VI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2014

В настоящее время водные объекты подвержены загрязнению и всё в большей степени – бытовому загрязнению. Важное последствие бытового загрязнения вытекает из того, что коммунальные сточные воды, кроме большого количества органических веществ, несут и много биогенных элементов. Результатом этого становится антропогенное эвтрофирование водоемов и водотоков. Проблема антропогенного эвтрофирования водоемов возникла в 20-х годах ХХ века и за короткий срок приобрела значение одной из самых актуальных. Эвтрофирование водоемов стало распространяться с угрожающей скоростью на всех континентах и стало повсеместным явлением. В настоящее время оно охватывает около 90% всех озер мира, включая крупнейшие из них. Однако серьезное внимание этим процессам начали уделять лишь в середине ХХ века, когда во многих озерах Европы и Северной Америки негативные последствия эвтрофирования привели к угрожающим последствиям их экологического состояния.

Цель настоящего исследования: изучить роль микроорганизмов в самоочищение водоема.

Главными агентами эвтрофирования чаще всего выступают соединения фосфора и азота в виде фосфатов и нитратов. Основными источниками поступления агентов антропогенного эвтрофирования являются:

1. Сбросы неочищенных или недостаточно очищенных бытовых сточных вод, содержащих органические соединения азота и фосфора, нитраты и фосфаты;

2. Естественное вымывание питательных веществ из почвы и выветривание пород;

3. Смыв неорганических удобрений, содержащих фосфаты и нитраты;

4. Смывы с ферм навоза, содержащего органические соединения азота и фосфора, нитраты, фосфаты, аммиак;

5. Поступление нитратов из атмосферы и др.

Эвтрофирование водной экосистемы происходит последовательно в несколько стадий. Сначала происходит накопление в воде минеральных солей азота или фосфора. Эта стадия, как правило, непродолжительна. Затем наступает стадия интенсивного развития водорослей в эпилимнионе. Биомасса фитопланктона нарастает, мутность воды увеличивается и повышается концентрация кислорода в верхних слоях воды.

Водоросли постепенно отмирают. Интенсивно отлагаются донные илы с повышенным содержанием органики. Отмечаются изменения зооценоза (замещение лососевых рыб карповыми).

Наконец, наступает полное исчезновение кислорода в глубине водного объекта и начинается анаэробное брожение [2].

Вследствие эвтрофирования происходит развитие синезеленых водорослей. Вода становится непригодной для питья (неприятный вкус, запах) и рекреационного использования (купания и рыбной ловли). Вода, насыщенная продуктами метаболизма водорослей, становится аллергенной и токсичной. Метаболиты синезеленых вызывают различные заболевания у рыб и теплокровных животных [6].

Развитие синезеленых отрицательно сказывается на зоопланктонном сообществе. Это связано с тем, что зоопланктон является фильтратором, и в основном выедает мелкие водоросли. Тогда как при «цветении» водоемов развиваются в основном колониальные формы, которые практически не потребляются зоопланктоном. Они включаются в трофическую цепь только после их разрушения бактериями. В составе зоопланктона происходит уменьшение их видового разнообразия в сторону упрощения сообщества. Наблюдается преобладание мелких видов, которые не могут столь интенсивно утилизировать органическое вещество.

Особое значение приобретают токсины водорослей, которые образуются при отмирании синезеленых. Они имеют широкий спектр биологического действия, воздействуют на центральную нервную систему животных, в том числе и человека [1].

Поступление загрязнения в водоем может быть непосредственным. Через открытый (прямоточный) или рассеивающий выпуск сточных вод и прямое попадание в воду от источника загрязнения – человек, судно, мойка, машины – это первичное загрязнение, его последствия могут быть учтены и изучены.

Другой тип загрязнения - вторичное загрязнение – более сложен и трудно поддается учету и исследованию. Оно возникает в результате внутриводоемных процессов, более всего на дне, как следствие первичного загрязнения. Например, после «цветения» воды сине-зелеными или диатомовыми водорослями, вызванного избыточным внесением азота и фосфора в водоем с поверхностным стоком. Затем начинается отмирание водорослей и накопление их на дне, где происходят процессы интенсивной аэробной и анаэробной деструкции с поглощением кислорода и выделением углекислого газа, метана, сероводорода и прочее, в толще воды могут также накапливаться продукты жизнедеятельности и отмирания водорослей [1,10]. Заболачивание водоема также может быть следствием вторичного загрязнения. По Строгонову все загрязнения делятся на две основные группы: загрязнение, имеющее аналоги в природе, и загрязняющие вещества, не встречающиеся в природе (ксенобиотики). Загрязнение водоема веществами первой группы приводит к последовательной смене биоценозов, в зависимости от степени загрязнения, т.к. в природе имеются виды организмов, адаптирующиеся к загрязненной среде (перестройка от олигосапробности до полисапробности).

Загрязнение веществами второй группы оказывает совершенно иное действие. Последовательной смены комплексов с более или менее богатым видовым составом не происходит. Здесь можно выделить три последовательные степени загрязнения:

Первая степень загрязнения – снижение продуктивности при относительно неизменном видовом составе биоценозов. Эта стадия трудно выявляется.

Вторая степень загрязнения – исчезновение более чувствительных к токсическим веществам форм и развитие более выносливых. Иногда биомасса может быть высокой, но за счет очень немногих видов.

Третья степень - исчезают и наиболее выносливые организмы. Остаются некоторые водоросли, грибы и бактерии [9].

Поверхностные воды считаются загрязненными, если их состав или свойства изменились под прямым или косвенным влиянием деятельности человека и стали в результате этого непригодными для одного или нескольких видов водопользования. Критерием загрязненности воды ухудшение ее качества, вследствие изменения ее органолептических свойств и появления вредных веществ [6,8].

В соответствии с ГОСТ – 17.1.1.01-77 самоочищением называют совокупность всех природных процессов в загрязненных водах, направленных на восстановление первоначальных свойств и состава воды [3].

Процесс освобождения водоемов от различного рода загрязнений естественным путем называется самоочищением. Этот процесс представляет большой интерес с санитарной точки зрения. Самоочищение является суммой процессов, которые приводят загрязненную воду по содержанию органических веществ и наличию микроорганизмов к исходному состоянию. Самоочищение открытых водоемов протекает под влиянием разнообразных факторов:

• Гидравлический – разбавление и смешение загрязнений с основной массой воды;

• Механический – осаждение на дно взвешенных частиц и микроорганизмов;

• Физический – влияние солнечной радиации, температуры;

• Химический – превращение одних веществ в другие, главным образом, минерализация; угнетение или стимуляция определенных групп микроорганизмов, гидробионтов различными химическими веществами;

• Биологический – сложные процессы взаимодействия автохтонных водных микро- и макроорганизмов с аллохтонными организмами. Самоочищение воды от привнесенных бактерий (в том числе и патогенных) происходит за счет их гибели в результате антагонистического воздействия водных организмов (конкуренция, борьба за питательные вещества и т.д.) [3].

Наиболее активно 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, и вся жизнь водоема. Основные черты изменения режима в водоемах озерного типа сводятся к замедлению скоростей течения и регулированию уровня. 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 [9].

Существуют три основных постулата при анализе механизма самоочищения воды (А.П. Пасичный, 1994 г.):

1. Самоочищение происходит в любой водной среде – даже в наиболее загрязненных водоемах, обычно именуемых «сточными канавами»;

2. Самоочистительная способность связана с продукционно-деструкционными процессами, которые обеспечивают общий круговорот веществ в водоеме в пределах его трофической сети.

3. Угнетение продукционного процесса и понижение самоочистительной способности водной среды происходит вследствие токсичности компонентов загрязнений (тяжелых металлов, пестицидов, поверхностно-активных веществ, биогенных элементов) при высокой концентрации или их несбалансированности [6,9].

Самоочищение – сложное многоплановое явление, в котором можно выделить несколько процессов, большей частью протекающих практически одновременно:

1. Распределение веществ – процесс включает растворение, осаждение, эмульгирование, всплытие и концентрирование веществ в поверхностной пленке и пене.

2. Использование веществ организмами – этот процесс характерен не только для соединений, поступающих в водоем с бытовыми сточными водами, но и для промышленных сточных вод.

3. Абиогенное окисление – процесс включает распад веществ в фотохимических реакциях и экзотермических химических реакциях, идущих с низкой энергии активации.

4. Превращение веществ – стадия образования новых соединений их промежуточных продуктов распада. В реакциях синтеза, конденсации и полимеризации участвуют ферменты и активные химические частицы.

Оценку самоочищения дают по окислению органического вещества в биохимических процессах – БПК. В водоемах при антропогенных загрязнениях всегда имеются и трудно окисляемые вещества. Наряду с БПК определяется и ХПК (химическое потребление кислорода) – определение органического углерода и бихроматной окисляемости.

Вода является универсальным растворителем, поэтому загрязнения, сбрасываемые в любой тип ландшафта, оказываются в конечном итоге в воде.

Основная роль в самоочищении водоемов принадлежит биологическому фактору. Он представляет собой основное звено процесса самоочищения вод и рассматривается как одно из проявлений биотического круговорота веществ в водоеме. По Г.Г. Винбергу, биологическим механизмом самоочищения называют утилизацию и трансформацию веществ и энергии, запасенной водными организмами всех трофических уровней (1).

Последовательность процессов:

1. Использование органических веществ сточных вод гетеротрофными бактериями;

2. Рост и размножение зоопланктона и зообентоса за счет бактерий, взвешенного и растворенного органического вещества;

3. Развитие водорослей и стимулирование процесса фотосинтетической аэрации;

4. Развитие высшей растительности.

Как видим механизм самоочищения водоема, начинается именно с микроорганизмов. Они создают условия для появления и размножения зоопланктона и водорослей, которые участвуют в заключительных стадиях самоочищения. В биологическом самоочищении водоемов отмечается две 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 CH₃,H₂S и продуктов неполного распада органических веществ (фенолы, меркаптаны и т.д.). Еще одно преимущество микроорганизмов (в частности бактерий) в том, что они могут выполнять свою роль в восстановлении водоема в бескислородных условиях, тогда как другие организмы просто отсутствуют [6].

Биологическое самоочищение можно рассматривать по двум направлениям:

при загрязнении водоема минеральными формами биогенов, азота и фосфора и органическими веществами, например углеводородами или отходами животноводства.

В первом случае процесс самоочищения начинается с усиленного развития водорослей (цветение водоема). По мере расходования биогенов и отмирания водорослей интенсивной первичное продуцирование сменяется не менее интенсивным деструкционными процессами, ведущую роль в которых играют бактерии в толще воды и на дне водоема. Бактерии подготавливают условия для развития зоопланктона, сами, 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, и при достаточном или повышенном содержании азота может иметь место новая, но затухающая волна цветения сине-зелеными 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 [8].

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 мы можем наблюдать 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, но при кратковременном, даже токсичном воздействии экосистема восстановится при наличии биофонда (приток организмов из бассейновой системы водоемов). При длительном загрязняющем воздействии, а тем более его усилении, экосистема водоема будет деградировать по пути увеличения трофности и сапробности, например, от олигосапробной до полисапробной. Что и наблюдается в водоемах, куда сбрасываются сточные воды промышленных и сельскохозяйственных предприятий [6,11]. При этом микроорганизмы могут развиваться и даже увеличивать свою численность и биомассу при очень высоких концентрациях органических веществ в воде, особенно в условиях достаточного поступления биогенных элементов.

Изучив механизм самоочищения водоема, можно ответить на главный вопрос – какова же роль микроорганизмов в самовосстановлении водоема. Как мы видим, ключевую роль в нем играет биологический фактор, самоочищение в результате жизнедеятельности гидробионтов. В процессе самовосстановления водоема принимают участие и водоросли, и зоопланктон, и зообентос – они фильтруют, стимулируют процесс фотосинтетической аэрации, т.е. восстанавливают кислородный баланс. Но условия для жизнедеятельности этих организмов создают именно бактерии, простейшие, микроскопические водоросли.

Особенно ценны микроорганизмы, в частности бактерии тем, что они способны изменяться, для того чтобы трансформировать новые ранее не известные органические соединения, которые сегодня синтезируются и в результате потребления человеком попадают в водоемы, заражая не только гидросферу, но и живые организмы, в том числе и человека.

Литература

1. Винберг Г.Г. Биологическое самоочищение и формирование качества воды. - М.:1975. - С.5–9.

2. Гидрохимические показатели состояния окружающей среды: справочные материалы / под ред. Т.В.Гусевой. – М.: ФОРУМ: ИНФРА, 2011 – С.84-85

3. ГОСТ 17.1.1.01-77. Охрана природы. Гидросфера. Использование и охрана вод. Основные термины и определения. - М: Гос. ком. СССР по стандартам, 1977.

4. Кондакова Г.В. Санитарная микробиология. - Ярославль, 2005. – 84с.

5. Котельцев С.В., Садчиков А.П. Эвтрофирование городских водоёмов // Прикладная токсикология. - 2013. - Т.53. - С.17-23.

6. Кузнецова М.А., Субботина Ю.М. Микробиологическое самоочищение водоемов // Сб. студ. ст. «Антропогенное воздействие на экосистемы различного уровня». - М.: Издательство РГСУ. 2010.- С.142-150.

7. Кутолин И.В. Химия и микробиология воды. - Новосибирск, 2000. – 64с.

8. Рудакова Л.В. Основы гидрохимии и гидробиологии. - Пермь, 2002. – 84с.

9. Семерной В.П. Санитарная гидробиология. - Ярославль, 2005. – 203с.

10. Строганов Н.С. Теория и практика биологического самоочищения загрязненных вод.- М., 1972. - С.5 – 11.

11. Субботина Ю.М., Захаркин В.П., Розумная Л.А., Гапоненко А.В. Оценка экологического состояния водоемов комплексного назначения в составе агрогидробиоценоза. Учебное пособие по самостоятельной работе студентов. - М.: Издательство РГСУ, 2008. – 142с.

Код для цитирования: Скопировать