Что такое эвтрофикация водоемов
Эвтрофикация
Эвтрофикация (др.-греч. εὐτροφία — хорошее питание) — процесс ухудшения качества воды из-за избыточного поступления в водоем так называемых «биогенных элементов», в первую очередь соединений азота и фосфора. Эвтрофикация может быть результатом как естественного старения водоёма, так и антропогенных воздействий. Основные химические элементы, способствующие эвтрофикации — фосфор и азот.
Для эвтрофных водоёмов характерны богатая литоральная и сублиторальная растительность, обильный планктон. Искусственно несбалансированная эвтрофикация может приводить к бурному развитию водорослей («цветению» вод), дефициту кислорода, замору рыб и животных. Этот процесс можно объяснить малым проникновением солнечных лучей вглубь водоёма (за счёт фитопланктона на поверхности водоёма) и, как следствие, отсутствием фотосинтеза у надонных растений, а значит и кислорода.
Механизм воздействия эвтрофикации на экосистемы водоемов следующий.
1. Повышение содержания биогенных элементов в верхних горизонтах воды вызывает бурное развитие растений в этой зоне (в первую очередь фитопланктона, а также водорослей-обрастателей) и увеличение численности питающегося фитопланктоном зоопланктона. В результате прозрачность воды резко снижается, глубина проникновения солнечных лучей уменьшается, и это ведет к гибели донных растений от недостатка света. После отмирания донных водных растений наступает черед гибели прочих организмов, которым эти растения создают места обитания или для которых они являются вышерасположенным звеном пищевой цепи.
2. Сильно размножившиеся в верхних горизонтах воды растения (особенно водоросли) имеют намного большую суммарную поверхность тела и биомассу. В ночные часы фотосинтез в этих растениях не идет, тогда как процесс дыхания продолжается. В результате в предутренние часы теплых дней кислород в верхних горизонтах воды оказывается практически исчерпанным, и наблюдается гибель обитающих в этих горизонтах и требовательных к содержанию кислорода организмов (происходит так называемый «летний замор»).
3. Отмершие организмы рано или поздно опускаются на дно водоема, где происходит их разложение. Однако, как мы отметили в пункте 1, донная растительность из-за эвтрофикации погибает, и производство кислорода здесь практически отсутствует. Если же учесть, что общая продукция водоема при эвтрофикации увеличивается (см. пункт 2), между производством и потреблением кислорода в придонных горизонтах наблюдается дисбаланс, кислород здесь стремительно расходуется, и все это ведет к гибели требовательной к кислороду донной и придонной фауны. Аналогичное явление, наблюдающееся во второй половине зимы в замкнутых мелководных водоемах, называется «зимним замором».
Антропогенная эвтрофикация
Основные антропогенные источники фосфора и азота: необработанные сточные воды (в особенности из животноводческих комплексов) и смыв удобрений с полей. Во многих странах запрещено использование ортофосфата натрия в стиральных порошках для уменьшения эвтрофикации водоёмов.
Что такое эвтрофикация водоемов и способы ее устранения
Чтобы избавить водоемы от гибели, необходимо обнаружить причинные механизмы эвтрофикации. Убавить высокое содержание биогенных компонентов можно, если качественно прочистить гидрофитную экосистему.
Внешние признаки загрязнения пруда
Заметными знаками загрязненного водоема являются:
Эти знаки показывают отмирание водной экосистемы.
Причины загрязнения
Из причин эвтрофикации выделяют:
Последствия
Из-за явления эвтрофикации биологический механизм водоема поражается, что вызывает глубинные последствия:
Как очистить водоемы?
Чтобы остановить эвтрофикацию в водоемах, применяют следующую очистку:
Применение солнечного света для уничтожения последствий эвтрофикации менее распространено. Обычно от цветения на водоемах используют химический, а также биологический способы.
Насосный механизм в водоемах нужен как после антропогенных последствий эвтрофикации, так и как профилактика уменьшения цветения.
Иногда может потребоваться совмещение биологического и химического способа. Химикалии смывают в водоем, и простейшие начинают вымирать. Кислород возобновляется, и требовательные полезные растения исконного происхождения восстанавливаются.
Для водоемов с верхними водными трубами проводят прочистку от азота и вносят удобрения с фосфором. Они смывают колонии бактерий и простейших. Затем дно прочищают насосными аппаратами для вымывания отработавшего слоя водоема.
Чтобы водоем не «цвел», надо снизить поступление в него фосфора
Слева: Дэвид Шиндлер в 1981 г. Тогда он был директором Программы ELA (Experimental Lakes Area — «Экспериментальной озерной территории»). Справа: сделанный в августе 1976 г. аэроснимок озера №226, находящегося на «Экспериментальной озерной территории». Озеро было поделено на две части пластиковой перегородкой, и в северо-восточную часть (она внизу снимка) добавляли фосфор, что вызвало «цветение воды» (массовое развитие фитопланктона). Изображение с сайта www.cbc.ca
Наверняка каждому хоть раз приходилось видеть пруд с совершенно непрозрачной, зеленого цвета водой. Про такой водоем говорят, что он «цветет». «Цветение воды» — это не что иное, как вспышка численности фитопланктона (микроскопических водорослей и цианобактерий). Чтобы понять причины возникновения подобных вспышек, необходимо разобраться в механизмах, обычно сдерживающих непомерное развитие фитопланктона. Для этого в лаборатории или непосредственно в озере проводят опыты с добавлением в среду того или иного дефицитного элемента минерального питания, прежде всего азота и фосфора. Хотя экспериментально и доказано, что процесс эвтрофирования (увеличения биологической продуктивности вод, наиболее заметным проявлением которого как раз является «цветение») возникает в результате возросшего поступления в среду элементов минерального питания, прежде всего фосфора, из этого не следует, что при сокращении притока дефицитных элементов наблюдаемые процессы пойдут в строго обратном направлении. Полного «обращения вспять» не происходит (или оно происходит с большой задержкой), поскольку в изменившихся условиях вступают в действии другие процессы, например поступление фосфора из донных отложений или усиление фиксации (связывания) атмосферного азота цианобактериями. Тем не менее, значительное сокращение поступления в водоем фосфора остается единственной эффективной мерой в борьбе с эвтрофированием.
Помимо света (источника энергии) и углерода (основного строительного материала) всем организмам фитопланктона, как водорослям, так и бактериям, нужны также элементы минерального питания («биогенные элементы»), прежде всего — азот и фосфор. Соотношение числа атомов углерода, азота и фосфора в клетках фитопланктона равно в среднем 106:16:1. На 106 атомов углерода приходится 16 атомов азота и 1 атом фосфора. Поскольку все эти элементы являются незаменимыми, очевидно, что нехватка любого из них может ограничивать рост численности фитопланктонных организмов. Впрочем, углерода, которого нужно больше всего, в воде как раз хватает, а вот азот и, особенно, фосфор нередко оказываются в дефиците, сдерживая таким образом размножение водорослей и цианобактерий.
Поступают азот и фосфор в озера прежде всего с территории водосбора. Неудивительно поэтому, что процессы, происходящие на этой территории, сказываются на состоянии экосистемы озера. Так, если на прилегающих землях начинают выращивать сельскохозяйственные культуры, требующие применения большого количества минеральных удобрений, то определенная часть этих удобрений неизбежно смывается дождями (а весной — и талыми водами) в озеро. Если рядом находится животноводческий комплекс, то его стоки также попадают в водоем. Даже простое увеличение числа людей, проживающих около озера, приводит к возрастанию поступления в водоем азота и фосфора — они ведь присутствуют в конечных продуктах обмена веществ нашего организма (как и в продуктах обмена домашних животных), причем в форме, пригодной для усвоения водорослями и бактериями.
Одно из озер «Экспериментальной озёрной территории» в Канаде (провинция Онтарио), где проводились исследования процессов эвтрофирования. Фотография Paul Frost с сайта www.openfile.ca
В ответ на повышение стока в озеро азота и фосфора увеличивается продукция фитопланктона, то есть скорость нарастания его массы. Планктонные животные, например дафнии, в такой ситуации увеличивают потребление фитопланктона, но возможности их в сдерживании роста водорослей и бактерий в общем ограниченны. При отсутствии лимитирования «снизу» (элементами минерального питания) фитопланктон быстро выходит из-под контроля «сверху» (пресса поедающего его зоопланктона) и достигает таких концентраций, при которых резко уменьшается прозрачность воды, а ограничивающим фактором становится нехватка света (эффект самозатенения).
Масса отмершего фитопланктона опускается в более глубокие слои водной толщи, а развивающиеся здесь бактерии перерабатывают для своих нужд свалившуюся на них кучу органического вещества, расходуя при этом порой весь имеющийся в окружающей среде кислород. В создавшихся условиях резкого дефицита кислорода скорость дальнейшего разложения органического вещества бактериями резко замедляется. Взвешенные частицы детрита (состоящего главным образом из отмерших клеток фитопланктона и фекалий планктонных животных) опускаются вниз и образуют слои донных отложений. Кислород на дне и в придонных слоях водной толщи отсутствует. Соответственно, обитать там могут только анаэробные бактерии. Но дефицит кислорода, приводящий к гибели рыб (так называемым «заморам») может наблюдаться в подобных водоемах и в верхних слоях воды. Происходит это ночью, когда фотосинтез фитопланктона прекращается, а кислород очень активно потребляется при дыхании как самих фитопланктонных организмов, так и бактерий, разлагающих мертвое органическое вещество.
Совокупность описанных выше процессов и есть то, что называют «эвтрофированием» (или «эвтрофикацией» — оба термина употребляются в русской литературе). Иногда эвтрофирование возникает в силу естественных причин, например при близости больших колоний птиц (птичьих базаров) или при выпадении вулканического пепла. Однако в большинстве случаев оно связано с хозяйственной деятельностью человека. Возможности использования сильно эвтрофированных водоемов весьма ограниченны. Вода из них не годится для питья, да и многих других хозяйственных нужд. Спортивное рыболовство невозможно, поскольку при ухудшении кислородного режима исчезают ценные в промысловом отношении виды рыб, прежде всего представители лососевых и сиговых. Купальщиков эвтрофные водоемы также не привлекают, тем более что среди цианобактерий, вызывающих «цветение воды», попадаются штаммы, вырабатывающие токсины. Бороться с эвтрофированием чрезвычайно сложно. Источников поступления в водоем азота и фосфора (в минеральной форме, пригодной для использования фитопланктоном) множество, они носят диффузный (рассеянный) характер и неизбежно возникают при росте численности населения и необходимости увеличивать производство продуктов питания.
Зависимость биомассы фитопланктона (оцененной по содержанию хлорофилла) от общего количества фосфора в разных озерах, находящихся на «Экспериментальной озерной территории» (Канада, Онтарио). Из книги Стэнли Додсона (Stanley Dodson) «Introduction to Limnology», 2005. Данные заимствованы из работы Дэвида Шиндлера Evolution of Phosphorus Limitation in Lakes // Science, 1977. V. 195. Pp. 260–262
Изучение процессов эвтрофирования ведется давно и очень интенсивно. Уже в 1970‑е годы трудами исследователей разных стран было показано, что уровень развития фитопланктона в том или ином озере непосредственно зависит от количества поступающего в водоем фосфора. Стоки азота также имеют значение, но только при наличии фосфора. Кроме того, некоторые цианобактерии являются «диазотрофами», то есть способны связывать молекулярный азот атмосферы (N2). Ряд важных работ по эвтрофированию был выполнен в 1970–80 гг. в Канаде (провинция Онтарио), в рамках проекта, получившего название «Экспериментальная озерная территория» (Experimental Lakes Area). Недавно профессор Дэвид Шиндлер (David Schindler), долгое время руководивший данным проектом, опубликовал обзорную статью, подводящую итоги изучения процесса эвтрофирования и попыток возвращения эвтрофированных озер в исходное состояние (процесса, называемого иногда «олиготрофизацией»).
Проблема эта имеет огромную практическую значимость. В частности, некоторые авторы предполагают, что введение жестких мер, направленных на ограничение стока в водоемы фосфора, само по себе недостаточно. Необходимо ограничить также стоки азота. Однако введение контроля за двумя элементами оказывается очень дорогим. Так, комиссия Евросоюза оценивает стоимость мер по ограничению сброса в Балтийское море азота и фосфора в 3,1 млрд евро. Но если ограничиться только фосфором, то стоимость мер снижается в 10 раз — до 0,21–0,43 млрд евро.
Динамика различных показателей состояния озера №261 на «Экспериментальной территории» за двадцатилетний период. Широкой голубой полосой показан период, когда озеро интенсивно удобряли фосфором. На отдельных графиках приведены изменения в содержании: (a) TN — общего азота; (b) NO3 — нитратов; (c) TP — общего фосфора; (d) Chlorophyll a — хлорофилла a. Все величины в микрограммах на литр. Подобные графики приведены и для ряда других озер. Изображение из обсуждаемой статьи в Proc. R. Soc. B.
Проанализировав множество работ, Шиндлер в обсуждаемом обзоре приходит к выводу, что решающим фактором, определяющим эвтрофирование, является всё же поступление фосфора. Поэтому снижение именно фосфорной нагрузки является самым многообещающим методом борьбы с эвтрофированием. Однако процесс «олиготрофизации», то есть обращения вспять процесса эвтрофирования, сам по себе может быть очень непростым. Вся логика предыдущих исследований основывалась на экспериментах по добавлению дефицитных элементов в среду, содержащую фитопланктон. При этом молчаливо допускалось, что изъятие из стоков этих элементов автоматически запустит цепь процессов, обратных тому, что происходило при эвтрофировании. Но выяснилось, что это не так. Обратная реакция могла быть иной из-за эффекта гистерезиса (см. также hysteresis) — зависимости системы не только от текущего состояния среды, но и от прошлого, или, иначе, из-за неодинаковости траекторий между крайними состояниями системы.
Так, если в водоем долгое время сбрасывается большое количество фосфора, значительная его часть попадает на дно, а после того, как сброс фосфора извне прекращается, начинается активное высвобождение его из донных отложений. При уменьшении сброса азота активизируется азотфиксация — связывание атмосферного азота «диазотрофами», представленными в водоемах цианобактериями.
Шиндлер подчеркивает, что хотя лабораторные эксперименты дают гораздо более точные и легче интерпретируемые результаты, но только крупномасштабные опыты с целыми озерами могут служить надежной основой для разработки мер по предотвращению эвтрофирования или восстановлению прежнего статуса сильно эвтрофированных озер.
Источник: David W. Schindler. The dilemma of controlling cultural eutrophication of lakes // Proc. R. Soc. B. 2012. Published online before print August 22, 2012. (Вся статья находится в свободном доступе).
Эвтрофикация
Вы знаете об эвтрофикации воды? Есть много экологических проблем, связанных с загрязнением воды. Мы определяем загрязнение воды в качестве потеря природных свойств воды и ее состава из-за внешних факторов, будь то естественных или искусственных. Есть много типов загрязнителей, которые способны модифицировать, изменять и ухудшать внутренние характеристики воды. В результате загрязнения воды он теряет свою функциональность в экосистемах и больше не пригоден для питья для людей, а также становится токсичным.
Определение качества воды
Чтобы начать разговор об эвтрофикации воды (как мы уже упоминали ранее, это вид загрязнения воды), мы должны определить, в соответствии с действующим законодательством, что такое вода в хорошем состоянии.
Мы определяем качество воды как набор физических, химических и биологических параметров, которые имеет эта вода и которые которые позволяют жизнь живущим в нем организмам. Для этого он должен иметь несколько характеристик:
Чтобы узнать, в каком состоянии находится вода, мы должны сравнить параметры, полученные после анализа в лаборатории, с некоторыми стандартами качества воды. Эти стандарты установлены Директивой 2000/60 / EC Европейского парламента и Совета, которая устанавливает рамки действий сообщества в области водной политики, более известные как Рамочная директива по воде. Эта Директива направлена на достижение и поддержание хорошего экологического и химического статуса воды.
Эвтрофикация вод
За последние 200 лет человек ускорил процессы эвтрофикации, изменив как качество воды, так и структуру живущих в ней биологических сообществ.
Эвтрофикация производит массовый рост микроводорослей это окрашивает воду в зеленый цвет. Этот цвет заставляет солнечный свет не попадать в нижние слои воды, поэтому водоросли на этом уровне не получают свет для фотосинтеза, что приводит к гибели водорослей. Гибель водорослей создает дополнительный вклад органического вещества, так что место становится гниющим и восстанавливающей средой (это означает, что среда с низким содержанием кислорода).
Последствия эвтрофикации вод
Когда происходит эвтрофикация, вода значительно теряет потенциальные возможности использования, для которых она предназначена, а также вызывает гибель животных, разложение воды и рост микроорганизмов (в основном бактерий).
Кроме того, во многих случаях микроорганизмы представляют опасность для здоровья человека, как в случае с патогенами, передающимися через воду.
Эвтрофикация изменяет характеристики окружающей среды водных экосистем изменение пищевой цепи и увеличение энтропии (беспорядка) экосистемы. Это имеет такие последствия, как потеря биоразнообразия в экосистемах, экологический дисбаланс, поскольку при меньшем количестве видов, взаимодействующих друг с другом, уменьшается богатство и генетическая изменчивость.
Как только территория теряет свой потенциал или естественное биоразнообразие, виды, которые являются более оппортунистическими, размножаются, занимая ниши, ранее созданные другими видами. Экологические последствия эвтрофикации воды сопровождаются: экономические последствия. Потеря питьевой воды и хорошее состояние рек и озер приводят к экономическим потерям.
Этапы эвтрофикации вод
Эвтрофикация вод не происходит мгновенно, а проходит в несколько этапов, как мы увидим ниже:
Олиготрофная стадия
Обычно это нормальное и здоровое состояние экосистем. Например, речная экосистема со средним содержанием питательных веществ, достаточным для поддержания видов животных и растений, которые в ней живут, и с достаточной степенью освещенности, чтобы водоросли могли фотосинтезировать внутри нее.
В олиготрофной стадии вода имеет значительную прозрачность и в ней есть животные, которые дышат и фильтруют кислород.
Подача питательных веществ
Ненормальное поступление питательных веществ может быть спорадическим, случайным или стать чем-то постоянным с течением времени. Если время от времени происходит разлив, вызывающий избыток питательных веществ в реках, экосистема может восстановиться. Однако, если дополнительный запас питательных веществ становится непрерывным, начнется взрывной рост растений и водорослей.
Есть одноклеточные водоросли, которые растут в воде, в той же фотической зоне. Поскольку они являются фотосинтезирующими водорослями, они придают воде зеленоватый цвет, который препятствует прохождению света на глубинах, которых он достиг ранее. Это создает проблему для тех растений, которые расположены ниже световой зоны, поскольку, не получая достаточного количества солнечного света, они не могут фотосинтезировать и умереть.
Кроме того, из-за избытка питательных веществ популяции растений и водорослей экспоненциально растут, и, как и во всех природных экосистемах, нарушается экологический баланс. Сейчас ситуация выглядит так: много питательных веществ для большого количества населения. Однако такая ситуация не может продолжаться долго, главным образом потому, что население истощает питательные вещества и в конечном итоге умирает и возвращается на дно реки или озера.
Эвтрофная стадия
Мертвое органическое вещество на дне разлагается бактериями, которые потребляют кислород, а также могут выделять токсины, смертельные для растений и животных.
Отсутствие кислорода приводит к гибели донных моллюсков, а также гибели рыб и ракообразных или их бегству в незатронутые районы. Могут появиться инвазивные виды, привыкшие к недостатку кислорода (например, усики и окуни могут вытеснить лосося и форель).
Если эвтрофикация очень выражена, можно создать бескислородную зону на дне реки или озера в котором вода слишком густая, темная и холодная и не допускает роста водорослей или животных.
Причины эвтрофикации вод
Эвтрофикация вод может происходить разными путями, как естественными, так и человеческими. Почти все случаи эвтрофикации воды во всем мире вызваны деятельностью человека. Это основные причины:
Сельское хозяйство
В сельском хозяйстве они используются азотные удобрения удобрять посевы. Эти удобрения просачиваются сквозь землю и достигают рек и грунтовых вод, вызывая дополнительный приток питательных веществ в воду и вызывая эвтрофикацию.
Тип эвтрофикации, вызываемой сельским хозяйством, является полностью рассредоточенным, поскольку его концентрация распространяется на многие районы, и не все они одинаковы.
животноводство
Помет животных богат питательными веществами, особенно азотом (аммиаком), который растения используют для роста. Если с экскрементами домашнего скота не обращаться должным образом, они могут в конечном итоге привести к загрязнению близлежащих водоемов.
Обычно сбросы или загрязнение вод вблизи животноводческих территорий. происходить своевременно и он не полностью эвтрофизирует воду.
Городские отходы
Производственная деятельность
Промышленная деятельность также может быть источником питательных веществ, которые могут производят определенные источники эвтрофикации. В случае промышленности, помимо многих других токсинов, могут выводиться как азотсодержащие, так и фосфатные продукты.
Подобно эвтрофикации, вызванной городскими отходами, она в высшей степени пунктуальна и с большой силой затрагивает определенные районы, когда происходит.
Загрязнение атмосферы
Не все выбросы парниковых газов могут вызывать эвтрофикацию вод. Однако они выделяют оксиды азота и серы, которые вступают в реакцию в атмосфере и производят кислотные дожди.
30% азота, попадающего в моря, попадает через атмосферу.
Лесохозяйственная деятельность
Если лесные остатки остаются в воде, когда они разлагаются, они вносят весь азот и остальные питательные вещества, которые были у растения. Опять же, это дополнительный запас питательных веществ, который вызывает эвтрофикацию.
Содержание статьи соответствует нашим принципам редакционная этика. Чтобы сообщить об ошибке, нажмите здесь.