Лекція №14

ЗБЕРЕЖЕННЯ САМОЧИСНОЇ ЗДАТНОСТІ ПРИРОДНИХ ВОДОЙМ

Самоочищення природних вод

Самоочищення водних ресурсів - це природне зниження мінералізації забруднюючих речовин до Н₂О, CO₂ і інших простих мінеральних сполук під впливом гідродинамічних, біологічних і фізико-хімічних процесів, що протікають в водоймах при участі сонячної радіації, водної рослинності та відстоювання.

Самоочищення не означає очищення води до нульового вмісту хімічних елементів. Відомо, що дистильована вода є токсичною для гідробіонтів, хоча і є “хімічно чистою”. Тому кінцевим станом процесу самоочищення є створення біологічно повноцінної води, тобто придатної для існування в ній гідробіонтів і водокористування.

Для формування якості води, її очищення у водних екосистемах важливі фізичні, хімічні і біотичні процеси.

Багато які із фізичних і хімічних процесів регулюється біологічними чинниками або до певної міри підвладні їх дії. Наприклад, масштаби сорбції забруднюючих речовин осідаючими частинками суспензій залежать від концентрації клітин фітопланктону; фотохімічні процеси руйнування речовин протікають за умови прозорості води, а прозорість забезпечується активністю фільтрації гідробіонтів. Таким чином, біотичні процеси і чинники перебувають в центрі всього механізму самоочищення води.

В самоочищенні водних екосистем і формуванні якості води беруть участь мікроорганізми, фітопланктон, вищі рослини, безхребетні тварини, риби. Важливо, що кожна з цих груп організмів залучена в декілька процесів системи самоочищення. Ці групи організмів рівним чином важливі для нормального протікання процесів самоочищення. Механізми самоочищення води

Можна виділити три основні механізми самоочищення водних екосистем:

* активність фільтрації, або фільтри;

* механізми перенесення, перекачування хімічних речовин із одного екологічного середовища в інше;

* розщеплювання молекул забруднюючих речовин.

Механізми фільтрації — це:

а) сукупність безхребетних гидробіонтів, які виконують роль фільтру;

б) угруповання вищих водних рослин (макрофітів), які затримують частину біогенів (азот, фосфор) і забруднюючих речовин, що поступають в екосистему з прилеглої території;

в) бентос, що затримує і поглинає частину біогенів і полютантів, які мігрують на межі розділу вода - донні відклади;

г) мікроорганізми, що сорбуються на зважених частинках, що переміщаються відносно водної маси внаслідок гравітаційного осідання частинок під дією сил тяжіння; в результаті водна маса і мікроорганізми переміщаються відносно один одного, що еквівалентно ситуації, коли вода профільтровується через зернистий субстрат із прикріпленими мікроорганізмами; останні витягують із води розчинені органічні речовини і біогени.

Водна рослинність відіграє велику роль в природному зниженні концентрації забруднюючих речовин. Рослини затримують мулисті частинки механічно, а також сприяють переводу закисних форм металів в окисні, створюють умови підлуження води в процесі фотосинтезу, що викликає зсув карбонатної рівноваги і сприяє утворенню нерозчинних карбонатів металів, які седиментують у донні відклади.

Водні рослини за умовами зростання поділяються на справжні водні, плаваючі і прибережні.

Справжні водні рослини ростуть на дні водойми, листя їх або знаходиться під водою, або підіймається і плаває на поверхні води, або іноді навіть дещо піднімається над нею (латаття біле - Nymphaea aliba L, глечики жовті - Nuphar luteum L., каспійський лотос - Nelumbium nucifera Gaertn., водяний горіх плаваючий - Trapa natans L).

Плаваючі водні рослини живуть в неглибоких водах і до моменту цвітіння підіймаються на поверхню. Корені їх не прикріплюються до землі, а плавають у воді, з якої вони і отримують необхідну їжу (ряска триборозенчаста - Lemna trisuica L, ряска мала - Lemna minor L., спіродела багатокоренева - Spirodela poiyrrhiza (L.) Schleid, водяний різак алоевидний - Stradiotes aloides L, жабурник звичайний - Hydrocharis morsus-ranae L., елодея канадська - Elodea canadensis Michx, водна папороть - сальвінія плаваюча - Salvinia natans (L.) All і ін). Прибережні рослини ростуть на берегах річок і ставків в більш - менш глибокій воді /сусак зонтичний -Butomus urnbellatus L., частуха подорожникова - Alista plantago-aquatica L., стрілолист стрілолистий - Sagittaria sagittifolia L., бобівник трилистий -Menyanthes trifoliata L., схеноплект /куга/ озерний - Sehoenoplectus lacustis (L.) Palla., осоки - Carex L., рогіз вузьколистий - Typha angustifolia L., рогіз широколистий - Typha latifolia L., купальниця європейська - Trollius europaeus L., очерет звичайний - Phragmites australis (Cav.) Trin. ex Steud і ін. Більшість водних рослин добре очищають воду від забруднення. Зокрема, очерет звичайний збагачує киснем не тільки воду, але й грунт і тим самим сприяє посиленню процесів окислення. Кисень циркулює в рослині по її порожнинних стеблах, а в корінні по повітряно-провідних паростках. Густе мичкувате коріння рослини, як своєрідний механічний фільтр, затримує зважені в воді частинки і очищує від них воду. Своїм глибоким корінням очерет закріплює береги річок і тим попереджує розмив русла. Очерет поглинає з води і концентрує в масі свого тіла багато хімічних елементів -азот, фосфор, калій і ін. Один гектар заростей очерету може поглинути і акумулювати в своїй біомасі до 5-6 т різних солей, в тому числі калію - 859 кг/га, натрію - 451, кальцію - 95, магнію - 94, сірки - 277, мінерального азоту - 167, кремнію - 3672 кг/га. Крім того, дуже цінним є те, що очерет може детоксувати різні шкідливі сполуки, а досить високі концентрації аміаку, фенолу, свинцю, ртуті, міді, кобальту, хрому не впливають на його життєдіяльність.

Механізми перенесення включають:

а) переміщення частини полютантів із водної товщі в донні відклади (седіментація, сорбція);

б) переміщення частини поллютантов із водної товщі в атмосферу — випаровування;

в) переміщення частини біогенів із води на територію навколишніх наземних екосистем — сукупність міграційних процесів у зв'язку з вильотом із води дорослої стадії (імаго) тих комах, у яких личинкова стадія була проведена у воді;

г) переміщення частину біогенів із води на територію навколишніх наземних екосистем — у зв'язку з живленням рибоїдних птахів гідробіонтами (рибою); при живленні рибоїдні птахи вилучають біомасу риб із водної екосистеми і тим самим виносять із води біогенні елементи, що містяться в цій біомасі, оскільки ці птахи гніздяться на території, що оточує водоймище або водоток.

До механізму розщеплювання забруднюючих речовин відносяться:

а) розщеплювання внутріклітинних ферментативних процесів;

б) розщеплювання позаклітинних ферментів, що перебувають у водному середовищі;

в) розщеплювання фотохімічних процесів, сенсибілізованих речовинами біологічного походження;

г) розщеплювання вільно-радикальних процесів за участю лігандів біологічного походження.

Джерела енергії самоочищення води

Для енергозабезпечення біотичних процесів самоочищення використовуються такі джерела енергії, як фотосинтез; окислення автохтонної органіки (органічної речовини, утворюваної всередині водної екосистеми автотрофними організмами); окислення алохтонної органіки (тієї органічної речовини, яка потрапляє у воду ззовні, наприклад, при змиві води і частинок грунту з оточуючої водоймище території); інші окислювально-відновні реакції. Таким чином, задіяні практично всі доступні джерела енергії. Частина енергозабезпечення йде за рахунок окислення тих самих компонентів (розчинена і зважена органічна речовина), від яких система позбавляється. Іншими словами, енергетика процесів самоочищення нагадує енергозберігаючі технології.

Надійність самоочищення води

Надійність системи нерідко забезпечується завдяки дублюванню багатьох компонентів системи. Це виявляється при аналізі функціонування водних екосистем. Наприклад, активність фільтрації гідробіонтів продубльована таким чином: її здійснюють дві великі групи організмів — планктон (в товщі води) і бентос (організми, що живуть на дні водоймища). Обидві групи організмів фільтрують воду із значною швидкістю. Крім того, бентос додатково дублює діяльність постійно перебуваючих товщі води планктонних організмів завдяки тому, що багато личинок ведуть планктонний спосіб життя. У складі планктону є дві великі групи багатоклітинних безхребетних — ракоподібні і коловертки, які дублюють один одного. Є ще одна велика група організмів із дещо іншим типом живлення (найпростіші); ця група організмів також фільтрує воду разом із активністю фільтрації багатоклітинних (ракоподібних і коловерток). Фільтрація води паралельно ведеться й іншими організмами.

Процеси ферментативного руйнування полютантів — ще один центральний механізм самоочищення води — паралельно ведуть бактерії і гриби. Функцію окислення розчиненої органіки одночасно здійснюють майже всі гідробіонти, в тій або іншій мірі здатні до поглинання і окислення розчиненої органічної речовини (хоча є специфіка в активності конкретних груп організмів).

Ще один важливий елемент надійності — саморегуляція біоти.

Регуляція самоочищення води

Практично всі організми, активно здійснюючі процеси, що ведуть до самоочищення, регулюються двояким чином: з одного боку, доступністю харчових ресурсів; з другого боку, організмами наступної трофічної ланки в харчовому ланцюзі.

Швидкість деяких процесів самоочищення часто значно нижче за максимально можливу, на яку здатні гідробіонти. Наприклад, швидкість фільтрації води не настільки велика, щоб до кінця витягувати із неї частинки зваженої органічної речовини.

Наприклад, здійснення надмірно швидкого руйнування органічних речовин у воді в результаті прискореного їх окислення мікроорганізмами може привести до екологічно небажаного результату — швидкому вичерпанню розчиненого у воді кисню, що викличе загибель багатьох організмів аеробів. Інший приклад: надмірно швидка фільтрація води гідробіонтами може привести до різкого зниження чисельності у воді зважених в ній мікроорганізмів, які здійснюють багато процесів, важливих для самоочищення. Застава стабільності всієї водної екосистеми

Очищення води і постійне відновлення її якості є найважливішим елементом самопідтримки стабільності всієї водної екосистеми. Процеси відновлення якості води і її самоочищення, які постійно тривають, абсолютно необхідні для збереження властивостей і підтримки стабільності екосистеми, бо ці процеси протистоять тому, що постійно відбуваються і протилежні процеси, які ведуть до погіршення якості води.

Дійсно, у воду всіх природних водних об'єктів постійно поступають органічні речовини; поступають також біогени (P, N) з навколишньої території, із водою притоків і із випадаючими із повітря і осідаючими частинками; йде процес надходження у водоймище азоту в результаті постійної діяльності азотфиксаторів (наприклад, азотфиксуючих ціанобактерій). Якщо ці спонтанні процеси погіршення якості води перестануть врівноважуватися постійно діючою активністю гідробіологічного механізму відновлення якості води і її самоочищення, то у водному об'єкті із часом посилиться небезпека зниження якості води (загроза наростання рівня забруднення води, евтрофикації водного об'єкта).

Система процесів самоочищення і формування якості води лабільна і легко перебудовується при зміні зовнішніх умов, що утрудняє виявлення загальних закономірностей її функціонування. Особливості механізму самоочищення води аналогічні біореактору. Отже, із певним застереження можна вважати, що система процесів, які ведуть до самоочищенням водної екосистеми, подібна високотехнологічному механізму, і цю систему можна розглядати як біореактор, що виконує важливі для екосистеми функції. Проте ця аналогія освітлює лише одну із сторін функціонування екосистем водоймищ і водотоків.

Інтенсивність самоочищення визначається характером забруднення. Встановлено, що в ході бактеріального самоочищення через 24 год. залишається не більш 50% бактерій, через 96 год. - 0,5 %. Ці процеси інтесифікуються влітку і уповільнюються взимку. Так зимою і через 150 год. зберігається до 20% бактерій.

Забруднені води можуть саоочищуватись лише при умові багатократного розбавлення чистою водою (на 1 м³ стоків потрібно не менш 7...12 м³ чистої води). Проте навіть у дуже забруднених водоймах, які образно іменують “стічними канавами”, за певний проміжок часу іде зниження концентрації забруднюючих речовин.

Процеси самоочищення вивчені ще не в повній мірі, оскільки вони визначаються індивідуальними особливостями водойм і водотоків, які залежать від їх гідрографічних і гідрологічних характеристик, а також показників стічних вод, що скидаються у водойми.

Напрям і швидкість розпаду забруднень органічного походження залежить від ступеню токсичності речовини і її хімічної структури. Так, органічні сполуки розкладаються при температурній, лужній і кислотній деструкціях, під дією бактерій і гідробіонтів, а забруднення неорганічного походження зменшуються внаслідок нейтралізації (наприклад, кислі води нейтралізуються внаслідок природної буферності водойм), гідролізу (домінуючий процес при самоочищенні вод від іонів заліза, алюмінію і ін.), утворення важкорозчинних сполук (низькі значення розчинності мають більшість сульфідів і гідроксидів металів, ряд солей фосфорної і органічної кислот), а також за рахунок процесів сорбції і осідання на зависях, гідроксидах металів, карбонатах і ін. Процеси сорбції - основні при самоочищенні водойм від іонів міді і цинку, кобальту, нікелю.

Вивчення питань самоочищення ведеться у таких основних напрямках:

·        розробка методики змішування і розбавлення забруднень, які поступають у водойми і водотоки у різноманітних умовах;

·        визначення ролі мікроорга-нізмів у самоочищенні природніх вод;

·        дослідження перетворення забруднюючих речовин у воді і донних відкладах.

Самоочисну здатність водних об’єктів можна оцінити прямими (на основі аналітичного визначення концентрації забруднюючих речовин) та непрямими (за станом водної рослинності та фауни) методами.

За К.Вурманом, самоочисну здатність визначають такими параметрами:

1. Ступінь самоочищення - це зниження концентрації забруднюючої речовини на певній ділянці водотоку за відсутності додаткового забруднення між ділянками спостереження:

, моль/с, (17.1)

де Q - витрата води, м³/с; С₁, С₂ - концентрації речовини у верхньому і нижньому створі, моль/м³.

2. Швидкість самоочищення - зниження концентрації забруднення одиницю часу при постійній течії:

, моль/м·с. (17.2)

Визначення самоочисної здатності водотоку за параметрами К. Вурмана можливе за умови зниження концентрації на ділянці між досліджуваними створами, одиничних забруднюючих речовинах або коли забруднюючі речовини не взаємодіють між собою, чого в реальних умовах не буває.

За іншою методикою, пропонуюється використовувати для оцінки очисної здатності відношення валової первинної продукції (П) до сумарної деструкції планктону (Д), яке називають індексом самоочищення:

. (17.3)

При К>1 - формується вода доброї якості, при К<1 - спостерігається погіршення її якості.

Проте використання індексу самоочищення (К) є складним завданням із-за необхідності обліку видового складу і чисельності планктонних організмів, структури популяцій, типу і інтенсивності живлення гідробіонтів.

Отже, для збереження високої самоочисної здатності водойм можна сформулювати рекомендації, важливі для оптимального управління водними ресурсами і збереження водно-біологічних ресурсів:

1. Необхідним елементом природоохоронної стратегії повинне бути збереження самоочисного потенціалу водоймищ і водотоків.

2. Необхідно зберігати всю різноманітність водних організмів в екосистемах.

3. Оскільки в процесах очищення води беруть активну участь організми і наземних екосистем, прикордонних із водоймищами, то для збереження якості води необхідна охорона біорізноманітності і цих прибережних наземних екосистем.

4. Природоохоронна стратегія на акваторії водоймищ, що охороняються, повинна включати не просто збереження генофонду і популяцій водних організмів, але і збереження рівня функціональної активності цих популяцій (мається на увазі та функціональна активність популяцій, яка вносить вклад в підтримку якості води і тим самим в підтримку стабільності всієї водної екосистеми).

7. Поняття антропогенної шкоди навколишньому середовищу повинне включати разом із іншими чинниками шкоду, викликану антропогенним зниженням самоочисного потенціалу водоймищ і водотоків. Це вносить новий елемент в інтерпретацію екологічного законодавства — як міжнародних законодавчих і юридичних документів, так і екологічного законодавства.

Запитання для контролю

1.                Самоочисна здатність водойм.

2.                Види самоочисної здатності водойм.

3.                Особливості біологічного самоочищення водойм.

4.                Джерела енергії, надійність та регуляція самоочищення води.

5.                Оцінка параметрів та можливостей самоочищення.

6.                Засоби і шляхи збереження самоочисної здатності водойм.