Фактори самоочищення - студопедія
Основними джерелами забруднення водойм є господарсько-побутові, промислові і сільськогосподарські стоки. Господарсько-побутові та сільськогосподарські стоки містять велику кількість всіляких органічних речовин, детергентів, пестицидів, мінеральних добрив і продуктів їх розпаду, тоді як промислові - величезний набір різноманітних хімічних сполук, більшість яких є токсичними.
Забрудненість багатьох водойм України перевищує гранично допустимі концентрації (ГДК) в середньому по нафтопродуктах на 47-63%, фенолу на 45-68%, легкоокисляющихся органічною речовиною (БСК5) на 20-23%, аміачним азоту на 24% і т.д. [6].
Забруднення водойм поділяють на алохтонне - що вноситься ззовні, і автохтонне - власне забруднення. Автохтонне забруднення відбувається в результаті життєдіяльності водних організмів, у тому числі і прибережно-водної рослинності. Після відмирання в середу надходять їх метаболіти, біогенні речовини і продукти розпаду. Алохтонні забруднення - це все те, що приносять в водойми стічні води, поверхневі стоки, дощові і повітряні маси.
Особливою формою забруднення є евтрофірованіе водойм, тобто збагачення їх біогенними речовинами, що призводить до інтенсивного розвитку водоростей і прибережних рослин. Це найчастіше відбувається за рахунок надходження у водойми побутових і сільськогосподарських стоків. Здатність водної рослинності до накопичення і використання цих речовин (насамперед фосфору й азоту) робить їх активними учасниками процесу самоочищення природних вод.
Забруднення водойм призводить до зміни структури спільнот, їх видового і кількісного складу. Інтенсивні забруднення сільськогосподарськими та побутовими стоками призводять до заростання і заболочування водойм, а промисловими - до порушення і повної деградації біоценозів.
Водойми мають унікальну властивість - здатність до самоочищення. Під самоочищенням розуміється комплекс впливу хімічних, фізичних і біологічних факторів на екосистему водойми, в результаті діяльності яких якість води приходить до первісного (або близькому до нього) станом. Біологічне самоочищення водойм здійснюється за рахунок життєдіяльності рослин, тварин, грибів, бактерій і тісно пов'язане з фізико-хімічними процесами.
Самоочищення водойм здійснюється в анаеробних і аеробних умовах. Анаеробно протікають процеси руйнування органічних речовин з переважним участю бактерій, грибів і найпростіших. В цьому випадку в процесі розпаду органічного матеріалу в середовищі накопичують проміжні продукти (аміак, сірководень, низькомолекулярні жирні кислоти і ін.), Які при наявності кисню окислюються далі.
В аеробних умовах руйнування органічного субстрату здійснюється в присутності кисню до простих сполук, які в подальшому залучаються до біотичний кругообіг. У цьому процесі беруть участь практично все населення водойм. Велику роль в процесах самоочищення забруднених вод відіграють прибережно-водні рослини.
В останні роки макрофіти стали успішно використовуватися в практиці очищення вод від біогенних елементів, фенолів, ароматичних вуглеводнів, мікроелементів, нафти і нафтопродуктів, важких металів, різних мінеральних солей зі стічних та природних вод, в знезараженні тваринницьких стоків від різних форм патогенних мікроорганізмів.
Роль прибережно-водних рослин в самоочищення водойм в загальному вигляді можна звести до наступного:
1. Механічна очисна функція, коли в заростях рослин затримуються зважені і слаборозчинні органічні речовини;
2. Мінералізація і окислювальна функція;
3. Детоксикація органічних забруднювачів.
Механічна очисна функція. Разом з поверхневими стоками у водойми надходить велика кількість зважених і слаборозчинних органічних і мінеральних речовин. Прибережно-водна рослинність разом з тваринами - фильтраторами (молюсками, зоопланктоном) виконує роль механічного фільтру. Роль тварин-фильтраторов в цьому процесі досить велика.
Двостулкові молюски - постійні мешканці водойм - є санітарами річок. Пропускаючи через себе воду, вони фільтрують зважені частинки. Найдрібніші тварини і рослини, а також органічні залишки надходять в травну систему, неїстівні речовини осідають на шарі слизу, що покриває поверхню мантії двостулкових. Слиз у міру забруднення переміщається до кінця раковини і викидається в воду. Грудочки її представляють собою комплексний концентрат для харчування мікроорганізмів. Вони і завершують ланцюг біологічного очищення вод. [7]
Ефективність дії фільтруючого бар'єру визначається густотою фитоценоза (тобто, кількістю пагонів на одиницю площі), наявністю у рослин водних коренів і ступеня їх розвитку, формою і величиною листя і загальною поверхнею рослин. Це призводить до зменшення швидкості течії в зоні заростей і осідання зважених часток.
Осідання суспензії сприяє слиз на поверхні рослин. Дослідження показали, чим більше поверхня рослин і їх ослизнення, тим ефективніше здійснюється очищення води від зважених часток. Рослини здатні утилізувати і включати в свій метаболізм кілька осіли на їх поверхні органічних і мінеральних суспензій, в тому числі і токсичних сполук.
Велике значення має наявність у деяких рослин водних коренів. Загальна поверхня цих коренів в залежності від числа пагонів може в 10-15 разів перевищувати площу, займану рослинами. Роль водних коренів в очищенні води від розчинених і зважених часток надзвичайно велика. Так, в лабораторних експериментах зарості очерету та рогозу затримували водними корінням до 90% зважених речовин, що містяться в тваринницьких стоках.
На рослинах добре затримуються не тільки зважені частинки, але і органічні емульсії, жирові і нафтові плівки. Вони разом з мінеральними частинками і органічними суспензиями утворюють більші агрегати, які в подальшому руйнуються вже донними організмами. Наприклад, розкладання нафти в присутності рослин протікає в 3-5 разів інтенсивніше, ніж без них нафтоокислюючих мікрофлора, як показали дослідження останніх років, присутній практично у всіх природних водоймах. У літню пору при зниженні рівня води в річках і водосховищах частина прибережної рослинності виявляється на суші. Поверхневі стоки, потрапивши в такі зарості макрофітів, частково затримуються ними, частково просочуються в грунт, і просуваються далі до річки підземним стоком. При цьому практично всі зважені і багато розчинені забруднюючі речовини затримуються грунтом і корінням прибережних рослин. Корінням рослин, в першу чергу поглинаються органічні речовини і біогенні сполуки (азот, фосфор, калій і ін.).
У заростях має місце і переробка осіла на рослинах суспензії. Органічні і мінеральні компоненти використовуються в процесі метаболізму самих рослин і їх обрастателей.
Під впливом фітофільтраціі збільшується прозорість води, знижується її мінералізація. Основна роль в цьому процесі належить прибережним (очерету, рогозу, очерету, манника і ін.) І зануреним рослинам (рдест, елодії, кушир, урути і ін.).
Мінералізація складних органічних сполук відбувається в присутності кисню. При сильному забрудненні запаси розчиненого кисню швидко витрачаються, чому самоочищення води сповільнюється. Прибережно-водні рослини роблять благотворний вплив на кисневий режим водойми і тим самим прискорюють процес самоочищення. Деякі дослідники вважають, що чим багатша водойму рослинами, тим вище його Мінераліз здатність. Це відбувається не тільки за рахунок виділеного рослинами кисню, але і за рахунок того, що макрофіти своєю присутністю створюють сприятливі умови для життєдіяльності бактерій, періфітона, мешканців товщі і дна водойми.
Великі макрофітів (такі як очерет, рогіз, рдести, кушир і ін.), Затінюючи поверхню води і поглинаючи біогеннние і інші мінеральні сполуки, є потужним антагоністом синьо-зелених та інших водоростей, пригнічують їх розвиток і цим вони усувають шкідливий для гідробіонтів «цвітіння» водойм .
В процесі метаболізму вищі водні рослини виділяють в середу фізіологічно активні речовини, типу фітонцидів і антибіотиків. Це призводить до зниження чисельності патогенної мікрофлори. Показано, що в заростях макрофітів коли-титр буває значно нижче, ніж у відкритих ділянках водойми. Крім того, рослини виділяють в середу різні метаболіти, органічні кислоти, поліфеноли, які сприятливо впливають на життєдіяльність гетеротрофних бактерій та інших організмів. Стебла рослин представляють собою величезну поверхню для розвитку різних мікроорганізмів, які виконують активну роль в деструкції органічної речовини і очищення води.
Яким же вимогам повинні задовольняти прибережно-водні рослини? Вони повинні бути максимально стійкі до сильно забрудненим стоків, мати потужну кореневу систему, здатну поглинати і переробляти багато забруднення, добре рости в забруднених водоймах, утворювати високорослі й густі зарості, продукувати велику біомасу, здатну акумулювати багато мінеральні та токсичні речовини, легко поновлюватися при скошуванні .
Багато фахівців вважають, що саме прибережно-водна рослинність є основним фактором формування і регулювання якості води природних водойм, оскільки рослини в великих кількостях поглинають не тільки біогенні, баластні, а й токсичні речовини мінерального і органічного походження. До того ж повітряно-водні рослини здатні рости і розвиватися при нестачі і навіть при повній відсутності кисню в мулі завдяки аеренхімному будовою коренів і інших органів.
Крім того, водна рослинність, перш за все високоросла, надає механічне і фізико-хімічний вплив на водне середовище, в якому вона розвивається.
Ряд мікроелементів, присутніх в водоймах в малих концентраціях, відіграють позитивну роль в житті рослин (впливають на їх зростання, дихання, обмін, харчування, розмноження та ін.). При збільшенні концентрації цих речовин вони стають токсичними практично для всіх гідробіонтів.
Прибережно-водні рослини витягають з води і грунту не тільки необхідні їм біогенні елементи, але й сполуки важких металів, синтетичні поверхнево-активні речовини та багато іншого. Поглинання рослинами мінеральних речовин характеризується видовою специфічністю і може досягати досить істотних величин.
Здатність вищих водних рослин накопичувати речовини в концентраціях, що перевищують фонові значення, зумовила їх використання в системі моніторингу та контролю за станом навколишнього середовища
Узагальнено можна стверджувати, що рослини одного виду накопичують в тканинах тим більше хімічних елементів, ніж більше їх міститься у воді в доступному для рослин вигляді. Крім того, вищим водним рослинам властива вибірковість в накопиченні не тільки макро-, але і мікроелементів, в тому числі і важких металів.
Дослідження показали, що найбільша акумулює здатність техногенних елементів відзначена у занурених рослин. Занурені рослини накопичують важкі метали в 10 разів інтенсивніше, ніж прибережно-водні.
У той же час прибережно-водні рослини мають досить високу стійкість до солей важких металів. Так, очерет звичайний може існувати без видимого для себе шкоди при концентраціях від 100 до 300 мг / л міді сірчанокислої, ртуті азотнокислої, кобальту хлористого, заліза сірчанокислого, хрому азотнокислого, цинку сірчанокислого.
У лабораторних експериментах при фільтрації через зарості рослин стічних вод тваринницького комплексу великої рогатої худоби кількість різних мінеральних солей зменшувалася на 37-57%, хлоридів - на 56%, сульфатів - на 34%. У цих дослідах найкращі результати показали очерет, рогіз, півники болотні, очерет і інші макрофітів.
Так що, прибережно-водна рослинність може акумулювати з природних і стічних вод багато хімічні елементи і, тим самим, сприяє зниженню їх концентрації в середовищі. Тому визнається раціональним їх культивування в водоймі або в системі очищення забруднених вод з подальшим видаленням. Видалення і подальша переробка рослин дозволить утилізувати багато токсичні і радіоактивні сполуки.
Мінералізація і окислювальна функція. Деструкція і мінералізація складних органічних сполук до простих і нешкідливих відбувається двома шляхами: в результаті фізико-хімічних процесів і за участю рослин.
У другому випадку мінералізація протікає за участю рослин: або в процесі метаболізму, або у водному середовищі, але знову-таки за участю кисню, що виділяється рослинами. Цей процес в житті водойми має провідне значення, бо інтенсивність біохімічних реакцій в живому організмі вище інтенсивності чисто хімічних реакцій, вільно протікають у водоймах.
Мінераліз здатність водойми прямо пропорційна інтенсивності розвитку в ньому прибережно-водної рослинності.
Детоксикація органічних забруднень. У міських і промислових стоках, навіть пройшли повну біохімічну очистку, в водойми надходить значна кількість небезпечних забруднень (феноли, пестициди, отрутохімікати та ін.).
Встановлено, що очерет, рогіз, очерет, ірис та інші макрофіти здатні поглинати з води не тільки інертні з'єднання, але і фізіологічно активні речовини типу фенолів, пестицидів, нафт, нафтопродуктів та ін. Якщо, звичайно, вони не перевищують летальні для рослин концентрацій.
Деякі токсичні сполуки не тільки поглинаються рослинами, але і включаються в метаболізм, що має велике значення для їх детоксикації. Так, деяка частина спожитого рослинами фенолу виділяється в атмосферу через продихи
Феноли і їх похідні видаляють із забруднених вод за допомогою водних рослин, перш за все занурених. Дослідження показали, що протягом доби одну рослину очерету озерного вагою близько 100 г здатне витягнути з води до 4 г фенолу.
У водойми в значних кількостях надходять різні отрутохімікати, зокрема хлорорганічні сполуки. Ці речовини також накопичуються водоростями. Вивчення впливу деяких пестицидів на життєдіяльність різних видів очерету, рогозу, рдеста, ряски, урути, куширу і ін. Показало, що рослини здатні поглинати і накопичувати ці отруйні сполуки. В експериментальних умовах уруть протягом 3-7 днів видаляла з водойми до 50% діфенаміда, а водний гіацинт - до 80%; ці рослини розкладають цей гербіцид на менш стійкі сполуки, які в подальшому споживаються мікроорганізмами.
Цінність водних рослин полягає в тому, що вони можуть не тільки концентрувати отрутохімікати, а й здатні розкладати високотоксичні з'єднання на менш токсичні, і, в кінцевому рахунку, знешкоджувати їх.
Деструкція нафтових забруднень. ВУкаіни за різними оцінками в результаті аварій і витоків щорічно втрачається від 10 до 20 млн. Тонн нафти.
Зарослі прибережно-водною рослинністю водойми досить легко справляються зі вступниками в них нафтовими забрудненнями. Причому, чим вище ступінь заростання, тим інтенсивніше протікають процеси самоочищення водойм. В заростях макрофітів нафту піддається за допомогою мікроорганізмів біологічному окисленню і втягується в обмінні процеси, причому не тільки бактерій, але і інших гідробіонтів, в тому числі і рослин. Найбільш стійкими до нафтового забруднення є очерет, рогіз, очерет, елодея та інша прибережно-водна рослинність. У присутності нафти (звичайно, в невеликих концентраціях) зростання очерету, рогозу та очерету протікає більш інтенсивно (в середньому на 10-15 см), ніж в дослідах без нафти.
Різні види нафти (сира, товарна, емульгованих, а також нафтопродукти) при концентрації 1 г / л в присутності рослин зникають через 5-10 днів, а без рослин - на 28-32-й день досвіду. Так що вищі водні рослини прискорюють бактеріальне розкладання нафти і нафтопродуктів в 3-5 разів.
Руйнування нафти і нафтопродуктів здійснюється в основному за рахунок життєдіяльності нефтеокисляющих і сапрофітних бактерій. Процес руйнування нафти відбувається відразу ж після її надходження у водойму; кількість мікроорганізмів різко збільшується, досягаючи свого максимуму на 3-4 день. Мікробіологічні процеси призводять до руйнування нафтової плівки і нафти в товщі води, зменшенню концентрації в воді кисню і, навпаки, - до збільшення вмісту вуглекислоти. У міру зменшення кількості нафти чисельність бактерій поступово знижується.
У процесі руйнування нафти частина окислених з'єднань включається в метаболізм бактерій і рослин, а решта - переробляється з утворенням нетоксичних і малотоксичних сполук. Так що, розкладання нафти - результат спільної діяльності гетеротрофних мікроорганізмів і прибережно-водних рослин. Перші виступають, як основні деструктори і мінералізатори забруднюючих речовин, а другі - як індуктори, поглиначі і споживачі окислених з'єднань