Использование веществ организмами. Биотический круговорот в водоеме

Лабораторная работа СГ -  № ?

Тема: Биологическое самоочищение. Использование веществ организмами. Биотический круговорот в водоеме

Цель работы:

− изучить процессы поэтапного биологического самоочищения;

− изучить организмы, способствующие процессу самоочищения;

− изучить процессы изменения продуктивности водоемов при зарегулировании рек;

− изучить основные пути и фазы биологического загрязнения водоемов;

− органические в-ва, включающиеся в биотический круговорот веществ;

− роль сообществ и популяций в биотическом круговороте вещества и энергии в водоеме;

− изучить основные составляющие процесса самоочищения;

− изучить роль гидробионтов в самоочищении водоема;

− изучить основные направления биологического самоочищения;

− изучить трофо-ценотическая структура водной экосистемы при различном временном

загрязнении;

−изучить процесс детоксикации и деструкции соединений в водном биоценозе;

− изучить физико-химический механизм самоочищения.

Основная роль в самоочищении водоемов принадлежит биологическому фактору. В.И. Вернадский писал: «... нет химической силы, постоянно действующей, а потому и более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы».

В.И. Жадин (1960) оценивал роль организмов в самоочищении водоемов так: «Все виды загрязнения водоемов органическими веществами вызывают мощные процессы биологического самоочищения, в которых принимают участие различные группы организмов, поглощающих эти вещества: бактерии и грибы, водоросли, высшие растения и различные группы водных беспозвоночных, рыбы. Процессы биологического самоочищения проходят обычно три фазы:

− абсорбции и резорбции;

− усвоения организмами;

− минерализации.

По преобладающей роли той или другой группы водных организмов в процессе биологического самоочищения воды различают стадии самоочищения бактериальную, водорослевую и т.д.».

Биологическое самоочищение представляет собой основное звено процесса самоочищения вод и рассматривается как одно из проявлений биотического круговорота веществ в водоеме. Биологическим механизмом самоочищения называют утилизацию и трансформацию веществ и энергии, запасенной водными организмами всех трофических уровней.

Последовательность процессов такова:

− использование органических веществ сточных вод гетеротрофными бактериями;

− рост и размножение зоопланктона и зообентоса за счет бактерий, взвешенного и растворенного органического вещества;

− развитие водорослей и стимулирование процесса фотосинтетической аэрации (после процесса минерализации органического вещества с выделением минеральных форм биогенов);

− развитие высшей водной растительности.

Наряду с микроорганизмами в самоочищении принимают участие и другие гидробионты: простейшие, фильтраторы, водоросли и т.д. Роль их разнообразна и не всегда однозначна (биологическое загрязнение). Изучение роли гидробионтов в самоочищении открывает широкие перспективы для целенаправленного их использования в борьбе со стоками, в частности нефтью и нефтепродуктами (Миронов, 1975). Знание процессов биологической трансформации и деструкции органических веществ организмами способствуют правильному выбору типа строительства очистных сооружений − полей фильтрации, полей орошения, биологических очистных прудов, станций биологической очистки, аэротенков, метантенков и т.п. (Жадин, 1960).

В природе еще до появления антропогенного фактора существовало естественное самоочищение, при котором загрязнения разрушаются до простых соединений, поступающих в общий биотический круговорот.

Природные воды отличаются от водных растворов минеральных и органических веществ присутствием сложных сообществ живых организмов и постоянной (для данных условий) концентрацией химически активных частиц и соединений. С участием этих организмов и частиц осуществляется синтез и разрушение органических веществ, преобразование их форм и в значительной мере миграция химических элементов (Синельников, 1980).

Наиболее активно или интенсивно процессы самоочищения протекают в реках при наличии течения, и, чем течение сильнее, да еще при значительной ширине и глубине реки, тем успешнее река справляется с загрязнением. С зарегулированием стока реки плотиной меняется ее режим, который становится близким к режиму озер, изменяется и вся жизнь водоема. Основные черты изменения режима в водоемах озерного типа сводятся к замедлению скоростей течения и регулированию уровня (рис. 1).

Рис. 1. Изменение внутриводоемных процессов, связанное

с зарегулированием водоемов

Водохранилища представляют собой отстойную накопительную систему, аккумулирующую вещества и энергию. Изменение режима водоема при зарегулировании сказывается на характере протекающих в нем биологических процессов (зарастании, цветении, накоплении биомассы водных организмов) и в связи с этим на качестве воды.

Использование веществ организмами. Биотический круговорот в водоеме

В биотический круговорот веществ в водоеме включаются:

− автохтонное органическое вещество (ОВ), синтезированное в водоеме (первичная и вторичная продукция, живая и в виде детрита, поступающего на химическое и биохимическое окисление);

− аллохтонное органическое вещество − приточное органическое вещество с поверхностным стоком, речным, воздушным и антропогенным (загрязнения).

Загрязнение водоемов органическими веществами происходит двумя путями:

− самозагрязнение воды продуктами метаболизма и отмирание животных и растений (вторичное загрязнение - частично).

− загрязнение сточными водами (первичное загрязнение).

В биологическом самоочищении водоемов отмечается 2 фазы: аэробная и анаэробная.

Аэробная − участвуют почти все группы гидробионтов. Органическое вещество дна минерализуется разными группами организмов и с разной скоростью, в зависимости от содержания кислорода. В реке при незначительном развитии планктона процессы самоочищения более интенсивно протекают на дне. Доля атмосферной аэрации воды в реках более значительна, чем фотосинтетическая, за счет фитопланктона, фитобентоса и макрофитов.

Анаэробная − участвуют бактерии в бескислородных условиях с выделением СH₃, H₂S и продуктов неполного распада ОВ (фенолы, меркаптаны и т. д.).

Фитопланктон играет важную роль в биологическом самоочищении, выделяет кислород на окисление загрязнений.

Процессы биологического самоочищения водоемов и водотоков могут рассматриваться с позиций количественного выражения роли сообществ и популяций в биотическом круговороте вещества и энергии в водоеме. Важно, что биотический круговорот в загрязненных и чистых водах имеет общую основу.

На любом трофическом уровне потребляемая организмами пища не усваивается полностью. Усвоенная пища частично идет на прирост, ее энергия может использоваться организмами следующего трофического уровня. Частично усвоенная пища окисляется с выделением энергии.

Важными факторами самоочищения является также деструкция и минерализация органического вещества.

Скорость деструкции прямо зависит от количества легкоокисляемого органического вещества.

Cхематично процесс самоочищения охватывает следующие явления. Распавшиеся и прореагировавшие соединения заменяются вновь образующимися. Промежуточные активные соединения и частицы с высокой реакционной способностью участвуют в биохимических и химических процессах превращения веществ в водоемах (рис. 2)

Рис. 2 . Отдельные составляющие процесса самоочищения