмов и червей, моллюсков, хирономид. Много личинок поденок, веснянок, можно встретить стерлядь, гольяна, форель.

В водоемах замедленного водообмена картина зависит от размеров водоема и режима сброса сточных вод. В больших водоемах (морях, крупных озерах) вокруг постоянно действующего источника образуются, концентрически расположенные, поли-, мезо и олигосапробная зоны. Такая картина может сохраняться неопределенно долгое время, если самоочистительный потенциал водоема позволяет ему справляться с поступающей нагрузкой. Если водоем небольшой, то он трансформируется, по мере поступления загрязнений из олигосапробного в полисапробное состояние, а со снятием нагрузки может вернуться в олигосапробное состояние.

Основная мера предупреждения эвтрофикации водоемов сводится к их охране от избыточного поступления биогенов, в частности фосфора и азота. Эта мера осуществляется многими путями. В первую очередь к ним относится повышение культуры земледелия, сопровождающееся уменьшением стока биогенов с сельскохозяйственных угодий. Очень важно не применять повышенные дозы удобрений, не дающие заметного экономического эффекта. Другой путь - перехват биогенов, выносимых с сельскохозяйственных угодий. Для малых водоемов можно сооружать кольцевую дренажную систему с последующим отводом собранных сточных вод за пределы водосбора.

В небольших водохранилищах, сооружаемых на малых водотоках, в том числе пересыхающих летом (балки, овраги и др.), от излишка биогенов можно освобождаться путем рыбоводных мероприятий, одновременно получая ценную продукцию. Особенно перспективно использование растительноядных рыб, непосредственно утилизирующих первичную продукцию и повышающих эффективность эксплуатации рыбных хозяйств.

Для перехвата биогенов, поступающих в небольшие водоемы с малой водосборной площадью, важно правильное обустройство прибрежной полосы, в частности ее облесение. Показано, что в условиях Московской области лесная полоса шириной 30 м почти полностью задерживает поступление биогенов в водоем с пахотного поля длиной 190 м и уклоном 3°. Лесная полоса не должна вплотную подступать к берегу во избежание загрязнения водоема листовым опадом; оставление полосы луга шириной 15 м устраняет эту возможность.



Эвтрофикация - это обогащение экосистемы питательными веществами. В течение длительного периода, обычно нескольких тысяч лет, озера естественным образом изменяют свое состояние с олиготрофного (бедного биогенными элементами) до эвтрофного (богатого ими) или даже дистрофного, т. е. с высоким содержанием в воде не минеральных, а органических веществ. Однако в XX в. произошла ускоренная антропогенная эвтрофикация многих озер, внутренних морей (в частности, Балтийского, Средиземного, Черного) и рек по всему миру.

Главной причиной этого стало усиленное применение азотных удобрений и сброс в водоемы больших количеств содержащих фосфаты бытовых сточных вод. Последнее отражает не только рост народонаселения планеты, но и современную тенденцию к увеличению его городской доли, а также совершенствование канализационных систем.

Эвтрофикация создает острые экономические и экологические проблемы. Чистая вода необходима для многих промышленных процессов, людей и домашнего скота, коммерческого и спортивного рыболовства, функционирования курортных зон и навигации.

Типичные кривые «кислородного истощения»: влияние сброса в реку органики на концентрацию растворенного кислорода в воде. (Из С. F. Mason (1981) Biology of fresh water pollution, Longman.)

Нитраты и особенно фосфаты относятся к питательным веществам, чаще всего определяющим первичную продуктивность водных экосистем. Таким образом, добавка этих солей стимулирует быстрое размножение планктона. Консументы реагируют на рост кормовых ресурсов медленнее, поэтому увеличивается доля авто-трофов, гибнущих «естественной смертью» и непосредственно снабжающих органикой де-тритныс пищевые цепи. Минерализация накапливающихся остатков редуцентами требует кислорода. В результате его концентрация в воде может упасть ниже уровня, необходимого для нормального развития многих видов прежней экосистемы. В далеко зашедших ситуациях рыба и другие крупные животные гибнут, их разложение усиливает потребность в кислороде, и процесс идет по нарастающей. Эта проблема может затрагивать не только непосредственно эвтрофированную зону.

Нескольких участков с дефицитом кислорода в речных системах бывает достаточно для блокирования миграции проходных рыб, например лососей и угрей.

Тепловая стратификация озера в средних широтах (прудыЛинсяи, Коннектикут, США). Летом теплый, богатый кислородом циркулирующий слой воды (эпилимнион) отделяется от прохладного, бедного кислородом придонного слоя (гиполимниона) широкой зоной быстрого изменения температуры - термоклином. В этой зоне градиент оксигенации воды аналогичен приведенному для водоема в целом. (С изменениями из: Е. P. Odum (1971) Fundamentals of ecology, Saunders.)

Дезоксигенация проточных водоемов , вызванная органическими остатками, - процесс медленный, и максимальный дефицит кислорода обычно наблюдается на некотором расстоянии от места поступления питательных веществ. Так, например, в Темзе в 1967 г. осенью при низком уровне воды зона кислородного истощения простиралась на 40 км ниже Лондонского моста, а весной, когда вода стояла высоко, - всего на 12 км. В последние 30 лет проведена большая работа по очистке этой реки. Такого сильного дефицита кислорода в Темзе больше не наблюдается, и рыбу можно ловить на всем ее протяжении.

В озерах проблему вызванного эвтрофикацией дефицита кислорода может обострять сезонная стратификация, т. е. формирование несмешивающихся слоев воды с разными температурами. В умеренном климате температурная стратификация происходит обычно в начале лета, главным образом по двум следующим причинам.
1. Солнце нагревает поверхность воды . Теплая вода имеет более низкую плотность, поэтому она не погружается, а образует теплый стационарный верхний слой (эпилим-нион). Ниже этого слоя вода может нагреваться только за счет теплопроводности, а в жидкой среде это процесс медленный.
2. Реки и ручьи , впадающие в озеро, мельче его. Их вода прогревается на всю глубину. Она смешивается только с эпилимнионом, еще больше повышая его температуру по сравнению с глубинным слоем (гиполимнионом)

Для озерной экосистемы все это имеет важные последствия, в частности затрудняет снабжение гиполимниона кислородом.

Вода озера снабжается кислородом тремя основными путями:
1) за счет фотосинтеза, требующего света, т. е. наиболее интенсивно идущего у поверхности;
2) путем диффузии из атмосферы;
3) с проточной водой впадающих рек и ручьев.

Как видно, эти источники обогащают кислородом прежде всего эпилимнион . Оксигенация глубинных слоев зависит от диффузии сверху и перемешивания воды во время сильного волнения. Последнее более характерно для зимнего сезона. Таким образом, при установлении летней стратификации жизнь в глубине озера зависит главным образом от образовавшегося к весне запаса кислорода в ги полимн ионе.

В здоровой озерной экосистеме большая часть первичной биомассы поедается фитофагами; на долю детритофагов и редуцентов приходится сравнительно мало пищи. Эвтрофикация повышает продуктивность фитопланктона в эпилимнионе, и масса мертвых остатков оседает на дно водоема, поскольку консументы «не справляются» с возросшим количеством корма. Это стимулирует развитие в гиполимнионе редуцентов, истощающих и так небольшой запас кислорода. Если бы кислорода в гиполимнионе было много, то никаких проблем не возник&то бы. Однако к концу лета там возможно развитие аноксических (бескислородных) условий, вызывающих катастрофическую гибель (замор) рыбы и других животных.

Антропогенная эвтрофикация, в отличие от природной, является побочным следствием активности человека и состоит в быстром повышении трофности водоема вследствие попадания в него минеральных (биогенных) и органических веществ в количествах, значительно превышающих обычные природные уровни.
Малые водоемы загрязняются минеральными и органическими веществами быстрее. Поэтому проблема эвтрофикации давно известна для пресноводных экосистем, прежде всего в связи с «цветением» озер, рек и водохранилищ. Однако к 80-м годам ХХ века на больших участках морей, в первую очередь, внутренних, появились признаки изменения экосистем, которые нельзя уже было объяснить возможными многолетними флуктуациями и др. природными причинами.
Считается, что морская эвтрофикация более сложна и менее изучена, но для некоторых морских экосистем очевидны такие тяжелые последствия этого процесса, как массовая смертность промыслового и кормового бентоса, донных рыб, серьезный ущерб для индустрии туризма, связанный с ухудшением эстетических ресурсов морского побережья, снижением прозрачности воды, появлением неприятных запахов и т.д.
Акватории морей всегда были неоднородными по уровню трофности. Так, в зонах регулярного подъема глубинных вод, богатых биогенными элементами, в приустьевых участках трофность морских вод всегда повышена. Природные экосистемы откликаются на это повышенной продуктивностью. Но сброс в море и вынос реками биогенных элементов и органических веществ достиг такой интенсивности, что экосистемы не могут переработать эти поступления. Наступает нарушение регулировки экосистемы, баланса процессов, что завершатся общим экологическим стрессом, ущербом живым ресурсам моря, особенно вблизи источников эвтрофикации.
Эвтрофикация порождает в природных водоемах ряд взаимосвязанных явлений, объединяемых иногда термином «синдром эвтрофикации». В их числе - «цветение» воды, или, [.Одум, 1975], «злокачественное» увеличение биологической продуктивности, дефицит кислорода в придонных слоях воды (гипоксия), массовая гибель донных и придонных организмов (заморы), выделение в процессе разложения белковых веществ сероводорода, уменьшение прозрачности воды и др. Процесс эвтрофикации водоемов получил особенно стремительное развитие в последние 2-3 десятилетия как следствие интенсификации сельского хозяйства, промышленности и других видов практической деятельности людей. Причем степень вызванной трофности каждого отдельно взятого водоема зависит от конкретных физико-географических, гидрологических и гидробиологических условий.

экология популяция эвтрофикация водоем

Эвтрофикация - это изменение физических, химических и биологических свойств озера при долговременном поступлении питательных веществ с прилегающих территорий за счет процессов естественной эрозии и стока. Эвтрофикация может быть следствием естественного старения водоема, внесения удобрений или загрязнения сточными водами. По уровню эвтрофикации водоемы делятся на:

Олиготрофные (слабо эвтрофицированные);

Мезотрофные (средне эвтрофицированные);

Эвтрофные (сильно эвтрофицированные).

Иногда, также в отдельную категорию выделяют гиперэвтрофные (сверх эвтрофицированные) водоемы - такие, где эвтрофикация вызывает массовое отмирание биоты и резкое изменение параметров экосистемы.

Эвтрофные водоемы богаты разнообразием литоральной и сублиторальной растительностью, обилием планктона. Эвтрофикация может приводить к взрывному развитию одноклеточных водорослей ("цветение воды"), дефициту кислорода и, гибели высшей растительности, рыб и других животных. Механизм воздействия гиперэвтрофикации на экосистемы водоемов является следующим:

1. Повышение содержания биогенных элементов в верхних горизонтах воды вызывает бурное развитие растений в этой зоне и увеличение численности зоопланктона, питающегося фитопланктоном. Прозрачность воды снижается, глубина проникновения солнечных лучей уменьшается, а это приводит к гибели донных растений. После гибели донных растений происходит гибель организмов, чей жизненный цикл был с ними связан.

2. Водоросли и бактерии , сильно размножившиеся в верхних горизонтах водоема, имеют большую поверхность тела и биомассу, чем растительный комплекс при постоянном уровне эвтрофикации водоема. При этом в ночные часы фотосинтез в этих растениях не проходит, а процесс дыхания продолжается, что требует затрат кислорода. В результате в предрассветные часы, кислород в верхних горизонтах воды оказывается почти исчерпанным. Наблюдается гибель организмов, обитающих в приповерхностных водах, от недостатка кислорода (так называемый "летний замор").

3. Большое количество отмерших организмов из верхних слоев водоема опускаются на дно, где проходит их разложение. Донная растительность гибнет на ранних стадиях эвтрофикации, и производство кислорода здесь почти не происходит. Биопродуктивность благодаря эвтрофикации увеличивается, но между производством и потреблением кислорода в придонных горизонтах, наблюдается дисбаланс. Кислород здесь стремительно уходит, и это приводит к гибели бентосных организмов. Аналогичное явление, наблюдаемое во второй половине зимы в замкнутых мелководных водоемах, известное как "зимние заморы".

4. В донном грунте , лишенном кислорода, проходит разложение отмерших организмов с образованием сильных ядов: фенол и сероводород, вызывающих отравление организмов водоема. Это вызывает еще более массовое отмирание, и влечет дополнительное потребления кислорода. Из-за несбалансированной эвтрофикации большая часть флоры и фауны водоема может быть уничтожена, а экосистема водоема резко изменена.

Жизнь на Земле, с момента возникновения, сопровождалась явлениями эвтрофикации. Но для современной геологической эпохи это явление не характерно. Огромным, по масштабам эвтрофикационным явлениям, мы обязаны наличием залежей угля, нефти, природного газа - полезным ископаемым биогенного происхождения (вплоть до железных руд). К биогенных элементам, которые и вызывают эвтрофикацию, относятся: азот, фосфор и кремний в различных соединениях. Фосфор и азот, являются обязательными элементами тканей любого живого организма. Концентрация биогенных элементов, их режим, зависят от интенсивности биологических и биохимических процессов в водоеме. Концентрации азота и фосфора характеризуют трофность водоема. Считается, что чрезмерная эвтрофикация водоемов начинается при содержании в воде азота в концентрации 0,2-0,3 мг/л, фосфора - 0,01-0,02 мг/л. При переходе от олиготрофных водоемов к мезотрофным и эвтрофным существенно растет доля аммонийного азота в его общей численности.

ЭВТРОФИКАЦИЯ - eutrophication. Избыточное поступление в водоёмы органических и минеральных веществ, преим. азота и фосфора. Э. проявляется при активном развитии гидрофитов. Во время массового отмирания водорослей на дне водоёмов в больших количествах отлагаются их разлагающиеся остатки, на окисление к-рых затрачивается большое количество кислорода. Дефицит кислорода часто приводит к заморам рыбы и др. гидробионтов.

Наиболее изучен процесс эвтрофирования водоемов. Этот естественный процесс, характерный для всего геологического прошлого планеты, обычно протекает очень медленно и постепенно, однако в последние десятилетия, в связи с возросшим антропогенным воздействием, скорость его развития резко увеличилась. Ускоренная, или так называемая антропогенная эвтрофи-кация связана с поступлением в водоемы значительного количества биогенных веществ - азота, фосфора и других элементов в виде удобрений, моющих веществ, отходов животноводства, атмосферных аэрозолей и т. д. В современных условиях эвтрофикация водоемов протекает в значительно менее продолжительные сроки - несколько десятилетий и менее. Антропогенное эвтрофирование весьма отрицательно влияет на пресноводные экосистемы, приводя к перестройке структуры трофических связей гидробионтов, резкому возрастанию биомассы фитопланктона благодаря массовому размножению си-незеленых водорослей, вызывающих «цветение» воды, ухудшающих ее качество и условия жизни гидробионтов (к тому же выделяющих опасные не только для гидробионтов, но и для человека токсины). Возрастание массы фитопланктона сопровождается уменьшением разнообразия видов, что приводит к невосполнимой утрате генофонда, уменьшению способности экосистем к гомеостазу и саморегуляции (Яблоков, 1983). Процессы антропогенной эвтрофикации охватывают многие крупные озера мира - Великие Американские озера, Балатон, Ладожское, Женевское и др., а также водохранилища и речные экосистемы, в первую очередь малые реки. На этих реках, кроме катастрофически растущей биомассы сине-зеленых водорослей, с берегов происходит зарастание их высшей растительностью. Сами же сине-зеленые водоросли в результате своей жизнедеятельности производят сильнейшие токсины, представляющие опасность для гидробионтов и человека.

Балтийское море уязвимо, и перед ним стоит много проблем. Этим летом мы все ещё раз имели возможность убедиться, как далеко зашёл процесс эвтрофикации Балтийского моря, и "цветение" воды из-за массового развития сине-зелёных водорослей - лишь один из наглядных примеров того, насколько серьёзна ситуация. Другие негативные последствия эвтрофикации проявляются в уменьшении прозрачности морской воды и снижении биологического разнообразия. Разнообразие форм жизни в Балтийском море уменьшается, так как на настоящий момент отдельные участки морского дна мертвы, а некоторые биотопы - полностью уничтожены. Это, в свою очередь, привело к уменьшению численности популяций одних видов, в то время, как численность других неконтролируемо увеличивается. Наблюдаемый дисбаланс свидетельствует, что эвтрофикация является одной из наиболее серьёзных проблем, которая стоит перед природной компонентой Балтийского моря.

Эвтрофикация, или эвтрофирование, - процесс обогащения водоемов питательными веществами, особенно азотом и фосфором, главным образом биогенного происхождения. В результате происходит постепенное зарастание озера и превращение его в болото, заполненное илом и разлагающимися растительными остатками, которое в конце концов полностью высыхает. В естественных условиях этот процесс занимает десятки тысяч лет, однако в результате антропогенного загрязнения протекает очень быстро. Так, например, в маленьких прудах и озерах под влиянием человека он завершается всего за нескольких десятилетий.

Эвтрофикация усиливается, когда рост растений в водоеме стимулируется азотом и фосфором, содержащимися в насыщенных удобрениями стоках с сельскохозяйственных угодий, в чистящих и моющих средствах и других отходах. Воды озера, принимающего эти стоки, представляют собой плодородную среду, в которой происходит бурный рост водных растений, захватывающих пространство, в котором обычно обитают рыбы. Водоросли и другие растения, отмирая, падают на дно и разлагаются аэробными бактериями, потребляющими для этого кислород, что приводит к замору рыбы. Озеро заполняется плавающими и прикрепленными водорослями и другими водными растениями, а также питающимися ими мелкими животными. Синезеленые водоросли, или цианобактерии, делают воду похожей на гороховый суп с дурным запахом и рыбным вкусом, а также покрывают камни слизистой пленкой.

Эвтрофикация - повышение уровня первичной продуктивности водоемов из-за повышения в них концентрации биогенных веществ, в основном азота и фосфора; часто приводит к цветению вод.

Эвтрофикация водоемов

Попав в природные водоемы (например, соединений фосфора и азота), биогенные элементы становятся питательной средой для микроорганизмов, в том числе - сине-зеленых водорослей. Продукты жизнедеятельности сине-зеленых - аллергены, токсины, уже на прямую воздействующие на человека. Особенно интенсивно водоросли размножаются в хорошо прогретой воде, то есть летом. Именно поэтому некоторые из нас обнаруживают после купания в заливе на своем теле красные пятна. А если выпить такой воды, даже при условии, что она кипяченая, можно сильно отравиться. Процесс антропогенного эвтрофирования, вызывая быстрые и подчас необратимые нарушения функциональных связей экосистемы, приводит к ухудшению качества воды, подрыву полезной продуктивности, а иногда и к полной утрате природных ресурсов озера. Основные отрицательные последствия этого процесса - массовое развитие планктонных водорослей, появление неприятного запаха и вкуса воды, увеличение содержания органических веществ, снижение прозрачности и увеличение цветности воды. Перенасыщение воды органическим веществом стимулирует развитие сапрофитных бактерий, в том числе болезнетворных, а также водных грибов. В результате жизнедеятельности некоторых водорослей, особенно сине-зеленых, возникают токсические эффекты, приводящие к заболеваниям животных, а в отдельных случаях и человека («гаффская» и «сартландская» болезни).

На окисление огромного количества новообразованного органического вещества расходуется значительная часть содержащегося в озерной воде растворенного кислорода. В результате ценные в промысловом отношении породы рыб (лососевые, сиговые), требовательные к высокому качеству воды, вытесняются низкосортными видами, менее в этом отношении чувствительными.

«Цветение вод» - массовое развитие (вспышка) фитопланктона, вызывающее изменение окраски вод от зеленой (зеленые и сине-зеленые водоросли) и желто-бурой (диатомовые) до красной (динофлагелляты). Интенсивность этого процесса определяется по биомассе водорослей: слабое (0,5 – 0,9 мг/л), умеренное (1 – 9,9 мг/л), интенсивное (10 – 99,9 мг/л) и «гиперцветение» - более 100 мг/л.

Эти явления известны с глубокой древности, но в последнее время они стали часты и весьма интенсивны в результате возросшего антропогенного воздействия на морские экосистемы. Это обусловлено, главным образом, значительным поступлением в водоемы органических веществ (азота, фосфора, калия и др.)

Это приводит к ухудшению кислородного режима (вплоть до заморов), к накоплению в водной среде токсичных органических соединений, что вызывает появление в морях красных приливов.

Эвтрофикация (эвтрофирование, эвтрофикация) - по­вышение биологической продуктивности водоемов в результате накопления в воде биогенных веществ под воздействием естественных и главным образом антропогенных факторов. Основными причинами является поступление огромных количеств биогенных компонен­тов (особенно азота и фосфора), которые поставляются в среду сельскохозяйственным производством (приме­нение удобрений), а также различных детергентов (еже­годно в мире используется свыше 30 млн т мыла) и др.

По данным Б. Хендерсон-Селлерса, основ­ными критериями для характеристики процесса эвтрофикации водоемов являются:- уменьшение концентрации растворенного кисло­рода в воде; - увеличение содержания биогенных компонентов; - увеличение содержания взвешенных частиц, осо­бенно органического происхождения; - последовательная смена популяций водорослей с преобладанием сине-зеленых и зеленых; - возрастание мутности воды (уменьшение проник­новения света); - значительное увеличение биомассы фитопланкто­на (при одновременном уменьшении разнообра­зия видов) и т. д. . Про­цессы эвтрофикации охватили многие крупные пресно­водные водоемы США и Канады (Великие Американс­кие озера), Японии, Европы (Женевское, Ладожское, Онежское озера, Балатон и др.), а также многие морс­кие бассейны (Средиземное, Черное, Балтийское и др.). Поскольку эвтрофирование водоемов стало серьезной глобальной экологической проблемой, по линии ЮНЕСКО начаты работы по мониторингу внутренних вод и контролю за эвтрофированием водоемов земного шара.

Красный прилив – экологическое явление, вызванное чрезмерным сбросом в океан органических веществ и массовой вспышкой пирофитовых водорослей. Проведенные исследования показали, что после сильных дождей большое количество питательных веществ (особенно азота и фосфора) смывается с побережий и одновременно приток пресных вод понижает соленость океана, а подъем глубинных вод выносит к поверхности дополнительные органические вещества, которые и стимулируют рост и массовое размножение пирофитовых водорослей. Все это приводит к большим экономическим потерям, так как пустеют пляжи, которые покрываются массой разлагающейся рыбы. В последние годы в Мировом океане в результате сброса огромного количества органических веществ участились красные приливы, которые отмечаются у берегов Индии, Австралии, Японии, Скандинавии, в Черном и Средиземном морях. В связи с этим необходимо организовывать мониторинг за содержанием в водах океана токсичных видов фитопланктона, вызывающих эвтрофикацию и красные приливы.

Негативные экологические последствия эвтрофирования водоемов

    ПРОЦЕССЫ ЭВТРОФИКАЦИИ В ВОЛГОГРАДСКОМ ВОДОХРАНИЛИЩЕ И ПУТИ ИХ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ

процессы эвтрофикации

в волгоградском водохранилище

и пути их предотвращения

Мамонтова А.С. (ПР-051), Шепелева Е.С. (ассистент кафедры ЭиП), Научный руководитель – Новиков В.В., к.с.-х.н., доцент

Волжский гуманитарный институт (филиал) ВолГУ

На озёрном участке Волгоградского водохранилища с застойными зонами усиливаются процессы зарастания водной растительностью (эвтрофикация), что является причиной ухудшения качества воды и обеднения видового состава экосистемы. Эвтрофикация приводит к развитию сине-зеленых водорослей Cyanophyta , которые вызывают «цветение» воды, ухудшая её качество. Поэтому эта проблема актуальна для г. Волжского, осуществляющего водозабор из Волгоградского водохранилища .

Для борьбы с сине-зелеными водорослями применяются современные методы биологической, физико-химической очистки поверхностных вод, а также метод альголизации – вселение одноклеточной зеленой водоросли – хлореллы, проявляющей антагонизм к сине-зеленым водорослям . Последний метод используют в Волгоградском отделении ГосНИОРХ, учёными которого показано улучшение состояния водоема (рис. 1).

    Вышеуказанный метод проходит апробирование на Волгоградском и Цимлянском водохранилищах, где получены положительные результаты. В дальнейшем, при подтверждении положительных результатов, намечается его широкое применение на водоемах Волжско-Камского каскада, в том числе Куйбышевском водохранилище и других водоемах, где также существует данная проблема.

Целью нашей работы было проследить динамику цветения воды Волгоградского водохранилища в связи с проводимой альголизацией.

В период наибольшего развития биомассы сине-зеленых водорослей нами были отобраны пробы фитопланктона в 73 точках Волгоградского водохранилища в июле 2006 и 2007 гг. и проанализированы в экологической учебной лаборатории ВГИ ВолГУ по ГОСТ 17.1.4.02 – 90.

Содержание хлорофилла А в пробах варьировало от 0,95 мкг/л в верховье залива Пичуга до 8,87 мкг/л в середине приплотинного участка. В ряде заливов и створов в 2007 г. уровень биомассы снизился по сравнению с 2006 г. Однако, на приплотинном участке, наоборот, наблюдалось увеличение уровня биомассы. Данная динамика прослеживается и в 2007-2008 гг. (Рис. 2). В ряде заливов – Ерзовка, Дубовка, где особенно велико антропогенное воздействие, отмечается увеличение биомассы.

III . Водные экосистемы.

Лимитирующие факторы водных экосистем:

1. Соленость – содержание растворимых солей, главным образом хлорида натрия, в водной массе;

2. Глубина проникновения солнечных лучей;

3. Количество кислорода;

4. Доступность питательных элементов;

5. Температура воды.

По степени солености вод водные экосистемы подразделяются на два больших класса.

Солоноводные (морские) Пресноводные

Океаны - озера, водохранилища

Устья рек (эстуарии) - пруды

Прибрежные болота - болота

Коралловые рифы - реки и ручьи (водотоки)

Основные зоны океана.

В любом из океанов земного шара можно выделить две основные зоны: прибрежную и открытый океан.

Антропогенное изменение состава воды в водоёме - это увеличение нагрузки водоёма растворенными химическими и взвешенными веществами. Среди них преобладают чаще всего минеральные биогенные вещества, но нередко попадают и вещества токсичные для водных организмов, поэтому химическую нагрузку называют

загрязнением водоёма, изменяющим в нем качество воды. В восстановлении природного качества воды в водоёмах участвует ансамбль взаимосвязанных физических, физико-химических, биологических и гидрологических процессов. Наряду с тремя важнейшими процессами (см. раздел 12.1) в нем участвуют и многие другие упоминавшиеся процессы. Их подразделяют на две группы - процессы, изменяющие концентрацию загрязняющих веществ, и процессы, уменьшающие массу загрязняющего вещества в воде и приводящие ее к самоочищению (рис. 12.12).

Рис. 12.12.

Процесс смешения атмосферных и речных вод формирует в водоёме его основную водную массу (ОВМ) с равномерным распределением химических веществ и наиболее мелких фракций взвеси, обеспечивая тем самым однородность абиотических факторов развития планктонных организмов. На участках водоёмов, в которые производится сброс сточных вод, процесс смешения особенно важен, поскольку снижает их токсическое действие на водные организмы. Немаловажно для них и смешение талой, насыщенной кислородом воды, образующейся при таянии снежно-ледяного покрова, с верхним слоем зимних вод водоёма.

В это время начинается ранневесенняя вспышка развития диатомового наннопланктона , олигокарбофильных форм бактерио- планктона, а за ними - зоопланктона. Большая их численность обеспечивает усиление биоседиментации и самоочищения водной толщи от приносимых в половодье загрязняющих веществ.

Концентрирование растворенных веществ в поверхностном микрослое воды происходит вследствие испарения с открытой водной поверхности и при льдообразовании зимой. Оно способствует развитию микроконвекции , которая благоприятна для продукциейно- деструкционных процессов в трофогенном слое. Она регулирует в нем равномерность насыщения воды биогенными веществами и кислородом вокруг использующих их организмов фито-, зоо- и бакте- риопланктона.

Концентрирование в водных организмах техногенных веществ (ионы тяжелых металлов, радиоактивные вещества и пр.) при поедании одних гидробионтов другими, более высокого уровня трофической пирамиды, - один из главных механизмов изъятия ядовитых веществ из водоёма. С одной стороны, этот процесс создаёт опасность пищевых отравлений при чрезмерном накоплении таких веществ в вылавливаемой рыбе. Но, с другой стороны, гораздо важнее то, что биоконцентрированием и биоседиментацией обеспечивается захоронение основной массы этих веществ в донные отложения.

Фотосинтез и сорбция растворенных веществ на минеральной и органической взвеси снижают их концентрацию в воде, преобразуя во взвешенное ОВ, органоминеральные комплексы и обогащенную ими аллохтонную и абразионную минеральную взвесь. Эти процессы служат первым, подготовительным этапом самоочищения водной экосистемы седиментацией от избыточных количеств биогенных элементов и ядовитых веществ, а фотосинтез, кроме того, пополняет запас растворенного 0 2 , необходимого для разложения органических загрязняющих веществ. Образование гидрооксида железа в слоях воды с высоким содержанием 0 2 и сорбция на нем фосфорсодержащих соединений, а затем их соосаждение могут приводить к понижению концентрации фосфора в воде на 5-10 % и достигать 30-40 % в периоды максимального накопления железа в гиполимнионе 1 . На Братском водохранилище" медь выводится из его водной массы гли-

нистыми минералами, гидроокисью железа и марганца, другие тяжелые металлы связываются растворенными органическими соединениями в комплексы, что обеспечивает детоксикацию воды.

Трансформация гумусовых веществ, определяющих природную цветность воды, происходит вследствие коагуляции и соосаждения коллоидов с мелкой взвесью и окисным железом, а также фотохимического и биохимического окисления (Даценко, 2007). Скорость этого процесса минимальна в феврале, когда в водоёме наименьшая концентрация взвеси. Обесцвечивание достигает 30 % и более в «фазу чистой воды» (рис. 12.13 л), благодаря седиментации и биоседиментации мелких фракций взвеси, поглощения солнечной радиации (см. раздел 7.1).


Рис. 12.13. Снижение среднемесячных значений цветности воды в Учинском водохранилище («) и среднегодовых значений в зависимости от годового водообмена, Кв, год -1 , (б) (по: Даценко, 2007)

Чем продолжительнее воздействие этих процессов, тем больше обесцвечивание воды в годы с наиболее замедленным водообменом (рис. 12.13 б).

Самоочищение загрязнённых вод в водных объектах происходит в двух зонах . У места выпуска сточных вод образуется зона токсикации биоценоза, где одни виды гидробионтов гибнут, а другие (сапрофиты) бурно развиваются, разлагая антропогенные органические вещества, снижая их токсичность. На это расходуется содержащийся в воде кислород. Здесь ещё более ухудшаются органолептические характеристики - вкус, запах, нередко - цвет воды, но одновременно она обогащается СО2, нитратами, фосфатами.

На периферии этой зоны, в которой происходит первичная природная переработка даже очищенных на станциях аэрации сточных вод, образуется более обширная зона эвтрофикации биоценоза В ней, используя возникшие биогенные вещества, бурно развиваются организмы фито-, зоо- и бактериопланктона. Рост их биомассы увеличивает мутность воды, но при этом вода очень интенсивно насыщается фотосинтетическим кислородом. Усиливается соосаждение фосфатов, тяжелых металлов, нефтепродуктов с биогенными взвесями (пеллета- ми). Аэробными бактериями завершается окисление антропогенных органических веществ, что восстанавливает природные органолептические свойства воды. В результате этих процессов самоочищения водной экосистемы на внешней периферии зоны эвтрофикации состав и концентрация химических веществ, биомасса и состав гидробионтов становятся подобными фоновому экологическому состоянию водной массы рек, водохранилищ, озёр или иного водоприемника.

Под ледяным покровом на замерзающих зимой локально загрязняемых водных объектах восстановление нормального функционирования водной экосистемы сильно замедляется из-за недостатка света для фотосинтеза водных растений. Поэтому зона токси- кации расширяется, превращаясь в обширную зону замора, где из-за дефицита кислорода гибнут рыбы и другие водные организмы. Самоочищение водоёмов путем окисления веществ, осевших на дно, продолжается в донных отложениях до тех пор, пока расход кислорода в этом процессе не исчерпает его запас в придонном слое воды.

Вторичное загрязнение - это вынос в водную толщу со дна растворенных биогенных соединений азота, фосфора, закисного железа, СО2, сероводорода, метана и других продуктов бактериального разложения преимущественно детрита, десорбции соосажденных со взвесью веществ вследствие возникновения при дефиците 0 2 в ги- полимнионс и илах восстановительных условий. Нередко ко вторичному загрязнению относят и ресуспензию взвешенных веществ на мелководьях в шторм, поскольку этот процесс увеличивает концентрацию веществ в водной массе водоёма.

Негативная роль этих двух процессов в ухудшении качества воды невелика, локальна и многократно меньше, чем первичное, антропогенное их загрязнение. Одна из причин малой роли вторичного загрязнения воды в водохранилищах - в целом благополучный их кислородный режим, так как выделяющиеся в воду продукты распада органических веществ окисляются в аэробных условиях. Вторая причина малой вероятности вторичного загрязнения - чередование синоптически обусловленных состояний водной толщи - плотностной стратификации в штилевую и солнечную погоду и штормового и/или конвективного вертикального перемешивания толщи воды в холодную и пасмурную погоду. Нередки случаи, когда эти процессы поочередно стимулируют самоочищение воды в водоёмах.

Антропогенное эвтрофирование. Эвтрофирование 1 - явление накопления органического вещества в воде водоёма. В ГОСТе 17.1.1.01-77: «Эвтрофированием называется повышение биологической продуктивности водных объектов в результате накопления биогенных элементов под действием антропогенных или естественных факторов». Главным естественным фактором служит аккумуляция взвешенных веществ на дне водоёма и его постепенное заиление аллохтонными и автохтонными минеральными и органическими веществами. Скорость заиления озёр изменяется из-за колебаний климата и стока веществ с их водосборов, и может ускоряться и замедляться вертикальными движениями литосферы в течение длительных гидроклиматических эпох и геологических периодов.

Антропогенное эвтрофирование (эвтрофикация ) - явление, вызванное увеличением потоков биогенных веществ в гидрографической сети водосборов вследствие роста населения и его хозяйственной деятельности. Оно обнаружено в начале XX века в Центральной Европе и стало повсеместным. На сессии ЮНЕП" в 1984 г. эвтрофикация водоёмов, рек и прибрежных участков морей поставлена на первое место по степени опасности глобального антропогенного воздействия на окружающую среду. Главная опасность эвтрофикации в том, что это явление труднообратимо (Даценко, 2007). Оно изменяет пастбищный тип круговорота веществ на детритный, а вслед за этим упрощает биотическую структуру экосистемы, сокращая число видов водных организмов. В отличие от естественного, антропогенное эвтрофирование убыстряется из-за нарастающей массы веществ, участвующих в большом и малом биохимических ее круговоротах, и вследствие возрастающей внутренней нагрузке биогенными веществами.

Состав взаимообусловленных процессов - признаки эвтрофи- рования:

  • рост фосфорной нагрузки на водную экосистему (ортофосфаты - ведущий компонент минерального питания водных растений, фитопланктона, так как при недостатке азота нитратов более десятка видов синезеленых водорослей способны использовать растворенный в воде N 2) (Кузнецов, 1970);
  • увеличение годовой продукции органического вещества до величины его деструкции или даже до ППв >Д, вспышки продолжительного «цветения» синезелёных и динофитовых водорослей, что ведет к накоплению в водной экосистеме ежегодно всё большего количества органических веществ;
  • сильное пересыщение воды кислородом в эпилимнионе и его дефицит в гиполимнионе;
  • зарастание литорали погруженными и воздушно-водными растениями, появление среди них покрова из плавающей ряски, а на поверхности - донных отложений вне пояса макрофитов - водорослевых матов (плотного слоя отмирающего фитопланктона) из сине- зеленых и динофитовых водорослей;
  • сокращение видового разнообразия планктона и бентоса, исчезновение ценных пород рыб (для них неблагоприятно снижение концентрации 0 2 ниже 6 мг/л) - явные признаки деградации биотической структуры водной экосистемы;
  • ухудшение органолептических показателей качества воды, из-за чего она становится непригодной для водоснабжения и рекреации, утрачивается рекреационная привлекательность водоёмов, рек и морских пляжей.

В результате эвтрофикации водоёмов уменьшается толщина трофогенного слоя из-за снижения его прозрачности. А при отмирании сетных (некормовых) видов водорослей в афотической толще микробное их разложение истощает растворённый в воде СЬ. Из-за этого в трофолитической толще водоёма и в его илах деструкция детрита происходит анаэробными микроорганизмами с выделением озёрных газов и органических соединений, придающих воде сильные и неприятные запахи, вкус и окраску. Ускоряется накопление в илах недоразложившихся автохтонных ОВ - источника вторичного загрязнения водной толщи при её конвективно-динамическом перемешивании от поверхности до дна.

Для ограничения эвтрофирования предлагают затенять рекреационные пруды, периодически очищать их от ила, аэрировать гипо- лимнион сжатым воздухом. Для крупных водоемов наиболее радикальное средство - прекращение сброса загрязняющих веществ.

Не будь водохранилищ, техногенные тяжелые металлы в биологически доступной форме частично осаждались бы в многоводные половодья на волжской пойме, включались затем в наземный биохимический цикл микроэлементов с прогрессирующим их накоплением в луговых травах, молоке и мясе скота. Другая часть их стока в меженные периоды поступала бы в волжскую дельту и на мелководное устьевое взморье реки с концентрацией, превышающей ПДК в летнюю и зимнюю межень. В незарегулированной Волге при сё современной химической нагрузке заход осетровых рыб на нерест прекратился бы. Вполне вероятно, что и сама дельта утратила бы рыбохозяйственное значение крупнейшего в мире ареала нагула осетровых рыб вследствие токсикоза и прогрессирующего эвтрофи- рования водных объектов дельтовой области.

Принципы экологической реконструкции водохранилищ. С целью регулирования биологической продуктивности, интенсификации самоочищения воды и предотвращения гипертрофии водохранилищ разработаны принципы управления внутренним водообменом водохранилищ (Эдельштейн, 1998). Для этого требуется осуществить экологическую реконструкцию уже существующих водохранилищ, превращая (при необходимости) водоемы глубокого сезонного и многолетнего регулирования стока в пол и секционные водохранилища .

Для эффективного управления внутренним водообменом определяется оптимальное число водоохранных секций в пределах акватерритории водохранилища. Намечается положение межсекционных дамб, отделяющих их от глубоководной главной секции, В этой секции необходимо сохранить наилучшее качество воды при мезотроф- но-эвтрофном статусе и «пастбищном» типе круговорота биогенных и органических веществ.

В многолопастных водохранилищах водоохранными секциями могут стать заливы в устьях несудоходных притоков. При организации полисскционного водоёма следует предусмотреть:

I - неизменность внешнего водообмена и утвержденного диспетчерского графика, гарантирующего проектный режим использования водных ресурсов;

II - локализацию наибольшей части внешней химической нагрузки и притока наносов в водоохранных секциях, в которых уровень воды поддерживается у НПУ в течение всего вегетационного периода (рис. 12.14) для наиболее полной утилизации биоценозом мелководий поглощаемой водой солнечной энергии на процессы самоочищения воды и захоронения загрязняющих веществ;

Рис. 12.14. Уровень воды в полисек- ционном морфологически простом водохранилище многолетнего регулирования стока: а - весной по окончании половодья; б осенью в конце вегетационного периода; в - зимой;

1 - уровень в многоводное и 2 - в маловодное половодье; 3 - межсекционная дамба; 4 - главная секция; 5 - водоохранная секция; 6 - гидроузел.

III - сработку воды из водоохранных секций в предзимний период (при надобности) в главную для пополнения в ней водных ресурсов. Весной речными водами (наиболее мутными и загрязнёнными на подъёме половодья) в первую очередь заполнять эти секции. После этого замедленным в этих секциях транзитным потоком воды наполняется главная секция. При аварийных ситуациях водоохранные секции могут быть подготовлены досрочной сработкой к приёму особенно загрязнённых вод для предотвращения их поступления в главную секцию. Летом в штилевые дни, когда водоросли концентрируются у поверхности воды, вода сбрасывается в главную секцию через придонные водоводы, а при взмучивании илов в водоохранных секциях и поступлении в них паводковых вод сброс воды производится через водосливы. Стабильный уровень в водоохранных секциях оптимален для развития макрофитов- антагонистов сетного фитопланктона, вызывающего «цветение» водохранилищ. При необходимости предзимнего опорожнения водоохранных секций улучшатся условия зимовки макрофитов. Оголившиеся при быстрой сработке воды участки дна покроются снегом. Благодаря низкой теплопроводности снежного покрова не будут вымерзать корневища макрофитов, а весной выдираться льдом из дна при наполнении секций водой.

При реализации проектов реконструкции решается проблема хозяйственного использования осушаемых мелководий путем превращения водоохранных секций в рыбоводные хозяйства или охот- ничье-рыболовные угодья, зарастающие макрофитами, а затем при их ускоряющемся заилении - в сельскохозяйственные польдеры. В главной секции расширяются песчаные пляжи при летней сработке, способствующие не только повышению рекреационной привлекательности водохранилища, но и очищению воды псаммоном. Его роль в минерализации сетного фитопланктона возрастает в 4-5 раз в жаркую и штилевую погоду, когда развитие синезелёных и динофи- товых водорослей достигает «цветения».

Регулирование водообмена между секциями через поверхностные и придонные водопропускные отверстия позволяет обеспечить миграции туводных рыб на нерест в водоохранные секции, нагул там молоди рыб и предзимний их скат в главную секцию на зимовку, стимулированный ускоренной сработкой воды из водоохранных секций. Это повысит рыбопродуктивность водохранилищ и увеличит улов рыб старших возрастов в миграционное время. Зимой придонный слой главной секции аэрируется плотностным течением 1 . Летом при закрытых донных отверстиях межсекционных дамб резко сокращается фосфорная нагрузка на трофолитический район .

В неизбежно постепенно стареющих из-за заиления водохранилищах их площадь после реконструкции будет сокращаться быстрее, чем их объём, поскольку водоохранные секции заилятся в первую очередь. Замедлится заиление главной секции. Следовательно, будет возрастать средняя глубина реконструированного водоёма и уменьшаться потеря воды на испарение, продлится время его существования, в чем заинтересованы все отрасли водного хозяйства, использующие его водные, биологические и рекреационные ресурсы.

Контрольные вопросы:

  • 1. Какие основные процессы осуществляют внутриводоёмную трансформацию энергии и веществ?
  • 2. Что называется первичной продукцией и деструкцией веществ в водоёмах, биогенными веществами?
  • 3. Какие процессы участвуют в газообмене водоёма с атмосферой, от каких факторов зависит интенсивность этих процессов?
  • 4. Почему при интенсивном фотосинтезе водорослей выделяется кислород, увеличивается щелочность воды и происходит формирование хемогенного кальцита?
  • 5. Какова роль аэробных, анаэробных и железобактерий в трансформации веществ в воде и донных илах?
  • 6. На какие группы делят водные организмы по месту их обитания в водоёмах?
  • 7. Какие водные организмы - автотрофы, гетеротрофы, консументы, редуценты?
  • 8. Что такое трофическая пирамида, трофические уровни, бактериальная петля, пастбищный и дстритный трофические циклы?
  • 9. Каков принцип скляночного метода определения первичной продукции (валовой и чистой) и деструкции в водном объекте?
  • 10. Какие органические вещества считают стойкими, лабильными, каков генезис растворенных и взвешенных ОВ?
  • 11. В чем проявляется различие водоёмов четырёх основных типов трофического состояния?
  • 12. Каковы различия продуктивности водоёмов арктических, умеренных и внутритропических широт?
  • 13. Какими процессами начинается и заканчивается вегетационный период в водоёмах арктических и умеренных широт?
  • 14. В чём причина и различия весеннего и летнего «цветения» эв- трофных водоёмов?
  • 15. Почему наступает «фаза чистой воды» в начале лета в биологически продуктивных водоёмах?
  • 16. Какие процессы участвуют в формировании большого и малого круговорота веществ в димиктичсских и мономиктических водоёмах?
  • 17. В чем различие трофогенного и трофолитического слоёв в водоеме? Что такое «компенсационная точка, и каково изменение её глубины в течение суток и при различной погоде?
  • 18. Что такое кислородный гистерезис? Ортоградная и клиноград- ная стратификация растворенного кислорода? В водоёмах каких трофических типов они наблюдаются?
  • 19. Какими процессами различаются две стадии трофического состояния долинных водохранилищ? В чем различие в них трофогенного и трофолитического районов?
  • 20. Какие внутриводоемные процессы изменяют концентрацию веществ в воде водоёмов и какие ведут к сё загрязнению и самоочищению?
  • 21. Какие процессы способствуют самоочищению воды в очаге ее загрязнения в зонах токсикации и эвтрофикации?
  • 22. От каких факторов зависит удержание веществ в водоёмах? Почему в водохранилищах коэффициент удержания веществ больше, чем в озёрах?
  • 23. Чем отличается природное эвтрофирование водоёмов от их эвтрофикации?
  • 24. Какими мероприятиями возможно деэвтрофировать пруд, озеро, водохран ил и ще?
ЮНЕП (UNEP - United Nations Environment Program) - Программа ООН по окружающей среде (с 1972 г.).