Естественные источники загрязнения воды и системы самоочистки

ЕСТЕСТВЕННЫЕ ИСТОЧНИКИ  ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВОДЫ И СИСТЕМЫ САМООЧИСТКИ

В природных водах, кроме  растворенных неорганических веществ, обычно содержатся минеральные частицы и органические вещества. Далее самые чистые горные озера в минимальном количестве содержат микроскопические минеральные частицы, выпадающие на их поверхность из воздуха. Реки, в зависимости от состава пород, образующих ложе самой реки и ее притоков, несут различное количество взвешенных частиц, причем в зависимости от скорости течения они могут быть разных размеров, от тончайшей пыли, частиц микронных размеров, до песчинок и даже мелких камешков в горных реках с быстрым течением. Одна из самых чистых рек, отличающихся высокой прозрачностью воды, - Ангара. Она берет начало в Байкале и течет на значительном протяжении по каменному ложу. К числу рек, несущих очень много взвешенных частиц, относится знаменитая Желтая Река — Хуанхэ, текущая по лёссовым массивам центрального Китая. Лёсс - порода, образованная в результате отложения переносимых ветром очень мелких пылевых частиц. Он легко размывается водой и медленно оседает. Хуанхэ переносит и переоткладывает ежегодно миллионы тонн мельчайших минеральных частиц.

Органические вещества —  продукты частичного распада мертвых растений и животных, выделения водных животных и растений, гуминовые кислоты и другие органические вещества, вымываемые из почвы, почти всегда присутствуют в природных водах. Особенно много их содержится в воде торфяных болот, а вода рек, вытекающих из таких болот, обычно окрашена в желто-коричневый цвет именно органическими веществами. Окисляясь, органические примеси поглощают растворенный кис род и могут значительно уменьшать его концентрацию в воде. Кроме растворенных, органические вещества присутствуют в воде также в виде мертвых микробов, водорослей и других микроскопических организмов.

Таким образом, существует достаточно много путей, по которым естественные загрязнения (или примеси) разного происхождения постоянно попадают в водоемы. Тем не менее в природных условиях количество примесей в воде большинства водоемов оказывается более или менее постоянным в течение многих лет и, по-видимому, тысячелетий. Очевидно, это происходит потому, что в каждом длительно существующем водоеме устанавливается равновесие между поступлением и удалением примесей. При постоянном в среднем поступлении загрязняющих примесей уровень их содержания в воде, «точка равновесия», зависит от эффективности природных систем удаления этих примесей, самоочистки водоемов.

В системах самоочистки любого водоема взаимодействуют физико-химические и биологические процессы.

Так, оседание минеральных  частиц на участках реки с замедленным течением или насыщение кислородом холодных бурных горных рек — чисто физические процессы. Регуляция ионного состава природных вод происходит как по физико-химическому, так и по биологическому и. Образование нерастворимых соединений, постоянный проток, ионообменные процессы, прямое окисление органических веществ растворенным кислородом — в основе своей физико-химические процессы. Вместе с тем водная растительность активно поглощает ионы фосфатов и нитратов, осуществляет активный газообмен, поглощает из воды многие биогенные элементы, вводя их в трофические сети водных экосистем. Ведущую роль в окислении органических примесей играют микроорганизмы.

В водоемах, в которых  отсутствует или крайне слабо  происходит обмен воды, в озерах и медленно текущих реках, количество биогенных элементов постепенно накапливается. Это ведет к усиленному развитию водорослей и высших водных растений, увеличению разнообразия и общей численности самых равных модных животных. В дальнейшем, когда концентрация биогенных элементов еще повышается, достигается ее уровень (различный в разных климатических условиях), при котором начинается «цветение воды» — бурное развитие планктонных водорослей и сине-зеленых, постепенно подавляющих другие формы жизни. Интенсивное отложение ила, наступление моховых сплавин с берегов переводят этот процесс эвтрофикации в заболачивание.

Очень велик вклад в  самоочищение вод животных — обитателей водоемов. Перерабатывая в пищевых  связях органическое вещество, созданное  растениями, животные-консументы часть этого вещества разлагают до исходных простых соединений — воды и углекислого газа, остальное в виде экскрементов переходит в форму, наиболее эффективно используемую микроорганизмами-редуцентами. Часть органического вещества откладывается в донных илах.

Особую роль в поддержании  чистоты воды играют животные, питающиеся живыми и мертвыми бактериями, водорослями, простейшими, которых они захватывают, процеживая воду через специальные «сети», весьма различные у разных групп. К таким животным-фильтраторам относятся многие планктонные (обитающие в толще воды) и бентосные (обитающие на дне) простейшие, коловратки, многощетинковые черви, большинство видов двустворчатых моллюсков, многие сидячие и планктонные ракообразные, все губки. Особенно распространен этот древнейший способ питания среди морских организмов.

Высокое качество воды наиболее чистых пресноводных озер и рек сильно зависит от видового состава и численности животных-фильтраторов. Разумеется, фильтраторы не могут существовать в абсолютно чистой воде, совершенно лишенной пищевых частиц. Но в водоемах, существующих достаточно долго, чтобы эволюция могла идти в постоянных условиях, возникает конкуренция за существующих достаточно долго, чтобы эволюция мола идти в постоянных условиях, возникает конкуренция за пищу между фильтраторами. Эволюционные преимущества получают виды, наиболее эффективно фильтрующие воду. Отбор у таких видов идет в направлении совершенствования фильтрующего аппарата, которое часто сопровождается замедлением роста и преимущественным развитием наиболее экономных биохимических механизмов, что позволяет обходиться небольшим количеством пищи. В результате такие совершенные фильтраторы способны доводить воду своих водоемов до очень высоких показателей чистоты.

К числу наиболее распространенных пресноводных животных-фильтраторов относятся всем известные перловицы и беззубки -    двустворчатые моллюски, в изобилии обитающие во многих наших реках. Каждая беззубка пропускает через свои жабры-фильтры несколько литров воды в сутки. Она может поддерживать высокую прозрачность воды в аквариуме. Правда, тем, кто захочет воспользоваться этим «живым фильтром» для своего аквариума, следует помнить, что на период размножения ее нельзя оставлять в аквариуме с рыбками: личинки беззубки, глохидии, паразитируют на рыбах. Многомиллионные популяции этих моллюсков в реках очищают их воду не только от микробов и органических частиц, но и от взвешенных минеральных частиц и мельчайших капелек нефти. Несъедобные частицы захватываются вместе со съедобными, проходят пищеварительный тракт и, склеиваясь в нерастворимую массу, с экскрементами моллюсков оказываются в донных илах.

При значительном повышении  загрязненности, особенно при повышении концентрации вредных веществ, наступает массовая гибель моллюсков-фильтраторов, их численность и, соответственно, суммарная фильтрующая деятельность катастрофически падают (рис. 2.10). Это ведет к нарастанию загрязненности, подавлению множества других видов, требовательных к чистоте воды. Экосистема упрощается и переходит на другой относительно стационарный уровень с менее благоприятным балансом поступления и удаления вредных примесей. Восстановление такой экосистемы требует уже не только значительного снижения вредных сбросов, но и очень больших затрат на ее реконструкцию или многих десятков, а то и сотен лет на самовосстановление в процессе вторичной сукцессии последовательного восстановления групп видов, приспособленных ко все более чистой воде и способных все более эффективно ее очищать.

К числу наиболее чистых водоемов на Земле относится знаменитый Байкал, огромное сибирское озеро, содержащее 1/5 часть всех мировых запасов поверхностных пресных вод. Он существует более 20 миллионов лет. Питаясь чистой водой горно-таежных рек и сбрасывая излишек воды в Ангару, Байкал сохраняет очень низкий уровень минерализации. Обитающий только в Байкале веслоногий рачок эпишура (рис. 2.11) очень эффективно очищает воду от бактерий, водорослей и органических частиц. Эпишура не только поддерживает качество байкальской воды на уровне «высших кондиций», но и служит основным кормом знаменитого байкальского омуля. Весь комплекс животных и водных растений Байкала, более чем наполовину эндемичный (состоящий из видов, более нигде не встречающихся), приспособлен к очень чистой воде. Эпишура как вид, обеспечивающий эту чистоту, оказывается ключевым во всей экосистеме. В то же время сам этот рачок очень чувствителен к составу воды, и сравнительно небольшое повышение содержания вредных примесей может существенно подавить или даже уничтожить этот вид, что приведет неизбежно к практически необратимому ухудшению качества байкальской воды, гибели омуля и многих других видов.

Сохранение экосистемы Байкала  не только экономически целесообразно, имея в виду высокую ценность воды такой чистоты, но и наша обязанность перед человечеством. Байкал - во всех отношениях уникальный природный комплекс, его геологические, гидрологические и биологические особенности представляют интерес и как объект научных исследований, и как безусловная эстетическая ценность.

Еще один пример водной экосистемы, поддерживающей высокую степень чистоты воды как условие своего существования, — экосистемы рек Северной Европы, центральное звено которых составляет пара взаимосвязанных видов - моллюск и рыба. Рыба эта - благородный лосось, или семга. Как подавляющее большинство лососей, семга растет и достигает половозрелости в море (правда, часть популяции самцов чисто пресноводная), а на икрометание входит в реки, поднимаясь до их верховьев, где и откладывает икру. Обязательное условие успешного развития икры и молоди семги – чистота воды и высокое содержание в ней кислорода. можно только при низком содержании в воде органических соединений и остатков организмов, способных при микробиологическом разложении активно поглощать кислород. Необходимое качество воды обеспечивается высокой численностью очень эффективно действующего фильтратора - двустворчатого моллюска пресно водной жемчужницы. Редкое снижение численности жемчужниц из-за их перелова или загрязнения воды сбросами, к которому они очень чувствительны, приводит к устойчивому ухудшению показателей чистоты воды. Это, в свою очередь, ведет к сильному снижению численности семги, икра и мальки которой не могут выжить в загрязненной воде. Зависимость семги от жемчужницы очевидна.

Но и жемчужница зависит  от семги, поскольку ее личинки глохидии — развиваются, паразитируя на жабрах и коже семги и некоторых других рыб. Из всех возможных временных хозяев глохидиев жемчужницы только семга обеспечивает их высокую выживаемость: сопряженная эволюция этих видов создала хорошую приспособленность их друг к другу. Кроме того, будучи проходной рыбой, семга «засевает» личинками жемчужницы практически всю реку, вплоть до ее верховьев. Зависимость жемчужницы от семги тоже очевидна. Таким образом, снижение численности любого члена пары жемчужница-лосось приводит к снижению численности второго члена пары, а это ведет к устойчивому ухудшению чистоты воды и смене всей экосистемы на другую, не имеющую в своем составе этих столь ценных для человека видов.

О былом обилии этих видов  на русском Севере можно судить по широкому распространению высококачественного «русского жемчуга» в быту наших предков, в отделке парадных одежд царей, бояр и церковных иерархов. Историкам известно, что, нанимаясь на работу, в Шотландии, как и на русском Севере, рабочие часто включали в соглашение с хозяином условие - не кормить их семгой чаще двух раз в неделю (как просто современным предпринимателям выполнить этот пункт договора!). Еще в прошлом веке малосольная семга, как и семужья икра, были обычным блюдом на праздничном столе даже в небогатых русских семьях. Однако интенсивный сбор речного жемчуга, при котором губились сотни моллюсков ради одной жемчужины, перлов семги, затем лесосплав, загрязняющий воду органикой, стоки все растущего числа промышленных предприятий одну за другой лишали северные реки и жемчужницы, и семги. Последняя река России, в которой оба вида еще достаточно многочисленны, Варзуга, несмотря на хорошую охрану семги, тоже начала терять оба вида из-за продолжающегося лесосплава. Если в ближайшие годы не удастся решить социальные проблемы местного населения и отказаться от лесозаготовок по берегам реки и лесосплава, то и в этой реке оба вида будут поставлены на грань исчезновения.