Загрязнители гидросферы. Их влияние на живые организмы и экосистемы.

Вода как важный компонент жизнедеятельности живых систем. Гидрологический цикл. Антропогенное воздействие на гидрологический цикл. Критерии качества воды. Классификация вод по степени загрязнённости. Эутрофикация водоёмов. Сточные воды и методы их очистки. Принципы создания замкнутых водооборотных циклов.

 

Жизнь на Земле зародилась в воде. Она стала первичной средой обитания для эволюции органического мира и входит в состав всех живых существ. По химическому составу морская вода где развивалась начальная земная жизнь очень близка солевому составу во многих организмах. Это чувствуют пирякамики, занимаясь своими занятиями в пресноводных водоёмах и на море. Вода гидросферы составляет 0,03% массы всего земного шара, 8% массы земной коры. Подавляющая часть всей воды на земном шаре содержится в океанах (98%). Океаны занимают 71% всей поверхности земного шара. Для целей человека может быть использовано 0,3% гидросферы, которая относится к прямым поверхностным и артезианским водам.

 

Гидрологический цикл

Вода как важный компонент ответственный за жизнедеятельность и функционирование биосферы претерпевает циклическое движение, которое называется гидрологическим циклом. Солнечная энергия и земное  притяжение являются движущими силами вовлекающими воду в кругооборот. Они непрерывно перемещают воду между океанами, атмосферой, сушей и живыми организмами. Важнейшими процессами этого круговорота являются испарение, конденсация, осадки и сток воды назад в море для возобновления цикла.

Под воздействием поступающей солнечной энергии вода испаряется с поверхности океанов, рек озёр, почв и листвы растений и поступает в атмосферу. Ветры и воздушные массы переносят водяной пар в различные районы  Земли. Понижение температуры в различных частях атмосферы приводит к конденсации водяного пара и образованию мельчайших капелек воды в виде облаков или тумана. Укрупнение капель делает их настолько тяжёлыми, что они выпадают на поверхность суши или водоёма в виде атмосферных осадков. В среднем молекула воды находится в воздухе около 10 дней, прежде чем попадает с осадками на Землю. Примерно половина всех осадков на планете выпадает в зоне тропических лесов.

Часть пресной воды, возвращающейся на поверхность воды в виде осадков, замерзает в ледниках. Однако в основном она заполняет низинки и ложбинки и стекает в ближайшие озёра, ручьи и реки которые несут её назад в океан, тем самым замыкая кольцо круговорота. Такой сток пресных вод с поверхности суши вызывает эрозию почв, которая приводит к перемещению различных химических веществ в рамках других биогеохимических циклов.

Значительная часть возвращающейся на сушу воды просачивается глубоко в грунт. Там происходит накопление грунтовых вод в водоносных горизонтах – подземных резервуарах, расположенных как внутри, так и между различными формациями горных пород. Подземные источники и водотоки в итоге возвращают воду на поверхность суши и в реки, озёра, ручьи, откуда они вновь испаряются или стекают в океан. Однако циркуляция подземных вод происходит несравнимо медленнее, чем циркуляция поверхностных и атмосферных вод.

Человек вмешивается в круговорот воды следующими способами

1.      Забор больших количеств пресной воды из рек, озёр и водоносных горизонтов. В густонаселённых или интенсивно орошаемых районах водозабор привёл к истощению запасов грунтовых вод или к вторжению океанической воды в подземные водоносные горизонты, к просадке грунта.

2.      Сведение растительного покрова суши в интересах развития сельского хозяйства, при добыче полезных ископаемых, строительстве дорог, автостоянок, жилья и других видах деятельности.  Это приводит к уменьшению просачивания поверхностных вод под землю, что сокращает пополнение запасов грунтовых вод, увеличивает риск наводнений и повышает интенсивность поверхностного стока, тем самым усиливая эрозию почв

3.      Загрязнения, присутствующие на поверхности Земли и в тропосфере увлекаются транспортными потоками водяных паров и грунтовых вод и попадают в водные экосистемы. Другим источником загрязнений являются сброс сточных вод промышленными предприятиями.

Т.о. вода загрязнённая чуждыми ей примесями содержит отходы двух типов:

-           обычные – органические остатки (детрит, растительные остатки)

-           промышленные  - результат смыва загрязнителей присутствующих в атмосфере и на поверхности земли водяными потоками или прямого сброса загрязнителей или загрязнённых сточных вод в водоёмы или закачки в грунт.

Загрязнённая вода непригодна для питья. Существует важный критерий, с помощью которого определяют качество воды и который отражает суммарное загрязнение воды органическими веществами. Этот критерий – количество растворённого в воде кислорода. Живущие в воде аэробные бактерии с помощью кислорода окисляют органические вещества, попавшие в воду, т.к. последние служат им пищей и удовлетворяют их энергетические запросы. В результат этого органические загрязнители исчезают, а содержащиеся в них элементы C, H, O, N, S, P, превращаются в окисленные формы CO₂, H₂O, NO₃^-, SO₄^2-, PO₄^3- – неопасные для живых организмов вещества.

При большом содержании органики эти окислительные реакции настолько снижают количество растворённого кислорода в воде, что аэробные бактерии уже не могут существовать в такой обеднённой среде – и на смену им приходят анаэробные. Последние разлагают органические вещества до СН₄, NH₃, H₂S, PH₃ – эти продукты как правило токсичны для гидробионтов и к тому же обладают неприятным запахом. Количество растворённого кислорода, необходимого для превращения всех биоразлагаемых  органических отходов в воде называется биохимической потребностью в кислороде (БПК). Этот показатель характеризует перегруженность воды органическими загрязнителями.

Пятидневная проба БПК (БПК₅) – стандартная проба в гидрологических лабораториях на качество воды. При проведении этой пробы грязную воду разбавляют насыщенной воздухом дистиллированной водой, что бы обеспечить избыток кислорода. Далее измеряют концентрацию растворённого кислорода  в полученном растворе, а затем выдерживают раствор в течении 5 дней при 20⁰С, после чего снова измеряют концентрацию растворённого кислорода. БПК₅ и есть та масса кислорода, которая израсходовалась на биодеградацию органических веществ. БПК₅ питьевой воды не более 0,0015 г кислорода на 1 л. воды, в канализационных водах же . БПК₅ обычно составляет от 0,1 до 0,5 г/л.

Приведённый критерий можно использовать для оценки качества воды при наличии в ней биоразлагаемых органических соединений. Если в воде присутствуют ксенобиотики, то такая оценка некорректна. Это относится к таким органическим загрязнителям как различные пестициды, фенолы, хлорфенолы, ПХБ, ПХДД, ПХДФ и ДДТ. В этом случае необходимы современные инструментальные методы анализа – например, хромато-масс-спектрометрия.

Быстрое заключение о количестве окисляющихся веществ можно сделать определяя химическое потребление кислорода (ХПК) для пробы сточных вод. С этой целью используют окисляющийся агент дихромат калия в кислой среде.

Cr₂O₇^2- + 14H⁺ + 6e = 2Cr³⁺ ₊ 7H₂O

Этот метод является более жёстким, чем БПК по отношению к органическим веществам и показатель ХПК обычно в 2 раза выше, чем БПК.

Следующий важный параметр  при оценке загрязнённости вод является общи органический углерод (ООУ).

При токсикологической оценке особое внимание следует уделять галогенорганическим соединениям. При характеристике этих соединений используют величину АОГ (адсорбируемые органическисвязанные галогены). Для определения АОГ вещество сжигают в токе кислорода и образовавшиеся галогены поглощают активированным углём. Окончательно галогены определяют титрованием. Содержание галогенов не должно превышать предельной концентрации 100 мкг/л.

Наряду с содержанием в воде органических веществ интерес представляют соединения ионного характера. Их определяют по электропроводности воды при 20⁰С (кондуктометрически). Однако это суммарный показатель, не отражающий природу содержащихся ионов. Для идентификации ионов необходимо использовать химическое определение. Несмотря на эти ограничения, электропроводность служит важным критерием при использовании воды для технических целей (котлов, оросительных установок и т.д.), а также для случаев когда вода сбрасывается в места обитания живых организмов, т.к. концентрация ионов имеет решающее значение для осмотических процессов.

Наряду с определением общих характеристик загрязнений в отдельных случаях необходимо качественное и количественное определение вредных компонентов для более полной характеристики воды и выяснения возможности её использования, например, в качестве питьевой.

При оценке поверхностных вод, являющихся средой обитания многих животных и растений, используется их классификация по качеству. В этом плане все воды разбивают  на 4 класса.

Краткая характеристика сточных вод.

 

Критерий	Классификация проб по степени загрязнённости (сапробности)
	Низкая загрязнённость (олигосапробы)	Средняя загрязнённость		Высокая  загрязнённость (полисапробы)
		b-мезосапробы	a-мезосапробы
Содержание кислорода	8 мг/л	6 мг/л	2 мг/л	> 2 мг/л
БПК5	1 мг/л	2-6 мг/л	7-13 мг/л	15 мг/л
Количество планктона	малое	большое	среднее	малое
Количество рыбы	малое	большое	среднее	отсутствует
Видовой состав	Аэробные бактерии Водоросли Коловратки Планарии Икра, лосось	Нитевидные бактерии Водоросли Креветки Улитки Многообразие видов рыб	Анаэробные бактерии Сине-зелёные водоросли Простейшие Пиявки Мало видов рыб	Сине-зелёные водоросли Простейшие Ресничные инфузории Грибы Отсутствие рыбы

 

Сапробность – физиолого-биохимические свойства организма (сапробионта), обусловливающие его способность обитать в воде с тем или иным содержанием органических веществ.

Сравнение данных по отдельным представителям фауны и флоры выделить тесную связь между их выживанием и степенью загрязнённости воды.

По настоящее время качество воды оценивают по состоянию её обитателей. Но поскольку это не может дать исчерпывающей картины загрязнённости воды, всегда в заключение приходится прибегать к химическому анализу. Это особенно важно когда вода содержит высокотоксичные катионы тяжёлых металлов: Cd²⁺, Pb²⁺, Hg²⁺ и др.

Особую форму органических загрязнений представляют собой фекалии, т.к. они содержат патогенные микробы, присущие организмам человека и животных. Поэтому пробы воды при определении её химического состояния должны проверяться на содержание различных видов кишечных палочек. В отличие от других видов бактерий они могут жить в определённой питательной среде (желчь – лактоза), что и позволяет селективно и достаточно просто определить их в этой питательной среде.

Общее представление об уровне бактериального загрязнения можно получить, выращивая в универсальной питательной среде бактерии в пробе воды в течении двух суток при 37⁰С.

 

Эутрофикация водоёмов

По продуктивности водоёмы делятся на две группы. Эутрофные озёра (от греч. эутрофия – хорошее питание) мелководные, бедные кислородом и богатые питательными элементами (прежде всего C, N, P, S). Олиготрофные (олигос – немного) – глубокие, с прозрачной чистой водой, содержат много кислорода и менее богаты питательными элементами. Иногда выделяют промежуточную – мезотрофную группу.

Под воздействием естественных условий олиготрофные водоёмы медленно заполняются осадочными материалами и мертвым органическим (детритом) и т.о. эутрофицируются. Происходит сукцессия (замещение) – замена последовательно одних экосистем другими. Верховое или низинное болото, образующееся на месте озера, постепенно зарастает лесом.

Такой процесс происходит потому, что накопление элементов питания в первоначально бедном ими озере приводит к мощному развитию жизни сначала плавающих водорослей, водных и приводных трав, планктона, а затем рыб и других гидробионтов. Разложение обильного растительного материала приводит к уменьшению растворения в воде кислорода, всё большее значение приобретают анаэробные процессы биодеградации органических веществ, озеро начинает источать зловонный запах, мелеет и в конце концов полностью зарастает растительностью. Обычно процесс эутрофикации идёт в природе миллионы лет (для глубоких олиготрофных озёр). Хозяйственная деятельность человека резко ускоряет эутрофикацию тех водоёмов, куда попадают сточные воды, удобрения и фосфатные детергенты, СМС, несущие много органических веществ, содержащих элементы питания, и прежде всего азот и фосфор. Чрезмерная концентрация азота и фосфора благодаря этому становится лимитирующим фактором. Загрязнение озёр этими элементами питания с помощью человека ведёт сначала к «цветению» воды (взрыв популяций планктона и водорослей), сами водоросли и фитопланктон являются мощными генераторами кислорода. Одновременно этот процесс сопровождается отмиранием этих популяций и образованию огромного количества детрита. Этот детрит, осаждаясь на дно накапливается и является пищей для редуцентов, которые потребляют в процессе дыхания кислород, сокращая его содержание в воде. Когда растворённого кислорода не остаётся бактерии-редуценты включают второе дыхание, т.е. начинают функционировать как анаэробные микроорганизмы. Т.о., содержание кислорода бывает крайне высоким у поверхности за счёт фотосинтеза фитопланктона, тогда как на глубине его запасы истощаются редуцентами. Благодаря обоим процессам происходит обмен биогенными элементами между фитопланктоном и донными отложениями.

Эутрофикация -