БИОЛОГИЯ Том 1 - руководство по общей биологии - 2004

10. ОРГАНИЗМЫ И ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА

10.8. Влияние человека на экосистемы

10.8.2. Загрязнение воды

До недавнего времени загрязнение воды было относительно локальной проблемой промышленно развитых стран. В настоящее время наиболее распространенным явлением стала эвтрофикация, т. е. обогащение внутренних водоемов азотом и фосфором. Источниками этих элементов служат смываемые с сельскохозяйственных земель удобрения и канализационные стоки. Это явление сейчас принимает глобальные масштабы и затрагивает не только пресноводные, но и морские экосистемы.

Канализационные стоки из прибрежных населенных пунктов сбрасываются в море иногда без всякой очистки, создавая непосредственную угрозу здоровью купающихся людей и морским обитателям. Поверхностные стоки из городских и индустриальных зон, а также со свалок часто загрязнены тяжелыми металлами и углеводородами. Биологическое концентрирование тяжелых металлов в морских пищевых цепях может давать их летальные для человека дозы, как это случилось при промышленном сбросе ртути в прибрежные воды около Миниматы в Японии. Высокое содержание ртути в рыбе повлекло смерть множества людей и других рыбоядных животных. Сублетальные дозы тяжелых металлов, пестицидов и нефтепродуктов могут снижать сопротивление организма болезням.

В последнее десятилетие в целях борьбы с загрязнением и деградацией экосистемы Северного моря приняты меры по сокращению и в конечном итоге прекращению захоронения и сжигания токсичных отходов в прибрежной зоне стран, окружающих этот бассейн.

Еще одна серьезная проблема — сильная эрозия почвы. Сносимые поверхностным током частицы ведут к заилению внутренних и прибрежных вод, что иногда повышает их рыбные запасы. Однако налицо и отрицательные последствия. Например, сведение лесов стимулировало эрозию почв в Австралии, а это повысило мутность воды в ее прибрежных водах, что повлекло за собой отмирание полипов Большого Барьерного рифа.

Большое значение имеют также тепловое и нефтяное загрязнения воды.

Эвтрофикация

Эвтрофикация — это обогащение экосистемы питательными веществами. В течение длительного периода, обычно нескольких тысяч лет, озера естественным образом изменяют свое состояние с олиготрофного (бедного биогенными элементами) до эвтрофного (богатого ими) или даже дистрофного, т. е. с высоким содержанием в воде не минеральных, а органических веществ (табл. 10.6). Однако в XX в. произошла ускоренная антропогенная эвтрофикация многих озер, внутренних морей (в частности, Балтийского, Средиземного, Черного) и рек по всему миру.

Таблица 10.6. Общие характеристики олиготрофных и эвтрофных озер

Главной причиной этого стало усиленное применение азотных удобрений и сброс в водоемы больших количеств содержащих фосфаты бытовых сточных вод. Последнее отражает не только рост народонаселения планеты, но и современную тенденцию к увеличению его городской доли, а также совершенствование канализационных систем.

Эвтрофикация создает острые экономические и экологические проблемы. Чистая вода необходима для многих промышленных процессов, людей и домашнего скота, коммерческого и спортивного рыболовства, функционирования курортных зон и навигации (табл. 10.7).

Таблица 10.7. Основные последствия эвтрофикации для экосистемы и проблемы, создаваемые этим процессом для человека

Нитраты и особенно фосфаты относятся к питательным веществам, чаще всего определяющим первичную продуктивность водных экосистем. Таким образом, добавка этих солей стимулирует быстрое размножение планктона. Консументы реагируют на рост кормовых ресурсов медленнее, поэтому увеличивается доля автотрофов, гибнущих «естественной смертью» и непосредственно снабжающих органикой детритные пищевые цепи. Минерализация накапливающихся остатков редуцентами требует кислорода. В результате его концентрация в воде может упасть ниже уровня, необходимого для нормального развития многих видов прежней экосистемы. В далеко зашедших ситуациях рыба и другие крупные животные гибнут, их разложение усиливает потребность в кислороде, и процесс идет по нарастающей. Эта проблема может затрагивать не только непосредственно эвтрофированную зону. Нескольких участков с дефицитом кислорода в речных системах бывает достаточно для блокирования миграции проходных рыб, например лососей и угрей.

Дезоксигенация проточных водоемов, вызванная органическими остатками, — процесс медленный, и максимальный дефицит кислорода обычно наблюдается на некотором расстоянии от места поступления питательных веществ (рис. 10.28). Так, например, в Темзе в 1967 г. осенью при низком уровне воды зона кислородного истощения простиралась на 40 км ниже Лондонского моста, а весной, когда вода стояла высоко, — всего на 12 км. В последние 30 лет проведена большая работа по очистке этой реки. Такого сильного дефицита кислорода в Темзе больше не наблюдается, и рыбу можно ловить на всем ее протяжении.

Рис. 10.28. Типичные кривые «кислородного истощения»: влияние сброса в реку органики на концентрацию растворенного кислорода в воде. (Из С. F. Mason (1981) Biology of fresh water pollution, Longman.)

10.19. Перечислите факторы, определяющие степень дезоксигенации воды.

В озерах проблему вызванного эвтрофикацией дефицита кислорода может обострять сезонная стратификация, т. е. формирование несмешивающихся слоев воды с разными температурами. В умеренном климате температурная стратификация происходит обычно в начале лета (рис. 10.29), главным образом по двум следующим причинам.

1. Солнце нагревает поверхность воды. Теплая вода имеет более низкую плотность, поэтому она не погружается, а образует теплый стационарный верхний слой (эпилимнион). Ниже этого слоя вода может нагреваться только за счет теплопроводности, а в жидкой среде это процесс медленный.

2. Реки и ручьи, впадающие в озеро, мельче его. Их вода прогревается на всю глубину. Она смешивается только с эпилимнионом, еще больше повышая его температуру по сравнению с глубинным слоем (гиполимнионом).

Рис. 10.29. Тепловая стратификация озера в средних широтах (пруды Линсли, Коннектикут, США). Летом теплый, богатый кислородом циркулирующий слой воды (эпилимнион) отделяется от прохладного, бедного кислородом придонного слоя (гиполимниона) широкой зоной быстрого изменения температуры — термоклином. В этой зоне градиент оксигенации воды аналогичен приведенному для водоема в целом. (С изменениями из: Е. Р. Odum (1971) Fundamentals of ecology, Saunders.)

Для озерной экосистемы все это имеет важные последствия, в частности затрудняет снабжение гиполимниона кислородом.

Вода озера снабжается кислородом тремя основными путями:

1) за счет фотосинтеза, требующего света, т. е. наиболее интенсивно идущего у поверхности;

2) путем диффузии из атмосферы;

3) с проточной водой впадающих рек и ручьев.

Как видно, эти источники обогащают кислородом прежде всего эпилимнион. Оксигенация глубинных слоев зависит от диффузии сверху и перемешивания воды во время сильного волнения. Последнее более характерно для зимнего сезона. Таким образом, при установлении летней стратификации жизнь в глубине озера зависит главным образом от образовавшегося к весне запаса кислорода в гиполимнионе.

В здоровой озерной экосистеме большая часть первичной биомассы поедается фитофагами; на долю детритофагов и редуцентов приходится сравнительно мало пищи. Эвтрофикация повышает продуктивность фитопланктона в эпилимнионе, и масса мертвых остатков оседает на дно водоема, поскольку консументы «не справляются» с возросшим количеством корма. Это стимулирует развитие в гиполимнионе редуцентов, истощающих и так небольшой запас кислорода. Если бы кислорода в гиполимнионе было много, то никаких проблем не возникало бы. Однако к концу лета там возможно развитие аноксических (бескислородных) условий, вызывающих катастрофическую гибель (замор) рыбы и других животных.

Мониторинг эвтрофикации

За изменениями, связанными с эвтрофикацией, можно следить биологическими и химическими методами. Такие регулярные наблюдения, т. е. мониторинг, позволяют вовремя принять адекватные меры, предотвращающие катастрофическую деградацию экосистемы. Выявить начавшуюся эвтрофикацию можно по изменению состава фитопланктона, например по его участившемуся «цветению», вызываемому цианобактериями. Для эвтрофных вод характерно низкое видовое разнообразие фитопланктона при высоком обилии нескольких кодоминантов.

Полезным химическим параметром служит так называемая биохимическая потребность в кислороде (ВПК) (опыт 11.9), т. е. мера истощения его запасов биотой. Считается, что эта величина отражает интенсивность разложения присутствующего в воде детрита микроорганизмами (как уже говорилось, для эвтрофных водоемов характерно возрастание массы МОВ). Теоретически результат будет включать и потребление кислорода фитопланктоном. Обычно на практике это не имеет значения, хотя в отдельных случаях на водоросли приходится до 50% БПК. Таким образом, данный анализ лишь приблизительно оценивает качество воды, и желательно использовать его в сочетании с другими методами.

10.20. Каковы преимущества и недостатки биологического мониторинга эвтрофикации по сравнению с химическим?

Тепловое загрязнение

Тепловое загрязнение создает проблемы в реках и прибрежных океанических водах. Обычно такое загрязнение связано с использованием природных вод в качестве охлаждающих агентов в промышленных процессах, например на электростанциях. Вода, возвращаемая в водоемы предприятиями, теплее исходной и, следовательно, содержит меньше растворенного кислорода. Одновременно нагревание среды увеличивает интенсивность метаболизма ее обитателей, а, значит, их потребность в кислороде. Если температура сбрасываемой воды незначительно отличается от температуры воды в водоеме, то никаких изменений биотического компонента экосистемы может не произойти. Если же температура повышается существенно, то в биоте могут произойти серьезные изменения. Например, для проходных рыб типа лосося бедные кислородом участки рек становятся непреодолимыми препятствиями, и связь этих видов с нерестилищами прерывается.

Однако такое использование водоемов (рек или эстуариев), уже загрязненных органикой, иногда дает положительный эффект. Проходя по трубам промышленных систем охлаждения, вода оксигенируется в результате перемешивания, поэтому, возвращаясь в эвтрофную экосистему, может обогащать ее кислородом. Это стимулирует микробную активность и способствует повышению качества местообитания.

Нефтяное загрязнение

Нефтяное загрязнение угрожает прежде всего морским и прибрежным экосистемам. Основные его причины следующие:

1) аварии нефтеналивных судов (танкеров) в результате столкновений, пожаров или крушений;

2) утечка нефти из береговых резервуаров;

3) промывание грузовых емкостей танкеров в море.

Каждый год такие происшествия приводят к попаданию в мировой океан примерно 10 млн. т сырой нефти.

Нефть не смешивается с водой, но ее выбрасывание на берег губит водоросли, моллюсков, ракообразных и других литоральных животных. Морские млекопитающие страдают от нефтяного загрязнения из-за того, что их мех покрывается нефтью. Однако самыми явными жертвами становятся рыбоядные птицы: нефть пропитывает и склеивает перья, делая невозможным полет и ухудшая теплоизоляцию тела, а это грозит гибелью от переохлаждения; параллельно снижается плавучесть, и в воде птица тонет; наконец, попытки чистить перья приводят к заглатыванию углеводородов и отравлению. Фитопланктон от нефтяного загрязнения, по-видимому, особо не страдает, хотя темная пленка на поверхности моря снижает освещенность толщи воды, и интенсивность фотосинтеза временно ослабевает.

В долгосрочной перспективе ущерб для экосистем от разливов нефти минимален. Восстановление идет быстрее, если дать нефти диспергироваться естественным путем. Бактериальное разложение углеводородов, которому способствует разрушение сплошной пленки ветром и волнами, в условиях теплого и умеренного климата завершается через 3—4 года. В условиях холодного климата, например у берегов Аляски, где в 1989 г. произошло крушение танкера «Exxon Valdez», отрицательный эффект сохраняется дольше из-за пониженной бактериальной активности. Применение поверхностно-активных диспергирующих агентов ускоряет процесс, но сами эти вещества часто усугубляют экологический ущерб, поскольку токсичны и с трудом поддаются биоразложению.

Результаты исследований показали, что малозаметные, но постоянные утечки нефтепродуктов, например с прибрежных перерабатывающих предприятий и терминалов, опаснее для морских и литоральных экосистем, чем получающие широкую огласку крупные аварии.

Методы борьбы с нефтяным загрязнением воды следующие:

1) защита плавучими заграждениями (бонами) береговой линии от пятна нефти на воде;

2) выжигание тяжелых нефтяных фракций;

3) сбор нефти и закачка ее в специальные очистные суда;

4) обработка нефтяного пятна бактериями (например, Pseudomonas), разлагающими углеводороды (см. гл. 25);

5) применение новых специально разработанных диспергирующих агентов — менее токсичных и более подверженных биоразложению, чем традиционные;

6) прокладка маршрутов супертанкеров вдали от опасных вод и экологически уязвимых побережий;

7) строительство танкеров с двойными стенками грузовых емкостей;

8) внедрение новых балластных систем.