Нарушение круговорота веществ. Эвтрофикация

Рис.1.5- Круговорот фосфора

 

 

    1.6 Круговорот воды

 

Около трети, поступающей, на Землю энергии Солнца затрачивается на приведение в движение круговорота воды. Море теряет из-за испарения воды больше, чем получает с осадками. На суше ситуация противоположная. То есть значительная часть осадков, поддерживающих экосистемы суши, приходит к нам с моря.

Однако немалый вклад в круговорот воды вносит и растительность данной конкретной местности, особенно в областях, находящихся в глубине континента, или же «экранированных» от моря грядой гор. Дело в том, что вода, поступающая в растения из почвы, почти полностью (97-99 %) испаряется через листья. Это называется транспирацией. Испарение охлаждает листья и способствует движению в растениях биогенных элементов. Одновременно это поддерживает локальные круговороты воды, позволяющие растительному миру успешно существовать даже если «дожди с моря» достаточно редки.

На рисунке 1.6 представлен круговорот воды.

 

 

Рис.1.6- Круговорот воды

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 ЭВТРОФИКАЦИЯ

 

 Эвтрофикация, или эвтрофирование, - процесс обогащения водоемов питательными веществами, особенно азотом и фосфором, главным образом биогенного происхождения. В результате происходит постепенное зарастание озера и превращение его в болото, заполненное илом и разлагающимися растительными остатками, которое, в конце концов, полностью высыхает. В естественных условиях этот процесс занимает десятки тысяч лет, однако в результате антропогенного загрязнения протекает очень быстро. Так, например, в маленьких прудах и озерах под влиянием человека он завершается всего за нескольких десятилетий.                        

Эвтрофикация усиливается, когда рост растений в водоеме стимулируется азотом и фосфором, содержащимися в насыщенных удобрениями стоках с сельскохозяйственных угодий, в чистящих и моющих средствах и других отходах.   Воды озера, принимающего эти стоки, представляют собой плодородную среду, в которой происходит бурный рост водных растений, захватывающих пространство, в котором обычно обитают рыбы. Водоросли и другие растения, отмирая, падают на дно и разлагаются аэробными бактериями, потребляющими для этого кислород, что приводит к замору рыбы. Озеро заполняется плавающими и прикрепленными водорослями и другими водными растениями, а также питающимися ими мелкими животными.

Эвтрофикация представляет особую проблему для прибрежных и внутренних вод, где разрастание водорослей может привести к сокращению концентрации растворенного в воде кислорода, что оказывает отрицательное влияние на состояние растений, рыб и других аквабионтов. Эти водоросли зачастую являются токсичными для животных и людей. Чрезмерное поступление соединений азота на поверхность земли может привести к увеличению концентрации нитратов в подземных водах, что делает эти воды непригодными для использования для питьевых целей. 

На рисунке 2.1 представлена эвтрофикация.

 

 

   Рис.2.1 – Эвтрофикация

 

В упрощённом виде процесс эвтрофирования имеет следующие базовые стадии:

• в верхнем слое воды происходит концентрация биогенных веществ, что провоцирует активное развитие микрофлоры (прежде всего,  фитопланктона, также водорослей-обрастателей) в этой зоне и увеличение массы питающегося фитопланктоном зоопланктона. Подобный рост снижает прозрачность воды, глубина проникновения лучей солнца уменьшается, в результате недостатка света начинается гибель придонных растений. Процесс отмирания донных водных растений влечёт за собой гибель прочих организмов, которым эти растения формируют местообитание или для которых они являются вышестоящим звеном в пищевой цепи.

• от температурного режима верхнего слоя воды зависит активность увеличения биомассы растений (особенно водорослей). В ночное время фотосинтез в этих растениях не происходит, но активный процесс дыхания продолжается. Летом, в предутренние часы тёплых дней, содержание кислорода в верхних горизонтах воды падает и наблюдается гибель аэробных организмов, населяющих эти горизонты и требовательных к содержанию кислорода (так называемый «летний замор»).

• отмершие организмы падают на дно водоёма и разлагаются аэробными бактериями. Однако, страдающая от гипоксии донная растительность уже не в состоянии обеспечивать производство кислорода в должной мере. А если учесть, что общая биопродуктивность эвтрофного водоема увеличивается, нарастает дисбаланс между производством и потреблением кислорода в придонных горизонтах. Усугубившийся дефицит кислорода ведёт к гибели требовательной к кислороду донной и придонной фауны. Схожее явление наблюдается зимой в мелководных замкнутых водоёмах — т.н. «зимний замор».

• в донном грунте, лишенном кислорода, идет анаэробный распад отмерших организмов с образованием таких сильных ядов, как фенолы и сероводород, и столь мощного «парникового газа» (по своему эффекту в этом плане превосходящего углекислый газ в 25 раз), как метан. В результате процесс эвтрофикации уничтожает большую часть видов флоры и фауны водоема, практически полностью разрушая или очень сильно трансформируя его экосистемы, и сильно ухудшает санитарно-гигиенические качества его воды, вплоть до ее полной непригодности для купания и питьевого водоснабжения.

Существует два основных подхода для борьбы с эвтрофикацией:

1. борьба против ее симптомов: развития водорослей и (или) снижения уровня растворенного кислорода;

2. устранение ее причины: чрезмерное поступление наносов и биогенов.

Часто используют 1-й способ, но успех сомнителен и дорогостоящий. Например, для устранения нежелательных растений в водоемах успешно применяют гербициды. Еще в 70-х и 80-х годах в пруды и озера сброшены тысячи тонн химикатов, оказалось, что они не всегда помогают. Если сбросить в водоем количество химикатов, достаточное для уничтожения водорослей, то все живое в нем погибнет. Если же понизить концентрацию гербицидов, то в первую очередь, появятся планктонные водоросли. Для поддержания в водоеме содержания растворенного кислорода на достаточно высоком уровне часто используют аэрацию (систему механической подачи воздуха). При аэрации может также сократиться содержание в воде фосфатов, т.к. они переходят в нерастворимую форму. Однако аэрация, особенно крупных водоемов требует значительных энергетических затрат. Поэтому 2-й способ борьбы с эвтрофикацией более эффективен, для него необходимо выявить источники притока наносов и биогенов, а затем применить экономические эффективные методы контроля за ними.

 

 

2.1 Эвтрофикация воды в реках и озерах

 

  

   Эвтрофикация — это составная часть естественного процесса, называемого сукцессией. За несколько тысяч лет озеро может измениться естественным путем и превратиться из олиготрофного в эвтрофное, т.е. состариться. Антропогенная деятельность приводит к аналогичным последствиям всего за несколько десятилетий. Поэтому принято говорить об антропогенной эвтрофикации, противопоставляя ее естественной. Эвтрофикация — хороший пример того, что не все негативные проблемы связаны с промышленным выбросом ядовитых соединений.

Эвтрофикация также является причиной вымывания азота из почвы, что приводит к усилению процессов закисления поверхностных и подземных вод. Озера, подверженные эвтрофикации, называют мертвыми. Строго говоря, это неправильно, т.к. общая биопродуктивность фитопланктона может быть высокой. Такие водоемы не используются для отдыха и не могут служить источником питьевой воды, т.к. клетки водорослей быстро забивают водоочистительные фильтры и придают воде неприятный вкус.

В геологических масштабах времени водоемы постепенно обогащаются биогенами и заполняются поступающими с суши наносами. Таким образом, их эвтрофикация становится составной частью естественного процесса, называемого сукцессией. Люди своей деятельностью значительно ускоряют этот процесс. За несколько десятилетий они приводят к изменениям, которые в природных условиях проходили бы тысячи  лет, поэтому  разделяют  антропогенную и естественную эвтрофикацию.

 Эвтрофикация водоемов — это обогащение водоема биогенами, стимулирующее рост фитопланктона. Результатом является помутнение воды, гибель бентосных растений, снижение концентрации растворенного кислорода, недостаток его для глубоководных рыб и моллюсков. Эвтрофикация может происходить даже в медленно текущих пресных водах. Чем больше органических веществ поступает в озеро, тем больше требуется кислорода для перевода их в неорганические соединения. Поэтому комплексными характеристиками загрязнения воды органическими веществами служит биологическое (БПК) и химическое (ХПК) потребление кислорода. Эвтрофикация представляет собой смену богатой экосистемы, основанной на бентосной растительности, на простую, основанную на фитопланктоне. В геологических масштабах времени водоемы постоянно обогащаются биогенами и заполняются поступающими с суши наносами. За многие столетия в озере накапливаются ил и детрит, постепенно заполняющие первоначально глубокую чашу озера.

Необходимо различать две жизненные формы водных растений:

-бентосную 

-фитопланктонную

Бентосные (греч. «бентос» - глубина) растения развиваются прикрепившись или укоренившись на дне. Это все обычные аквариумные виды и морские травы, они выживают в бедной биогенами воде, т.к. получают необходимые элементы (например, азот и фосфор) из донных отложений, но нуждаются в проникновении через толщу воды света (для фотосинтеза). 

Фитопланктон состоит из множества видов водорослей, их скоплений или «нитей», которые держатся вблизи поверхности воды или прямо на ней. Высокая численность планктона является причиной помутнения воды, а иногда вода становится даже зеленой. Фитопланктон не связан с дном, поэтому должен получать биогены из воды, а их недостаток тормозит его развитие.

Различают:

- олиготрофные озера (лат. бедные пищей) бедны минеральным азотом и особенно фосфором, встречающимся в виде следов. Благодаря низкой плотности биоценоза в воде присутствует много кислорода (рис. 6.13, а), а содержание СО 2 невелико. Вследствие чего отмечается нерастворимость соединений железа. Вода прозрачная, синего или зеленого цвета. К такому типу относят глубокие озера с песчаными берегами.

Кислород из атмосферы растворяется в воде крайне медленно.

Следовательно, бентосные растения не только обеспечивают пищу и убежище водным животным, но и поддерживают необходимую концентрацию растворенного кислорода на глубине, выделяя его непосредственно в воду. В результате в водоеме, обедненном питательными элементами, может существовать богатый, разнообразный биоценоз из рыб, моллюсков и бентосных растений, которыми они питаются.

- эвтрофные озера (от греч. хорошо и лат. питающегося ) богаты азотом и фосфором. Обилие организмов ведет к истощению кислорода в глубинных слоях воды во время фаз застоя (рис. 6.13, б).

 

Вода малопрозрачная, от зеленовато-коричневой до коричневой. Для таких озер характерны небольшие глубины, благоприятствующие образованию широких поясов прибрежной растительности.

- дистрофные озера  неглубокие с берегами, поросшими торфообразующими растениями. Вода малопрозрачна, окрашена в бурый цвет гуминовыми веществами, кислород в дефиците, реакция воды слабокислая.

Обогащение биогенами. При эрозии и выщелачивании водоем постепенно заполняется наносами и обогащается биогенами, накопление которых способствует развитию фитопланктона, а значит, помутнению воды и затенению бентосной растительности. Кислород, выделяемый планктоном при фотосинтезе, перенасыщает верхний слой воды и улетучивается с ее поверхности. В ясный день легко видеть, как из скоплений нитчатых водорослей всплывают пузырьки кислорода. Жизненный цикл фитопланктона очень короток. Его быстрое размножение компенсируется отмиранием, ведущим к накоплению детрита. Отмерший фитопланктон поступает в глубинную зону, где им питаются редуценты, также потребляющие кислород и снижающие его концентрацию в воде. Когда растворенного кислорода не остается, бактерии - редуценты выживают за счет анаэробного брожения, и так может продолжаться до тех пор, пока есть детрит для питания.

Таким образом, у поверхности количество растворенного кислорода может быть очень высоким из-за фотосинтеза фитопланктона, а на глубине его запасы истощаются редуцентами (рис. 6.13, б).

Фитопланктон переносит усвоенные им биогенные элементы на дно, где по мере разложения детрита они вновь высвобождаются. Восходящие конвективные потоки возвращают биогены к поверхности, и описанный процесс повторяется многократно.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

 

Итак, все вещества на планете Земля находятся в процессе круговорота. Выделяют два основных круговорота: географический (большой) и биологический (малый).

Географический круговорот длится миллионы лет. Горные породы разрушаются, выветриваются и потоками вод сносятся в Мировой океан, где образуют мощные морские напластования. Часть химических соединений растворяется в воде или потребляется биоценозом. Крупные медленные геоктонические изменения, процессы, связанные с опусканием материков и поднятием морского дна, перемещение морей и океанов в течение длительного времени приводят к тому, что эти напластования возвращаются на сушу и процесс начинается вновь.