Эвтрофирование водоемов

Многие водоемы, особенно вблизи городов и населенных пунктов, подвержены антропогенному воздействию. Это связано с тем, что они по своему положению в рельефе суши являются аккумуляторами многих веществ, циркулирующих в пределах водосбора. Уровень воды в таких водоемах поддерживается за счет рек, ручьев, подземных родников и атмосферных осадков. Вместе с водой в водоемы поступают различные органические и минеральные вещества, в том числе токсиканты, тяжелые металлы и пр. Они аккумулируются водными организмами и циркулируют по трофической цепи, воздействуя на все компоненты экологической системы. Естественно, многие из этих соединений представляют опасность не только для обитателей водоемов, но и людей, которые используют эту воду.

Часть токсикантов сорбируется на взвеси и оседает на дно, накапливаясь там. По мере накопления ила загрязнители постепенно оказываются в более глубоких слоях. Однако при изменении физико-химических условий среды многие загрязнители, в том числе высокотоксичные, из донных отложений поступают обратно в толщу воды и заново начинают циркулировать по трофической цепи. Они во многих случаях представляют собой «бомбу замедленного действия».

В водоемы поступает большое количество биогенных веществ (в первую очередь соединений азота и фосфора), столь необходимых для развития водной растительности. Одна из причин – это поступающие в водоем различные стоки, атмосферные осадки, хозяйственная деятельность людей. К примеру, поступление фосфора и азота в коммунальные стоки (а оттуда в реки и озера) составляет на одного человека, соответственно, 4 и 8 г в сутки. Кроме того, биогенные вещества поступают в водоем за счет экскрементов водоплавающих птиц, опавшей листвы, пылевых частиц, и даже при купании отдыхающих. К примеру, каждый купающийся вносит в водоем в среднем около 75 мг фосфора и 700 мг азота, а количество азота, поступающего в водоем с пылью, может достигать 10 кг/га в год. Таким образом, водоем представляет собой чашу, в которой накапливаются всевозможные отходы. Не удивительно, что такие водоемы быстро зарастают и деградируют.

Повышенное содержание биогенных веществ приводит к интенсивному развитию водорослей и «цветению» водоемов. Этот процесс называется эвтрофированием. При эвтрофировании водоемов происходит резкое увеличение биомассы фитопланктона, в основном за счет развития синезеленых водорослей (их еще называют цианобактериями). Причем продолжительность такого «цветения» может достигать двух, а иногда и трех месяцев. Механизм «взрывного» характера развития синезеленых связан с колоссальным потенциалом их размножения. Дополнительная причина, которая способствует развитию синезеленых, это небольшое перемешивание таких водоемов. В значительной мере по этой причине «цветут» многие равнинные южные водохранилища.

При «цветении» водоемов и особенно при отмирании водорослей происходят значительные структурные изменения в водных сообществах. Цианобактерии становятся доминирующей группой, вытесняя другие виды водорослей. Из сообщества выпадают доминировавшие ранее диатомовые, динофитовые, золотистые водоросли. В то же время, увеличивается численность эвгленовых водорослей, способных потреблять органические вещества.

Массовое развитие синезеленых приводит к увеличению содержания в водоеме органического вещества в растворенной и взвешенной формах. Их разрушение осуществляется бактериями с интенсивным потреблением кислорода. Органического вещества становится настолько много, что в водоеме наблюдается дефицит кислорода. Если в летнее время в верхнем слое водоема дефицит кислорода сравнительно легко восстанавливается за счет газообмена с атмосферой и фотосинтеза водорослей, то зимой, в период ледостава, в придонном слое возможно полное потребление кислорода. В зимнее время заморы часто происходят во всей толще воды, что приводит к массовой гибели рыб. Недостаток кислорода приводит к образованию в придонной зоне сероводорода и метана.

Развитие синезеленых отрицательно сказывается на зоопланктонном сообществе. Это связано с тем, что зоопланктон является фильтратором, и в основном выедает мелкие водоросли. Тогда как при «цветении» водоемов развиваются в основном колониальные формы, которые практически не потребляются зоопланктоном. Они включаются в трофическую цепь только после их разрушения бактериями. В составе зоопланктона происходит уменьшение их видового разнообразия в сторону упрощения сообщества. Наблюдается преобладание мелких видов, которые не могут столь интенсивно утилизировать органическое вещество.

Характерный признак эвтрофирования – интенсивное зарастание водоемов прибрежно-водной растительностью (тростник, рогоз, рдесты, элодея). Усиливается развитие нитчатых водорослей, способных потреблять органические вещества. Отмирание растений осенью и зимой приводит к заболачиванию прибрежной части водоема. Чтобы этого не происходило необходимо периодически скашивать прибрежную растительность убирать ее.

Нарушение кислородного режима в придонных слоях приводит к изменению в составе зообентоса. Из сообщества выпадают личинки поденок, снижается численность личинок ручейников и других насекомых, многих моллюсков. В то же время в больших количествах развиваются менее чувствительные к дефициту кислорода личинки кровососущих комаров (они в основном дышат атмосферным воздухом). Возрастает плотность популяций личинок комаров-звонцов (мотыль) и малощетинковых червей (олигохет). В результате, бентос становится беднее и однообразнее. На поздних этапах эвтрофирования в глубинной области водоемов остаются немногие организмы, приспособленные к недостатку кислорода. Только брюхоногие моллюски и личинки стрекоз, обитающие на стеблях прибрежных растений, не испытывают недостатка в кислороде.

Эвтрофирование водоемов сказывается и на рыбном населении. Происходит массовая гибель икры и молоди рыб в береговой зоне, в результате в водоеме остаются виды, приспособленные к минимальному содержанию в воде кислорода (в основном карась, линь).

Развитие синезеленых приводит к прижизненному выделению в среду метаболитов, в результате вода становится непригодной для питья (неприятный вкус, запах) и рекреационного использования (купания и рыбной ловли). Вода, насыщенная продуктами метаболизма водорослей, становится аллергенной и токсичной. Метаболиты синезеленых вызывают различные заболевания у рыб и теплокровных животных.

Особое значение приобретают токсины водорослей, которые образуются при отмирании синезеленых. Они имеют широкий спектр биологического действия, воздействуют на центральную нервную систему животных, в том числе и человека. Их относят к протоплазматическим ядам высокой биологической активности. Токсическое вещество водорослей не обезвреживается системами обычной водоочистки, поэтому воду из мест скопления водорослей нельзя использовать в питьевых целях.

Проблема антропогенного эвтрофирования водоемов возникла в 20-х годах ХХ века и за короткий срок приобрела значение одной из актуальных в современной лимнологии. Эвтрофирование водоемов стало распространяться с угрожающей скоростью на всех континентах и стало повсеместным явлением. В настоящее время оно охватывает около 90% всех озер мира, включая крупнейшие из них. Однако серьезное внимание этим процессам начали уделять лишь в середине ХХ века, когда во многих озерах Европы и Северной Америки негативные последствия эвтрофирования привели к угрожающим последствиям их экологического состояния. Эвтрофирование большинства водоемов происходит в основном за счет поступления в них стоков, богатых биогенными соединениями.

Водоемы обладают уникальным свойством – способностью к самоочищению за счет жизнедеятельности обитающих в них организмов. Под самоочищением понимается комплекс воздействия на экосистему водоема физических, химических и в первую очередь биологических факторов, в результате которых качество воды возвращается к первоначальному (или близкому к нему) состоянию. Разумеется, это происходит при небольшой степени загрязнения водоемов. Ксенобиотики и другие загрязнители, как правило, препятствуют процессу самоочищения.

В процессах самоочищения принимает участие весь комплекс биоценоза, включающий водных растений, животных, бактерий, грибов, рыб. Одни из них обладают механической очистительной способностью, другие могут аккумулировать в своих органах химические соединения, третьи – минерализуют сложные загрязняющие вещества, обладающие мутагенными и канцерогенными свойствами. Несомненно, наибольшую роль в этих процессах играют бактерии, грибы, простейшие в комплексе с водной растительностью.

Необходимо отметить, что очистительной способностью обладает стабильный комплекс организмов, составляющих биоценоз экосистемы. Чем богаче видовое разнообразие, тем быстрее осуществляются эти процессы.

В стабильной экосистеме синтезированное фитопланктоном органическое вещество утилизируется зоопланктоном. При этом в сообществе развиваются те виды водорослей, к которым приспособлено зоопланктонное население. Неиспользованное органическое вещество, экскременты разлагается в толще воды или оседает на дно, где потребляются донными бактериями и животными. Всех их, в конечном счете, потребляют рыбы. Таким образом, круг замыкается. Достаточное количество кислорода в водоеме способствует более полному окислению органического вещества. Большое разнообразие видов (как животных, так и растений) позволяет такой экосистеме существовать стабильно и достаточно долго.

Для начала необходимо знать, какие группы животных и растений обитают в водоемах.

Любой водоем достаточно быстро зарастает прибрежной растительностью. Их семена разносятся ветром и водоплавающими птицами. Растительность водоемов подразделяется на прибрежную (тростник, рогоз, камыш) и водную (рдесты, роголистник, элодея). Сюда же входят растения с плавающими на поверхности воды листьями (кубышки, кувшинки, ряски, телорез). Прибрежная растительность укрепляет берег и препятствуют его размыванию. В местах, где растет тростник, его корни и корневища армируют грунт до глубины 50 см и прочно ее скрепляют. Тростник укрепляет не только подводную, но и сухую часть водоема.  Водная растительность выполняет еще одну важную функцию, защищает водоем от грязных стоков. Она является своеобразным фильтром; механически задерживает минеральные и органические взвеси, и минерализует их. Большое значение имеет наличие у некоторых растений водных корней. У тростника, к примеру, они образуются под водой в узловых побегах; их общая поверхность может в 10-15 раз превышать площадь, занимаемую растениями. Роль водных корней в очистке воды от взвешенных частиц чрезвычайно велика. Так, в лабораторных экспериментах заросли тростника и рогоза задерживали водными корнями до 98% соединений азота и фосфора, содержащихся в животноводческих стоках. А разложение нефтепродуктов в присутствии растений протекает в 3-5 раз быстрее, чем без них. В очистке стоков растениям «помогают» различные обрастатели, обитающие на их поверхности.

Для эксплуатации таких природных биофильтров необходима периодическая уборка растений. В противном случае они сами после отмирания станут причиной дальнейшего загрязнения водоемов. Существование прибрежно-водной растительности является благом для водоема и его обитателей, но только в том случае, если их количество не превышает 20-30% площади водоема. В противном случае их влияние на водоем будет негативным.

В открытой части водоема обитают микроскопические водоросли. Их бывает настолько много, что порой окрашивают воду в различные цвета (в зависимости от вида водорослей). Они служат кормом для зоопланктона (дафний, простейших, коловраток). Кроме этого микроскопические водоросли являются основными поставщиками кислорода в толще воды, т.к. в спокойной воде роль диффузии атмосферного кислорода имеет весьма малое значение. Как хорошо известно, при фотосинтезе растений в среду выделяется кислород. Количество кислорода в воде бывает настолько велико, что малейшее «шевеление» воды (к примеру, если осторожно опустить руку и сделать кистью резкое движение) приводит к массовому выходу кислорода в атмосферу, т.е. эффекту «газировки». Ракообразные – это большая группа беспозвоночных, обитающих в толще воды. В пресных водоемах наиболее массово представлены ветвистоусые (Cladocera) и веслоногие (Copepoda). Размер их не превышает 1-3 мм. Большинство из них являются фильтраторами, потребляют микроскопические водоросли, бактерии и различную взвесь. Их роль настолько велика, что всего за одни сутки могут профильтровать всю толщу озера. Зоопланктон служит кормовой базой для многих видов рыб, которые выедают их в больших количествах. Только высокая плодовитость рачков позволяет им поддерживать численность на достаточном уровне.

Воздействие ракообразных на фитопланктонное сообщество настолько велико, что если, к примеру, снизить численность в водоеме рыб-планктофагов (за счет вселения хищных рыб), численность рачков возрастет настолько, что за счет выедания ими водорослей прозрачность водоема может увеличиться в 2-3 раза.

 Количество бактерий в прудах в зависимости от степени эксплуатации достигает 10-50 млн. кл/мл. В относительно чистых водоемах – до 3-7 млн. кл/мл, а в Байкале – не более 1 млн. кл/мл. Основная функция бактерий – это разрушение органического вещества, в результате чего количество кислорода в толще водоема может снизиться до крайне низких значений. В зимнее время заморы в загрязненных водоемах являются обычным явлением, и связаны с деятельностью бактерий. В илах количество бактерий достигает несколько миллиардов клеток в одном грамме ила. Кроме того, в илах в больших количествах развиваются простейшие. Донные организмы, питающиеся илами, усваивают именно бактерий и простейших, а не сами илы.

Любой водоем (даже не связанный с рекой) быстро заселяется донными животными: личинками насекомых, олигохетами (червями), моллюсками, ракообразными и др. Одни из них прилетают сами (насекомые), другие заносятся в водоем при паводках, ветром или на оперении и в кишечнике водоплавающих птиц.

Наибольшего развития в небольших водоемах достигают моллюски, хирономиды (мотыль) и олигохеты (малощетинковые черви). Олигохеты встречаются в любых водоемах, но большой численности достигают в илистых грунтах прудов и сточных загрязненных водах. Численность их достигает несколько десятков тысяч экземпляров на 1 м². Все они питаются илами и участвуют в очистке водоемов.

В зообентосе видное место по биомассе занимают брюхоногие моллюски (улитки). Они в основном обитают в зарослях растений, где наблюдается их большое видовое разнообразие. Численность отдельных видов достигает несколько сот экземпляров на одном килограмме водных растений.

Насекомые составляют самую большую часть пресноводного макробентоса и часто доминируют в донных сообществах, как по численности, так и биомассе. Личинки поденок обитают в илах и на водных растениях. На дне много личинок ручейников. Одна из преобладающих групп бентоса – это личинки комаров–звонцов. В научной литературе их называют хирономидами (в обиходе – мотылем). Они, потребляя илы, играют важную роль в очищении прудов (за сутки съедают в несколько раз больше, чем масса их тела). Сбор мотыля является неплохим бизнесом. В водоемах, богатых илами, с 1 м²можно «намыть» до 1 кг мотыля. Имеются сведения, что с одного гектара поверхности прудов вылетает от 15 до 30 млн. этих насекомых. Вся эта огромная масса организмов в основном питается илами, тем самым участвует в очищении водоемов от загрязнения.

Приведенное выше показывает, что водоем представляет собой динамичную и сложную систему, в которой энергия, запасенная растениями в процессе фотосинтеза, рассеивается всем сообществом организмов. Понимание протекающих в водоеме процессов позволяет эксплуатировать их достаточно долго и без видимого нарушения.

А.П.Садчиков, доктор биологических наук,
профессор Московского государственного университета
имени М.В.Ломоносова, вице-президент МОИП
(aquaecotox@yandex.ru https://www.moip.msu.ru )