Биогенные вещества как фактор развития фитопланктона на примере новосибирского водохранилища

4.3 Вещества и их соотношение, способствующие эвтрофикации

Эти вещества очень разнообразны по своему происхождению, составу, физиологическому и экологическому значению. Из них основные — фосфор и азот, значительно реже углерод, кремний и некоторые другие. Из двух первых биогенов большее значение имеет фосфор; реже лимитирует развитие автотрофов азот, что в значительной мере связано со способностью многих бактерий и цианобактерий к его фиксации. Исследования В. Эдмондсона на оз. Вашингтон показали, что порознь азот и фосфор слабее стимулировали развитие фитопланктона, чем совместно. Испытание действия различных сочетаний биогенов (N + P, N + P + S) вскрыло регулирующую роль фосфора в формировании продукционного процесса. Повышение его содержания усиливает потребление кремния диатомовыми и способствует более полному использованию фитопланктоном имеющегося в воде азота. По-видимому, фосфор стимулирует фиксацию азота. В опытах Д. Шиндлера показана ключевая роль фосфора в эвтрофикации некоторых канадских озер с мягкой водой. Озера быстро возвращались в исходное состояние, когда внесение в них фосфора прекращалось, даже если продолжалось обогащение азотом и углеродом. Внесение фосфора в гиполимнион повышения первичной продукции не вызывало, так как он быстро поглощается сестоном (главным образом бактериями) и уходит в донные отложения. Обратный выход из них в воду происходит только после длительного накопления в осадках и обогащения им значительной толщи отложений. В последнем случае прекращение поступления фосфора в озера не сопровождается их быстрой де-эвтрофикацией. Для выяснения допустимой «нагрузки» озер фосфором Р. Фолленвайдер сопоставил его поступления с уровнем трофии водоемов и получил достаточно четкие корреляции. Оказалось, что необходимо учитывать глубину озер, с увеличением которой допустимая нагрузка фосфора возрастает. Так, годовое поступление фосфора в концентрации 0,2—0,5 г/м2 вызывает эвтрофное состояние озер с глубиной 5—15 м, в то время как более глубокие водоемы остаются мезотрофными или даже олиготрофными. Схема Р. Фолленвайдера позволяет в лервом приближении установить предельно допустимые «нагрузки» фосфора на водоемы с разными морфометрическими характеристиками. Например, с возрастанием глубины озер до 5, 10, 50 и 100 м допустимая нагрузка фосфора может достигать соответственно 70, 100, 250 и 400 мг/м2 в год. Превышение се в два раза грозит развитием эвтрофикации. Для азота эта норма составляет соответственно 1, 1,5, 4 и 6 г/м2 в год. Хотя схема Р. Фолленвайдера не учитывает ряд очень существенных факторов (скорости водообмена и оборота биогенов, зонально-географическое положение водоемов и др.), практическая польза се несомненна. В частности, К. Паталасом показано, что степень эвтрофикации Великих американских озер (Эри, Онтарио, Гурон, Мичиган и Верхнее) тесно коррелирует с количеством поступающего в них фосфора (соответственно 980, 860, 290, 150 и 30 мг/м2 в год). В определенных условиях стимулирующее действие на развитие автотрофов оказывают железо, медь, кобальт, бор, марганец, молибден и др. Однако роль этих стимуляторов в антропогенной эвтрофикации невелика. Сравнительно мала и роль таких витаминов, как Bi2, тиамин, биотин. Вместе с тем заметно усиливать развитие водорослей могут различные очищенные коммунальные сторойки, в которых образуются какие-то биостимуляторы. Избыточное накопление биогенов — основная причина эвтрофикации — в первую очередь обусловлено поступлением их с водосборной площади, с коммунальными стоками, атмосферной пылью, а также рекреационным использованием водоемов. Это накопление резко возрастает вследствие интенсификации сельского хозяйства,, в частности все более широкого применения минеральных удобрений. Значительную роль при этом играет усиление смыва поверхностных слоев почвы. Найдено, что до 10—25% вносимого в почву азота и 1—5% фосфора попадает в водоемы. По мере роста населения и развития централизованной канализации непрерывно увеличивается поступление биогенов с коммунальными стоками. Этому способствует, в частности, употребление во все больших количествах моющих средств, содержащих фосфор. Поступление фосфора и азота в коммунальные стоки составляет на одного человека соответственно 4—5 и 8—10 г в сутки. Учитывая предельно допустимые нормы сброса, можно подсчитать, что минимальная площадь водоема, обеспечивающая отсутствие эвтрофикации, должна составлять около 5 тыс. м2 на человека, если даже не учитывать другие источники поступления биогенов [17].

 Показательно, что  каждый купающийся вносит в  водоем в среднем 75 мг фосфора  и 695 мг азота и для предупреждения  эвтрофикации водоемов рекреационная нагрузка должна быть не более 50—100 человек на 1 га в сутки. Количество азота, попадающего в водоемы с пылью, может достигать около 10 кг/га в год. В водоемы 94% фосфора поступает с сельскохозяйственных угодий, 5% — с коммунальными стоками и около 1%—с городских территорий; для азота соотношение несколько иное (соответственно 68, 31 и 1%). В ФРГ с коммунальными водами в водоемы поступает 91% всего фосфора и только 9% —с сельскохозяйственных угодий. При образовании новых водоемов, в частности водохранилищ, их обогащение биогенами может идти дополнительно за счет вымывания из вновь залитых почв. Особенно интенсивно этот процесс идет в первые 3—4 года после затопления ложа водохранилища, обусловливая в это время наиболее бурное цветение воды.

4.4 Предупреждение антропогенной эвтрофикации

Основная мера предупреждения эвтрофикации водоемов сводится к их охране от избыточного поступления биогенов, в частности фосфора и азота. Эта мера осуществляется многими путями. В первую очередь к ним относится повышение культуры земледелия, сопровождающееся уменьшением стока биогенов с сельскохозяйственных угодий. Очень важно не применять повышенные дозы удобрений, не дающие заметного экономического эффекта. Другой путь — перехват биогенов, выносимых с сельскохозяйственных угодий. Для малых водоемов можно сооружать кольцевую дренажную систему с последующим отводом собранных сточных вод за пределы водосбора. Применительно к крупным водоемам важен перехват биогенов, поступающих по гидрографической сети — основному пути поверхностного стока. В небольших водохранилищах, сооружаемых на малых водотоках, в том числе пересыхающих летом (балки, овраги и др.), от излишка биогенов можно освобождаться путем рыбоводных мероприятий, одновременно получая ценную продукцию. Особенно перспективно использование растительноядных рыб, непосредственно утилизирующих первичную продукцию и повышающих эффективность эксплуатации рыбных хозяйств — деэвтрофикаторов. Для перехвата биогенов, поступающих в небольшие водоемы с малой водосборной площадью, важно правильное обустройство прибрежной полосы, в частности ее облесение. Показано, что в условиях Московской области лесная полоса шириной 30 м почти полностью задерживает поступление биогенов в водоем с пахотного поля длиной 190 м и уклоном 3°. Лесная полоса не должна вплотную подступать к берегу во избежание загрязнения водоема листовым опадом; оставление полосы луга шириной 15 м устраняет эту возможность, особенно при посадке по краю лесной полосы елей. Поступление биогенов в водоемы с коммунальными и другими стоками предупреждается двумя способами. Первый из них — более или менее полное освобождение стоков от биогенов, особенно фосфора. Для этого используют осаждение его (солями алюминия, железа, известью), обратный осмос, ионный обмен и ряд других методов. Другой путь обезвреживания стоков — снижение в них концентрации фосфора за счет использования детергентов с меньшим содержанием этого биогена. Наиболее радикальная форма борьбы с биогенами стоков — отведение последних за пределы водосбора. Как уже говорилось, избыточное поступление биогенов — лишь предпосылка эвтрофикации, реализующаяся в определенных гидрологических условиях. Поэтому их регулирование (усиление переме-шиваемости вод, аэрации, предупреждение термофикации водоемов) также можно широко использовать для предупреждения эвтрофикации, особенно в небольших водоемах. При избыточном поступлении биогенов и других условиях для развития эвтрофикации она может быть исключена различными химическими, физическими и биологическим методами. Один из них — внесение в водоем различных препаратов, подавляющих первичное продуцирование. Этот способ очень уязвим, так как препараты, ингибирующие фотосинтез, в той или иной мере токсичны для беспозвоночных и рыб. Физические воздействия сводятся к разбавлению эвтрофицируемых вод чистыми, снижению их прозрачности (взмучивание ила и др.), удалению ила и богатых биогенами вод гиполимниона, а также к аэрации воды. Аэрация дает хорошие результаты при предупреждении эвтрофикации небольших водоемов. В большинстве случаев аэрационные установки работают по принципу подачи воздуха в водоем (прокладка воздухоподающих перфорированных труб в придонном слое) или распыления воды в атмосфере (фонтанирование). С улучшением кислородного режима усиливается минерализация органики, сокращается или прекращается ее накопление в водоеме. Наиболее перспективно предупреждение эвтрофикации биологическими методами. Еще в 1932 г. Е. Е. Успенский предложил предотвращать развитие водорослей с помощью макрофитов, перехватывающих в прибрежной полосе биогены, поступающие с водосбора. Такой метод особенно ценен, если сопровождается последующим изъятием фитомассы макрофитов. В противном случае после их отмирания биогены снова окажутся в воде, не говоря уже об отрицательном эффекте самого процесса гниения макрофитов в прибрежье. Культивирование растений с их последующей уборкой — не только эффективная мера борьбы с эвтрофикацией, но и дополнительный способ укрепления кормовой базы животноводства. В биологическом и экономическом отношениях перспективно использование для борьбы с эвтрофикацией водоемов растительноядных рыб. Наряду с предупреждением эвтрофикации в настоящее время во многих странах прилагаются усилия к деэвтрофикации водоемов. С этой целью частично или полностью заменяют воду, удаляют донные осадки, аэрируют гиполимнион и верхние слои грунта, дестратифицируют водную массу, связывают и осаждают биогены [18].

5 Трофический статус Новосибирского водохранилища по содержанию биогенных веществ

Высшие водные растения являются неотъемлемым средообразующим компонентом водных экосистем, поскольку относятся к автотрофным организмам, создающим первичную пищевую продукцию в результате своей фотосинтетической деятельностью. Именно поэтому водные растения играют ведущую (энергетическую) роль в функционировании гидроэкосистем и во многом обусловливают структуру биотического сообщества водоема. Наибольшее распространение водные растения получают в водоемах с замедленным водообменном - озерах и водохранилищах, где, по сравнению с реками, их видовое разнообразие и продукционные показатели выше.

Способность высших водных растений накапливать вещества в концентрациях, превышающих фоновые значения, зафиксированные в окружающей среде, обусловила их использование в системе мониторинга и контроля состояния окружающей среды. Гидрофиты чутко реагируют на изменения среды обитания, в первую очередь гидрофизических и гидрохимических показателей - температуры, прозрачности, кислотности, солевого и другого химического состава воды, химического состава и типа донных отложений, обеспеченности водоема биогенными веществами и др.

Для гидроэкосистем, испытывающих антропогенное эвтрофирование, особое значение имеет способность высших водных растений поглощать биогенные вещества. Натурные и экспериментальные исследования показали, что гидрофиты аккумулируют в среднем 50 г азота, 3 г фосфора, 45 г калия из расчета на 1 кг сухого вещества. Биогенные элементы определяют рост растений и более других накапливаются в листьях и генеративных органах. К концу вегетации содержание биогенов и других элементов минерального питания в зеленых органах высших водных растений снижается, значительная часть элементов остается в отмерших остатках растений.

Трофический статус водоемов нередко оценивается по состоянию фитопланктона. Действительно, между биогенной нагрузкой и количественным развитием фитопланктона (его продукцией, биомассой, содержанием хлорофилла в воде) для большинства исследованных озер и водохранилищ найдена прямая связь. Однако связь эта нарушается в водоемах, сильно зарастающих погруженными макрофитами, в так называемых “макрофитных” экосистемах, где основными продуцентами являются высшие растения. В таких водоемах при возрастании биогенной нагрузки может не наблюдаться усиления развития фитопланктона и снижения прозрачности воды. Причина такого развития событий - связывание биогенов в тканях макрофитов, в которых кроме того может откладываться избыточный их запас, не используемый для дальнейшего продуцирования органического вещества ни самими макрофитами, ни фитопланктоном.

Основную роль в процессах образования (синтеза) органического вещества в водоеме играют водоросли и высшие водные растения. Интенсивность образования ими органических веществ зависит в ходе фотосинтеза от концентрации в воде биогенных элементов.

К медленному изменению трофического статуса водоемов и изменению биоценоза приводит эвтрофирование. Но деятельность человека привела к усиленному поступлению в водоемы биогенных веществ (за счет стоков с сельскохозяйственных полей, ферм, ливневых стоков с городских территорий, канализационных стоков и так далее), что приводит к значительному увеличению темпов образования органического вещества в водоеме. Во многих водоемах в течение нескольких последних десятилетий наблюдается увеличение трофности, сопровождающееся резким увеличением обилия фитопланктона, зарастания водной растительностью прибрежных мелководий и изменением качества воды. Такой процесс называется антропогенным эвтрофированием.

Мы рассматривали изменение биогенных элементов на примере Новосибирского водохранилища. Проанализировали содержание биогенов за июль, август и октябрь 2013 года на различных станциях вблизи водохранилища на примере азот аммония, азот нитритов, нитратов и фосфатов.

Выводы

В ходе проделанной работы, мы выяснили, что

1. Концентрация нитрат — ионов колеблется не сильно. Минимальное их содержание наблюдается в вегетационный период,  т е в летний. А осенью содержание нитратов начинает увеличиваться и достигает максимума зимой, когда происходит разложение органического вещества. Весной происходит уменьшение концентрации нитратов вследствие усиления жизнедеятельности растений
2. Концентрация нитрит – ионов выражается сотыми долями миллиграмма на литр. Больше всего нитритов появляется в конце лета и осенью.
3. Концентрация аммония в водоеме, так же как и нитритов, обычно колеблется в пределах сотых, десятых миллиграмма на литр. В загрязненных водах концентрация нитритов и аммония резко возрастает.
4. Концентрация соединений фосфора не превышала 0,1-0,5 миллиграмм на литр, часто составляла лишь сотые и тысячные доли. Увеличение концентрации фосфат – ионов наблюдалось в осенний период и это связано с приносом их с удобряемых полей.

Библиографический список

1. Ершов Ю.А. Химия биогенных элементов  М . : Высшая школа, 1993. 560 с.
2. Хьюз М.А.  Неорганическая химия биологических процессов  М.: Мир, 1983. 416 с.
3. Новиков Ю.В.  Методы исследования качества воды водоемов. М.: Медицина, 1990. 312 с.
4. Алексеев М.И. Содержание азота и фосфора в осветленных сточных и возвратных иловых водах .  Водоснабжение и санитарная техника, 1998. 18-19 с.
5. Бурдин К.С. Основы биологического мониторинга. М.: Изд. МГУ, 1985.- 158 с.
6. Фёдоров В.Д.  О методах изучения фитопланктона и его активности М. : Новосибирск: Наука, 1979. 115-130с.
7. Бреховских В.Ф. Проблемы качества поверхностных вод в бассейне Северной Двины. М.: Наука, 2003. 233 с.
8. П.Бондарев A.A., Корнеева Е.А., Троян О.С., Шеломков A.C. Очистка сточных вод от аммонийного азота/ Труды института «ВОДГЕО». -Москва. 1986.
9. Бояршинов А.И.  Методы оптимизации в химической технологии. М.: Химия, 1969. 574 с.
10. Грушко Я.М. Вредные неорганические соединения в промышленных сточных водах. М.: Хиимя, 1982. 15 с.
11. Дикиева Д.М., Петрова И.А. Химический состав макрофитов и факторы, определяющие концентрацию минеральных веществ в высших водных растениях/ Гидробиологические процессы в водоемах. Под ред. И.М. Распопова. Д.: «Наука», 1983. 318 с.
12. Евстратова К.И., Кижина H.A., Малахова Е.Г. Физическая и коллоидная химия. М.: Высшая школа, 1990. 487 с.
13. Жмур Н.С. Интенсификация процессов удаления соединений азота фосфора из сточных вод. М.: АКВАРОС, 2000. 94 с.
14. Козлова Т.А., Сивоглазов В.И. Растения водоема: Учебное пособие. М.: Эгмонт Россия Лтд. 2002 г. 64 с.
15. Корбридж Д. Фосфор: Основы химии, биохимии, технологии/ Пер. с англ. О.В.Рудницкой; под ред. Э.Е.Нифантьева  М.: Мир, 1982. 680с.
16. Кульский Л.А., Накорческая В.Ф. Химия воды. Физико-химические процессы обработки природных и сточных вод. - Киев: Вища школа, 1983.-239 с.
17. Разумовский Э.С., Залетова H.A. Удаление биогенных элементов из городских сточных вод/ Водоснабжение и санитарная техника. 1991. 26-28 с.
18. Никоноров А.М. Гидрохимия Л.: Гидрометеоиздат, 1989.350 с.