Последствия загрязнения бытовыми сточными водами. Эвтрофикация.

Очень важное последствие бытового загрязнения вытекает из того, что недостаточно очищенные сточные воды, кроме большого количества органических веществ, несут и много биогенных элементов. Результатом этого становится антропогенное эвтрофирование[27] водоемов и водотоков.

Эвтрофирование - нарушение баланса питательных веществ водной экосистемы, ведущее к изменению ее трофического статуса.

Главными агентами эвтрофирования могут выступать соединения азота и фосфора, главным образом, в виде нитратов и фосфатов.

В конце 1960-х было широко распространено убеждение о загрязнении рек, озер и подземных вод нитратами из бытовых сточных вод, сточных вод животноводческих комплексов и, особенно, возделываемых полей.

Наибольшие опасения вызывал тот факт, что высокое содержание нитратов в воде может вызвать заболевания. Например, метгемоглобинемию, или синдром «blue-baby» – у детей младше 6 мес. Заболевание это чрезвычайно редкое, но между 1945 и 1960 в мире было зарегистрировано 2000 его случаев. В США погиб 41 младенец, в Европе – 80. Нитраты подозревались и в том, что они могут реагировать с аминами и амидами с образованием канцерогенов: нитрозаминов и нитрозамидов. Экспериментальные исследования сняли эти подозрения (Allaby, 2000).

Главной угрозой, которую представляют нитраты для окружающей среды, является эвтрофирование водоемов.

Источники поступления агентов эвтрофирования:

· естественное вымывание питательных веществ из почвы и выветривание пород.

· сбросы частично очищенных или неочищенных бытовых сточных вод, содержащих органические соединения азота и фосфора, нитраты и фосфаты.

· смыв неорганических удобрений, содержащих нитраты и фосфаты.

· смыв с ферм навоза, содержащего органические соединения азота и фосфора, нитраты, фосфаты, и аммиак.

· смывы с нарушенных территорий (шахты, отвалы, стройки, неправильное использование земель).

· сбросы детергентов, содержащих фосфаты.

· поступление нитратов из атмосферы.

Еще в 1915 г. Тинеманн предложил различать по трофности (от «трофе», гр. – питание) эвтрофные («хорошо питающиеся», «тучные») и олиготрофные («недостаточно питающиеся») водоёмы.

Классификация оказалась очень удачной, естественной и применяется, в несколько модифицированном виде (добавлены гиперэвтрофные, мезотрофные, ультраолиготрофные, дистрофные водные объекты), по настоящее время.

Дистрофные (гр. trophe - пища, dys - отсутствие, отрицание) водоемы характеризуются превышением скорости деструкции орга­нических веществ над скоростью фотосинтеза.

Олиготрофные (oligo - бедный) водоемы имеют сбалансиро­ванные скорости продукционно-деструкционных процессов.

В эвтрофных (eu - хороший, избыточный) водоемах на­блюдается цветение водорослей и накопление органических веществ, так как скорости продукции превышают скорости деструкции.

Между этими градациями выделяют промежуточные: ультра-олиготрофные - между дистрофными и олиготрофными и мезотрофные - между олиготрофными и эвтрофными. При антропогенном эвтрофировании скорость фотосинтеза резко увеличивается вследствие поступления в водоемы питательных веществ со сточными водами и поверхностным стоком.

Связь эвтрофирования водоемов с обогащением их фосфором и азотом вытекает из схемы балансового уравнения фотосинтеза:

^{солн.свет}

10СО₂ + 90 Н₂О + 16NO₃^- + PO₄^3- С₁₀₆Н₁₈₀N₁₆P + 154O₂ + Q_тепл

 

Согласно закону действующих масс при увеличении концент­рации азота и фосфора скорость прямой реакции, т. е. скорость фото­синтеза, возрастает, что и приводит к эвтрофированию.

Имеет значение также соотношение основных питательных элементов, используемых водорослями. Считается, что максимальная скорость роста 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 отданного соотно­шения в окружающей среде 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 широкого применения фосфатсодержащих мою­щих средств. В природных водах растворенный неорганический фосфор (РНФ) присутствует преимущественно в виде различных продуктов диссоциации ортофосфорной кислоты Н₃РО₄.

Н₃РО_{4 (водн)} Н₂РО₄ ^-_(водн) + Н⁺ _(водн)

Н₂РО₄ ^-_(водн) + Н⁺ _(водн) НРО₄ ^2-_(водн) + 2Н⁺ _(водн)

НРО₄ ^2-_(водн) + 2Н⁺ _(водн) РО₄ ^3-_(водн) + 3Н⁺ _(водн)

 

В почвах фосфор обычно удерживается в результате осаждения нерастворимых фосфатов кальция и железа, адсорбции на гидроксидах железа или адсорбции на частицах почвы. Таким образом, РНФ в реках возникает в основном из-за прямых поступлений, например, сточных вод. Поскольку в отложениях фосфор присутствует обычно в виде нерастворимого фосфата железа (III) (FеРO4), в восстанови­тельных условиях (например, таких, какие встречаются в отложени­ях, когда потребление кислорода превышает его поступление) РНФ может вернуться в столб воды при восстановлении железа (III) до железа (II).

Химия азота сложна, посколькуазот может присутствовать в нескольких окисленных состояниях, из которых N(0) — газ азот (N₂), N(3-) — аммоний (NH₄+) и N(5+) — нитрат (NO₃^-) являются наиболее важными. Газообразный азот, растворенный в речной воде, не может быть использован большинством высших растений и водорослей как источник азота, поскольку они не могут разорвать его сильную трой­ную связь. Существуют особые «азотфиксирующие» бактерии, ис­пользующие N₂, однако это энергетически невыгодный путь получе­ния азота. Следовательно, такие микроорганизмы получают пре­имущество только тогда, когда N₂ является единственным доступным источником азота. Тем не менее, наряду с фиксацией N₂ молниями азотфиксирующие микроорганизмы обеспечивают основной природ­ный источник азота в реках.

В биологических процессах азот используется в состоянии 3-, в основном в виде аминогрупп белков. Это окислительное состояние предпочтительно для поглощения водорослями, а также является формой, в которой азот высвобождается в процессе разложения ор­ганического вещества, в основном в виде NH₄+. Однажды попав в почвы или воды, NH₄+, будучи катионом, может быть адсорбирован на отрицательно заряженных пленках органического вещества, по­крывающих почвенные частицы или поверхностях глинистых мине­ралов. Аммоний потребляется также высшими растениями или водо­рослями или же окисляется до NO₃^-— этот процесс обычно катализи­руется бактериями.

В отличие от NH₄+,NO₃^- является анионом, который растворим и не удерживается в почвах. Поэтому NO₃^- дождевой воды или из удобрений, а также появляющийся в результате окисления почвенно­го органического вещества и отходов животных вымывается из почв в реки. Помимо биологической ассимиляции, денитрификация в сре­дах с низким содержанием кислорода является наиболее важным пу­тем, посредством которого нитраты удаляются из почв, рек и под­земных вод.

Другое важное питательное вещество, кремний, используется диатомеями (группа фитопланктона) для построения их экзо-скелета. Диатомеи способны к быстрому и обильному росту в богатых пита­тельными веществами условиях. В реках умеренных областей цвете­ние диатомовых водорослей происходит в начале года, поэтому уро­вень содержания кремния падает ранней весной с началом роста диа­томовых водорослей и вновь повышается летом, когда диатомеи вы­тесняются другими группами водорослей. Поскольку поступление кремния происходит в основном в результате реакций выветривания, его природно низкие концентрации могут сильно уменьшатьсяво время цветения диатомеи, до такой степени, что дальнейший их рост тормозится. Таким образом, кремний ограничивает разнообразие ви­дов, но не общую биомассу фитопланктона.

Эвтрофирование водоемов зависит не только от нагрузки на водоем биогенных веществ, но и от условий развития автотрофных гидробионтов, т. е. от климатических, гидродинамических и морфо­логических особенностей водоема. 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 (Гусакова, 2004).

Хозяйственные последствия эвтрофирования. Обильная растительность может препятствовать движению воды и водного транспорта, вода может стать непригодной для питья даже после обработки, рекреационная ценность водоема может снизиться, могут исчезнуть коммерчески важные виды (такие как форель). Наконец, эвтрофирование приводит к вспышкам «цветения» (массового развития) водорослей. Цветение водорослей наносит двоякий ущерб водной системе. Во- первых, оно снижает освещенность, вызывая гибель водных растений. Тем самым нарушаются естественные местообитания многих гидробионтов. Во-вторых, при отмирании водорослей потребляется много кислорода, что может привести к тем же последствиям, что и прямое внесение органики в воду. В 1988, 1989 в восточном Северном море наблюдалась вспышка развития Chrysochromulina sp. в богатых биогенами водах, выносимых Рейном. При этом отмечены массовые заморы рыбы в шведских и норвежских водах.

Кроме обогащения воды легкоокисляемой органикой, приводящей к заморам, водоросли способны продуцировать и токсические вещества (альготоксины). Так, Alexandrium tamarense вырабатывает сакситоксин нервно-паралитического действия, аккумулируемый съедобными моллюсками. Prymnesium parvum выделяет вещества, высокотоксичные для рыб. Токсины, образуемые Microcystis, Aphanizomenon, Anabaena действуют на печень и могут быть нейротоксичны. Например, в 1989 г. при массовом развитии сине-зеленых водорослей в английских озерах погибло несколько собак (Allaby, 2000).

⇐ Предыдущая6789101112131415Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: