Роль гидробионтов в самоочищении водоема

По этому поводу Г.Г. Винберг (1975) писал: «Нет надобности доказывать, что знание физиологических особенностей водных организмов, участвующих в самоочищении или служащих показателями качества воды, имеет основное значение для санитарной гидробиологии» (Винберг, 1975).

Биологическое самоочищение можно рассматривать или даже моделировать (Вавилин, Циткин, 1977; Streeter, Phelps, 1925) по 2 основным направлениям:

− при загрязнении водоема минеральными формами биогенов, азота и фосфора;

− при загрязнении водоема органическими веществами (углеводородами или отходами сыро-маслоделия, фенолами).

В первом случае процесс самоочищения начинается с усиленного развития водорослей (цветение синезелеными). По мере расходования биогенов и отмирания водорослей интенсивное первичное продуцирование сменяется не менее интенсивными деструкционными процессами, ведущую роль в которых играют бактерии в толще воды и на дне водоема. Бактерии подготавливают условия для развития зоопланктона, в тоже время являясь кормом для зоопланктеров вместе с водорослевым детритом. Вспышка численности и биомассы зоопланктона сменяется его отмиранием и деструкцией в толще воды и на дне. Высвобождающиеся биогены и, прежде всего, фосфор переходят в толщу воды (при наличии хорошо выраженного гиполимниона может блокироваться в придонном слое) и при достаточном или повышенном содержании азота может иметь место новая, но затухающая волна цветения синезелеными или увеличение численности другой альгофлоры. В конце концов, при отсутствии нового возмущающего загрязнения нарушенный продукционно-деструкционный баланс восстановится, и экосистема водоема примет свои «исходные» характеристики. Конечно, на деле все сложнее и зависит от состояния экосистемы и силы загрязняющего воздействия на нее.

Во втором случае процесс самоочищения инициируется бактериями поверхности, толщи воды и дна водоема. Бактерии, разрушая и выедая органическое вещество, создают условия высокой обеспеченности кормом зоопланктона, нейстона и бентоса.

Вспышка численности групп зоопланктона (простейшие, коловратки и рачковый планктон − фильтраторы, а за ними и хищники) и последующее его отмирание может вызвать увеличение первичного продуцирования за счет усиления фона биогенов.

При разовом, относительно кратковременном и не сильном загрязнении, наблюдается усиление трофо-ценотической структуры водной экосистемы (повышение трофности). При сильном загрязнении, например, нефтепродуктами, вслед за вспышкой фитопланктона вплоть до цветения процесс самоочищения может продолжаться с затуханием через подъем биомассы зоопланктона. Дальнейшая картина может в общем виде повторять процесс по первому варианту, но, вероятно, более пестрый и длительный. И в первом и во втором случае загрязнение может быть токсичным и экосистема претерпит структурный и функциональный ущерб, процесс самоочищения будет замедлен. Однако, при кратковременном, даже токсичном воздействии экосистема восстановится при наличии биофонда − притока организмов из бассейновой системы водоемов.

При длительном загрязняющем воздействии, а тем более его усилении, экосистема водоема будет деградировать по пути увеличения сапробности, например, от олигосапробной до полисапробной, что и наблюдается в водоемах, куда сбрасываются долгое время сточные воды предприятий, например ЦБК (Онежское озеро, р. Сухона).

Бактерии, простейшие организмы и водоросли могут развиваться и даже увеличивать свою численность и биомассу при очень высоких концентрациях органических веществ в воде, особенно в условиях достаточного поступления биогенных элементов. Способность токсических органических соединений стимулировать развитие водных организмов показана на примере опытов с фенолом (табл. 1).

При определении водных организмов, развивавшихся в аквариумах спустя некоторое время после внесения летальных доз фенола, через месяц после внесения фенола и гибели всех организмов в аквариумах в массе размножились малощетинковые черви (Lumbriculus variegatus и Pristina rosea).

Таблица 1 − Развитие водных организмов при различных концентрациях фенола

Зеленые водоросли находят благоприятные условия для обитания в водоемах с высоким содержанием солей тяжелых металлов, попадающих сюда с промышленными сточными водами. Опыты, проведенные на хлорококковых водорослях Scenedesmus quadricauda и Chlorella vulgaris по выращиванию их на стоках, содержащих разновалентные соединения хрома, показали, что шестивалентный хром в токсичных концентрациях переходит из раствора в клетки водорослей, при этом претерпевает изменения валентности и накапливается в водорослях в виде трехвалентного хрома. Шестивалентное соединение хрома за 30 дней опыта на 95,5% переходит в трехвалентное соединение. Последний в виде прочных комплексов металл − белок при отмирании водорослей выпадает в осадок, может удаляться из экспериментальных емкостей или захоранивается в грунтах водоема. Образование комплексной связи металл − белок приводит к более низкой растворимости белков.

Биологическое значение такого рода комплексов заключается не только в транспорте металла, но и в предотвращении токсического действия высоких концентраций тяжелых металлов внутри водорослевой клетки. Образование таких комплексов приводит к снижению растворимости металлов и в иловых отложениях, возникающих при отмирании водорослей, и к снижению токсического действия металлов в водоеме (Хоботьев, 1975).

Таким образом, водоросли, наряду с микроорганизмами, могут успешно использоваться в практике биологической очистки промышленных сточных вод от переходных металлов. «Оптимальные условия жизнедеятельности организмов, а следовательно, и обмена веществ в водоеме создаются в биоценозе, который формируется под влиянием условий среды, взаимоотношений между организмами и с участием геофизических процессов. Водные биоценозы представляют собой сообщества микроорганизмов, водорослей, зоопланктона и бентоса, высшей водной растительности и рыб. Благодаря им поддерживается относительно устойчивый состав воды. Биоценоз − пластичная система, способная откликаться на изменяющиеся условия среды. М.М. Камшилов (1973) считает, что водные сообщества способны справляться с внешними помехами, выступая как саморегулирующая система лишь в том случае, если она достаточно многообразна, а в основе саморегулирования лежит биотический круговорот водоема, т.е. те самые процессы, которые обусловливают ежегодно повторяющиеся циклы биологического продуцирования» (Синельников, 1980).

А.Ф. Алимов и Н.П. Финогенова (1976), анализируя функциональные особенности и устойчивость сообществ донных биоценозов реки Ижоры, пришли к выводу, что «биоценозы чистых участков под влиянием поступающих в реку загрязнений изменяются в направлении упрощения трофической структуры, заменяясь на более простые, но играющие большую роль в процессах самоочищения. По мере очищения воды происходит усложнение сообществ и уменьшение их роли в процессах самоочищения». Следовательно, наиболее стабильными оказываются сообщества чистого участка реки.

Включение организмов водного биоценоза в процесс детоксикации и деструкции соединений, поступающих с городскими стоками, происходит в следующем порядке:

− развитие водорослей и стимулирование процесса фотосинтетической аэрации (за счет поступления биогенных веществ, прежде всего фосфора после отмирания зоопланктона;

− использование веществ сточных вод гетеротрофными бактериями (бактерии подготавливают условия для развития других организмов водного биоценоза и сами являются кормовой базой для многих организмов);

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

− развитие высшей водной растительности (за счет азота, высвобождающегося в результате деструкции отмершего фитопланктона).

Несомненна роль зоопланктона в минерализации органических веществ загрязненых вод. При массовом развитии коловраток и ветвистоусых раков деструкция органического вещества, определенная по БПК, может составить 100-200 мг О₂/л в 1 сутки (Щербаков, 1967).

В водной среде часто создаются условия, благоприятные для распространения, размножения и консервации или сохранения бактериофлоры инородного происхождения, например промышленных и особенно сельскохозяйственных и бытовых сточных вод, в том числе бактерии группы кишечной палочки, а также многие бактерии способные вызывать тяжелые инфекционные заболевания человека и животных. Аллохтонная и автохтонная микрофлора служат в значительной мере пищей для организмов зоопланктона. В природных условиях зоопланктон действует как естественный бактериальный фильтр. Организмы планктона потребляют бактерии, в том числе патогенные, яйца глистов, личинки паразитов − 95% численности и значительное количество фитопланктона.

Так, в биологических прудах снижение числа бактерий за счет фильтрации воды ветвистоусыми ракообразными Daphnia magna, D. pulex может достигать 99,5%. В элиминации Escherichia coli активное участие принимают коловратки. При численности брахионуса (Brachionus calyciflorus) 66 тыс. экз/л наблюдалось полное освобождение воды от кишечной палочки (Галковская, Винберг).

Особенно велика роль зоопланктона в биологических прудах. В оценке по кислороду − это приблизительно столько, сколько составляет БПК₅. Количественная характеристика этого процесса, по данным разных авторов, значительно варьирует. По Н.М. Крючковой (1973), зимой зоопланктон потребляет кислорода около 7% общей величины БПК, летом в эпилимнионе - 15, в металимнионе - 8, гиполимнионе - 6%. При массовом развитии коловраток и ветвистоусых раков деструкция органического вещества, определенная по БПК, может составить 100-200 мг О₂/л в 1 сутки.

В освобождении воды от микрофлоры активное участие принимают и двустворчатые моллюски-фильтраторы.

Так, по данным И.А. Говорина (1991), черноморские мидии Mytilus galloprovincialis Lam. в условиях эксперимента при оптимальных для фильтрационной активности моллюсков температуре и солености, а также при высокой динамике водных масс элиминируют до 40-60% бактерий этой группы.

Кроме того, моллюски не только элиминируют, но и накапливают болезнетворную микрофлору в своих тканях − мантии, жабрах и печени, откуда они попадают или в кишечник, или агглютинируются в фекалиях и псевдофекалиях, оседают на дно и усваиваются другими организмами. При массовом развитии моллюсков их роль в самоочищении водоемов может быть велика.

Многие авторы (Щербаков, 1973; Мамаева, 1974; Мажейкайте, 1975; Хлебович, 1976) считают, что при значительном развитии протозойный планктон (в частности, инфузории) может составлять по численности около 50% от всего зоопланктона. Т.В. Хлебович (1976) считает, что роль инфузорий в деструкции органического вещества может быть заметной и даже значительной. Так, на загрязненных участках р. Ижоры в августе 1973 года на долю инфузорий приходилось от 6,6 до 35% от всего потребленного кислорода.

Моллюск дрейссена играет важную роль в осветлении воды − осаждении взвеси (сестона): в спокойных реках и каналах - примерно 2 12 мг/л. Один моллюск осаждает 16,4 х 10^-3 г/сутки (19-22 мм) и 9,3 х 10^-3 (9-12 мм).

По данным К.Н. Кузьменко (цит. по: Макрушин, Алимов, 1976), крупные двустворчатые мооллюски в оз. Красном отфильтровывали в течение июля-августа 147 г/м² взвешенных веществ. Моллюски выделяют в воду аминокислоты, углеводы, витамины и обогащают ее РОВ. Осажденная взвесь обволакивается слизью и, опускаясь на дно, служит пищей для многих донных организмов. Поэтому скопление моллюсков: дрейссены, мидий, устриц создают хорошие условия для формирования биоценоза.

Водная растительность выступает мощным фактором самоочищения водоема. Организмы фитопланктона и макрофиты, аккумулируя многие химические элементы, способствуют снижению их концентрации в воде (Хоботьев, Капков, 1972). В процессе образования 1 т вещества растения поглощают 250-400 кг различных минеральных соединений (Смолянинов, Рябуха, 1971). Высокая метаболическая активность растений требует поглощения большого количества биогенных элементов, в чем и состоит самоочищающая роль растительности в водоеме.

Высшая водная растительность, препятствуя процессу антропогенного эвтрофирования и ускоряя процесс самоочищения, способствует ликвидации последствий загрязнения водоемов, извлекая из воды металлы и биогены (табл. 2).

Таблица 2 − Очищающая способность высшей водной растительности

В период вегетации растений происходит накопление в их тканях основных минеральных элементов. Наибольшей зональностью и способностью к накоплению элементов отличается сусак зонтичный, рдест пронзеннолистный и частуха подорожниковая. Вместе с тем химический состав золы этих растений заметно различается. В золе сусака зонтичного содержится больше, чем в других растениях, калия, хлора, кальция, меньше фосфора и магния; у рдеста пронзеннолистного больше кальция и калия, но меньше натрия, магния и хлора. Зола листьев частухи подорожниковой отличается от золы других растений большим содержанием калия, кальция, магния и хлора. В золе гречихи земноводной больше магния, а в золе рогоза узколистного − натрия. Тростник обыкновенный отличался повышенным содержанием кремния. Кальция, магния и натрия в золе тростника по сравнению с другими видами растений было несколько меньше.

Высшим водным растениям, особенно погруженным, свойственна избирательность в накоплении не только макро-, но и микроэлементов, а также солей тяжелых металлов. Гидрофиты, по-видимому, можно использовать для очистки поверхностного стока с сельскохозяйственных угодий и промышленных сточных вод, содержащих соли меди, цинка, свинца и других металлов (Якубовский, Мережко, Нестеренко, 1975).

Поглощение и накопление растениями азота и его соединений существенно влияет на самоочищение вод. По нашим данным, этот элемент больше других накаливается в листьях и генеративных органах. Азот является фактором, определяющим рост растений. Зная содержание его в растениях, можно судить о выносе или аккумуляции в водоеме этого важного для автотрофов биогенного элемента. Экспериментальным путем установлено, что изъятие азота из питательной среды снижало прирост биомассы растений значительно больше, чем исключение калия или фосфора (Якубовский, Мережко, Нестеренко, 1975).

Представляет интерес способность растений накапливать хлор, так как он в больших количествах поступает в водоемы в виде хлоридов с сельхозугодий и хлорорганических соединений с поверхностным и промышленным стоком.

Чтобы оценить значение высших водных растений в самоочищении водоема, необходимо знать площадь зарастания и величину создаваемой растениями биомассы. Тростник обыкновенный при урожае 44 т/га сухого вещества может вынести 667 кг/га азота, 276 − фосфора, 419 − калия, 408 − хлора, 198 кг/га кальция и других химических элементов. Рогоз узколистный выносит меньше азота, фосфора и хлора, однако кальция и особенно натрия он выносит в 2-3 раза больше, чем тростник (Якубовский, Мережко, Нестеренко, 1975).