Алексеева Т. Н. / Лекция 7. Глобальные экологические проблемы биосферы / Загрязнение воды
.docx7 .4. Загрязнение воды
Несмотря на то что вода является возобновляемым ресурсом, она может быть загрязнена до такой степени, что становится непригодной для многих видов водопользования и вредной для живых организмов. Кроме того, антропогенная деятельность приводит к деградации и разрушению водных экосистем, что снижает их ресурсную ценностъ.
Загрязнение воды связано не только с прямым поступлением загрязняющих веществ в водные объекты, но и с использованием наземных экосистем и загрязнением атмосферы. Это экологическая проблема не только локального, регионального, но и глобального уровня. Речные и океанические течения переносят загрязнения далеко от мест их сброса, часто пересекая государственные границы.
Загрязнение пресноводных экосистем происходит из точечных и неточечных источников. Точечные источники сбрасывают загрязнения по трубам, канавам и канализационным системам со сточными водами. Примерами служат промышленные предприятия, очистные станции, угольные шахты, нефтяные скважины. Неточечные источники - это поверхностный сток и грунтовые воды, собирающие загрязняющие вещества с обширных водосборных бассейнов: пашен, откормочных хозяйств, районов лесозаготовок, строительных площадок, автостоянок, дорог и городов. Другим неточечным источником является воздушный бассейн, откуда загрязняющие вещества попадают в реки, озера, водохранилища, в основном с осадками: кислотными и радиоактивными дождями и др.
В реках, особенно с быстрым течением, концентрация относительно небольшого количества загрязнений может снижаться, а запасы растворенного в воде кислорода восстанавливаться благодаря способности водоемов к самоочищению. Самоочищение - это комплекс естественных механических, физико-химических и биохимических процессов, приводящих к восстановлению первоначальных свойств воды: разбавление, смешение, осаждение, коагуляция, биохимическое окисление и др. Это происходит в том случае, если нагрузка загрязняющих веществ не превышает экологическую аккумулирующую емкость (экологический резерв) водотока. Однако некоторые вещества очень плохо или вообще не поддаются биохимическим процессам разложения и концентрируются в живых организмах, поступая по пищевым цепям: ДДТ, полихлорированные дифинилы, радиоизотопы, соединения ртути и др.
Существует мнение, что качество речной воды резко улучшится, если делать водозаборы питьевой воды ниже города по течению, так как в этом случае люди вынуждены осуществлять глубокую очистку отходов. Однако такому превентивному подходу препятствуют политические и экономические соображения, так как брать более чистую воду выше города по течению проще и дешевле.
В озерах и водохранилищах процессы самоочищения протека - ют менее эффективно, чем в реках, так как в них часто наблюдается вертикальная термическая стратификация, мешающая перемешиванию верхних и нижних слоев воды. Кроме того, озера и водохранилища накапливают большие объемы донных отложений, содержащих биогенные и токсичные вещества. Очистка и замена воды в них занимает от 1 года до 100 лет. Таким образом, озера представляют собой природные западни, подверженные большой опасности загрязнения. В России загрязнение грозит даже уникальному озеру Байкал - крупнейшему и самому глубокому в мире водоему с пресной водой. В результате избыточного антропогенного поступления фосфатов и нитратов в озерах развиваются процессы «цветения», называемые культурной или антропогенной эвтрофикацией. Это явление в настоящее время стало причиной вторичного загрязнения озер, водохранилищ, эстуариев, многих районов внутренних морей и прибрежных зон океанов. Так, в США от культурной эвтрофикации в той или иной степени страдает треть из 100 тыс. озер среднего размера и 85% крупных озер, расположенных вблизи населенных центров.
Огромные объемы воды, идущие на охлаждение электростанций, часто сливаются в озера. Слив теплой воды с одной или нескольких электростанций в озеро или реку называется тепловым загрязнением и также вредно воздействует на водные биоценозы, способствуя эвтрофикации.
Антропогенное эвтрофирование - одно из частых проявлений воздействий человека на водные экосистемы. В конце ХХ столетия эта проблема приобрела особую актуальность во всем мире. Эвтрофирование (греч. еи - избыточный, trophe - пища) может приводить к деградации как пресноводных, так и морских экосистем, вызывает вторичное загрязнение воды и нарушает все виды водопользования.
Трофность водоемов - термин, введенный в 1921 г. немецкими гидробиологами А. Тинеманом и Э. Науманом для обозначения способности водоемов фотосинтезировать органическое вещество как пищу для рыб. Впоследствии этим термином стали пользоваться для обобщенной характеристики и классификации водных экосистем. Выделяют три степени трофности водоемов.
Дистрофные (греч. dys - отсутствие, отрицание) водоемы характеривуются превышением скорости деструкции органических веществ над скоростью продукции (Vпрод/Vдестр < 1), т. е. отрицательным биотическим балансом, и, следовательно, очень низким содержанием органических веществ. Олиготрофные (греч. oligo - бедный) водоемы имеют сбалансированные скорости продукционно-деструкционных процессов (Vпрод/Vдестр = 1) и невысокую концентрацию органических веществ. Эвтрофные водоемы характеризуются цветением водорослей и накоплением органических веществ, так как скорости продукции превышают скорости деструкции: Vпрод/Vдестр > 1. Между этими градациями выделяют промежуточые: ультраолиготрофные - между дистрофными и олиготрофными и мезотрофные - между олиготрофными и эвтрофными.
Постепенный переход водоема из дистрофного или олиготрофного состояния в эвтрофное называется эвтрофированием. Эвтрофирование может происходить естественным путем и в результате деятельности человека. Естественный процесс длится сотни и тысячи лет. Антропогенное эвтрофирование происходит в течение десятков лет. Скорость фотосинтеза резко увеличивается вследствие поступления в водоемы питательных для водорослей веществ со сточными водами и поверхностным стоком (рис. 7.16).
Наиболее очевидным проявлением антропогенного эвтрофирования является массовое развитие микроскопических планктонных водорослей, обитающих в толще воды, - фитопланктона и высшей водной растительности - макрофитов (рис. 7.17).
Причины антропогенного эвтрофирования - избыточное поступление в водоемы биогенных веществ. Основными питательными для водорослей (биогенными) веществами являются минеральные формы углерода, азота и фосфора. Содержание углерода в воде в форме углекислоты, дикарбонатов и органических веществ практически всегда достаточно; лимитируют или стимулируют развитие водорослей обычно соединения фосфора и азота. Связь эвтрофирования водоемов с обогащением их фосфором и азотом не нуждается в специальных доказательствах и вытекает из схемы балансового уравнения фотосинтеза:
Согласно закону действующих масс, при увеличении концентрации азота и фосфора скорость прямой реакции, т. е. скорость фотосинтеза, возрастает, что и приводит к эвтрофированию.
Признаки увеличения степени трофности наблюдаются обычно в тех районах, где концентрации фосфат-ионов превышают 20-30 мг/м3. Имеет значение и соотношение основных питательных элементов, используемых водорослями. Считается, что максимальная скорость эвтрофирования достигается в воде, в которой соотношение углерода, азота и фосфора (С: N: Р) соответствует их атомно-массовому отношению в составе вещества водорослей. Для фитопланктона в среднем оно приближается к 106:16:1. Всякое отклонение от данного соотношения в воде водоема говорит об изменении обеспеченности водорослей питательными веществами.
Роль фосфора в эвтрофировании заслуживает особого рассмотрения в связи с тем, что он не содержится в атмосфере, а резервный фонд его находится в земной коре. Долгое время именно фосфор, как труднодоступный элемент, лимитировал эвтрофирование. Сейчас концентрация растворенных фосфатов в бытовых стоках возрастает вследствие применения фосфорсодержащих моющих средств. Кроме того, сточные воды после биологической очистки обогащаются минеральными формами азота и фосфора.
Основные источники антропогенного поступления биогенных веществ в воду - бытовые и промышленные сточные воды, поверхностный сток с городских территорий, рекреационных зон и смыв с полей минеральных удобрений. При этом соотношение азота и фосфора для разных источников различно. Так, для Германии приводятся следующие данные: поступление азота с коммунальными водами - 30%, со стоками с сельскохозяйственных угодий - 70%, фосфора соответственно 91 и 9%. Для Европы в целом принято считать, что с сельскохозяйственных угодий поступает азота до 25%, а фосфора - до 12%. Другие источники поступления веществ, стимулирующих эвтрофирование, - атмосферные осадки, судоходство, донные отложения, рекреации.
При разработке мероприятий по предотвращению антропогенного эвтрофирования прежде всего должен решаться вопрос о нормативно допустимом сбросе (НДС) биогенных веществ в конкретный водоем.
Эвтрофирование водоемов зависит не только от нагрузки биогенных веществ, но и от климатических, гидродинамических и морфологических особенностей водного объекта. Лимитировать цветение при достаточной концентрации питательных веществ могут низкая температура, недостаточная солнечная радиация, высокие скорости течений, большая глубина, мутность воды и другие экологические факторы. Наиболее сильно эвтрофирование происходит в хорошо прогреваемых и освещаемых прибрежных мелководьях. Поэтому нормативы содержания в воде биогенных веществ должны быть региональными, а для крупных водных систем - локальными.
Последствия антропогенного эвтрофирования оказывают огромное влияние на формирование качества поверхностных вод и приносят экономические ущербы при других видах водопользования.
Массовое развитие микроскопических водорослей ( особенно синезеленых), приводящее к «цветению» воды, прежде всего ухудшает ее качество. Вода перестает соответствовать гигиеническим нормативам по органолептическим свойствам (появляются запахи, привкусы, мутность, цветность). Превышаются предельно-допустимые концентрации (ПДК) по таким показателям, как ВПК, ХПК, окисляемость, рН и др. В массовых скоплениях водорослей идут процессы брожения, при которых выделяются бутиловый спирт, уксусная, молочная кислоты и другие вредные вещества. Могут оптимизироваться условия для развития кишечной патогенной микрофлоры.
Особые опасения вызывает способность, особенно синезеленых водорослей, выделять при отмирании токсические вещества. Глубокие токсикозы связывают с употреблением в пищу свежевыловленной рыбы из лагун с «цветущей» водой. В медицине это заболевание получило название «гаффской болезени» по названию одного из заливов Балтийского моря, расположенного близ г. Калининграда, где в 1924 г. впервые болезнь была зарегистрирована среди рыбаков. Позже подобное заболевание стало известно под названием « юккская болезнь» по названию озера в Ленинградской области и па территории России регистрировалась в 1934, 1935, 1946-1948, 1960 годах.
«Цветение» воды представляет собой и серьезные помехи при водоснабжении. При большом количестве водорослей засоряются водоприемные устройства, трубопроводы, фильтры. В водопроводных сетях и сооружениях биомасса водорослей является хорошей средой для бактерий и может сделать воду неблагополучной в эпидомиологическом отношении. Даже после хлорирования в слизистых оболочках синезеленых могут сохраняться жизнеспособные кишечные патогенные бактерии, вирусы и сальмонелла.
Серьезные нарушения вызывает интенсивное зарастание прибрежных мелководий высшей водной растительностью. 3арастания затрудняют заборы воды и рыбный промысел, воздействуют на динамику вод: уменьшают скорость береговых течений, гасят волновые движения, увеличивают седиментацию, нарушают водообмен. Остатки отмерших водорослей на мелководьях могут вызыватъ процессы гниения и брожения, сопровождающиеся выделением дурнопахнущих продуктов. В случае рекреационного использования водоемов к отрицательным последствиям цветения и зарастания следует добавить снижение эстетических достоинств ландшафтов.
При разложении водорослей в воде увеличивается концентрация свободной углекислоты, аммиака, сероводорода, восстановленных соединений железа, марганца и других веществ. Это приводит к еще более резкому ухудшению качества воды. В водопроводной сети выпадает осадок гидрооксида железа. Увеличивается агрессивность воды относительно бетона, разрушаются материалы, применяемые в гидростроительстве.
Следовательно, антропогенное эвтрофирование в конечном счете приводит к ресурсной деградации водных объектов.
• Загрязнение морских экосистем наиболее велико. Океан - наша основная свалка. Жак Кусто (1990) предупреждал: «само выживание человека как вида зависит от сохранения океана, раскинувшегося на весь мир, чистым и живым. Океан является поясом жизни для нашей планеты», Между тем океан служит основным местом захоронения отходов человеческой деятельности. Помимо природного стока, в него поступают сельскохозяйственные, промышленные и городские сточные воды, атмосферные загрязненные осадки, мусор, стоки с судов. Происходит нефтяное загрязнение морских вод в результате утечек с танкеров и буровых платформ, а также преднамеренного слива нефти при очистке трюмов танкеров. Баржи и суда сбрасывают в океан осадки сточных вод, осадочные породы при проведении землечерпательных работ в гаванях, донные отложения рек и каналов при очистке судоходных фарватеров и т. д.
Глубоководные районы океанов способны переработать огромные объемы разных отходов, но прибрежные зоны и эстуарии страдают от загрязнения. Например, в Великобритании около 60% прибрежных акваторий сильно загрязнены, так же как и большая часть Средиземного и Балтийского морей. Есть опасения, что уже превышены предельно допустимые уровни загрязнения во многих прибрежных зонах.
Токсические химические вещества и пластмассы - такие виды загрязнений, которые полностью не разлагаются в результате естественных процессов самоочищения. Там, где сбрасываются токсичные отходы (пестициды, синтетические органические вещества, многие пластмассы), жизнь практически отсутствует. Омары, крабы и рыбы поражены опухолями и язвами. Исследования указывают, что ежегодно погибает около 2 млн. морских птиц и более 100 тыс. морских млекопитающих (китов, тюленей, дельфинов, морских львов), которые съедают пластиковые стаканы, пакеты и другой пластмассовый мусор. Торговые суда ежедневно выбрасывают по меньшей мере 450 тыс. пластиковых контейнеров. 3а треть всего хлама, сбрасываемого в океаны, несут ответственность США.
Загрязнение океана нефтью - другая серьезная экологическая проблема глобального масштаба. Чаще всего обращают на себя внимание аварии танкеров и выбросы нефти под большим давлением из буровых скважин на дне океана. Однако более половины (по некоторым оценкам до 90%) нефти попадает в океан с суши в результате стока нефтяных отходов городов и промышленных предприятий. Воздействие нефти на морские экосистемы зависит от многих факторов: типа нефти (сырая или очищенная), размеров загрязнения и удаленности от берега, времени года, погодных условий, температуры воды, приливно-отливных течений и т. д. Нефть - это смесь сотен веществ с различными свойствами. Ароматизированные углеводороды (бензол, толуол) - главная причина мгновенной гибели многих ракообразных и немигрирующих рыб, особенно в личиночной стадии. В теплых водах некоторые токсичные вещества испаряются в течение одного-двух дней. Смолоподобные клейкие вещества долго остаются в воде и прилипают к оперению птиц, меху морских выдр, тюленей, к песку и скалам. Птицы и животные тонут и погибают. В теплых водах эти вещества с помощью нефтеокисляющих бактерий в течение нескольких месяцев разлагаются, н полярных морях это происходит значительно дольше.
Максимальное долгосрочное воздействие на морские экосистемы оказывают тяжелые компоненты нефти, которые оседают на дно океана. Они вызывают гибель донных организмов: крабов, устриц, мидий и других моллюсков. Нефтяное загрязнение придает запахи и привкусы рыбам и промысловым морским организмам, что делает их непригодными для употребления человеком.
Большинство форм морской жизни восстанавливается после воздействия на них сырой нефти в течение трех лет. Восстановление жизни после воздействия очищенной нефти, особенно в эстуариях, может продолжаться десятки и более лет. Нефтяные пятна 11 холодных полярных водах сохраняются дольше. Нефть, которая выносится на берег, наносит серьезный экономический ущерб жителям прибрежных районов: падает доход от рыбной ловли, туризма, зон рекреации, пляжей.