Эвтрофирование водоемов как естественный процесс эволюции водоема. Антропогенное эвтрофирование водоемов. Причины «цветения» водоема

Лекция 15. Эвтрофирование водоемов.

(Скурлатов, 2004, Абросимов, 1994, Тарасевич, 2002, Тимонн, 1980)

Среди экологических "проблем века" важное место занимает распространившееся явление "цветения" внутренних водоемов и прибрежных морских вод, вызываемое различными видами водорослей. Происходит это при загрязнении водной среды биогенными элементами.

Вещества, вовлекаемые в биологический круговорот, претерпевают последовательность биохимических превращений и в итоге вновь появляются в водной среде. Возникает аналогия с цепным процессом, в котором биогенные элементы и продукты их метаболизма участвуют в качестве "переносчиков ценя" экологического метаболизма. В отсутствие антропогенных воздействий инициирование ценного процесса осуществляется в результате внутриводоемных процессов.

Началом развития метаболической цепи следует считать поступление в водную среду минеральных форм азота, фосфора либо легкоусвояемых органических веществ. В качестве меры естественного инициирования внутриводоемных метаболических процессов может служить величина первичной продукции — суммарного количества органического вещества, синтезируемого в единицу времени в результате фотосинтетического процесса.

Обрыв метаболической цепи происходит в результате выноса органического вещества и биогенных элементов из водоема, складирования их в донных отложениях, вылова рыбы и т.д. Схематически метаболический цикл можно представить в виде

где к1 - константа скорости биохимической трансформации Р в первом звене метаболической цепи; Р1, Рi, Рn — промежуточные формы; превращений Р; n — длина цепи (трансформация Рn приводит к появлению исходной формы биогенного элемента Р).

В природных условиях реализуется множество взаимно пересекающихся метаболических циклов, так что представленная выше упрощенная модель служит только для качественного рассмотрения внутриводоёмного круговорота биогенных веществ. Очевидно, в стационарных Условиях относительные концентрации "переносчиков" метаболической цепи Рi (будь то химические формы биогенных элементов или отдельные звенья трофической цепи) определяются значенном эффективной константы скорости процессов их образования и последующих превращений. Абсолютная же концентрация Рi определяется скоростью инициирования и характером обрыва метаболической цепи.

В естественных условиях стационарное состояние (равенство скоростей инициирования и обрыва) может и не достигаться, поскольку скорость инициирования (первичная продукция) зависит от биомассы микроводорослей.

По мере обогащения водной среды биогенами увеличивается скорость Оборота метаболической цепи, происходит увеличение суммарной биомассы водных организмов, что приводит к постепенному эвтрофированию водоема. В замкнутых водоемах за счет обрыва метаболической Цепи происходит накопление донных отложений, которые служат вторичными источниками биогенных элементов.

Эвтрофирование представляет собой естественный процесс эволюции водоема с момента "рождения" водоем в естественных условиях проходит несколько стадий в своем развитии: на ранних стадиях — от ультраолиготрофного до олиготрофного, далее становится мезотрофным и в конце концов водоем превращается в эвтрофный и гиперэвтрофный — происходит "старение" и гибель водоема с образованием болота. Срок «жизни» водоемов в естественных условиях 10—100 тыс.лет.

В Рынках "цепной" модели круговорота биогенных веществ посмотрим, к чему приведет антропогенное загрязнение водоема биогенным элементом Р ("переносчиком" цепи). Очевидно, если скорость поступления Р меньше естественной скорости инициирования за счет первичной продукции, дополнительное инициирование лишь несколько ускорит процесс "старения" водоема, что выразится в повышении его биопродуктивности. При наращивании нагрузки по биогенам наряду с увеличением биопродуктивности водоема возрастет скорость накопления донных отложений, изменятся стационарные концентрации «переносчиков» метаболической цепи, участвующих во внутриводоемном круговороте веществ, может измениться и характер обрыва цепи. Если скорость антропогенного инициирования превысит первичную продукцию, произойдет разбалансировка экохимических связей между отдельными компонентами экосистемы. Под влиянием притока биогенов извне на сиену динамически равновесному приходит стационарное, точнее квазистационарное, состояние экосистемы. Концентрация переносчиков метаболической цепи зависит уже не столько от внутриводоемных процессов, сколько от внешних факторов антропогенной нагрузки. Происходит автоускоренное эвтрофировавие водоема, которое может сопровождаться вспышками "цветения" водорослей, возникновением дефицита растворенного кислорода (участник метаболических процессов). В условиях антропогенного эвтрофирования деградация экосистемы водоема имеет прогрессирующий характер, происходит всего за несколько десятков лет.

Другой аспект антропогенного воздействия на водоем — загрязнение водной среды токсичными веществами. Очевидно, при этом за счет выбывания одного или нескольких трофических звеньев укорачивается метаболическая цепь, что приводит к снижению биопродуктивности водоема как целого.

Схема 5. Круговорот биогенных элементов в водных экосистемах

(Тенсли??????)

Наиболее интенсивно обмениваются с внешней средой микроорганизмы низших трофических уровней. При этом скорость выделения ими биогенных веществ, как и скорость потребления биогенов, пропорциональна биомассе микроорганизмов. Соответственно в стационарных условиях содержание биогенных веществ в водной среде слабо зависит от биомассы микроорганизмов, в основном от их видового состава. С ростом биомассы происходит ускорение круговорота Р без значительного изменения стационарной концентрации. Другими словами, в водной экосистеме формируется гомеостаз по биогенным веществам, реализуется своего рода фазовое равновесие в системе биогенные вещества — водные микроорганизмы (по типу фазового равновесия растворенное вещество — твердая фаза).

Основными источниками загрязнения водоемов биогенными веществами служат смыв азотных и фосфорных удобрений с полей, строительство водохранилищ без надлежащей очистки ложа, сброс сточных вод, в том числе и прошедших биологическую очистку.

Помимо загрязнений водной среды биогенными веществами факторами антропогенного автрофнрования водоемов служат сокращение водообмена, строительство плотин, образование застойных зон, тепловое загрязнение воды. В процессе эвтрофирования водоема в застойной среде ухудшается савитарно-эпидемическая ситуация: размножаются паразитирующие виды организмов, патогенная микрофлора, вирусы, наблюдаются вспышки заболеваний гидробионтов, водоплавающих птиц, животных и населения через воду, подверженную биологическому самозагрязнению, передаются возбудители многих инфекционных заболеваний.

Ежегодно в мире около 500 млн.человек страдают от инфекций, распространяемых через воду. Это холера, гепатит, гастроэнтериты, сальмонеллезы и др. Нередки случаи водных токсикозов, цирроза печени, аллергических заболеваний, амебоидных менингитов, дизентерии и тд. Возбудителей заболеваний разносят и зараженные вирусами водоплавающие птицы. Особенно большую опасность представляет явление "цветения" воды, вызываемое сине-зелеными и другими токсичными видами водорослей.

Сине-зеленые водоросли играют особую роль в экосистемах современных водоемов. Они занимают промежуточное положение между бактериями и растениями, так что их часто называют цианобактериями. Сине-зеленые водоросли, появившись на Земле более 3 млрд.лет назад, были первыми фотосиитезируюшиии организмами, образовавшими аэробную атмосферу Земли.

Сочетание фотосинтеза со способностью к усвоению экзогенных органических веществ (из внешней среды) — так называемое миксотрофное питание — обеспечивает высокую приспособляемость этих организмов к существованию в разных экологических условиях. Распространены сине-зеленые водоросли буквально всюду: в поверхностных водах и в донных отложениях, в горячих источниках (до 80° С) и на поверхности снега, на поверхности и в толще почвы, включая поверхность сухих пустынных почв, в виде автономных клеток и в симбиозе.

Массовому развитию сине-зеленых водорослей в водоемах обычно предшествует вегетация диатомовых и зеленых водорослей. В последние десятилетия сине-зеленые водоросли заняли доминирующее положение, что связано с целым рядом их физиолого-биохимических особенностей.

Так, по сравнению с зелеными и диатомовыми водорослями фотосинтез сине-зеленых осуществляется при гораздо меньшей интенсивности света, причем в темноте сине-зеленые водоросли тратят гораздо меньше энергии на дыхание. Сине-зеленые обладают колоссальным потенциалом размножения: за 70 дней вегетационного периода одна клетка может дать 1020 потомков. В то же время среди современных обитателей фауны водоемов практически нет видов, которые потребляли бы эти водоросли и регулировали бы их численность. К благоприятным условиям для размножения сине-зеленых водорослей как самых древних обитателей планеты относится низкое содержание О2, т.е. более восстановительная среда. Эти водоросли появились на Земле, когда среда была восстановительной. Сине-зеленые — единственные обитатели Земли, которые способны усваивать четыре вида газов: СО2 (фотосинтез, как у зеленых растений), О2 (дыхание), N2 (азотфиксация), Н2S (как бактерии в процессах хемосинтеза).

Вследствие наличия газовых вакуолей сине-зеленые легко мигрируют в толще воды от поверхности к донным отложениям и обратно.

Само по себе явление "цветения" воды представляет собой биологическое загрязнение. В период "цветения" концентрация водорослей достигает миллионов клеток в 1 мл. Возникает "цветение" вследствие нарушения экохимического равновесия и процессов саморегуляции в водных экосистемах в результате антропогенных воздействий. До конца прошлого века явления "цветения" практически не отмечалось. Рассмотрим основные причины явления "цветения", вызываемого сине-зелеными водорослями.

1. Изменение гидрологического режима рек — резкое снижение скорости течения воды, образование застойных и слабопроточных зон при строительстве плотин. При этом место реофильвых форм микроорганизмов занимают стагнофилы — водоросли, приспособленные к малопроточным условиям, в частности сине-зеленые.

2. Температурный режим. Диатомовые водоросли относятся к холодолюбивым и размножаются обычно при температуре < 16°С (весной и осенью). Иногда диатомовые вызывают подледное "цветение" воды, но его масштабы не сравнимы с "цветением" сине-зеленых. Сине-зеленые — теплолюбивые водоросли. Максимальная скорость их размножения наблюдается при 20—30°С. В водохранилищах интенсивный прогрев воды происходит на мелководных участках в застойных зонах.

3. Пересыщение водоема соединениями азота и фосфора. Как правило, лимитирующим биогеном служит фосфор, но может быть и азот. Вспышка "цветения" начинается при определенном соотношении N/Р ≈ 10.

Например, в оз. Севан до начала "цветения" (1964 г) было отаосительно высокое содержание фосфора и низкое — азота. В результате антропогенного воздействия (снижение уровня воды в озере с одновременным увеличением загрязнения среды минеральными формами азота) соотношение N/Р постепенно росло, пока не достигло критического значения. Произошла "вспышка" цветения озера сине-зелеными водорослями, которые способны связывать необходимый им азот из атмосферы и тем самым формировать оптимальные условия для своего массового размножения, не нуждаясь в притоке минеральных форм азота извне. Особенностью оз. Севан является высокое содержание в водной среде одновременно фосфатов, карбонатов и кальция. (Тимонн, 1980, Долл –№ 5)

Процесс кристаллообразования СаСОа сильно ингибируется фосфорсодержащими соединениями, в результате чего при наличии в водной среде фосфатов возможно значительное пересыщение ее карбонатами без образования твердой фазы СаСО3. В период "цветения" озера сине-зелеными водорослями содержание фосфатов в приповерхностном слое воды временами снижается почти до нуля. Ингибнрование зародышеобразования СаСО3 прекращается, в результате чего прозрачная вода озера становится белой, словно разбавленное молоко, — в перенасыщенном растворе начинается кристаллообразование СаСО3.

"Цветение" воды, вызываемое сине-зелеными водорослями, сопровождается комплексом отрицательных последствий. В ряде случаев наблюдается гибель водоплавающих птиц, животных, людей. Эти явления связаны с появлением токсичных форм водорослей. Среди сине-зеленых наиболее токсичными представителями являются водоросли ряда микроцистис (Microcystis aeruginosa), анабена (Anabena flos - aquae), афанизоменон (Aphanizomenon flos - aquae) и др. По своему химическому составу токсины водорослей представляют собой сложные органические соединения. Выделению и изучению альготоксинов во всем мире уделяется большое внимание в связи с их опасностью для здоровья человека и влияния на свойства водных экосистем. Токсины не имеют ни цвета, ни запаха, выдерживают стерилизацию кипячением, многие из них хорошо растворимы в воде. По своей токсичности альготоксины не имеют себе равных. (Биохимия, стадарт)

Особенно опасно массовое развитие сине-зеленых водорослей в водозаборной зоне водохранилищ питьевого назначения. Как правило, водозабор устанавливают в застойных зонах, где наблюдаются та называемые нагонные явления. Концентрация сине-зеленых водорослей в нагоне может достигать сотен килограммов в 1 м3. Отмирающие клетки водорослей выделяют токсины, которые могут поступить в систему питьевого водоснабжения.

Дата добавления: 2013-12-14