Шрифт
Source Sans Pro
Размер шрифта
18
Цвет фона
Антропогенное эвтрофирование водоемов
Понятие трофности водоемов сформулировано Тинеманном и Науманном в начале XX в. Под этим понятием понимают «кормность», «питательность» водоемов, т. е. обеспеченность пищей населяющих их гидробионтов. Само слово эвтрофный происходит от греческого слова «эвтрофос», что в переводе означает «тучность», «жирность».
Эвтрофирование — повышение биологической продуктивности водных объектов в результате накопления в воде биогенных элементов под действием антропогенных и естественных (природных) факторов.
Между эвтрофированием и загрязнением имеется существенная разница, заключающаяся, прежде всего, в том, что загрязнение обусловлено сбросом токсических веществ, подавляющих биологическую продуктивность водоемов, а эвтрофирование до известной степени повышает продуктивность.
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.
Биогенные компоненты поступают в природные экосистемы как водным, так и воздушным путем; сейчас, например, в мире используется свыше 30 млн т/год мыла и детергентов (основанных на фосфатах). В Канаде, например, одному из химиков была присуждена престижная национальная премия за разработку моющих средств (стиральных порошков), не содержащих фосфора.
В эвтрофировании водоемов принимают участие два главных биогенных элемента – азот и фосфор. Если Nmin :Pmin (отношение содержания минерального азота к содержанию минерального фосфора) меньше 10, то первичная продукция фитопланктона лимитируется азотом, при Nmin :Pmin > 17 – фосфором, при Nmin :Pmin = 10 – 17 – азотом и фосфором одновременно. Установлено также, что азот определяет развитие фитопланктона главным образом в олиготрофных океанических районах и в морских экосистемах, а фосфор во внутриконтинентальных водоемах.
Среди множества биогенных элементов, влияющих на процесс эвтрофирования (азот, кислород, углерод, сера, кальций, калий, хлор, железо, марганец, кремний и др.), для водоемов умеренной зоны решающую роль играет фосфор.
Эвтрофирование представляет собой естественный процесс эволюции водоема. С момента «рождения» водоем в естественных условиях проходит несколько стадий развития: 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.
Однако под воздействием хозяйственной деятельности этот естественный процесс приобретает специфические черты, становится антропогенным. Резко возрастают скорость и интенсивность повышения продуктивности экосистем. Так, если в естественных условиях эвтрофирование какого-либо озера протекает за период 1000 лет и более, то в результате антропогенного воздействия это может произойти в сто и даже тысячу раз быстрее. Такие крупные водоемы, как Балтийское море, озера Эри, Тахо и Ладожское, перешли из одного трофического состояния в другое всего за 20 – 25 лет. Данный процесс охватил многие крупнейшие пресноводные озера Европы, США (Великие Американские озера), Канады и Японии.
По образному выражению Ю. Одума, антропогенное эвтрофирование есть злокачественное увеличение первичной продукции в водоеме. Развитие процесса антропогенного эвтрофирования приводит ко многим неблагоприятным последствиям с точки зрения водопользования и водопотребления (развитие «цветения» и ухудшение качества воды, появление анаэробных зон, нарушение структуры биоценозов и исчезновение многих видов гидробионтов, в том числе ценных промысловых рыб).
Первое научное упоминание токсического цветения в пресноводных водоемах Австралии, вызвавшего гибель овец, лошадей, свиней, собак, сделал в 1878 г. Дж. Френсис. С тех пор появилось множество свидетельств таких токсичных цветений в различных водоемах мира. Так, токсичность сине-зеленых водорослей во время их цветения установлена в Киевском водохранилище, на реке Днепр, в Куршском заливе Балтийского моря и т. д. Особенно им благоприятствуют в умеренных широтах подогрев воды в водохранилищах-охладителях и замедленный водообмен. Сине-зеленые водоросли в результате своей жизнедеятельности производят сильнейшие токсины (алкалоиды, низкомолекулярные пептиды и др.), которые сами не используют, но попадая в водную толщу, эти токсины представляют опасность для живых организмов и человека. Они могут вызывать цирроз печени, дерматиты у людей, отравление и гибель животных (Фрумин Г. Т., 2002).
Известны два типа токсинов, образуемых сине-зелеными водорослями (цианобактериями), – нейротоксины и гепатотоксины. Нейротоксины представляют собой алкалоиды, действующие на нервную систему. Цианобактерии, образующие нейротоксины, встречаются сравнительно редко. Гепатотоксины – это циклические гепто- или пентапептиды (то есть короткие цепи белковой природы, состоящие из пяти или шести аминокислот), содержащие необычные аминокислоты. Гепатотоксин, попавший в организм животного, вызывает разрушение печени, и через несколько часов наступает смерть. В литературе не описаны случаи гибели людей от гепатотоксинов цианобактерий, но считается совершенно очевидным, что некоторые люди, умершие от рака печени, убиты цианобактериями.
Токсины находятся в клетках цианобактерий и только после их разрушения поступают в воду. Они весьма устойчивы и не разрушаются при хлорировании воды. Более того, токсины сине-зеленых водорослей сохраняются и в сухих клетках.
По данным мировой статистики, примерно в 40 – 50 % случаев цветения происходит развитие токсигенных цианобактерий. В настоящее время развитие токсигенных цианобактерий приобретает глобальный характер, что обусловлено усилением антропогенного загрязнения водных объектов. Как национальную проблему рассматривают токсичные цветения озер в Англии, Финляндии, Норвегии. В этих странах созданы специальные центры для их изучения и контроля. В литературе описаны наблюдения токсигенных цианобактерий в ряде озер Карелии и в Невской губе.
Интересный пример токсического действия сине-зеленых планктонных водорослей описан для Южной Африки. Там эти явления привлекли особое внимание после сооружения большого водохранилища на реке Вааль в Трансваале, строительство которого было окончено в 1938 г. С 1940 г. по берегам водохранилища были отмечены случаи падежа скота, принявшие массовый характер в 1942 г. во время сильного цветения водохранилища сине-зелеными водорослями. Погибли тысячи голов крупного рогатого скота и овец, гибли также лошади, мулы, ослы, собаки, кролики и домашняя водоплавающая птица. Отмечалось, что слабым ветром водоросли сгонялись к берегу, где концентрировались, ивэтихместах животные гибли за считанные часы.
Токсины водорослей являются первопричиной загадочной гаффской болезни, эпидемии которой, начиная с 1924 г., несколько раз наблюдались в окрестностях города Кенигсберга (ныне Калининград), на побережье опресненного залива Балтийского моря Фришес-Гафф. Болезнь поражала рыбаков, занимавшихся промыслом в заливе, и не распространялась на выезжавших на лов в Балтийское море. Гаффская болезнь наступает внезапно, без продромальных симптомов, и выражается в острых мышечных болях при малейших движениях или при прикосновении, в результате чего больные падают и остаются неподвижными, создавая внешнюю картину паралича.
Основным ограничивающим фактором «цветения» сине-зеленых водорослей является уменьшение сброса биогенных веществ (в основном фосфора) в водные экосистемы.
Поскольку эвтрофирование водоемов стало серьезной глобальной экологической проблемой, по линии ЮНЕСКО начаты работы по мониторингу внутренних вод, контролю за эвтрофированием водоемов земного шара.
Основными критериями для характеристики процесса эвтрофирования водоемов являются:
– уменьшение концентрации растворенного кислорода в водной толще;
– увеличение концентрации биогенных веществ;
– увеличение содержания взвешенных частиц, особенно органического происхождения;
– последовательная смена популяций водорослей с преобладанием сине-зеленых и зеленых водорослей;
– уменьшение проникновения света (самозатенение, возрастание мутности воды);
– увеличение концентрации фосфора в донных отложениях;
– значительное увеличение биомассы фитопланктона (при уменьшении разнообразия видов) и т. д.
Отношение общего азота к общему фосфору в водоеме указывает на степень эвтрофирования его водной экосистемы. Для сильно гумифицированных внутренних водоемов Nобщ. :Pобщ. имеет порядок 100 и более; для самых чистых олиготрофных и мезотрофных озер – 30 – 40; для эвтрофных водоемов, находящихся под очевидным антропогенным воздействием, – 15 – 25; для гипертрофных водоемов – 12 – 18 (до 3 – 5).
Из множества индикаторов, которыми можно отразить трофическое состояние водоемов, наиболее приемлемы как для прямой спецификации соответствующих категорий трофности, так и для построения математических моделей, следующие:
1) Поступление специфических биогенных веществ.
2) Концентрация биогенных веществ. В настоящее время принятыми критическими концентрациями азота и фосфора (включая общий фосфор, ортофосфаты, общий азот и растворенный неорганический азот – аммоний, нитриты и нитраты) во время интенсивного перемешивания вод, при котором создаются потенциальные условия для цветения водорослей, являются следующие: для фосфора – 0,01 г/м3, для азота – 0,3 г/м3. При более низких концентрациях будет иметь место азотное лимитирование развития водорослей, однако такие концентрации трудно измерить точно.
3) Скорость истощения кислорода в гиполимнионе (гиполимнион – глубинный слой воды в водоеме, залегающий ниже слоя температурного скачка – термоклина). С развитием эвтрофирования пропорционально увеличиваются потери кислорода в водах гиполимниона. Скорость этого истощения используется как индикатор трофического состояния, так как она имеет короткопериодную изменчивость. Этот индикатор может применяться только для характеристики стратифицированных водоемов. Предложены следующие пределы этого индикатора для разных по трофности водоемов: олиготрофные – менее 250 мг/(м3 ⋅ сут); мезотрофные – 250 – 500 мг/(м3 ⋅ сут); эвтрофные – более 550 мг/(м3 ⋅ сут).
4) Глубина видимости диска Секки. Это наиболее широко используемый (из-за простоты оценки) самый старый метод приближенной оценки трофического состояния водоемов. Диск Секки – стандартный по размеру (200 мм в диаметре) диск с черно-белыми секторами, который опускают в воду до глубины исчезновения его видимости. Эта глубина регистрируется, и диск поднимают вверх;
глубина, на которой диск начинает быть снова видимым, также регистрируется. Глубина, соответствующая видимости диска Секки, является средней из двух ее вышеуказанных значений. Глубина видимости диска Секки обратно пропорциональна плотности популяций водорослей в воде, так как взвешенное вещество будет рассеивать падающий свет и увеличивать его ослабление. Таким образом, глубина видимости диска Секки в воде связана с первичной продуктивностью вод, которая является показателем трофического состояния водоема: олиготрофные водоемы – более 6,0 м; мезотрофные – от 3 до 6,0 м; эвтрофные – менее 3 м.
В качестве прямого индикатора трофического состояния обычно используется концентрация хлорофилла a. Хлорофилл а (C55H72O5N4Mg) является основным фотосинтетическим пигментом, поэтому измеренное значение его концентрации в пробе воды является репрезентативным индикатором биомассы водорослей. Он является полезной и точной мерой эвтрофирования водоемов и поэтому регулярно используется при измерении «откликов» водоемов на биогенную нагрузку с целью их восстановления.
Основная трудность заключается в том, что концентрация хлорофилла а увеличивается незначительно при его содержании свыше 100 мг/м3 независимо от увеличения концентрации биогенных веществ, так как самозатенение приостанавливает дальнейший рост первичных продуцентов.
Пять определений граничных концентраций хлорофилла a для олиготрофного, мезотрофного и эвтрофного состояний водоемов суммированы в табл. 2.9, а в табл. 2.10 приведена иная шкала трофических уровней.
Таблица 2.9
Фиксированные категории трофического состояния по литературным обобщениям
(Хендерсон-Селлерс Б., Маркленд Х. Р., 1990)
Таблица 2.10
Шкала трофических уровней по литературным обобщениям
