Загрязнение природных вод и возможности использования высших водных растений для улучшения их качества

ЗАГРЯЗНЕНИЕ ПРИРОДНЫХ ВОД И ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВЫСШИХ ВОДНЫХ РАСТЕНИЙ ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ ИХ КАЧЕСТВА

Дьяченко Т.М.

АННОТАЦИЯ

самоочистительный качество вода загрязнение

Ключевые слова: качество воды, высшая водная растительность

АНОТАЦІЯ

Забруднення природних вод і можливості використання вищих водяних рослин для покращення їх якості

Дьяченко Т. М.

Спираючись на літературні дані проаналізовані основні чинники забруднення природних водойм та водостоків, розглянуті можливості використання біоценозів вищих водяних рослин для покращення якості води.

Ключові слова: якість води, вищі водяні рослини

ANNOTATION

Contamination of natural rivers and lakes and possibilities of higher aquatic plants employment in the improvement of water quality

Dyachenko T. M.

Based on scientific literature data, main causes of natural lakes and rivers contamination are analysed; possibilities of higher aquatic plants in water quality improvement are considered.

Key words: water quality, higher aquatic plants

На нашей планете, две трети которой покрыто водой, ее содержание в континентальных водоемах и водотоках составляет лишь около 0,01 % общих запасов [36]. Наличие же чистой пресной воды со второй половины ХХ века стало одной из острейших проблем для человечества. При сохранении масштабов загрязнения водных экосистем она может стать основным лимитирующими фактором для человека как биологического вида [25].

Украина обеспечена собственными водными ресурсами меньше других европейских государств. Вода большинства водных объектов характеризуется как загрязненная или грязная (4-5 категории качества). Так, например, в водохранилищах Днепра, из которых потребляют воду около 35 % населения Украины, после стабилизации гидрохимического режима концентрация органического вещества составляла: в Киевском -5,2 - 18,2, Кременчугском - 7,5 - 19,6, Каховском - 7,5 - 19,2 мг С/дм3. Величина БХО колебалась в пределах 14,4-67,1, ПО -5,2-24,6 мгО/дм3 [34]. Наиболее острая ситуация сложилась в бассейне Северского Донца, некоторых реках приазовья и притоках Днестра, где вода очень грязная (6 категория качества). Сохраняется тенденция к ухудшению качества подземных вод [24]. Ситуация настолько серьезная, что вопросы охраны и восстановления водных экосистем, улучшения экологического состояния рек и качества питьевой воды выделены в качестве приоритетных для устойчивого развития Украины [31]. Основными причинами загрязнения водных объектов и ухудшения качества воды в них, прежде всего, являются:

- сброс недостаточно очищенных бытовых и сточных вод (даже снижение в 1990-2000 гг. техногенной нагрузки и уменьшение объемов водопользования не привело к улучшению качества воды);

- экологически несбалансированное землепользование и значительная распашка территории (пахотные земли в Украине составляют 56,2 % от площади суши, а в некоторых областях до 75-85 %, тогда как в развитых в аграрном отношении европейских странах - 30-32 %; лесистость составляет 15,6 %, что почти в три раза ниже, чем в странах западной Европы).

Снижению самоочистительной способности водотоков также способствуют:

- нарушение режима питания рек, связанное с осушительной мелиорацией;

- гидротехническое строительство и спрямление русел рек (в спрямленных и зачастую канализированных руслах, где отсутствует разнообразие русловых форм (плесы, перекаты, омуты), вода не успевает очиститься, а нарушение паводкового режима приводит к усиленному их заилению, вторичному загрязнению и деградации речных экосистем);

- нарушение водоохранного режима на прибрежных территориях (чрезмерная распаханость поймы и нарушение соотношения площадей, занятых сельскохозяйственными угодьями, луговыми и древесно-кустарниковыми сообществами приводит к смыву почвы, обогащению воды биогенными элементами, заилению водного объекта).

Преодоление последствий вышеперечисленных причин требует не только значительных капиталовложений, связанных с внедрением новых технологий в промышленности и сельском хозяйстве, с заменой устаревших очистных сооружений, разработкой режима эксплуатации гидротехнических сооружений, приносящего минимальный вред окружающей среде. Но также и более высокого уровня экологической грамотности и гражданской ответственности населения, особенно должностных лиц, сбалансированного хозяйствования в водоохранных зонах, выделения и обустройства [21] прибрежных защитных полос, соблюдения норм природоохранного законодательства и строгого контроля со стороны общественных организаций и государства с применением жестких штрафных санкций и поощрений.

При конструировании очистных сооружений наряду с применением механических и физико-химических методов очистки, следует широко использовать свойства гидробионтов. Так, одним из агентов формирования качества воды природных водоемов и водотоков являются высшие водные растения. Развитию идеи переноса природных механизмов очистки воды на искусственные водотоки и водоемы способствовали работы А. В. Францева [44-48]. В Германии в то же время подобные работы проводила К. Зайдель, которая для очистки воды использовала воздушно-водные растения, в частности, заросли камыша озерного [26].

Роль высших водных растений в формировании качества воды неоднократно обговаривалась в научной литературе [20, 14, 35, 17, 51 и др.]. Расположенные в прибрежной зоне заросли играют роль механических фильтров, перехватывая и задерживая взвешенные частички, поступающие с водосбора и от размыва берегов. Наиболее значительная их часть накапливается на слизистых поверхностях растений [13, 19, 38 и др.], другая перерабатывается перифитонными сообществами, продукты минерализации при этом могут усваиваться самими растениями. Количество накопившихся осадков зависит от многих факторов: качественного состава стока, динамики водных масс, густоты зарослей, площади поверхности растений и наличия на них слизи [10, 11, 14, 49 и др,].

В процессе фотосинтеза растения насыщают воду кислородом, который используется на дыхание гидробионтов и на окисление различных химических веществ. Наиболее важна при этом роль погруженных растений. Поскольку большинство погруженных растений принадлежит к теневыносливым видам [33], активность фотосинтетических процессов в ясную солнечную погоду оптимальна на глубине 1-2 м. Интенсивность выделения кислорода зависит от биологических особенностей вида, освещенности, обеспеченности растений углекислым газом, биогенными элементами и т. д. [57, 6]. Выделение кислорода погруженными растениями в поверхностных слоях воды превышает его потребление в 2-3 раза [1, 34, 50,28].

Погруженные растения также играют важную роль в биогенной декальцинации водоемов. В ходе фотосинтеза в результате повышения рН нарушается карбонатное равновесие и на поверхности растений происходит осаждение кальция в виде нерастворимых карбонатов.

В процессе питания высшие водные растения поглощают из воды и донных отложений, накапливают, утилизируют и трансформируют биогенные вещества, микроэлементы, а вместе с ними и разные токсические вещества, соли тяжелых металлов, фенолы, высокомолекулярные органические вещества и т. п. Процесс этот выборочный, зависит от вида растений, их физиологических особенностей, стадии онтогенеза, экологических особенностей водоема [20, 56, 8, 17, 42, 30 и др.]. Один и тот же вид растений в зависимости от уровня обеспеченности биогенными элементами содержит разное их количество. Известно [55], что коэффициент накопления выше в олиготрофных водах, чем в эвтрофных. В целом более высокое содержание биогенных элементов характерно для неукорененных растений с плавающими листьями и для погруженных. В каждой экологической группе растений для отдельных видов характерна выборность в их поглощении и накоплении.

Высшие водные растения в большом количестве накапливают тяжелые металлы. Концентрация их в тканях может в сотни и тысячи раз превышать содержание в окружающей среде [17] обусловленное геохимическими особенностями региона или чрезмерной антропогенной нагрузкой. Невысокие концентрации большинства тяжелых металлов оказывают позитивное воздействие на процессы метаболизма, но их высокое содержание токсично как для самих растений, так и для животного населения при передаче по трофическим цепям. Установлено [54], что аккумуляция тяжелых металлов определяется не только их концентрацией в среде, но и доступностью для растений, которая, в свою очередь, зависит от рН среды и содержания в воде лабильного органического вещества, способствующего образованию более легко усваивающихся хелатных форм. Тяжелые металлы, за редким исключением, не испытывают сезонной миграции из надземной части растений в подземную и наоборот [41, 58]. Немалое значение в жизни растений имеют и растворенные в воде низкомолекулярные органические соединения, которые могут использоваться как дополнительный источник питания и как биологически активные вещества, регулирующие метаболизм [17]. Водные растения могут поглощать не только низкомолекулярные вещества природного происхождения, но и высокомолекулярные продукты органического синтеза (ДДТ, ГХЦГ), накапливая их и метаболизируя, что приводит к частичной или полной детоксикации пестицидов [5]. У укорененных растений основное их накопление пестицидов происходит в корневой системе [17].

В присутствии высших водных растений более интенсивно происходит очищение воды от нефтяных загрязнений [32, 22] и фенольных соединений [2, 14], деструкция которых осуществляется эпифитными бактериями. Роль растений состоит в кислородной аэрации воды, выделении веществ-стимуляторов и поглощении ингибиторов роста бактерий [23], способны они и усваивать промежуточные продукты распада.

Показано, что биологически активные вещества, выделяемые высшими водными растениями, обладают высоким альгицидным и антибактериальным действием [40, 4, 12, 37, 3, 43 и др.]. Особенно активными в данном отношении являются аир, манник, ежеголовник, кубышка, роголистник и др.

Помимо непосредственного участия высших водных растений в формировании качества воды, растительные сообщества играют в экосистеме водоема эдификаторную роль, образуя биогеоценотическую среду для связанных с ними гидробионтов. Известно [9 и др.], что в составе флоры водорослей и фауны заросших и незаросших акваторий существуют значительные отличия.

Важным компонентом биоценозов высших водных растений является эпифитон. В его состав входят микроорганизмы, водоросли и беспозвоночные животные. В зависимости условий экотопа, экологической группы, состояния растений и стадии их онтогенеза, проективного покрытия в зарослях состав, биомасса и функциональная активность сообществ эпифитона значительно отличаются. Наиболее активно обрастают погруженные виды, биомасса эпифитных сообществ на них часто бывает сопоставима с фитомассой самих растений [39, 15]. Роль эпифитона в процессах самоочищения воды очень велика, особенно при очистке воды от органических загрязнений природного и антропогенного характера, а также при формировании кислородного режима. Эпифитные сообщества водорослей являются важными продуцентами кислорода в зарослях., т. к. в любой сезон его выделение превышает потребление на дыхание [27, 7], а бактериоэпифитону принадлежит основная роль в деструкции загрязнений органической природы. Согласно [7] до 70 % общей деструкции органического вещества осуществляется бактериоэпифитоном, основная часть минерализуется примерно в одинаковых пропорциях планктоном и бентосом зарослей. По данным В. М. Якушина [52] при низких концентрациях эпифитона до 89-87 % кислорода используется на бактериальную деструкцию органического вещества, при более высоких - доля бактерий в потреблении кислорода снижается до 45-63 %, остальная часть используется на дыхание эпифитных водорослей и беспозвоночных животных. Вклад бактериоэпифитона в общую деструкцию органического вещества биотическими сообществами (планктон, перифитон, бентос) в зарослях составляет 60-74 %, в экосистеме водотока в целом - 11-19 % [53].

Перечисленные выше свойства высших водных растений позволяет применять их для очистки воды от загрязнений природного и антропогенного происхождения. Для этих целей можно использовать естественные заросли или искусственные посадки высших водных растений, т. е. так называемые «биоплато» [27 и др]. Очистка воды при этом осуществляется всеми компонентами биоценоза - высшими водными растениями, планктонными, донными и эпифитными водорослями, бактериями и беспозвоночными животными. Использование высших водных растений имеет определенные преимущества, которые состоят в том, что процесс очистки локализуется на определенной площади и происходит на поверхности субстрата. Для эффективной работы биоплато образуемая биомасса периодически должна изыматься [27], она может быть использована на корм сельскохозяйственных животных [26] или для получения биогаза. При создании биоплато следует учитывать химический состав очищаемой воды и требования к ее очистке, поглощающую способность биоценозов высшей водной растительности, объем стока. Поступающая в биоплато вода должна характеризоваться относительно невысокими концентрациями загрязняющих веществ (иначе площади его будут чрезмерно велики) и постоянной проточностью для полного использования очистительных свойств [27]. Желательно использовать растения, наиболее распространенные в данной местности, образующие большую фитомассу, которую достаточно просто убирать. Согласно местоположению, конструктивным особенностям и предназначению, выделяют русловые (модификацией которых являются фито-фильтрационные установки), береговые, устьевые, наплывные биоплато [29, 18]. В настоящее время биоплато используют для очистки и доочистки сточных вод промышленных предприятий, животноводческих ферм, шахтных вод, в каналах питьевого назначения, для очистки вод с неканализированных территорий [16] и в замкнутых системах культивирования рыб.

ЛИТЕРАТУРА

1. Астапович И. Т. Фотосинтез в неглубоких водоемах //Вопрсы рыбного хозяйства Белоруссии. -1972. - Т.8. - С.88-97

2. Афанасьев В. А. Фенолразрушающие микроорганизмы ризосферы тростника и грунта // Проблемы экологии Прибайкалья: Тез. докл., Иркутск, 19-22 окт. - Иркутск: Наука,1982. - С.101

3. Баланда О. В. Алкалоїди водяних рослин та їх вплив на функціональну активність гідробіонтів // Автореф.... к. б. н. -К., 2005. - 19 с.

4. Баланда О. В., Медведь В. А., Сакевич А. И. Алкалоиды кубышки желтой (Nuphar lutea (L.) Smith.) и их влияние на жизнедеятельность цианобактерий и водорослей //Гидробиол. журн. - 2004, 40, № 4. - С. 106-118

5. Брагинский Л. П., Комаровский Ф. Я., Мережко А. И. Персистентные пестициды в экологии пресных вод. - К.: Наук. думка, 1979. - 141 с.

6. Гидробиологические процессы в водоемах / И. М. Распопов, С. Гейны. - Л.: Наука, 1983. - 243 с.

7. Гидробиология каналов Украинской ССР. - Киев: Наук. думка, 1990. - 240 с.

8. Дикиева Д., Петрова И. А. Химический состав макрофитов и факторы, определяющие концентрацию минеральных веществ в высших водных растениях // Гидробиологические процессы в водоемах. - Л.: наука, 1983. - С.107-213.

9. Зимбалевская Л. Н. Фитофильные беспозвоночные равнинных рек и водохранилищ. - К.: Наук. думка, 1981. - 214 с.

10. Кабанов Н. М. О химической и санитарно-биологической роли макрофитов в Клязьминском водохранилище // Труды ВГБО. - 1961. - 11.

11. Кабанов Н. М. Высшие водные растения в связи с загрязнением континентальных водоемов // Тр. ВГБО. - 1962. - Т. 12.

12. Кірпенко Н.І. Біологічно активні речовини водяних рослин як екологічний чинник // Наукові записки Тернопільського педуніверситету. Спец. вип.: Гідроекологія. -2005, № 3(26). - С. 204-206.

13. Кокин К. А. О фильтрующей роли высшей водной растительности в процессах самоочищения р. Москвы //ТР. ВГБО. - 1963. - 14. - С.104-108.

14. Кокин К. А. Экология высших водных растений. - М.: Изд-во МГУ, 1982. -157 с.

15. Костикова Л. Е. Некоторые черты перифитона высших водных растений // Мелководья Кременчугского водохранилища. -К.: Наук. думка, 1979. - С.104-121.

16. Коцар О. М., Крот Ю. Г., Кіпніс Л. С., Леконцева Т.І. Використання вищих водяних рослин для кондиціювання зворотніх вод в закритому біоплато гідропонного типу // Наукові записки Тернопільського педуніверситету. Сер.: Біологія. - 2001, № 4(15). - С.133-134.

17. Лукина Л. Ф., Смирнова Н. Н. Физиология высших водных растений. - Киев: Наук. думка, 1988. - 185 с.

18. Магмедов В. Г. Основные типы водоохранных сооружений, использующие очистные свойства сообществ макрофитов // Водн. ресурсы. - 1988. -№ 2. - С.150-155.

19. Мадалиева Г. К. Флора и растительность сбросовых водостоков и их роль в самоочищении вод: Автореф. дис…. канд. биол. наук - Ташкент, 1975. - 31с.

20. Мережко А. И. Эколого-физиологические особенности высших водных растений и их роль в формировании качества воды: Автореф. дис. …докт. биол. наук. - М., 1978. - 46 с.

21. Методика упорядкування водоохоронних зон річок України. - К.: Оріони, 2004. - 128 с.

22. Морозов Н. В., Телитченко М. М. Ускорение очищения поверхностных вод от нефти и нефтепродуктов вселением в них макрофитов // Водн. Ресурсы. - 1977. - № 6. - С.120-131. 1977.

23. Николаев В. Н. О причинах ускорения окисления нефти микроорганизмами в присутствии водных растений // Высшие водные и прибрежноводные растения: Тез. докл. 1 Всесоюзн. конф., Борок, 1977. - С.131-133.

24. О гармонизации жизнедеятельности общества в окружающей природной среде. - нац. докл. Украины к 5 Общеевропейск. конф. министров окружающ. среды. - К., 2003. - 132 с.

25. Одум Ю. Основы экологии. - М.: Мир, 1986, Т.1. - 381 с.

26. Оксиюк О. П., Мережко А. И., Волкова Т. Ф. Использование высших водных растений для улучшения качества воды и укрепления берегов каналов // Водные ресурсы. -1978, № 4. - С.97-104.

27. Оксиюк О. П., Стольберг Ф. В. Управление качеством воды в каналах. - К.: Наук. думка, 1986. - 171 с.

28. Оксиюк О. П., Тимченко В. М., Давыдов О. А. и др. Состояние экосистемы киевского участка Каневского водохранилища и пути его регулирования. - К.: Віпол, 1999. - 59 с.

29. Ореховский А. Р., Шаговенко П. И. Эффективность плавучих биофильтров из полупогруженных растений в зависимости от особенностей их формирования // Водн. ресурсы. - 1983. - № 2. - С.132- 140.

30. Парфенау П. В. Хiмiчны состау воднiх раслiн озерау Биразiнскага бiосфернага запаведника //Весн. АНБССР, Сер. Бiол. наук. - 1986. -1. С.31-35.

31. Патон Б. Е. Наука і сталий розвиток України //Рідна природа. - 2002, № 1. - С.10-12.

32. Петров Г. Н. Очистка водоемов от нефти под воздействием высшей водной растительности // Нефтепромысловое дело. - 1969. - № 9.

33. Потапов А. А. Фотосинтез погруженных растений в связи с зарастанием Цимлянского водохранилища //Тр. ВГБО. - 1956. - 7. - С.52-56.

34. Растительность и бактериальное население Днепра и его водохранилищ. - Киев: Наук. думка, 1989. - 232 с.

35. Распопов И. М. Высшая водная растительность больших озер северо-запада СССР. - Л.: Наука, 1985. - 199 с.

36. Романенко В. Д. Основы гидроэкологии. - К.: ГЕНЕЗА, 2004. - 661 с.

37. Романенко В. Д., Сакевич А. И., Усенко О. М. Метаболтческие механизмы взаимодействия высших водных растений и синезеленых водорослей- возбудителей цветения воды//Гидробиол. журн. - 2005. - 41, № 3. - С.45-57.

38. Рошкован Д. М. Роль водных растений в защите прудов от заиления и засоления растительными останками // Природа и хозяйство Молдавии. - Кишинев, 1977. - С.58-68.

39. РычковаМ. А. Перифитон литоральной зоны Онежского озера // Литоральная зона Онежского озера. - Л.: Наука, 1975.

40. Сакевич А. И., Усенко О. М. Фенольные соединения в воде днепровских водохранилищ //Гидробиол. журн. - 2002. - № 4. - С.103-112.

41. Смирнова Н. Н. Макрофиты и их роль в процессах седиментации и транзита веществ из воды в донные отложения // Взаимодействие между водой и седиментами в озерах и водохранилищах. - Л.: Наука, 1984. - С.133-139.

42. Смирнова Н. Н. Аккумулирующая способность высших водных растений устьевых областей рек северо-западного Причерноморья. - К.: Наук. Думка, 1986. - 133-151.

43. Усенко О. М. Вплив вищої водяної рослинності на розвиток фітопланктону // Наук. зап. Тернопільского ун-та. Спец. Вип.: Гідроекологія. - 2005. - 3, № 26.- С.445-447.

44. Францев А. В. Вопросы эксплуатации источников водоснабжения Москвы // Учинское и Можайское водохранилища. - М: МГУ, 1963. - С.9- 15.

45. Францев А. В. Некоторые вопросы питьевого водоснабжения // Санитарная и техническая гидробиология. - М.: Наука, 1967.

46. Францев А. В. Изменение состава воды судоходной и водопроводной части канала им. Москвы // Каналы СССР. - Киев: Наук. думка, 1968.

47. Францев А. В. Некоторые вопросы управления качеством воды // Теория и практика биологического самоочищения загрязненных вод. - М.: Наука, 1972.

48. Францев А. В. Некоторые вопросы рациональной конструкции и эксплуатации водохранилищ и каналов (на примере Учинского водохранилища и канала им. Москвы) // Гидробиол. журн. - 1976. - 12, № 5. - С.13 -19.

49. Хромов В. М., Радченко Л. Г., Быкова Н. И. и др. Влияние высшей водной растительности на формирование гидрохимического режима и качества воды питьевого водохранилища //Круговорот вещества и энергии в водоемах. Тез. Докл. 5 Всесоюзн. лимнолог. совещан.- Иркутск, 1981. - Вып. 5. - С.155-157.

50. Цаплина Е. Н. Высшая водная растительность и ее влияние на газовый режим и содержание органического вещества в каналах. Автореф. … канд. биол. наук. - Киев. - 1993. - 20 с.

51. Эйнор Л. О. Макрофиты в экологии водоема. -М.: Ин-т водн. проблем РАН, 1992. - 255 с.

52. Якушин В. М. Роль перифитона высших водных растений в деструкции органического вещества // Гидробиол. журн. - 1996. - 32, № 2. - С.41-47.

53. Якушин В. М. Роль бактеріопланктону і бактеріоперифітону в деструкції органічної речовини в лентичних екосистемах. - Автореф.... д. б. н. - К., 1997. - 46 с.

54. Atri F. R. Beitrag aquatischer Makrophyten zur Wasserrein igung // Haustechn., Bauphys., Umwelttechn. -1983. - 104, N4. - S.200-201.

55. Dykyjova D. Selective uptake of mineral ions and their concentration factors in aquatic higher plants // Folia geobot. et phytotaxon. - 1979. - 14. - P.267-325.

56. Dykyjova D., Kvet J. Mineral nutrient economy in wetlands of the Trebon recerve, Czechoslovakia // Wetlands: Ecology and Management Proc. Of the First. Int. Wetlands Cof. New Delhi, India, Sept. 10-17 1980. - Delhi, 1982. -P.335-355.

57. Gessner H. A. Hydrobotanik/ - B.2. - Berlin, 1969. - 701 s.

58. Smirnova N. N. Die Besonderheiten der Schwermetallenanhaufung durch die hoheren wasserpflanzen in verschiedenen Durchflussbedingungen der Donau // 25 Arbeitstagung der Internationalen Arbeitsgemeinschaft Donauforschung/ - Bratislava, 1985. - P.262-265.

59. Weice G., Mayer H.-G., Jorga W., Bahr I. Phosphoraufnahme durche Potamogeton natans and submerse Macrophyten in einem Fliessgewasser - Laboratoriumsmodel // Acta hydrochim. et hydrobiol. - 1985. - 13, № 3.-S.307-317.

Размещено на Allbest.ru