Биохимические процессы улучшения качества воды

 

Вода водотоков и водоемов должна соответствовать нормам, обеспечивающим сохранность вида, плодовитость и качество потомства рыбы, биологические потребности выращиваемых видов рыб, необходимый уровень развития естественной кормовой базы. Перед использованием воды для разведения проводят гидрохимические, токсикологические и биологические исследования.

Формирование качества воды в водных объектах обусловлено поступлением загрязняющих веществ извне, внутриводоемными процессами самоочищения и биологического самозагрязнения в результате массового развития гидробионтов. Основными источниками загрязнения водных объектов являются: хозяйственно-бытовые, промышленные, сельскохозяйственные сточные воды, переработка берегов и руслоформирующие процессы, донные отложения, массовое развитие фитопланктона («цветение» воды). В результате поступления в водные объекты загрязняющих компонентов происходит изменение качественного состава и свойств воды, ее экологических параметров и пригодности для различных видов пользования. Факторы, вызывающие изменение качества водных объектов, называются загрязнителями. Естественный природный процесс снижения в водных объектах загрязнителей путем физических, химических и биологических воздействий называется самоочищением водотоков и водоемов.

Один из важнейших физических факторов самоочищения – гидродинамический, заключающийся в разбавлении, растворении и перемешивании загрязнений. Турбулентный режим течения рек обеспечивает хорошее перемешивание загрязнителей в воде и снижение их концентраций. На скорость самоочищения водных объектов влияют: содержание растворенного кислорода, температура воды и воздуха, приток ультрафиолетового излучения из атмосферы, скорости течения, наличие микроорганизмов, растительности и др.

Увеличение содержания растворенного кислорода в водных объектах в результате естественных природных процессов: ветровых волнений, увеличения скорости течения в процессе прохождения паводков и половодий, больших уклонов и высокой шероховатости русла, а также фотосинтеза растений приводит к окислению загрязнений органического и неорганического происхождения и восстановлению нормальных условий для жизнедеятельности организмов. Распад органических веществ происходит преимущественно под действием микроорганизмов. Взвешенные вещества оказывают влияние на светопроницаемость, газовый режим и окислительно-восстановительные процессы в водотоках и водоемах. Такое воздействие на физические и химические свойства вод изменяет и видовой состав растительных и животных организмов. Многие виды рыб вообще не могут существовать в условиях повышенного стока взвешенных веществ. Взвешенные вещества являются благодатной средой и для развития патогенных организмов при осаждении взвесей на определенных участках дна рек и озер, формируют мертвые, бескислородные зоны, обусловленные разложением их органической части с сильным токсическим воздействием на гидробионтов. Характер самоочищения водотоков и водоемов от взвешенных веществ зависит от соотношения минеральной и органической частей взвесей. Самоочищение водоемов от минеральных взвесей связано, в основном, с уменьшением мутности и цветности воды и восстановлением условий для развития фито- и зоопланктона. Самоочищение водотоков и водоемов от органических загрязнений, скопившихся в донных отложениях, представляет собой сложный процесс биохимического и прямого окисления при соприкосновении твердых частиц с растворенным в воде кислородом и анаэробного разложения веществ. Процесс окисления органических взвесей происходит в поверхностных слоях, соприкасающихся с водой, содержащей кислород, а в глубоких слоях преобладают анаэробные формы распада органических веществ.

Биологическое загрязнение водотоков и водоемов происходит как за счет поступления организмов и продуктов их разложения с водосбора, так и в результате самозагрязнения, вызванного продуцированием в них органического вещества растительного и животного происхождения и дальнейшего отмирания. Первый элемент загрязнения формируется склоновым стоком в период половодий и паводков, а второй – как за счет первичной продукции (водорослей, планктона и бентоса, перифитона, высшей водной растительности), так и в результате массового развития микроорганизмов и животных и последующего их отмирания. Водные организмы, которые населяют водотоки и водоемы, очищают их от загрязнений, утилизируя биогенные вещества, соли тяжелых металлов, фенолы, пестициды, нефтепродукты и др. Особенно велика роль в этих процессах высшей водной растительности, которая не только аккумулирует загрязнения, но и защищает береговую зону водотоков и водоемов от волнения и абразии берегов, улучшает кислородный режим за счет фотосинтеза и способствует седиментации взвешенных частиц.

5.3. Роль высших растений и зоопланктона в улучшении

Качества воды

 

В формировании качества воды важную роль играют высшие водные растения: тростник, камыш, рогоз, рдест, сусак и др. Поглощая значительное количество биогенных элементов, высшие водные растения снижают уровень эвтрофикации водоемов. Они усваивают и перерабатывают различные вещества (фенолы, ДДТ), способствуя осаждению взвешенных и органических веществ, насыщают воду кислородом, создают благоприятные условия для нереста рыб и нагула молоди, интенсифицируют очистку воды от тяжелых металлов и нефтепродуктов за счет нефтеокисляющих бактерий. В присутствии высших водных растений в 3–5 раз быстрее разлагается нефть. Жизнедеятельность макрофитов способствует всплыванию нефтепродуктов, осевших на дно, и их разрушению. Наиболее перспективными для очистки от нефти являются камыш озерный и рогоз узко- и широколистный. Камыш озерный интенсивно очищает воду от фенолов. Одно растение камыша массой 100 г способно извлечь из воды до 4 мг фенола. Помимо фенола поглощаются и его производные (пирокатехин, резорцин, ксилол и др.).

В процессах фотосинтетической аэрации макрофиты играют не меньшую роль, чем фитопланктон. Они способны накапливать 7,52 мг фосфора на 1 г сухой массы. Камыш активно аккумулирует марганец, ирис – кальций, осока – железо, ряска – медь. В процессе минерального питания высшие водные растения в природных условиях поглощают и утилизируют в своих органах значительное количество веществ.

Высшие водные растения утилизируют также и азот сточных вод предприятий по производству минеральных удобрений.

Не менее важна роль высших водных растений в регуляции «цветения» воды, поскольку заросшие макрофитами участки водоемов не «цветут». Это объясняется конкуренцией за биогенные элементы, поглощаемые высшими водными растениями. При валовом урожае фитомассы в воздушно-сухом веществе 40 т/га тростник обыкновенный выносит 600–650 кг/га азота, 400 кг/га калия, 200–250 кг/га фосфора, до 200 кг/га кальция, до 400 кг/га хлора, десятки килограммов натрия, магния и др. [3].

Известно, что тростник обогащает кислородом не только воду, но и почву, на которой растет, способствуя усилению процессов окисления. Кислород циркулирует по полым стеблям и проходит в корни по воздухопроводящим побегам, а густые мочковатые водно-воздушные корни растений, как своеобразный механический фильтр, задерживают взвешенные частицы и очищают от них воду. Очень ценна способность тканей тростника детоксицировать различные ядовитые соединения. Достаточно высокие концентрации аммиака, фенола, свинца, ртути, меди, кобальта и хрома не сказываются заметно на его росте и развитии. Тростник является также прекрасным субстратом для развития различных видов прикрепленных водорослей, участвующих в формировании качества природных вод. В обрастаниях высших водных растений в основном встречаются диатомовые, зеленые, в меньшей мере – сине-зеленые и другие водоросли. В большом количестве здесь обнаружены грибы, азотобактер, а также бактерии, способные разлагать крахмал и клетчатку. Вместе с водорослями эти микроорганизмы активно участвуют в самоочищении водоемов. Организмы перифитона очень чувствительны к качеству воды, поэтому многие из них используются для биоиндексации.

Высшие водные растения способны извлекать из воды относительно большие количества урана, радия, тория. В растениях тростника, произрастающего на участках, которые подвергаются воздействию загрязненных вод, накапливается к концу вегетации примерно в 4 раза больше железа, кальция – в 100 раз, магния – в 1,2, азота – в 1,5, фосфора – в 1,3 раза больше, чем в растениях тростника, не подвергающихся влиянию сточных вод [3]. Большую роль в регуляции процессов размножения водорослей играет не только конкуренция за биогенные элементы, но и метаболиты высших водных растений, проявляющие фитонцидные свойства и угнетающие развитие водорослей. Макрофиты в процессе фотосинтеза насыщают воду кислородом, а также затеняют нижележащие слои воды, создавая неблагоприятные условия для жизнедеятельности сине-зеленых водорослей и образования первичной продукции фитопланктона. Таким образом, высшие водные растения играют существенную роль в снижении численности сине-зеленых водорослей, в первую очередь, в небольших водоемах, подверженных «цветению» при эвтрофировании. Эффективное использование их в качестве биофильтров и для удаления из водоема биогенных элементов и органики требует регулярной уборки фитомассы. Иначе после ее отмирания и разложения в водоеме происходит существенное обогащение органическими и биогенными веществами, а также илонакопление, что оказывает стимулирующее действие на «цветение» воды и усиление эвтрофирования. Оставшиеся заросли высших водных растений снижают ценность водоемов в качестве нерестилищ, а участки водоемов заболачиваются. Отрицательно влияет зарастание высшими водными растениями водоемов на внутриводоемные процессы и повышенное испарение воды. Известно, что 1 м² зарослей тростника транспирирует с апреля по октябрь 1 м³ воды. Испарение со свободной поверхности за тот же период составляет 400–700 л/м². Это является одной из причин усиления дефицита воды и ухудшения ее качества.

Роль зоогидробионтов в процессах очистки сточных вод в значительной степени определяется их способом питания. Питаясь бактериями, водорослями, взвешенными веществами, они способствуют осветлению воды. Зоогидробионты являются активными фильтраторами и седиментаторами. Кроме того, простейшие выполняют функцию индикаторов. Активными седиментаторами являются многие спиралересничные и кругоресничные инфузории. Одна особь Carchesium lachmani при питании в течение 1 часа пропускает через свой организм около 30000 бактерий. Седиментаторами являются и многие коловратки.

Фильтрация свойственна многим ракообразным, в том числе дафниям, личинкам комаров Culex и Anophetes, многощетинковым червям Polucheaeta, а из рыб – толстолобику. При фильтрации животные пропускают сквозь имеющиеся у них мелкопористые структуры воду, используя для питания отцеженный материал. При высокой численности дафний они за 1 сутки могут профильтровать весь объем пруда. Скорость фильтрации воды и поглотительная способность ветвистоусых рачков столь велики, что за 1 сутки они потенциально способны поглотить все бактерии, находящиеся в пруду.

Двухстворчатые моллюски (дрейссены, беззубки, перловицы) значительно влияют на химический состав воды. Прямое влияние выражается в усиленном потреблении кислорода в процессе дыхания, косвенное – в том, что в результате выедания ими фитопланктона снижается интенсивность фотосинтеза. В процессе самоочищения водоемов от органических веществ фильтраторы и седиментаторы играют роль потребителей первичной продукции, в свою очередь служа пищей хищным организмам зоопланктона и планктоноядным рыбам.