Экологические последствия загрязнений водных экосистем
Водоемы и водотоки представляют собой сложные экосистемы, которые создавались в течение длительного времени эволюции. Антропогенное воздействие на них может привести к необратимым экологическим последствиям.
Рассмотрим первичные эффекты, проявляющиеся в водных экосистемах при основных видах загрязнений:
Загрязнение твердыми отходами (мусор, взвешенные вещества). Примером влияния такого загрязнения можно наблюдать в период весеннего паводка, когда максимально ухудшается качество воды в водоемах. Поскольку взвешенные вещества служат одним из основных видов загрязнителей поверхностных вод, то с ними преимущественно и связаны экологические эффекты. Так, процессы, осаждения взвеси приводят к ухудшению условий жизни организмов, обитающих в придонном слое, к заиливанию нерестилищ. Другим экологическим эффектом, вызываемым наличием в воде взвесей, является соосаждение с ними планктона. Отмечают связь, существующую между количеством в воде взвешенных веществ и фитопланктона: чем больше взвеси, тем меньше фитопланктона. Уровень зоопланктона также чрезвычайно подвержен влиянию взвеси, поскольку значительная часть его представлена организмами с фильтрационным аппаратом питания, подверженным максимальному воздействию взвешенных веществ. Рыбы также испытывают активное воздействие взвеси вследствие нагрузки на жабры и кишечник, что сказывается затем на темпах роста и других показателях.
Загрязнение тяжелыми металлами. В настоящее время металлы являются одними из главных по объему загрязнителей водоемов (в результате переработки, например, минеральных ресурсов). Многие из них в качестве микроэлементов играют важную роль в жизнедеятельности водных организмов. Основная масса тяжелых металлов (Zn, Cu, Ni, Co, Pb, Cd) находится в водоеме во взвешенном материале. Для таких металлов, как Zn и Cu, наблюдаются одинаковые концентрации в планктоне и донных отложениях из-за хорошей растворимости этих металлов. Наибольшая изменчивость содержаний характерна для донной фауны, что обусловлено особенностями образа жизни (малоподвижный), типа питания (фильтрующий механизм) и метаболизма (процесс обмена веществ в организме).
Наиболее активное накопление металлов происходит в морской воде, поэтому морепродукты способны концентрировать загрязнения до угрожающих здоровью человека уровней, это вызывает особую тревогу.
Американский ученый Гольдберг считает, что "для любого химического элемента найдется, по крайней мере, один вид планктона способный эффективно его концентрировать" [78].
Например, медь концентрируется в некоторых видах планктона в 90000 раз больше чем в окружающей воде, свинец и кобальт соответственно в 12000 и 16000 раз.
Нахождение человека на самом конце трофической цепи делает его особенно уязвимым к действию таких токсикантов. Токсичность металлов для различных видов гидробионтов различна.
Коэффициенты накопления, КН -(отношение концентрации загрязнителя в организме гидробионта к концентрации его в водной среде) тяжелых металлов гидробионтами могут достигать значительных величин (от сотен до десятков тысяч).Так, коэффициенты накопления КН некоторых тяжелых металлов различными видами пресноводных гидробионтов находятся в следующих пределах: кадмий 10 – 200, медь 60 – 120, железо 190, никель 85 – 235, цинк 22 – 780. Для всех типов водных систем они уменьшаются в трофической цепи при переходе от планктона к рыбе (за исключением такого металла, как Hg).
Ртуть (Hg)– один из лидеров "большой тройки" металлов (ртуть, Hg; свинец, Pb; кадмий, Cd), представляющих наибольшую опасность для людей и окружающей среды. Рассмотрим подробнее некоторые свойства ртути как токсиканта водной среды:
1. ртуть воздействует на нервную систему гидробионтов (рыб и морских млекопитающих). По пищевым цепям она переносится и к человеку, вызывая тяжелые психические расстройства, врожденные тератологенные эффекты (уродства) у детей и т. п.
2. соединения одновалентной ртути не так токсичны, как двухвалентной. Наиболее опасны для живого организма органические соединения ртути - ион метилртути CH3Hg+и диметилртуть (CH3)2Hg.
Соединения одновалентной ртути обладают низкой растворимостью воде, двухвалентной же водорастворимы. Ртутьорганические соединения (РОС) хорошо растворяются в жирах; диметилртуть, кроме того, летуча и легко впитывается кожей.
3. в водоемах ртуть может превращаться биогенно с помощью микроорганизмов из относительно малотоксичных форм в высокотоксичные. Такой процесс называют метилированием ртути в водоемах.
В 60-е гг. на побережье залива Минамата (Япония) отравленный ртутными отходами океан отомстил человеку. Ртуть, сброшенная заводами по переработке руд, была превращена бактериями в диметилртуть. Последняя накапливалась в рыбе, а люди, питающиеся рыбой, получали сильнейшие отравления (погибло более 50 человек). Рыбный промысел в заливе до сих пор запрещен: на дне моря лежит около 600 т ртути.
4. ртуть представляет собой классический пример токсиканта с биологическим накоплением. Ее соединения концентрируются сначала в фито- и зоопланктоне, затем, проходя по пищевым цепям (от рыб до человека), все более накапливаются главным образом в жировых тканях. Так, коэффициенты накопления метилртути для морских рыб достигают 5*105, а в речных системах для фитопланктона 1*105 и хищных рыб 4*105. Таким образом, защитная реакция одних гидробионтов на поступление ртути вызывает повышенные накопление ее в пищевых цепочках, причем в особо токсичной форме, и создает опасность для человека при употреблении в пищу рыбопродуктов.
Схожую реакцию (метилирование) микробные сообщества водных экосистем проявляют и по отношению к таким элементам, как Se, Te, As, что также необходимо учитывать при оценке поведения этих загрязнителей в экосистемах.
5. важная характеристика токсиканта – время удержания, которое для ртути в организме позвоночных очень велико
6. Ртуть медленно и не полностью выводится из отравленного организма. Этим объясняется ее накопительный токсический эффект. Подробнее о ртути в биосфере см. Приложение М.
Загрязнение органическими соединениями. Эти соединения присутствуют во всех хозяйственно-бытовых стоках. Они поступают в водоемы в результате перегрузки очистных сооружений, неправильной их эксплуатации, а в некоторых случаях из-за их отсутствия.
Сброс в проточные водоемы стоков с высоким содержанием органических соединений вызывает полное разрушение исходной экосистемы.
В поверхностных водах, загрязненных органическими соединениями, резко увеличивается количество бактерий, причем наряду с патогенными (способными вызывать заболевания других организмов) развиваются гетеротрофные (питающиеся готовыми органическими веществами и неспособные синтезировать органику из неорганики) микроорганизмы, минерализующие органику. Такая микрофлора разлагает весь органический комплекс, причем численность бактерий связана с концентрацией органики и уменьшается вниз по течению.
При загрязнении органикой стоячих вод наблюдается иная картина. Для водных объектов этого типа (озера, болота, пруды и др.) характерны малая скорость движения воды и слабое обогащение кислородом. Процессы повышения продуктивности озер, вызванные увеличением количества питательных веществ (фосфаты, нитраты, органика), поступающих с речным и поверхностным стоком, называется эвтрофикацией. При этом наблюдается интенсивное развитие фитопланктона и водных растений. Если в естественных условиях эти процессы могут протекать в течение длительного времени, то антропогенное воздействие чрезвычайно ускоряет их, особенно в случаях сбросов со сточными водами значительных количеств органических веществ, фосфатов и нитратов.
Таким образом, вспышки продуктивности фитопланктона являются признаком наличия процессов эвтрофикации стоячих вод. Количественное увеличение фитопланктона снижает прозрачность воды, что препятствует протеканию процесса фотосинтеза в глубинных слоях, а это в свою очередь способствует обогащению кислородом поверхностных слоев воды и сильному уменьшению его содержания в нижних слоях; этому же в немалой степени способствует жизнедеятельность бактерий по аэробному разложению мертвого органического вещества. Эти факторы вызывают существенные изменения в зооценозе озера. Исчезают виды рыб, обитающие в чистых и холодных водах с высоким содержанием кислорода (лососевые), а им на смену приходят неприхотливые травоядные виды (карповые). Резким скачком увеличивается продуктивность системы. В дальнейшем после полного исчезновения кислорода в нижних слоях воды начинаются процессы анаэробного брожения.
Загрязнение хлорорганическими соединениями (ХОС). Человечество долгое время недооценивало опасность производства хлорорганической продукции (пестициды, побочные продукты производств, где хлор используется в качестве отбеливателя).
С химической точки зрения органические соединения хлора, загрязняющие биосферу и представляющие наибольшую опасность, можно разделить на несколько групп:
1. Хлорпроизводные циклоалканов и циклоалкадиенов, например, гексахлоран
2. ДДТ и его производные
3. Хлорпроизводные диоксина
4. Хлорпроизводные дибензофурана
5. Хлорбифенилы
Последние три группы объединяют нередко под одним названием полихлорполициклические соединения (ПХПС).
Почти все ХОС чрезвычайно опасны для теплокровных, в силу того что они:
1. высокотоксичны;
2. обладают большой биологической активностью полифункционального характера;
3. необычайно устойчивы в окружающей среде и живых организмах;
4. способны к накоплению в пищевых цепях;
5. характеризуются большим временем удержания;
6. образуют стабильные и токсичные продукты распада или трансформации.
Так, например, наиболее широко распространенный в недавнем прошлом инсектицид ДДТ обнаружен сейчас на всех уровнях биосферы (даже в жировых тканях пингвинов в Антарктике!). Его период полураспада несколько лет. Производство и применение ДДТ в нашей стране запрещено с 1972 г., однако последствия его вредоносного действия будут еще очень долго проявляться.
ПХПС еще более опасны, так как, даже находясь в организме в ничтожных концентрациях, подавляют иммунную систему и адаптационные возможности, а в более высоких концентрациях канцерогенны. Они нарушают передачу нервных импульсов и некоторые генетические механизмы. Признано, что ПХПС на сегодняшний день – сильнейшие ксенобиотики, действие которых на биосферу полифункционально и еще далеко не полностью изучено.
Загрязнение нефтью. С 1980 г. добыча нефти растет по экспоненте, и сейчас ее ежегодно извлекают из недр Земли и донных отложений в объеме 3,2*1012 л.
В состав нефти входит более 150 различных углеводородов, из них примерно одну половину составляют алифатические, а другую - ароматические. В различных сортах нефти (в зависимости от происхождения) доля каждого компонента варьирует в широких пределах, так же как и доля других, более редких составных частей, содержащих, в частности, азот, серу, кислород, железо, никель, ванадий, медь и т. д.
Выделяют пять типов воздействия нефти на морские экосистемы:
1. Непосредственное отравление живых организмов с летальным исходом.
2. Нарушение физиологической активности у гидробионтов.
3. Прямое обволакивание нефтепродуктами живого организма.
4. Возникновение болезней, вызванное попаданием в организм углеводородов.
5. Негативные изменения в среде обитания.
В водоемах нефть и нефтепродукты скапливаются первоначально в поверхностной пленке, однако затем при перемешивании воды образуются устойчивые эмульсии в толще воды, которые частично растворяются или оседают на дно, Аэробные бактерии, деятельность которых обусловливает естественное самоочищение водоемов, окисляют нефтепродукты до нетоксичных соединений (в конечном итоге до СО2 и Н2О).
Таким образом, в окружающей среде оказываются значительно менее вредные соединения. Однако эти процессы идут очень медленно и лишь при определенных условиях (достаточной концентрации кислорода и температуры воды не ниже 5 – 10oС).
В пресноводных водоемах летальной концентрацией нефтепродуктов для взрослых особей рыб считаются значения около 10 – 15 мг/дм3, а при значительно более низких концентрациях (0,05 – 1,0 мг/дм3) гибнут икра и мальки, а также планктон – кормовая база рыб [78].
Таковы некоторые виды первичных эффектов, возникающих при загрязнении водоемов.
Необходимо обратить внимание и на то, что устойчивость водных систем по отношению к потокам загрязнителей зависит от климатогеографических условий. Так, если в умеренном климате какой-то условной реке требуется 200 – 300 км для того, чтобы справиться с каким-то количеством хозяйственно-бытовых стоков за счет процессов "самоочищения", то при прочих равных условиях на Севере это расстояние возрастает до 1000 – 1500 км из-за низких температур, короткого вегетационного периода, меньшей активности жизненных процессов и продуктивности этих систем, более высоких требований гидробионтов к качеству воды.